Análisis biomecánico del disco óptico bajo la variación de presión intraocular y rigidez escleral / Biomechanical analysis of the optic disc under variations in intraocular pressure and scleral rigidity

Introducción: el incremento de la presión intraocular y las alteraciones detectadas en la apariencia de la cabeza del nervio óptico constituyen factores importantes en la determinación de la progresión del daño glaucomatoso. Objetivo: analizar el comportamiento del disco óptico bajo el efecto de la variación de la presión intraocular y de la rigidez escleral, a través de un modelo biomecánico. Métodos: se emplea el método de los elementos finitos. Se definieron varios módulos de rigidez para la esclerótica de 3, 6 y 9 MPa y para la lámina cribosa 0,3 y 0,6 MPa. Todos los tejidos modelados fueron asumidos como materiales isotrópicos con comportamiento elástico e incompresible. Resultados: la mayor concentración de tensiones se localizó en las zonas de la esclerótica peripapilar y en las paredes del canal escleral. Los máximos de tensión (97,523 kPa) y desplazamiento (95,64 µm) se obtuvieron cuando la esclerótica y la lámina cribosa fueron menos rígidas y con la mayor presión intraocular. Conclusiones: la biomecánica del disco óptico influye en el desarrollo de la neuropatía óptica glaucomatosa. El mayor desplazamiento se encuentra en la zona central del disco óptico y está asociado a la pérdida de fibras nerviosas de la retina o al incremento de la excavación papilar en el mecanismo de daño glaucomatoso(AU)

Introduction: Increase in intraocular pressure and alterations in the appearance of the optic nerve head are important factors in determining the progress of glaucomatous damage. Objective: Analyze the behavior of the optic disc under the effect of variations in intraocular pressure and scleral rigidity using a biomechanical model. Methods: The finite element method was used to define several rigidity modules for the sclera at 3.6 and 9 MPa and for the lamina cribosa at 0.3 and 0.6 MPa. All the tissues modeled were assumed to be isotropic materials with elastic, incompressible behavior. Results: The highest concentration of tensions was located in areas of the peripapillary sclera and scleral canal walls. Tension and displacement peaks (97.523 kPa and 95.64 µm, respectively) were obtained when the sclera and the lamina cribosa were less rigid and intraocular pressure was highest. Conclusions: The biomechanical characteristics of the optic disc influence the development of glaucomatous optic neuropathy. The greatest displacement is found in the central area of the optic disc, and it is associated with the loss of retinal nerve fibers or an increase in papillary excavation in the mechanism of glaucomatous damage(AU)

Análisis biomecánico del disco óptico bajo la variación de presión intraocular y rigidez escleral / Biomechanical analysis of the optic disc under variations in intraocular pressure and scleral rigidity

INTRODUCCIÓN: el incremento de la presión intraocular y las alteraciones detectadas en la apariencia de la cabeza del nervio óptico constituyen factores importantes en la determinación de la progresión del daño glaucomatoso. OBJETIVO: analizar el comportamiento del disco óptico bajo el efecto de la variación de la presión intraocular y de la rigidez escleral, a través de un modelo biomecánico. MÉTODOS: se emplea el método de los elementos finitos. Se definieron varios módulos de rigidez para la esclerótica de 3, 6 y 9 MPa y para la lámina cribosa 0,3 y 0,6 MPa. Todos los tejidos modelados fueron asumidos como materiales isotrópicos con comportamiento elástico e incompresible. RESULTADOS: la mayor concentración de tensiones se localizó en las zonas de la esclerótica peripapilar y en las paredes del canal escleral. Los máximos de tensión (97,523 kPa) y desplazamiento (95,64 µm) se obtuvieron cuando la esclerótica y la lámina cribosa fueron menos rígidas y con la mayor presión intraocular. CONCLUSIONES: la biomecánica del disco óptico influye en el desarrollo de la neuropatía óptica glaucomatosa. El mayor desplazamiento se encuentra en la zona central del disco óptico y está asociado a la pérdida de fibras nerviosas de la retina o al incremento de la excavación papilar en el mecanismo de daño glaucomatoso.

