ES2571209B1 - Sistema de caracterización 3D de la respuesta mecánica del tejido de la córnea y procedimiento de medida con dicho sistema - Google Patents

Abstract

Sistema (1) de caracterización 3D de la respuesta mecánica de la córnea (2), que comprende un dispositivo topográfico dinámico plenóptico (14), cuyos medios de captura (15) de imágenes son plenópticos con procesado multivista, y donde los medios de procesado (16) comprende registro, reconocimiento y triangulación de vistas, un dispositivo de deformación (17) de la córnea (2), mediante presión de aire (10) constante, y medios (13) de computación y caracterización del comportamiento mecánico de la córnea (2).#Procedimiento de medida con sistema (1) de caracterización 3D que comprende la obtención previa de un modelo experto (7) basado en la modelización biomecánica de múltiples córneas, y la caracterización del perfil topográfico (18) de la córnea (2), aplicación de presión de aire (10), caracterización del perfil topográfico (18) durante la deformación, almacenamiento y procesado (19) de imágenes obtenidas, obtención del perfil biomecánico (20) de la córnea, y obtención (21) de su curva tensión-deformación.

Description

5

10

15

20

25

30

35

DESCRIPCION

Sistema de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea y procedimiento de medida con dicho sistema.

Campo tecnico de la invencion

La presente invencion corresponde al campo tecnico de la oftalmologla, en concreto al estudio cllnico de las propiedades mecanicas de la cornea para tratar de comprender los cambios de la topologla corneal ante diferentes tratamientos, asl como su evolucion y la mejora del diagnostico de ciertas patologlas.

Antecedentes de la Invencion

En la actualidad la caracterizacion biomecanica de la cornea ha alcanzado una gran popularidad en la practica cllnica debido a la relevancia de su estudio para comprender ciertos cambios corneales ante tratamientos quirurgicos o tensiones especlficas.

En el caso de la existencia de una debilidad biomecanica de la cornea debido a un proceso patologico, tal y como sucede por ejemplo en el queratocono, dicha alteration se evidencia a nivel cllnico por la alteracion de la geometrla de la superficie anterior y posterior de la cornea asl como de la distribution del espesor. Por ello, los cambios de curvatura, elevation y paquimetrla de la cornea se emplean para la detection del queratocono y, por tanto, de manera indirecta para la deteccion y caracterizacion de la alteracion biomecanica subyacente. Hay que tener en cuenta que esta debilidad biomecanica que esta presente en el queratocono, asl como en otro tipo de variante de patologla ectasica, convierte a la cornea en una estructura mucho mas susceptible al efecto de la presion intraocular (PIO). Estudios llevados a cabo con modelado de elementos finitos ha conseguido demostrar que, en funcion de la forma inicial de la superficie de la cornea, cambios locales en las propiedades materiales y tambien de la PIO pueden inducir una protuberancia localizada y un incremento de la curvatura con respecto a la portion restante de cornea.

Hasta la fecha, pocos son los dispositivos que permiten la caracterizacion de las propiedades biomecanicas de la cornea in-vivo, existiendo a nivel comercial los dispositivos Ocular Response Analyzer (ORA) y Corvis ST (Oculus). Ambos equipos estudian la respuesta de la cornea ante un soplo de aire teniendo en cuenta la geometrla (curvatura),

5

10

15

20

25

30

35

paquimetria y propiedades mecanicas del tejido corneal, es decir, no son capaces de evaluar unicamente la contribution del tejido corneal. Asimismo, se encuentra en desarrollo la incipiente tecnica de microscopia optica de Brillouin.

En el caso del dispositivo ORA, este consiste en el analisis de la respuesta de la cornea durante un proceso de aplanacion bidireccional inducido por un pulso de aire. Especlficamente, este dispositivo lanza al ojo un pulso de aire que ocasiona un movimento de la cornea hacia adentro pasando por un estado de aplanacion. Milisegundos tras esta aplanacion, la presion decrece y la cornea pasa por un segundo estado de aplanacion en el proceso de retorno de la concavidad al estado normal convexo de curvatura. El sistema monitoriza el proceso completo y registra dos valores de presion independientes asociados a los procesos de aplanacion hacia dentro y hacia fuera. Estos dos valores son diferentes debido a la naturaleza viscoelastica de la cornea.

La diferencia entre ambos valores de presion define un primer parametro denominado factor de resistencia corneal y mediante una ecuacion lineal en la que se aplica una constante obtenida de la relation de dichas presiones, se obtiene un segundo parametro denominado espesor corneal central.

Dichos parametros no son equivalentes a ninguno de los parametros estandar utilizados comunmente para definir las propiedades mecanicas de cualquier material, por lo que su utilidad e interpretation son altamente discutibles. Ademas se ha podido constatar una gran variabilidad en dichos parametros incluso en la poblacion sana.

