人眼晶状体建模与仿真研究

论文摘要

虚拟器官的研究是当前生物医学工程学中一个十分活跃的研究领域，而眼睛是人体最重要的器官之一。虚拟眼模型的构造需要采用多领域的先进技术，具有较高的研究意义和学术价值。同时虚拟眼研究的成果将在眼科学生理、病理研究和临床诊断、治疗等方面具有广阔的应用前景，有很高的实用价值。晶状体是人眼的重要组成部分，更是屈光调节功能系统的核心。而常见的近视、老视和白内障等常见疾病都与晶状体有着直接和密切的联系。因此对于人眼晶状体的建模和仿真研究，既是虚拟眼研究的重要组成部分，同时也能为各种晶状体相关疾病的病理研究和临床诊断提供重要的指导和参考，具有重要的社会价值。本文研究人眼晶状体的几何建模、物理建模及功能仿真等内容，目标是建立虚拟眼器官的晶状体部分，并为虚拟眼其他部分研究的实现提供技术路线方面的参考。本文的主要研究内容和成果为：1．针对不同个体晶状体几何形态数据测量获取的多源性，将参数化引入晶状体的几何建模中，对不同来源的晶状体几何形态数据(国内外晶状体形态的临床研究成果)进行数据融合，提取晶状体直径、晶状体厚度、核直径、核厚度和核偏移等刻画晶状体的几何特征的参数，采用参数化建模方法，建立晶状体的二维轮廓，并将其扩展为三维实体模型，实现基于特征参数的晶状体模型的建立和显示。2．在晶状体几何模型的基础上，采用有限元方法建立“晶状体－悬韧带－睫状体”联合作用的调节功能仿真物理模型，使得悬韧带的拉伸与收缩引起晶状体形态的改变，模拟晶状体最重要的调节功能；根据有限元方法的基本理论，对所建立的模型进行了理论分析，证明了在线性小形变的条件下，此类模型的解关于模型施加的拉力载荷和压力载荷都具有线性关系，且拉力载荷和压力载荷对模型解的影响具有线性叠加性；并应用上述理论分析结果，极大地简化了此类模型在不同拉力载荷和压力载荷作用下的模型求解过程。3．应用29岁和45岁两个不同晶状体的物理模型，研究影响调节的因素，讨论了晶状体的形变随悬韧带刚度及位移的变化规律；根据仿真计算的结果，分析Helmholtz和Schachar两种不同的调节机制假说的合理性。计算结果表明，按照Helmholtz调节假说过程和Schachar调节假说过程所分别给出的基本仿真结果都与当前公认的调节过程的基本事实一致；对于Helmholtz调节仿真过程，其变化结果与}telrnholtz给出的描述完全相符，且模型物理参数的变化不改变调节过程中晶状体的形态改变规律，仅对变化的幅度有影响；而按照Schachar假说给出的基本仿真结果中关于“调节过程中晶状体直径增加”这一论断存在争议，当赤道部悬韧带的弹性较前、后悬韧带大时，能得到“调节中晶状体直径增加”这样的结果，而当赤道部悬韧带的弹性相对较小时则“调节时晶状体赤道直径减小”。对于Schachar假说的分析需要更准确的悬韧带物理参数的测量数据。不同年龄模型的对比分析验证了随着年龄的增大，晶状体形态和物理属性的变化导致了人眼品状体的调节能力不断减小，结果与老视机制的当前基本理论相符合。应用调节的物理模型。研究了房水产生的眼压对晶状体形态、屈光和调节功能的影响，仿真结果表明，压力对于晶状体的形态有着显著的影响；随着眼压的增大晶状体的厚度将减小，直径将不断增加，前、后表面曲率半径增大，晶状体的屈光力也将增大；压力作用下依Helmholtz假说的调节仿真计算则表明，压力和睫状体拉力对晶状体形变的影响作用是互相独立，且晶状体形变的基本规律与无压力作用下完全相同。这一结果说明，在应用物理模型按照Helmholtz假说研究调节时，忽略压力的影响不会改变晶状体形变的基本结果。4．建立环形撕囊后前囊膜的有限元非线性大形变模型，分析在外力作用下的前囊膜的应力分布，研究撕囊开口大小与所能承受的最大拉伸长度的关系。仿真结果表明，撕开口越大，则囊膜所能承受的最大拉伸长度越大，这一结果与实验研究得到的结果完全一致；同时仿真研究还指出，在相同撕开口大小的情况下，囊膜受力作用范围的越大，则最大拉伸长度也会增大。而这一结论未被临床实验研究所发现。5．在计算机上实现一个具有交互功能的晶状体三维显示和调节仿真系统。以参数化建模为基础设计并实现了晶状体三维显示系统，可通过改变输入参数来实现不同个体特征晶状体的三维可视化；以调节仿真模型为基础，初步建立了晶状体功能仿真平台，实现可模拟调节的互动功能，及人眼视觉光路的晶状体屈光力计算。本文工作的主要创新之处在于：1．将参数化引入晶状体的几何建模中，提取能确定晶状体几何形态的参数，实现基于特征参数的晶状体模型的建立，用来显示具有不同个体特征的晶状体。2．