×
Annonse fra Delta V for

3D-modell av øyet kan utsette behovet for lesebriller med minst 20 år

ANNONSE: 3D-modell av øyet kan utsette behovet for lesebriller med minst 20 år
  • Delta V Dette er en annonse. Journalistene i Tu.no er ikke involvert i produksjonen.
Figur 1: Dagens kirurgiske metoder for presbyopibehandling kan ofte resultere i reduksjon av synskvalitet slik som lysglorie (øverst), blending og gjenskinn (midten) eller dårlig synstilpasning i svakt lys (bunn).

 

Et forskningsteam hos sveitsiske Kejako, som utvikler medisinsk teknisk utstyr, viser hvordan de bruker multifysikksimuleringer til å utvikle en ny løsning som kan utsette behovet for lesebriller eller inngripende kirurgi med flere tiår.

 

Presbyopi, eller gammelmannssyn, er en naturlig effekt av aldring der elastisiteten til linsen i øyet blir dårligere og dermed forårsaker langsynthet. Som et resultat av dette vil synets evne til å tilpasse seg nye situasjoner bli dårligere fordi øyet ikke lenger er like godt til å endre den optiske styrken når du endrer fokus.

 

I dag har du stort sett to alternativer: Enten må du bruke briller, eller gå gjennom en operasjon med mulige bivirkninger som kan redusere synskvaliteten din. (Figur 1)

 

En ny løsning utviklet av Kejako vil kunne gi et nytt alternativ for behandling midt mellom lesebriller og kirurgi. De har utviklet en 3D parametrisk modell av et øye som gir verdifull innsikt i de bakenforliggende årsakene til øyets aldring. Som et resultat av denne modellen kan Kejako komme nærmere en løsning som vil utsette behovet for briller eller kirurgi med over 20 år.

 

Personlige behandlingsmuligheter

 

Figur 2: Prinsippet for linserestaurering og hvordan det påvirker synstilpasning som funksjon av leveår.

 

CEO og medgrunnlegger i Kejako, David Enfrun, forklarer det slik: «Vår løsning har potensial til å bli neste generasjons standard for personlig medisinsk behandling av øyets aldring. Vi fokuserer på tidlig behandling for å vedlikeholde øyets evne til å tilpasse seg. Dette gjør vi ved hjelp av personlig tilpasset laserbehandling som reduserer øyets aldring, noe som kan gi komfortabelt syn uten briller inntil 20 år lenger enn dagens løsning».

 

Kejakos løsning behandler årsakene til presbyopi, og er satt sammen av en serie ikke-invasive laserbehandlinger som foregår fra tidspunktet der pasienten starter å utvikle presbyopi og frem til utviklingen av grå stær. Dette hjelper pasienten til å beholde elastisiteten i linsen på et nivå der man slipper å bruke briller. (Figur 2)

 

Figur 3: De forskjellige komponentene i et øye som må være med for å kunne lage en fullstendig multifysikkmodell.

 

For å behandle gammelmannssynet bruker Kejako en kombinasjon av laserkirurgi og simuleringsmodeller til å gi en behandling de kaller «Phakorestoration™», eller linserestaurering på norsk. Simuleringen bruker en 3D-parametrisert modell av hele øyet, en modell de utviklet ved bruk av multifysikksimuleringer. «Vi startet utviklingsarbeidet i 2015 med en annen programvare vi allerede brukte. Vi fant fort ut at programvaren begrenset oss. Multifysikk er vesentlig i prosjektet vårt. I 2016 startet vi å jobbe med COMSOL® på grunn av muligheten for multifysikksimuleringer, fleksibiliteten og den høye kvaliteten på kundestøtten», forteller David Enfrun.

 

David forteller videre: «Modellen vår av hele øyet har potensialet til å kunne gi personalisert behandling for alle pasienter. Dette er viktig fordi alle pasienter har forskjellig fysiologi og alvorlighetsgrad av presbyopi. «Man kan definitivt ikke skjære alle over en kam når man skal behandle presbyopi og vår modell gir oss fundamentet til å behandle på riktig måte. Vi kan bruke modellen til å optimalisere behandlingen av hver pasient og gi dem en personlig prosedyre».