En el caso del Oculus, se trata de un tonometro de no contacto que permite la visualization por medio de fotografla Scheimpflug de la reaction de la cornea a un pulso de aire variable que deforma la cornea pasando por diferentes estados (aplanacion hacia adentro, reposo, aplanacion en concavidad, oscilacion y aplanacion hacia afuera). El software del dispositivo proporciona algunos datos numericos de este analisis dinamico, tales como la amplitud de la deformacion de la cornea, la longitud de la aplanacion o la velocidad de la cornea con el tiempo. Asimismo, la PIO y la paquimetria corneal son tambien proporcionados por el sistema.

Al igual que el sistema ORA, el sistema Oculus mide la respuesta de la cornea, analizando de forma conjunta la geometrla, paquimetria, presion intraocular y propiedades mecanicas del tejido. Este sistema no es capaz de analizar unicamente como influyen las propiedades

5

10

15

20

25

30

35

del tejido en el desplazamiento de la cornea, para ello deberla suministrar algun parametro asociado a propiedades mecanicas del tejido corneal.

Por ultimo, la tecnica de imagen de Brillouin permite la visualization de las propiedades biomecanicas de la cornea espacialmente heterogeneas. La microscopla de Brillouin mide el cambio de frecuencia mediante un espectrometro de muy alta resolution. Para la conversion del cambio de Brillouin al modulo de elasticidad se requiere el conocimiento previo del factor Indice de refraccion-densidad. Hay que tener en cuenta que ambos, Indice de refraction y densidad, no son uniformes en la cornea, principalmente debido a las variaciones espaciales de la hidratacion y el contenido agua/protelnas. Por dicho motivo, es necesario realizar varias aproximaciones para simplificar el calculo del modulo de elasticidad longitudinal. A su vez, hay que considerar que como las propiedades opticas y estructurales de la cornea son generalmente anisotropicas, la frecuencia Brillouin puede variar en funcion del estado de polarization optica. Este factor no es tenido en cuenta hasta la fecha.

Todos estos dispositivos presentan limitaciones que impiden realizar una detallada y precisa caracterizacion del comportamiento mecanico del tejido corneal, principalmente en lo referente al uso de parametros equivalentes a los parametros estandar utilizados comunmente para definir las propiedades mecanicas de cualquier material, por lo que su utilidad e interpretation son altamente discutibles.

Como ejemplo del estado de la tecnica pueden mencionarse los documentos de referencia US2014002794 y US2010097573.

El documento de referencia US2014002794, utiliza un sistema de captura plenoptico que tiene una configuration diferente de elementos opticos del sistema. Esto genera un tipo de imagen diferente con diferentes posibilidades de resolucion y procesado. Especlficamente, existe una lente de campo o lente principal, que puede estar formada por una o varias lentes, y que forma una imagen de la escena que se pretende capturar y procesar de manera plenoptica en un plano en el que tambien esta la matriz de microlentes, estando el sensor detras de la misma a la distancia focal de las microlentes. De esta manera, se generan sobre el sensor imagenes que no estan enfocadas.

El problema de esta tecnica de captura es que se tiene muy baja resolucion espacial, ya que en la imagen final recompuesta con algoritmos plenopticos, el numero de plxeles es igual al

5

10

15

20

25

30

35

numero de microlentes, por lo que se requieren muchlsimas de ellas para tener buena resolution espacial.

En esta patente ademas se describe un sistema de captura plenoptica sin matizar como captura ni como procesa para sacar las distancias axiales o la curvatura a la que hace referencia, pero si que indica que puede generar imagenes enfocadas de la retina, del cristalino y de la cornea, y a partir de estas imagenes obtener distintos atributos. La topografla la obtiene de las distorsiones que generan los distintos elementos opticos del ojo. Con este sistema de captura plenoptico es necesario suponer unas superficies ideales de referencia para la cornea, el cristalino, y la retina, que se conocen por las distintas referencias que las modelan. Estas superficies de referencia generarlan un mapa de rayos A, que se toma como referencia tambien. La superficie a caracterizar genera un mapa de rayos B, que es el que se registra con la camara plenoptica. Para obtener esta superficie se analiza la diferencia entre ambos mapas de rayos, ideal y medido, y se calcula como se distorsionarla la superficie ideal para generar el mapa de rayos que se ha capturado, obteniendo as! la superficie de merito que iguala el mapa de rayos que se ha registrado. Luego se utilizan las tecnicas de enfoque computacional para mejorar los resultados.

El tipo de plenoptica utilizada en este sistema precisa por tanto de una cantidad enorme de microlentes y se obtiene una resolucion espacial reducida.

