Modeling "Frozen Waves" in Non-Invasive Ocular Therapy under Realistic Clinical Conditions of Eyelid Coupling and Occlusion

Abstract

Introducción: Las Frozen Waves (FW), como soluciones de onda moduladas no difractantes, permiten generar campos acústicos con distribución axial controlada y persistente incluso en presencia de barreras físicas parciales. Su potencial terapéutico en oftalmología se basa en la capacidad de alcanzar estructuras profundas como la retina sin requerir intervención invasiva. No obstante, condiciones clínicas como el ojo cerrado, la presencia de pestañas y el uso de medios de acoplamiento externos pueden introducir discontinuidades acústicas que podrían alterar la propagación del campo. Este estudio evalúa el desempeño acústico de FW en un escenario simulado que incorpora dichas condiciones anatómicas y operativas.

Objetivo: Analizar el comportamiento espacial del campo acústico generado por Frozen Waves en el ojo humano bajo condiciones clínicas realistas, incluyendo la oclusión palpebral, interfaz dermoacústica, medios de acoplamiento fluidos y estructuras oculares internas.

Metodología: Se construirá un modelo en COMSOL Multiphysics que integre una apertura generadora de FW, una capa de acoplamiento fluido (agua o gel), piel del párpado superior cerrado, pestañas, y estructuras oculares completas hasta la retina. Cada dominio se configuró con sus propiedades acústicas específicas (impedancia acústica, velocidad de propagación de la onda) basadas en datos fisiológicos. Se presentará un análisis en el dominio de la frecuencia para evaluar la propagación del campo en condiciones estacionarias. Se medirán indicadores clave como transmisión acústica interfacial, pérdidas por reflexión, distribución axial del lóbulo focal y energía acústica acumulada en la retina. Se incorporarán escenarios con variación en el grosor del párpado y características del medio de acoplamiento para evaluar la robustez del patrón acústico frente a condiciones clínicas variables.

Resultados: Se observa que las Frozen Waves mantienen su capacidad de focalización axial incluso al atravesar múltiples interfaces de impedancia discontinua, gracias a su naturaleza auto-reconstructiva. Los resultados incluyen mapas de presión acústica mostrando la estabilidad del patrón focal sobre la retina bajo diferentes condiciones de oclusión ocular y medio de acoplamiento. Se pudo apreciar una atenuación moderada en tejidos superficiales sin pérdida significativa del perfil axial ni distorsión del frente de onda. Además de lo anterior, en este trabajo se analiza la compatibilidad del método con diseños clínicos que eviten el contacto directo con la córnea, mejorando la comodidad y seguridad del procedimiento.

Conclusiones: El modelo confirma que las Frozen Waves pueden emplearse eficazmente en terapias oculares no-invasivas bajo condiciones realistas, manteniendo un patrón focal estable sobre la retina y mostrando baja sensibilidad a las capas adicionales externas, lo cual respalda su implementación clínica segura.