 

Multifysikkfokus

 

Figur 4: Fra målinger til simulering. Venstre: Et typisk resultat fra en optisk koherenstomografi (OCT) av et øye. Høyre: Et tverrsnitt av 3D-modellen basert på målinger fra OCT-bildene, laget i Solidworks®.

For å lage en nøyaktig parametrisert modell av et øye, må man beskrive organet fullt ut og samtidig ta høyde for en rekke fysiske fenomener. Aurélien Maurer, utviklingsingeniør hos Kejako og leder for øyemodellprosjektet, forklarer: «Vi trengte en komplett løsning, inkludert mekanikken og optikken i øyet. Vi ønsket å modellere et fullstendig øye og endre dets egenskaper, for å se hvordan det endret løsningen på problemet».

 

 Figur 4: Mesh av 3D-modellen laget i COMSOL®.

En rekke kompliserte fysiske fenomener må være med i beregningen for å oppnå dette, slik som fluidmekanikken i øyeeplet og de optiske egenskapene til hornhinnen og linsen når muskelligamenter deformerer den. Forskerteamet ville også simulere hvordan gradienten av brytningsindeksen påvirker lyset som penetrerer den krystallinske linsen, noe som krevde at de koplet sammen fluidmekanikk, strukturmekanikk og stråleoptikk. «Ingen har tidligere sett på forholdet mellom mekanisk deformasjon og gradienten til brytningsindeksen i øyelinsen, så vi bestemte oss for å putte dette inn i modellen og teste det opp mot eksisterende resultater i litteraturen», sier Maurer. Tilnærmingen med å modellere både mekaniske og optiske elementer i øyet ble tilpasset ved å bruke eksisterende målinger. «Hvis vi kun modellerer mekanikken eller optikken, får vi ikke all informasjonen vi trenger. Men hvis vi legger alt dette sammen i en multifysikkmodell; det er da magien skjer», legger Maurer til.

 

«Ser fysikken i hvitøyet»

 

Ved å bruke geometrien fra statistiske målinger og avbildningsteknikker slik som standard optisk koherenstomografi, kunne Kejako utvikle modellen ved å avbilde øyet og transformere dette til en fullt parametrisert 3D-modell som de kunne importere inn i COMSOL®-programvaren. De mekaniske elementene ble så modellert, inkludert den komplekse mekanismen av muskelligamenter som strekker linsen til riktig form, samt de viskoelastiske egenskapene til glasslegemet som fyller øyet. De fibrøse ikke-homogene egenskapene til sclera ble også inkludert i modellen. Charles-Olivier Zuber, PhD-student i biomedisin ved Kejako og Universitetet i Rostock, forklarer:

 

«Sclera er den hvite delen av øyet og er laget av kollagen. Siden fibrene er laget av kollagen, måtte vi utforske de ikke-lineære mekaniske egenskapene i et multifysikkmiljø». Forskyvningen av øyematerialet for en gitt tilpassing av linsen relativt til hviletilstanden kan finnes ved å ta alle elementene med i beregningen. (Figur 5, venstre)

 

Figur 5: Venstre: Simuleringen viser deformasjon av øyet og strålegang i fjernsyn. Høyre: Strålefokusering etter strålegang gjennom øyets optiske system. Mørke farger representerer høyest stråleintensitet.

 

Beregning av optisk strålegang ble også gjort i COMSOL®, ved å modellere de optiske egenskapene til linsen. Strålefokusering på netthinnen ble så simulert ved å studere parallelt innkommende stråler. Dette gjorde det mulig å simulere pasientens skarpsyn og hvor mye som måtte til for å justere synet. Fokusering av lysstrålene i hornhinnen og linsen kan simuleres og vil gi et resultat som er avhengig av individuelt skarpsyn. (Se figur 5, høyre) «Vi kan lage modeller som reproduserer eksakt det som pasienten ser. Dette gir oss bedre forutsetninger for å forstå og behandle presbyopi. Vi kan også se hvordan bildet blir fokusert på netthinnen for hvert individ, og gjøre tilpasninger for å bedre synsskarpheten», legger Maurer til. Kejako har validert simulering og analyse av synstilpasning ved å bruke målinger fra mer enn 50 øyer. Muligheten for å modellere så mange parametre i et stort spenn er nøkkelen til suksess for denne fullt parametriske øyemodellen. Zuber forklarer: «Det vi liker best med COMSOL® er at vi har tilgang til alle parameterne som styrer den geometriske modellen, materialparametre og fysikken som er involvert. Denne fleksibiliteten er veldig nyttig for å forstå hvordan problemet fungerer og hvordan vi kan løse det mest effektivt».

