El queratocono es una ectasia primaria que, por el adelgazamiento progresivo que genera y la consecuente irregularidad de la córnea, resulta de una compleja interacción entre alteraciones biomecánicas, cambios en la arquitectura estromal y la geometría corneal de base. Aunque tradicionalmente se ha considerado que la ectasia emerge a partir de una pérdida localizada de rigidez del estroma, se sugiere que la forma inicial de la córnea juega un papel determinante en la morfología final del patrón cónico y en su proceso de evolución.
Con el propósito de comprender todos los fenómenos físicos asociados a la formación de las ectasias, los investigadores buscan establecer el desarrollo de modelos matemáticos computarizados avanzados que permitan explorar, de manera controlada, cómo diferentes córneas responden ante una misma alteración biomecánica. En este sentido, emergen las simulaciones optobiomecánicas basadas en el método de elementos finitos (FEM, por su sigla en inglés), las cuales permiten integrar datos geométricos, materiales y estructurales para reproducir la respuesta tridimensional del tejido corneal ante diversas condiciones de carga o debilitamiento.
Con esta premisa, Ghaderi y colaboradores (2026) evaluaron cómo diferentes córneas responden a un punto débil estructural estandarizado, de distintos tamaños y localizaciones, utilizando el FEM en función de su geometría inicial. Lo innovador de este estudio es que se desarrolló mediante un enfoque optobiomecánico de alta complejidad, integrando modelado geométrico estadístico, formulaciones hiperlásticas anisotrópicas, es decir, un tipo de modelo matemático que describe cómo se deforma un material blando que no se comporta igual en todas las direcciones cuando se aplica una carga. También se empleó simulación estructural mediante el método de FEM.
En el proceso metodológico, los autores seleccionaron cinco córneas sintéticas provenientes del modelo SyntEyes, que consiste en un modelo estadístico que reproduce con precisión las propiedades biométricas y ópticas de ojos sanos adultos. Esto permitió disponer de una muestra con variabilidad anatómica realista, sin las limitaciones propias de las mediciones clínicas directas.
A partir de las superficies corneales iniciales, representadas por 45 coeficientes de Zernike sobre un diámetro de 6.5 mm, se generaron nubes de puntos tridimensionales mediante el programa MATLAB. Estas superficies fueron posteriormente extrapoladas hasta un diámetro limbar de 12 mm mediante el ajuste de una superficie cuadrática, preservando la morfología central original. Para evitar discontinuidades entre la zona medida y la extrapolada, que podrían comprometer la estabilidad del análisis por elementos finitos, se aplicó un algoritmo de suavizado que garantizó una transición continua en la geometría corneal. Entre tanto, la superficie posterior se desplazó según el espesor corneal central de cada caso, obteniendo volúmenes tridimensionales completos aptos para el análisis mecánico.
Una vez definida la geometría final de la córnea, fue necesario convertir esa representación geométrica en un formato apto para el análisis por FEM. Por esta razón, las superficies corneales se sometieron primero a un proceso de triangulación, mediante el cual los puntos que conformaban cada superficie se conectaron entre sí formando una malla de pequeños triángulos. Este procedimiento permitió transformar la nube de puntos original en una superficie continua y coherente, que posteriormente se exportó en formato STL, estándar ampliamente utilizado en modelado tridimensional para representar geometrías complejas mediante facetas triangulares.
Con los archivos STL generados, el siguiente paso realizado por los autores consistió en producir una malla volumétrica capaz de representar el espesor corneal y de soportar simulaciones estructurales. Para ello, los STL fueron importados en MATLAB, donde se emplearon herramientas del módulo PDE (Partial Differential Equation Toolbox) para convertir la superficie triangulada en un volumen discretizado. Estas funciones permiten crear una malla tridimensional formada por elementos tetraédricos y nodos interconectados, describiendo completamente la estructura interna del tejido.
Esa malla se exportó como archivo INP, que es el formato que ANSYS Mechanical utiliza para trabajar con FEM. Cada archivo INP contiene todos los nodos, elementos y conexiones necesarias para que el solver o motor de cálculo numérico pueda deformar la córnea virtual bajo diferentes condiciones. Ya dentro de ANSYS Mechanical, esa primera malla fue remallada nuevamente utilizando elementos SOLID185, que son tetraedros capaces de representar materiales con comportamiento no lineal y anisotrópico, como es el caso del estroma corneal.
Antes de comenzar las simulaciones, se realizó un análisis de convergencia de malla, probando cuatro densidades distintas. Este paso sirve para determinar cuántos elementos son necesarios para obtener resultados confiables. Se evaluaron cambios en el desplazamiento apical y en la curvatura máxima bajo una presión intraocular estándar de 16 mmHg. El comportamiento mecánico del tejido corneal se modeló mediante el constitutivo Holzapfel–Gasser–Ogden (HGO), un modelo hiperlástico anisotrópico que representa de forma muy realista la estructura del estroma. Este modelo está compuesto por una matriz extracelular blanda y dos familias de fibras de colágeno orientadas según la arquitectura corneal. Este modelo incluye términos para la respuesta volumétrica y no volumétrica del material, además de parámetros experimentales y el módulo volumétrico k.