建立了“晶状体－悬韧带－睫状体”联合作用的有限元调节仿真模型，并依据有限元理论对模型进行了详细的理论分析，载荷之间都具有线性关系，且拉力载荷和压力载荷对模型解的影响具有线性叠加性；并据此提出了该模型有限元计算的简化方法。3．利用调节仿真有限元模型，分别按照Helmholtz和Schachar两种不同的调节机制假说进行了仿真计算，验证了两种假说符合当前公认的调节形变事实，并得出模型依据Helmholtz假说的仿真结果具有稳健性；而依据Schachar假说提出的仿真结果则与悬韧带的弹性密切相关。4．得出眼压对晶状体形态和屈光特性具有显著的影响，及在压力作用下依Helmholtz假说的调节时，压力载荷与拉力载荷对晶状体形态的影响独立的结论，从而说明在应用物理模型按照Helmholtz假说研究调节时，忽略压力的影响不改变晶状体形变的基本结果。5．建立CCC后前囊膜的有限元形变的非线性大形变模型，研究CCC后撕囊开口大小与所能承受的最大拉伸长度的关系，得到了与实验研究完全一致的结果，并进一步指出，“在相同撕开口大小的情况下，囊膜受力作用范围的越大，则最大拉伸长度也会增大”这一结论。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟化数字人和虚拟器官
• 1.2 晶状体建模与仿真研究现状
• 1.2.1 晶状体的形态研究
• 1.2.2 品状体的生物力学性质研究
• 1.2.3 调节机制和手术仿真的研究
• 1.3 本文的研究内容和主要工作
• 第二章 晶状体参数化建模
• 2.1 概述
• 2.2 晶状体的完整形态
• 2.2.1 晶状体的外轮廓曲线
• 2.2.2 囊膜和核的形态
• 2.3 基于临床特征参数的参数化建模
• 2.3.1 生成不同年龄的基本数据
• 2.3.2 基于特征参数的变换
• 2.4 小结
• 第三章 晶状体调节功能的有限元仿真模型
• 3.1 调节概述
• 3.2 晶状体调节系统的几何模型
• 3.2.1 晶状体
• 3.2.2 悬韧带和睫状体建模
• 3.3 各部分的物理属性
• 3.3.1 囊膜的物理属性
• 3.3.2 皮质和核
• 3.3.3 悬韧带的弹性
• 3.4 晶状体调节系统有限元模型
• 3.4.1 有限元分析方法简介
• 3.4.2 有限元分析软件ANSYS简介
• 3.4.3 晶状体调节系统的有限元模型
• 3.5 模型的理论分析
• 3.5.1 弹性力学基础
• 3.5.2 轴对称问题
• 3.5.3 轴对称3节点三角形环状单元
• 3.5.4 2节点轴对称壳单元
• 3.5.5 弹簧单元的平衡方程
• 3.5.6 整体刚度矩阵和平衡方程的特征
• 3.5.7 等效节点载荷和平衡方程
• 3.5.8 模型的理论分析结论
• 3.6 小结
• 第四章 基于晶状体调节系统模型的调节机制研究
• 4.1 调节机制的仿真
• 4.1.1 Helmholtz松弛理论仿真
• 4.1.2 Schachar张紧理论仿真
• 4.1.3 晶状体屈光力的计算
• 4.2 Helmholtz理论的仿真研究
• 4.2.1 29岁晶状体仿真研究的基本结果
• 4.2.2 45岁晶状体研究的结果
• 4.2.3 两种年龄的比较分析
• 4.2.4 悬韧带作用及其弹性的影响
• 4.3 Schachar理论的仿真研究
• 4.4 眼压对调节的影响
• 4.4.1 眼压对晶状体形态的影响
• 4.4.2 眼压对调节的影响
• 4.5 调节仿真总结
• 第五章 晶状体前囊膜的非线性有限元分析
• 5.1 前囊膜的非线性特性
• 5.1.1 非线性分析简介
• 5.1.2 前囊膜的非线性弹性
• 5.2 成年人眼CCC后前囊膜的有限元仿真模型
• 5.2.1 CCC后前囊膜的几何特征和物理属性
• 5.2.2 有限元模型及计算简化
• 5.3 仿真计算结果分析
• 5.3.1 基本的应力—应变
• 5.3.2 撕开口直径对应力—应变分布的影响
• 5.3.3 外力与前囊膜接触范围大小对囊膜最大拉伸的影响
• 5.3.4 不同年龄的结果比较
• 5.4 小结
• 第六章 晶状体模型三维显示及调节仿真系统
• 6.1 概述
• 6.2 参数化建模与三维可视化
• 6.3 MATLAB计算模块
• 6.4 ANSYS有限元计算模块实现
• 6.5 调节仿真实现
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 附录A 晶状体的光照设置和法向量的计算
• 附录B 使用Matcom在VC++6.0中编译和加入.m文件