 

Figur 6: Forenklet multilagsrepresentasjon av GRIN med dekomposisjon til en ekvivalent linse. Fjernsyn til venstre og nærsyn til høyre. Farger tilsvarer verdien av brytningsindeksen med rødt som den høyeste verdien.

 

Ikke GRIN, det finnes en løsning

 

 Figur 7: Kurvilinært koordinatsystem brukt til å representere de anisotropiske materialegenskapene til linsen. GRIN-distribusjonen er vist som farger.

 

Multifysikksimulering gjør at Kejako kan finne en del av de fysiske egenskapene som man ikke kan måle direkte, inkludert gradienten av den optiske brytningsindeksen (GRIN) som blir brukt i øyemodellen. Brytningsindeksen i øyet har små fluktuasjoner, noe som lager et spesifikt brytnings- og refleksjonsmønster. GRIN-linsen består av en romlig variasjon av den optiske brytningsindeksen som øker fra overflaten og inn mot midten. Denne egenskapen har stor innvirkning på fokusering og aberrasjoner, og påvirker pasientens synstilpasning og skarpsyn. Ved hjelp av simulering kan den graderte brytningsindeksen finnes, noe som er viktig for å forstå hvordan lyset passerer gjennom strukturen. GRIN-linsen fungerer som en multiplikasjonsfaktor for den optiske tilpasningen av synet. Når vevet i linsen beveger seg med synstilpasningen, vil det resultere i forskjellige optiske konfigurasjoner for enhver tilstand mellom fjernsyn og nærsyn. (Figur 6)

 

Linsen er laget av fiberlignende celler i konsentriske lag, som i en løk. Denne strukturen er viktig for linsens transparens, men det har også mye å si for de anisotropiske mekaniske materialparametrene til linsen. Modellen tar høyde for denne mikrostrukturen ved å bruke verktøyet for kurvilinære koordinater som er innebygd i COMSOL®. (Figur 7) GRIN-verdien er veldig vanskelig å måle direkte, men det er viktig å få disse egenskapene inn i modellen for å kunne øke nøyaktigheten og effektiviteten på behandlingen av presbyopi. 

Simulering for alle

 

Teamet i Kejako bygger nå simuleringsapplikasjoner ved hjelp av Application Builder i COMSOL Multiphysics®. Dette gjør at det er enklere å bruke 3D-modellen av øyet og gjør selskapet klart for innsats når markedet blir modent. Når modellen er omgjort til en simuleringsapplikasjon med et forenklet brukergrensesnitt, vil modellen være klar for klinisk bruk i en enkel prosess: En lege eller optiker kan bruke standard optisk kromatisk topografi for å avbilde øyet. Denne informasjonen blir sendt til Kejako der et ekspertteam er klar til å lage en personlig tilpasset 3D-modell av pasientens øye. Modellen blir så optimalisert, og man kan lage en tilpasset behandlingsplan for linserestaurering eller Phakorestoration™.

Figur 8: Venstre: Eksempel på en GRIN-linse målt med magnetisk resonansavbildning (MRI). Høyre: Parametrisk modell av GRIN-linsen.

 

Innen 2020 anslås det at 1.3 milliarder mennesker vil lide av presbyopi. Simuleringsapplikasjoner vil være en viktig hjelp for å holde tritt med etterspørselen etter behandling. Disse applikasjonene gjør at personell uten utstrakt simuleringserfaring kan bruke multifysikksimuleringer for å tilpasse pasientenes linserestaurering. «Simulering og modellering har gjort det mulig å spare mye tid i på våre in-vivo og ex-vivo-tester. Vi vil gå videre med mer testing på personer når vi er trygge på at vi kan gjøre det riktig, og vi er overbevist om at løsningen holder. COMSOL Multiphysics® er verktøyet som vil hjelpe oss med å oppnå dette i et mye kortere tidsperspektiv!», legger Enfrun til.

 

SOLIDWORKS is a registered trademark of Dassault Systèmes SolidWorks Corp.

 

Kommentarer (2)

Kommentarer (2)