El documento de referencia US2010097573 describe un sistema de captura plenoptica pero no para la caracterizacion de la topografla corneal, sino para capturar imagenes de la retina mediante una lampara de hendidura o una camara de fondo de ojo. En este caso, se entiende, aunque no se especifica, que emplea un sistema de captura plenoptico enfocado, conocido anteriormente como de fotografla integral, pero no para la obtencion de una topografla de la cornea. En concreto, se genera una pila de planos enfocados para elegir los planos de interes enfocados por procesamiento de la imagen, sin necesidad de que sea el operario el que los enfoque manualmente durante la captura optica. Pero fundamentalmente lo que se pretende es eliminar los reflejos (imagenes de Purkinje) que se producen desde las distintas superficies oculares, cornea y cristalino, en las imagenes de fondo de ojo. Este procesado se realiza de manera plenoptica, seleccionando las vistas de interes que no contienen los reflejos molestos. En este sistema no se describe la generation de vistas para triangular y hacer la topografla, sino que se centra unicamente en la captura plenoptica para el enfoque computacional y la generacion de vistas.

5

10

15

20

25

30

35

En general, los sistemas existentes en el estado de la tecnica son sistemas que se limitan a una seccion especlfica de la cornea realizando mediciones exclusivamente a nivel central.

En estos sistemas se evalua la relacion entre la presion aplicada y el cambio de geometrla que se produce en la cornea deformada. Asl pues, en estos sistemas se aplica una presion de aire variable con el tiempo de amplitud variable en funcion de cada cornea con el sistema ORA y de amplitud constante con el sistema CorVis ST, para obtener en cada una de ellas el estado de aplanacion y/o concavidad. Esto realmente no es necesario e implica aplicar unos niveles de presion altos. Esta aplicacion de un pulso de aire bastante intenso resulta realmente molesta para el paciente.

Ademas, como en todos ellos se realiza un barrido para la toma de medidas el proceso de medicion es mas complejo, dificulta la captura en video, y el paciente debe soportar dicho barrido sin mover el ojo ni pestanear, lo que ademas de complicar el proceso, resulta incomodo al paciente.

Y un aspecto realmente importante es que ambos equipos dan una respuesta global de la estabilidad de la cornea ante la accion exterior, sin desacoplar o analizar de forma independiente cada uno de los efectos que contribuyen a la estabilidad de la misma, como son: la PIO, la curvatura, paquimetrla y las propiedades mecanicas del tejido asociadas a la microestructura del estroma.

Descripcion de la invencion

El sistema de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea, mediante la utilization de medios de captura de imagenes de la misma, y la aplicacion sobre dicha cornea de una presion conocida que de lugar a una deformation y de un mecanismo de iluminacion de la misma, que aqul se presenta, comprende un dispositivo topografico dinamico plenoptico que obtiene un analisis topografico de la cara anterior y posterior de la cornea en funcion de la deformacion y que presenta el mecanismo de iluminacion con al menos una fuente de luz, los medios de captura de imagenes de la cornea y un algoritmo de procesado de las mismas.

Dichos medios de captura de imagenes de la cornea son plenopticos con procesado multivista, capturando de forma inmediata toda la information en una sola toma.

5

10

15

20

25

30

35

Por otra parte, el algoritmo de procesado de dichas imagenes de la cornea comprende el registro, reconocimiento y triangulacion de los puntos que forman las vistas generadas con los medios de captura de imagenes plenopticas para formar las superficies topograficas.

Este sistema de caracterizacion presenta a su vez un dispositivo de deformacion controlada de la cornea, mediante la aplicacion de una presion de aire constante.

Asl mismo, comprende unos medios de computation y caracterizacion del comportamiento biomecanico de la cornea, que utiliza un modelo experto basado en la modelizacion biomecanica mediante elementos finitos de la cornea de cada paciente y proporciona la geometrla deformada en funcion de la presion aplicada. Mediante un proceso de optimization se calcula la curva tension-deformacion del tejido que minimiza el error entre la deformada medida mediante imagen plenoptica y la calculada en la simulation numerica.

Segun un modo de realization preferente, los medios de captura de imagenes de la cornea comprenden una matriz de microlentes, un sensor situado detras de dicha matriz y una lente de campo situada frente a la cornea, que forma una imagen intermedia de la cornea enfrente de las microlentes (imagen real) o bien, detras de las microlentes (imagen virtual), estando en uno u otro caso enfocadas sobre el sensor, es decir, que la imagen intermedia de la cornea no se forma sobre el plano de las microlentes.

Segun un modo de realizacion preferente dicho sensor situado detras de la matriz es un sensor de frecuencia temporal de muestreo alto o videosensor de alta velocidad.

De acuerdo con otro aspecto, segun un modo de realizacion preferente de la invention, el modelo experto escoge el comportamiento biomecanico mas proximo a cualquiera de los registrados en funcion de unos parametros cllnicos que comprenden al menos el desplazamiento maximo, la amplitud de aplanamiento, la presion intraocular y el espesor corneal.

Segun un modo de realizacion preferente, la al menos una fuente de luz es policromatica.

De acuerdo con un modo de realizacion preferente, el patron de luz se proyecta justo enfrente de la cornea, alineado con el eje visual.