INTRODUCTION: Increase in intraocular pressure and alterations in the appearance of the optic nerve head are important factors in determining the progress of glaucomatous damage. OBJECTIVE: Analyze the behavior of the optic disc under the effect of variations in intraocular pressure and scleral rigidity using a biomechanical model. METHODS: The finite element method was used to define several rigidity modules for the sclera at 3.6 and 9 MPa and for the lamina cribosa at 0.3 and 0.6 MPa. All the tissues modeled were assumed to be isotropic materials with elastic, incompressible behavior. RESULTS: The highest concentration of tensions was located in areas of the peripapillary sclera and scleral canal walls. Tension and displacement peaks (97.523 kPa and 95.64 µm, respectively) were obtained when the sclera and the lamina cribosa were less rigid and intraocular pressure was highest. CONCLUSIONS: The biomechanical characteristics of the optic disc influence the development of glaucomatous optic neuropathy. The greatest displacement is found in the central area of the optic disc, and it is associated with the loss of retinal nerve fibers or an increase in papillary excavation in the mechanism of glaucomatous damage.

Aplicabilidad de la simulación computacional en la biomecánica del disco Óptico / Applicability of computational simulation in the biomechanics of the optic disc

FUNDAMENTO: la presión intraocular provoca tensiones y deformaciones en los tejidos del disco óptico que pueden ocasionar daño glaucomatoso. OBJETIVO: simular el comportamiento biomecánico del disco óptico y describir su aplicabilidad en la predicción del daño glaucomatoso. MÉTODOS: la herramienta de simulación computacional usada es el Método de Elementos Finitos. Se utilizó una presión intraocular de 15 mm Hg, así como las propiedades mecánicas y la geometría de los tejidos de la papila óptica reportados en la literatura. DESARROLLO: las mayores concentraciones de tensiones aparecen a nivel de la esclerótica peripapilar y fueron congruentes con las estimaciones reportadas en la literatura. La rigidez escleral influyó sobre las tensiones transmitidas a la lámina cribosa. Este tejido resultó ser el más susceptible al daño glaucomatoso dentro de la papila óptica. CONCLUSIONES: el análisis preliminar obtenido constituye un punto de partida para el estudio del nervio óptico a través de la simulación computacional. Se demuestra que la presión intraocular, la complejidad de la geometría y las propiedades mecánicas de los tejidos de la cabeza del nervio óptico son factores condicionantes del daño glaucomatoso.

BACKGROUND: intraocular pressure causes tension and deformities in the tissues of the optical disc that can entail glaucomatous damage. OBJECTIVE: to simulate the biomechanical behaviour of the optical disc and describe its applicability in the prediction of glaucomatous damage. METHOD: Finite Element Method was the computational simulation tool used. An intraocular pressure of 15 mm Hg was used, as well as the mechanical properties and geometry of tissues of the optic papilla reported in the literature. DEVELOPMENt: most of the concentrations of tension appear at the level of the peripapillary sclera and were consistent with the estimations reported in the literature. Scleral stiffness had an influence on the tension transmitted to the lamina cribosa sclerae. This tissue was the most susceptible to glaucomatous damage in the optical papilla. CONCLUSIONS: the preliminary obtained analysis is a starting point for the study of the optic nerve by means of the computational simulation. It was proved that intraocular pressure, the complexity of the geometry and the mechanical characteristics of the tissues of the head of the optic nerve are determining factors of the glaucomatous damage.

Aplicabilidad de la simulación computacional en la biomecánica del disco Óptico / Applicability of computational simulation in the biomechanics of the optic disc

Fundamento: la presión intraocular provoca tensiones y deformaciones en los tejidos del disco óptico que pueden ocasionar daño glaucomatoso.Objetivo: simular el comportamiento biomecánico del disco óptico y describir su aplicabilidad en la predicción del daño glaucomatoso.Métodos: la herramienta de simulación computacional usada es el Método de Elementos Finitos. Se utilizó una presión intraocular de 15 mm Hg, así como las propiedades mecánicas y la geometría de los tejidos de la papila óptica reportados en la literatura.Desarrollo: las mayores concentraciones de tensiones aparecen a nivel de la esclerótica peripapilar y fueron congruentes con las estimaciones reportadas en la literatura. La rigidez escleral influyó sobre las tensiones transmitidas a la lámina cribosa. Este tejido resultó ser el más susceptible al daño glaucomatoso dentro de la papila óptica.Conclusiones: el análisis preliminar obtenido constituye un punto de partida para el estudio del nervio óptico a través de la simulación computacional. Se demuestra que la presión intraocular, la complejidad de la geometría y las propiedades mecánicas de los tejidos de la cabeza del nervio óptico son factores condicionantes del daño glaucomatoso(AU)