Posteriormente, los autores introdujeron en cada modelo un punto débil (weak spot), representado como un disco de 2 mm de diámetro, donde la rigidez del tejido se redujo linealmente hasta un 60 % del valor original. Ese debilitamiento se aplicó en tres posiciones distintas: en el centro, a 1 mm por debajo del centro y a 2 mm por debajo. Además, se definió alrededor de esa zona una franja de transición de 1.5 mm, en la que la rigidez iba aumentando gradualmente hasta alcanzar los valores normales del tejido circundante. Esto evitó cambios bruscos que pudieran generar errores numéricos o patrones de deformación artificiales. Con el debilitamiento ya aplicado, se ejecutó la simulación final, obteniendo la deformación tridimensional completa de cada córnea. Ver Figura 1.
Figura 1. Tamaño y ubicación de los weak spots: a) Central, con un diámetro de 2 mm; b) 1 mm inferior; c) 2 mm inferior. El color gris indica el área con un valor de rigidez normal, el rojo representa la zona de transición y el amarillo corresponde a la zona de queratocono”.
En este sentido, las superficies anterior y posterior dentro del diámetro central de 6.5 mm se exportaron nuevamente como nubes de puntos y se ajustaron con polinomios de Zernike de octavo orden, lo que permitió generar mapas de curvatura tangencial, una de las medidas más sensibles, para identificar cambios tipo queratocono. También se calcularon cambios en paquimetría, área superficial y desplazamientos regionales para comparar la respuesta entre las diferentes córneas y analizar hasta qué punto la geometría inicial condiciona el patrón final de deformación. Asimismo, se incorporó un parámetro de dispersión fibrilar de 0.333, que refleja un grado de aleatoriedad moderado en la orientación de las fibras corneales. Esto permite que la córnea simulada se comporte de forma muy similar a la córnea real cuando sufre deformaciones.
A través de este proceso complejo, los autores encontraron que la introducción de un foco localizado de debilitamiento estromal genera, de manera consistente, una deformación cónica en la región vecina del weak spot, con una respuesta topográfica que depende de su posición y de la geometría corneal inicial. Cuando el debilitamiento se sitúa en el centro, la córnea muestra un aumento de curvatura anterior de +6.70 a +9.74 D, acompañado de un adelgazamiento central que ronda las 50–60 μm y una expansión del área superficial aproximada de 0.88 mm² en la superficie anterior. Estos hallazgos son compatibles con un fenotipo de queratocono central de evolución marcada.
Por otra parte, cuando el foco se desplaza 1 a 2 mm por debajo del centro, la respuesta muestra un patrón de pronunciada curvatura inferior, de hasta +11.91 a +23.23 D en la superficie anterior, con aplanamiento superior, reducción de espesor sensible de 10 a 20 μm y aumentos de área comparables a la condición central. Esto configura mapas tangenciales que evocan una degeneración marginal pelúcida en términos topográficos.
Con esto, los autores sugieren que el déficit biomecánico local es condición necesaria, pero no suficiente para explicar el fenotipo final del queratocono, ya que la geometría preexistente actúa como amplificador o amortiguador de la deformación. Esto explicaría por qué fuerzas mecánicas comparables, como el frote ocular crónico o fragilidad estromal regional, derivan en fenotipos distintos entre pacientes, como patrones centrales, inferiores, con patrón de “palomas besándose” o “gaviotas”, entre otros.
Los autores también indican que la respuesta no lineal de la córnea, representada en el modelo mediante un material HGO y resuelta con FEM tras estimar la configuración libre de tensiones, permite reproducir patrones clínicos conocidos, como el aplanamiento adyacente a un cono inferior o la semejanza topográfica con la degeneración marginal pelúcida cuando el weak spot se acerca al limbo. Esto aporta plausibilidad biomecánica a observaciones clínicas clásicas.
Asimismo señalan que, en detección temprana, la lectura de mapas tangenciales, paquimetría y aberraciones debería contextualizarse con rasgos geométricos basales en términos de radios, espesor corneal central, relación de curvaturas, asfericidad, entre otros, pues estos condicionan cuánta deformación emerge ante un mismo foco de fragilidad. Esto apunta a estrategias personalizadas de seguimiento para córneas con geometrías susceptibles, que podrían requerir intervalos más cortos de control y umbrales más sensibles para identificar progresión.
En conclusión, el estudio demuestra que la expresión morfológica del queratocono resulta de la interacción entre una debilidad estromal localizada y la geometría corneal inicial. El cono aparece donde el tejido se debilita, pero cómo se manifiesta en términos de intensidad, gradiente, aplanamientos, distribución de espesores y cambios de área, entre otros aspectos, depende de la forma de partida. Más allá del ámbito clínico, la aproximación FEM ofrece un laboratorio virtual para explorar escenarios imposibles de observar en la práctica, acelerando hipótesis y diseños de estudio que avancen hacia una exploración de las propiedades físicas de la córnea.
Adaptado de
1. Ghaderi H, García MJ, Koppen C, Rozema J. Opto-biomechanical simulation of keratoconus development in emmetropic eyes. J Optom. el 1 de enero de 2026;19(1).