5

10

15

20

25

30

35

Segun un modo de realization preferente, el dispositivo de deformation controlada aplica una presion de aire constante comprendido entre 15 y 35 kPa.

En esta memoria se presenta a su vez un procedimiento de medida con un sistema de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas de la cornea, tal como el definido anteriormente en este apartado.

Este procedimiento comprende por un lado la obtencion previa de un modelo experto basado en el resultado de la modelizacion biomecanica mediante elementos finitos, realizada en una multitud de corneas normales y patologicas.

Asl mismo, este procedimiento de medida comprende por otro lado, las siguientes fases:

Una primera fase de caracterizacion del perfil topografico de la cara anterior y posterior de la cornea antes de aplicar la presion de aire constante sobre la misma.

Una segunda fase que comprende la aplicacion de una presion de aire constante sobre la cornea, para obtener una deformation controlada de la misma.

Una tercera fase de caracterizacion del perfil topografico de la cornea durante el proceso de deformation controlada, obteniendo distintos fotogramas de las imagenes durante dicho proceso.

Una cuarta fase de almacenamiento y procesado de las imagenes obtenidas.

Y, una quinta fase de obtencion del perfil biomecanico de la cornea y una sexta fase de obtencion de la curva tension-deformacion de la cornea analizada.

Segun un modo de realizacion preferente, en este procedimiento de medida, cuando la cornea presenta un comportamiento biomecanico normalizado respecto a la modelizacion realizada de multiples corneas para la obtencion del modelo experto, la obtencion del perfil biomecanico de la cornea se realiza mediante la aplicacion de dicho modelo experto.

De acuerdo con otro modo de realizacion, cuando en este procedimiento de medida, la cornea presenta un comportamiento biomecanico excepcional respecto a la modelizacion realizada de multiples corneas para la obtencion del modelo experto, la obtencion del perfil

5

10

15

20

25

30

35

biomecanico de la cornea se realiza mediante un calculo exacto con un modelo de elementos finitos.

Con el sistema de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas de la cornea y el procedimiento de medida mediante dicho sistema que aqul se propone, se obtiene una mejora significativa del estado de la tecnica.

Esto es asl pues en primer lugar se obtiene un analisis 3D de la cornea mediante el uso de imagen plenoptica, no limitandose dicho analisis a una seccion especlfica de la cornea, al permitir generar la geometrla deformada de las superficies anterior y posterior de la cornea, en funcion de la variation temporal de la presion, no exclusivamente en la seccion central de la misma.

Asl mismo, siendo lo relevante el analisis de la relation entre la presion generada y el cambio de geometrla que se produce en la cornea deformada, la amplitud de presion de aire que se aplica es fija y no varla en funcion del desplazamiento registrado para cada paciente. La amplitud de la presion, es decir, su valor maximo, se establece teniendo en cuenta el confort del paciente.

Ademas, la toma de la medida es inmediata, es decir, se obtienen multiples vistas en una sola toma, sin necesidad de realizar un barrido de la superficie de la cornea, con lo cual el proceso de medicion por triangulacion resulta mas sencillo, permite la grabacion en video, y es mas facil de usar en la practica cllnica. Asl mismo, al realizar la medida de forma inmediata, resulta de nuevo mucho menos molesto para el paciente, que no va a sufrir la situation de tener que intentar mantenerse completamente inmovil mientras se realiza ningun barrido de medida. Por ultimo, cabe destacar la posibilidad de aplicar la presion de aire en diferentes areas de la cornea, no solo a nivel central, permitiendo valorar cambios en patologlas corneales en las que se afectan las propiedades mecanicas del tejido corneal a nivel paracentral o periferico.

El analisis de los datos y su modelizacion con elementos finitos se realiza mediante un modelo personalizado para cada paciente, partiendo de la geometrla registrada por el topografo. El modelo considera un comportamiento no-lineal del material capaz de reproducir las grandes deformaciones que se producen mediante la insuflacion, considerando tambien la anisotropla del material debido a la orientation preferencial de las fibras de colageno. El modelo permite de este modo, generar la geometrla de referencia, es

5

10

15

20

25

30

35

decir la geometria sin presurizacion necesaria para el analisis numerico, conocida la geometria correspondiente a la presion intraocular.

A pesar de la complejidad del modelo, el tiempo de computation es mlnimo gracias al uso del modelo experto desarrollado para tal fin tras el analisis de cientos de muestras de cornea in vivo.

Asl mismo, al comparar la deformada real con la proporcionada por el modelo numerico y optimizar el error entre ambas soluciones, el sistema proporciona al final la curva tension- deformacion correspondiente a la cornea analizada. Esto se utiliza como metodo estandar para caracterizar el comportamiento mecanico de los materiales y poder asl detectar corneas con un material debilitado, como sucede en la patologla del queratocono.