Background: intraocular pressure causes tension and deformities in the tissues of the optical disc that can entail glaucomatous damage.Objective: to simulate the biomechanical behaviour of the optical disc and describe its applicability in the prediction of glaucomatous damage.Method: Finite Element Method was the computational simulation tool used. An intraocular pressure of 15 mm Hg was used, as well as the mechanical properties and geometry of tissues of the optic papilla reported in the literature.Development: most of the concentrations of tension appear at the level of the peripapillary sclera and were consistent with the estimations reported in the literature. Scleral stiffness had an influence on the tension transmitted to the lamina cribosa sclerae. This tissue was the most susceptible to glaucomatous damage in the optical papilla.Conclusions: the preliminary obtained analysis is a starting point for the study of the optic nerve by means of the computational simulation. It was proved that intraocular pressure, the complexity of the geometry and the mechanical characteristics of the tissues of the head of the optic nerve are determining factors of the glaucomatous damage(AU)

Carácter interdisciplinario de la modelación computacional en la solución de problemas de salud / Interdisciplinary character of the computational model in the solution of health problems

La solución de los problemas de salud requiere de la interrelación entre diferentes ramas científicas y tecnológicas, tales como la Biomecánica, las tecnologías de la información, la ingeniería y las ciencias médicas. La importancia de la comunicación interdisciplinaria en las universidades fundamenta la creación de un grupo de investigación que fusiona el conocimiento de la mecánica clásica con las disciplinas de la salud y la participación de pacientes, técnicos, ingenieros, médicos y estudiantes. En el trabajo se realiza una reflexión sobre el carácter interdisciplinario de las investigaciones, cómo se inserta la Ingeniería Mecánica desde la modelación en la solución de problemas de salud y se brindan algunos resultados obtenidos por los miembros del Grupo de Biomecánica y Bioingeniería de la Universidad Ignacio Agramonte y Loynaz de Camagüey(AU)

The solution of health problems require an interrelation between different scientific and technological branches, such as biomechanics, information technologies, engineering and medical sciences. The importance of the interdisciplinary communication in universities lays the base on the creation of an investigative group that fuses the knowledge of classic mechanic with the disciplines of medicine and the participation of patients, technicians, engineers, doctors and students. A reflection about the interdisciplinary character of investigations and how mechanic engineering is inserted in the model to solve health problems is carried out in this work. Some results obtained by the members of the Biomechanics and Bioengineering Group of Ignacio Agramonte y Loynaz University are offered(AU)

Carácter interdisciplinario de la modelación computacional en la solución de problemas de salud / Interdisciplinary character of the computational model in the solution of health problems

La solución de los problemas de salud requiere de la interrelación entre diferentes ramas científicas y tecnológicas, tales como la Biomecánica, las tecnologías de la información, la ingeniería y las ciencias médicas. La importancia de la comunicación interdisciplinaria en las universidades fundamenta la creación de un grupo de investigación que fusiona el conocimiento de la mecánica clásica con las disciplinas de la salud y la participación de pacientes, técnicos, ingenieros, médicos y estudiantes. En el trabajo se realiza una reflexión sobre el carácter interdisciplinario de las investigaciones, cómo se inserta la Ingeniería Mecánica desde la modelación en la solución de problemas de salud y se brindan algunos resultados obtenidos por los miembros del Grupo de Biomecánica y Bioingeniería de la Universidad "Ignacio Agramonte y Loynaz" de Camagüey.

The solution of health problems require an interrelation between different scientific and technological branches, such as biomechanics, information technologies, engineering and medical sciences. The importance of the interdisciplinary communication in universities lays the base on the creation of an investigative group that fuses the knowledge of classic mechanic with the disciplines of medicine and the participation of patients, technicians, engineers, doctors and students. A reflection about the interdisciplinary character of investigations and how mechanic engineering is inserted in the model to solve health problems is carried out in this work. Some results obtained by the members of the Biomechanics and Bioengineering Group of "Ignacio Agramonte y Loynaz" University are offered.