Ademas, con este sistema de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas de la cornea y el procedimiento de medicion mediante el mismo, se reducen los costes de fabrication, por lo que tambien el precio de venta, siendo mas asequible su adquisicion por diferentes tipos de centros sanitarios, no solo grandes cllnicas y hospitales.

Se logra por tanto un sistema y un procedimiento de medicion basado en el mismo, sencillo y rapido de aplicar una vez se ha obtenido el modelo experto y a su vez muy eficaz, aportando unos resultados completamente validos, no basados en aproximaciones y suposiciones. Y ello mediante un sistema que resulta mucho menos molesto e incomodo para el paciente.

Breve descripcion de los dibujos

Con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripcion, una serie de dibujos donde, con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- Muestra una vista de un esquema del sistema de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea, para un primer modo de realizacion preferente de la invencion.

5

10

15

20

25

30

35

La Figura 2.- Muestra un esquema del sistema de captura plenoptica en que se basa el sistema de caracterizacion, para un primer modo de realization preferente de la invention.

La Figura 3.- Muestra un esquema del funcionamiento de una captura multivista en que se basa el sistema de caracterizacion, para un primer modo de realizacion preferente de la invencion.

La Figura 4.- Muestra un diagrama de bloques del procedimiento de medida con un sistema de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea, para un primer modo de realizacion preferente de la invencion.

La Figura 5.- Muestra un diagrama de bloques del procedimiento de medida con un sistema de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea, para un segundo modo de realizacion preferente de la invencion.

Description detallada de un modo de realizacion preferente de la invencion

A la vista de las figuras aportadas, puede observarse como en un modo de realizacion preferente de la invencion, el sistema 1 de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea 2, mediante la utilization de unos medios de captura de imagenes de la misma y, la aplicacion sobre dicha cornea 2 de una presion de deformation y de un mecanismo de iluminacion de la misma que aqul se propone, presenta un dispositivo topografico dinamico plenoptico 14, un dispositivo de deformacion controlada 17 de la cornea 2 y unos medios 13 de computation y caracterizacion del comportamiento mecanico de la cornea.

El dispositivo topografico dinamico plenoptico 14 utilizado en el sistema de caracterizacion que se propone consigue un analisis topografico de la cara anterior y posterior de la cornea 2. Este dispositivo topografico dinamico plenoptico, comprende un mecanismo de iluminacion 3 con una o mas fuentes de luz, los medios de captura de imagenes de la cornea 2 y un algoritmo de procesado 16 de las mismas.

En este modo de realizacion preferente de la invencion el mecanismo de iluminacion 3 comprende una pluralidad de fuentes de luz, siendo estas policromaticas y que proyectan sobre la cornea 2 un patron luminoso, con marcas fiduciales, alineado con el eje visual. El reflejo de este patron luminoso posee suficiente contraste y resolution para ser reconocido

5

10

15

20

25

30

35

en las distintas imagenes capturadas por los medios de captura, con independencia del estado de deformacion corneal.

La potencia luminosa del mecanismo de iluminacion 3 en este modo de realization preferente de la invention no excede los valores de seguridad fotobiologica recogidos en la norma IEC/EN 62471. El patron proyectado cubre al menos un area especlfica de la cornea de 2mm de diametro de la misma pudiendo cubrir la totalidad de la superficie corneal. El patron de proyeccion posee nodos suficientes para su reconocimiento, triangulacion y generation de la superficie corneal sintetica.

Los medios de captura de imagenes de la cornea 2 son plenopticos con procesado multivista, de manera que de forma inmediata capturan toda la information, realizando una unica toma.

Como puede observarse en la Figura 2, en este modo de realizacion preferente de la invencion, los medios de captura de imagenes de la cornea 2 presentan una matriz de microlentes 4, un sensor 5 situado detras de la matriz de microlentes 4, al final del camino optico, y una lente de campo 6 situada frente a la cornea 2, que forma una imagen intermedia del patron reflejado a cierta distancia de la matriz de microlentes 4, ya sea frente a la misma o detras de ella. En este modo de realizacion preferente de la invencion, la imagen intermedia se refleja frente a la matriz de microlentes 4.

Esta imagen hace de objeto para las microlentes, que proyectan a su vez una imagen sobre el sensor 5 de esta imagen intermedia, de tal modo que el plano o el volumen en el que cae la imagen intermedia de la cornea 2 esta conjugado con el plano del sensor 5 a traves de las microlentes. Cada elemento de la matriz de microlentes 4 proyecta sobre el sensor 5, comun a todos los elementos, su propia perspectiva o punto de vista de la superficie corneal y por tanto del patron reflejado, obteniendo un procesado multivista.

Asl pues, en un sistema de captura plenoptico, la distancia de la escena hasta la matriz de microlentes 4 determina el numero de replicas que se obtiene de una determinada marca o punto de referencia. Con lo cual, en este modo de realizacion preferente que se muestra en la Figura 2, solo se obtienen 3 replicas de una marca situada en el punto central de la escena. Esto no es debido a que solo haya 3 microlentes sino al hecho de que una cuarta no lo podrla registrar porque el rayo proveniente del punto central entrarla demasiado oblicuo y no alcanzarla el sensor.

5

10

15

20

25

30

35

Por otro lado, como ocurre en este modo de realization preferente, cuando el sistema de captura plenoptico es ademas enfocado, como puede observarse en la Figura 3, cuantos mas puntos de vista se tienen, menor es la resolution espacial y mayor la angular. En estos sistemas se busca el mejor compromiso entre la distancia desde la escena hasta la matriz de microlentes 4 y la distancia entre la matriz de microlentes 4 y el sensor 5, para tener suficientes replicas o puntos de vista de las marcas de referencia.

Con este sistema de captura plenoptico enfocado es posible enfocar computacionalmente planos que estarlan desenfocados en una fotografla convencional y ademas, el procesado plenoptico tambien nos permite reconstruir y generar vistas de una escena grande, comparada con el tamano de las microlentes, a partir de las imagenes elementales capturadas de distintas partes de dicha escena.

El proceso consiste en seguir computacionalmente el camino inverso de los rayos capturados. Esto es posible hacerlo ya que se conoce la direction que estos tienen cuando son registrados pues esta viene determinada por la microlente por la que pasa el rayo y el pixel en el que ha impactado. Asl, como se muestra en la Figura 3, reconstruyendo el camino de los rayos horizontales 8, se obtiene una vista ortogonal central de la escena y reconstruyendo el camino de los rayos oblicuos 9 se obtiene una vista ortogonal oblicua del objeto. Una vez se tiene estas dos vistas ya es posible triangular puntos equivalentes entre dos vistas.

Segun este modo de realization preferente de la invention, el sensor 5 situado detras de la matriz de microlentes 4 es un sensor de frecuencia temporal de muestreo alto o tambien llamado videosensor de alta velocidad. Esto permite registrar de manera dinamica en las distintas secuencias la evolution de la topografla corneal durante el intervalo de tiempo en el que se ejerce la accion mecanica sobre la cornea 2 y el tiempo de recuperacion de la forma original tras el cese de esta, incluida la topografla en estado de reposo instantes antes de que se inicie la action mecanica y despues de haber cesado, cuando la cornea 2 recupera su position. Por lo tanto, y como ya se ha indicado, la toma de la medida es inmediata, sin necesidad de realizar un barrido, lo que hace el proceso de medicion mas sencillo y mas facil de utilizar en la practica cllnica.

En este modo de realization preferente de la invention, el algoritmo de procesado de las imagenes de la cornea 2 comprende el registro, el reconocimiento y la triangulacion de los

5

10

15

20

25

30

35

puntos que forman las vistas generadas con los medios de captura y procesado de imagenes plenopticas para formar las superficies topograficas de la cornea en distintos instantes.

Como se muestra en la Figura 1, este sistema de caracterizacion comprende un dispositivo de deformacion controlada 17 de la cornea 2, mediante una aplicacion de una presion de aire 10 constante que en este modo de realization preferente de la invention es de un valor comprendido entre 15 y 35 kPa, siendo de forma preferente de 25 kPa.

Asl mismo, el sistema de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas de la cornea comprende unos medios 13 de computation y caracterizacion del comportamiento mecanico de la cornea 2, basado en un modelo experto 7 obtenido a partir de la modelizacion mediante elementos finitos de multiples corneas y proporciona un modelo personalizado para cada cornea analizada obteniendo como resultado una curva tension-deformacion.

De este modo, el modelo personalizado de cada cornea 2 incorpora cornea, limbo y la mitad de la esclera, para imponer las condiciones de contorno de simetrla. Se consideran elementos hexaedricos con aproximacion cuadratica. El modelo considera un comportamiento incompresible no-lineal del material, capaz de reproducir las grandes deformaciones que se producen mediante la insuflacion, considerando ademas la anisotropla del material debido a la orientation preferencial de las fibras de colageno. El modelo permite generar la geometrla de referencia, es decir la geometrla sin presurizacion necesaria para el analisis numerico, conocida la geometrla correspondiente a la presion intraocular.

El modelo experto 7 resultado de la modelizacion 12 biomecanica mediante elementos finitos en centenares de ojos normales y patologicos, tiene como objetivo evitar tiempos de computacion o requerimientos informaticos excesivos en el ambito cllnico.

Asl pues, dicho modelo experto 7 trata de escoger el comportamiento biomecanico mas proximo a cualquiera de los registrados, en funcion de una serie de parametros cllnicos, que comprenden al menos el desplazamiento maximo, la amplitud de aplanamiento, la presion intraocular y el espesor corneal. De este modo, tras una medida rapida y un mlnimo tiempo de computacion, la persona que realiza la evaluation de la cornea puede obtener una estimacion bastante precisa del comportamiento biomecanico de la misma. En caso de no existir en el modelo experto 7 un patron que se asemeje al comportamiento de una

5

10

15

20

25

30

35

determinada cornea 2, debido a su caracter excepcional, siempre existe la posibilidad del calculo exacto, aunque invirtiendo en ello un mayor tiempo de computation.

El modelo experto 7 proporciona finalmente la curva tension-deformacion correspondiente a la cornea 2 analizada. Esta curva, cuya signification flsica es ampliamente conocida, es la que se utiliza como metodo estandar para caracterizar las propiedades mecanicas de los materiales y es la que se utiliza en el sistema 1 de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas aqul propuesto, para la caracterizacion del comportamiento biomecanico de la cornea 2.

En esta memoria se presenta a su vez un procedimiento de medida con un sistema 1 de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas de la cornea 2 como el definido previamente, para un modo de realizacion preferente de la invencion.

Como se muestra en la Figura 4, este procedimiento comprende en primer lugar y de forma previa, la obtencion de un modelo experto 7 basado en el resultado de la modelizacion 12 biomecanica mediante elementos finitos, realizada en una multitud de corneas normales y patologicas.

Una vez ya se dispone de este modelo experto 7, el procedimiento presenta una primera fase consistente en la caracterizacion del perfil topografico 18 de la cara anterior y posterior de la cornea antes de aplicar la presion de aire 10 constante sobre la misma.

Esto se realiza con el dispositivo topografico dinamico plenoptico 14, que comprende el mecanismo de iluminacion 3, los medios de captura 15 de imagenes de la cornea plenopticos con procesado multivista y un algoritmo de procesado 16 de las mismas.

A continuation, la segunda fase consiste en la aplicacion de una presion de aire 10 constante sobre la cornea, para obtener una deformation controlada 17.1 de la misma.

Con esto, se llega a la tercera fase en la que se realiza la caracterizacion del perfil topografico 18 de la cornea durante dicho proceso de deformacion controlada y posterior recuperation tras cese de la fuerza, obteniendo distintos fotogramas de las imagenes durante dicho proceso.

5

10

15

20

25

30

35

En una cuarta fase, se realiza el almacenamiento y procesado 19 todas estas imagenes obtenidas antes y durante la deformacion controlada de la cornea 2.

En la quinta fase, se logra el perfil biomecanico 20 de la cornea y por ultimo en la sexta fase se obtiene 21 la curva tension-deformacion de la cornea analizada.

En este modo de realization preferente de la invention, la cornea 2 presenta un comportamiento biomecanico normalizado 11 respecto a la modelizacion realizada de multiples corneas para la obtencion del modelo experto 7, por tanto la obtencion del perfil biomecanico 20 de la cornea se realiza mediante la aplicacion de dicho modelo experto 7.

Se considera en esta memoria un segundo modo de realizacion preferente de la invencion en el que la cornea analizada presenta un comportamiento biomecanico excepcional 22 respecto a dicha modelizacion para la obtencion del modelo experto 7. En este caso el procedimiento es el mismo que en el primer modo de realizacion preferente salvo en la obtencion del perfil biomecanico 20 de la cornea, pues en este segundo modo de realizacion no es posible aplicar el modelo experto 7.1 por lo que la obtencion del perfil biomecanico se realiza mediante un calculo exacto 23 con un modelo de elementos finitos. Esto implica un mayor perlodo de tiempo de calculo, pero se obtiene igualmente al final el perfil de las propiedades mecanicas y con el la curva tension-deformacion de la cornea analizada.

Con el sistema de caracterizacion 3D de las propiedades mecanicas de la cornea y el procedimiento de medida mediante dicho sistema que aqul se presenta se consiguen importantes mejoras respecto al estado de la tecnica.

Asl pues, es un sistema donde el dispositivo topografico dinamico plenoptico que utiliza permite que el analisis de las propiedades mecanicas no se limite a un area especlfica de la cornea, sino que se permita realizar la medicion en diferentes areas de la cornea mediante cambios en la fijacion del paciente, haciendo que otras areas de la cornea, no exclusivamente la central, esten sometidas a la deformacion por la presion de aire definida. Y ello se consigue mediante la aplicacion de una presion de aire constante que no varla en funcion de la cornea, con lo cual el proceso resulta menos molesto para el paciente.

Asl mismo, es un sistema de captura plenoptica que ofrece una mayor resolution espacial y al estar fundamentado en una triangulacion entre vistas, esto se consigue sin que sea necesaria la utilization de una enorme cantidad de microlentes.

Toda la information de la cornea se recoge en una sola toma de manera inmediata, sin necesidad de realizar un barrido o utilizar varias camaras, lo que hace el proceso de medicion mas sencillo y mas facil de utilizar en la practica cllnica.

Se reducen los tiempos de analisis, gracias a la utilization del modelo experto, el cual permite obtener una geometrla de referencia sin presurizacion necesaria para el analisis numerico, una vez conocida la correspondiente presion intraocular.

10 El sistema proporciona la curva tension-deformation correspondiente a la cornea analizada, con lo cual se proporciona una medida de la misma estandar, de la que es perfectamente conocida su signification flsica, y por tanto, presenta una evidente y aceptada utilidad cllnica.

15 Y esto se consigue con un sistema de caracterizacion completamente eficaz, que ademas reduce los costes de fabrication del mismo, contribuyendo de este modo a que el sistema pueda utilizarse en cualquier centro sanitario, no solo en aquellos con grandes presupuestos.

Claims (1)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   REIVINDICACIONES

   1- Sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), mediante la utilization de unos medios de captura de imagenes de la misma, y la aplicacion sobre dicha cornea (2) de una presion conocida que da lugar a una deformation y de un mecanismo de iluminacion (3) de la misma, caracterizado por que comprende

   - un dispositivo topografico dinamico plenoptico (14) que obtiene un analisis topografico de la cara anterior y posterior de la cornea (2) y que presenta el mecanismo de iluminacion (3) con al menos una fuente de luz, los medios de captura (15) de imagenes de la cornea (2) y unos medios de procesado (16) de las mismas;

   - donde los medios de captura (15) de imagenes de la cornea (2) son plenopticos con procesado multivista, que capturan de forma inmediata toda la information en una sola toma y comprenden una matriz de microlentes (4), un sensor (5) situado detras de dicha matriz de microlentes (4) y una lente de campo (6) situada frente a la cornea (2) que forma una imagen intermedia proxima a la matriz de microlentes (4), frente a la misma o tras ella;

   - donde los medios de procesado (16) de dichas imagenes de la cornea (2) utilizan un algoritmo que comprende el registro, reconocimiento y triangulacion de los puntos que forman las vistas generadas con los medios de captura (15) de imagenes plenopticas para formar las superficies topograficas;

   - un dispositivo de deformacion controlada (17) de la cornea (2), mediante la aplicacion de una presion de aire (10) constante, y;

   - unos medios (13) de computation y caracterizacion del comportamiento mecanico de la cornea (2), que utiliza un modelo experto (7) basado en la modelizacion (12) biomecanica mediante elementos finitos de multiples corneas y proporciona un modelo personalizado para cada cornea analizada, obteniendo como resultado la curva tension-deferomacion de la misma.

   2- Sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), segun la revindication 1, caracterizado por que el sensor (5) situado detras de dicha matriz de microlentes (4) es un sensor de frecuencia temporal de muestreo alto o videosensor.

   3- Sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el modelo

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   experto (7) escoge el comportamiento biomecanico mas proximo a cualquiera de los registrados en funcion de unos parametros clmicos que comprenden al menos el desplazamiento maximo, la amplitud de aplanamiento, la presion intraocular y el espesor corneal.

   4- Sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la al menos una fuente de luz es policromatica.

   5- Sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el patron de luz se proyecta justo enfrente de la cornea (2), alineado con el eje visual.

   6- Sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de deformacion controlada (17) aplica una presion de aire (10) constante comprendido entre 15 y 35 kPa.

   7- Procedimiento de medida con un sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), como el definido en las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado por que comprende por un lado la obtencion previa de un modelo experto (7) basado en el resultado de la modelizacion (12) biomecanica mediante elementos finitos realizada en una multitud de corneas normales y patologicas, y por otro lado comprende las siguientes fases

   - caracterizacion del perfil topografico (18) de la cara anterior y posterior de la cornea (2) antes de aplicar la presion de aire (10) constante sobre la misma;

   - aplicacion de una presion de aire (10) constante, para obtener una deformacion controlada (17.1) de la cornea (2);

   - caracterizacion del perfil topografico (18) de la cornea (2) durante el proceso de deformacion controlada, obteniendo distintos fotogramas de las imagenes durante dicho proceso;

   - almacenamiento y procesado (19) de las imagenes obtenidas;

   - obtencion del perfil biomecanico (20) de la cornea (2), y;

   - obtencion (21) de la curva tension-deformacion de la cornea (2) analizada.

   10

   8- Procedimiento de medida con un sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), segun la reivindicacion 7, caracterizado por que cuando la cornea (2) presenta un comportamiento biomecanico normalizado (11) respecto a la modelizacion realizada de multiples corneas para la obtencion del modelo experto (7), la obtencion del perfil biomecanico (20) de la cornea (2) se realiza mediante la aplicacion de dicho modelo experto (7).

   9- Procedimiento de medida con un sistema (1) de caracterizacion 3D de la respuesta mecanica del tejido de la cornea (2), segun la reivindicacion 7, caracterizado por que cuando la cornea (2) presenta un comportamiento biomecanico excepcional (22) respecto a la modelizacion realizada de multiples corneas para la obtencion del modelo experto (7), la obtencion del perfil biomecanico (20) de la cornea (2) se realiza mediante un calculo exacto (23) con un modelo de elementos finitos.