急性閉角型青光眼數值化建模與仿真研究基礎

張丹

[摘要]虛擬器官研究是當前生物醫學工程研究學中的熱門研究領域，同時也是當前國際生物醫學領域的前沿課題。急性閉角型青光眼是一種危害人眼的疾病，對其進行發病進程過程的仿真模擬和激光手術的仿真研究具有重要的學術意義和，臨床醫學價值。

[關鍵詞]物理建模；急性閉角型青光眼；有限元方法

近年來，隨著我國科技的不斷進步，信息技術快速發展起來。隨著基于信息技術發展而出現的各種醫學應用不斷涌現，生物醫學被前所未有地推動。采用計算機模擬實驗將初步逐步取代傳統上醫藥學研究依賴于大量動物和人體實驗的做法。以利用信息技術來實現人體結構和技能的數字化、可視化的虛擬仿真器官的深入研究，其主要通過對生理學、解剖學、病理學以及各種器官相關的臨床醫學學科領域的研究，同時運用的信息技術手段也涵蓋了圖像分析與處理、圖形圖像的建模與展示、以及虛擬仿真技術等等，在研究方法上同時也借鑒了現代計算科學、現代生物物理學、生物化學以及生物數據建模等相關領域的經典方法，成為了一個跨學科、多學科高度融合的前沿研究方向，在該領域進行深入研究不僅會具有非常高的科學意義和學術價值，同時其研究成果也將注定會產生非常巨大的社會和經濟效益。因此該領域是目前國內外專家學者所關注的一個非常重點和熱點的領域。

在人體的所有器官中，眼睛無疑是最重要的之一，整個人眼睛的視覺系統其實是一個非常精密的光學系統，其成像和感光的性能都十分優良。一個健康人所獲得的所有信息中，大約有百分之八十左右都是直接或間接通過眼睛來獲得的。因此，對于人們的日常生活而言，眼睛是十分重要的工具，眼睛的好壞也直接左右著人們的生活質量。由于眼睛的結構相對比較復雜，其本身人體器官中較為脆弱的一個，因此眼部的疾病種類很多，盡管絕大部分不會致命，但會嚴重影響患者的工作和生活。本文的研究旨在利用信息技術對人眼急性閉角型青光眼的發病進程和激光虹膜切除術進行建模及仿真的研究，包括眼前節各部位的特征參數提取、形態建模、物理建模和仿真等研究。

1人體眼睛的組織形態和其相關的基礎特性

在人體的整個視覺系統中，眼睛無疑處于十分重要的地位，整個人眼睛其實是一個非常精密的光學系統，其成像和感光的性能都十分優良。整個眼球的構造近似一個橢圓，包括了屈光和感光兩個系統。從眼球的組織形態上來看，其主要由眼球壁和眼球壁所包裹的眼內腔及相關內容物組合而成，眼球的橫截面如圖1所示。

眼球壁從外向內分為外膜、中膜和內膜三層：眼球外膜的前六分之一表面為角膜，后面的六分之五表面為鞏膜。角膜作為位于眼球外膜的一層透明膜，略呈橫橢圓形。鞏膜是眼球壁的最外面的一層，是由彈力纖維和膠原所構成，鞏膜結構較硬，不透明，俗話叫白眼仁。中膜位于眼球壁的中層，又被稱為血管膜、葡萄膜或色素膜。中膜的組織比較柔軟，含有非常豐富的色素和血管組織。中膜從前往后可分為三部分，分別是虹膜、睫狀體、脈絡膜。虹膜呈棕色圓盤狀，是一層非常堅固且不透明的環形膜狀結構，虹膜的前邊中間有一個圓形的孔，即為瞳孔。視網膜位于眼球壁的內膜層，是一層非常透明的膜，視網膜就像相機里的底片，專門負責感光成像。我們看到的信息通過在視網膜上形成視覺神經沖動，并沿著通路將這些信息傳遞到視中樞形成視覺，就能在我們的大腦中生成圖像。

在眼球中的角膜后方與虹膜、晶狀體之間存在的空腔被稱之為前房，前房內充滿了無色無味的液體，即房水。虹膜的后面有一個雙凸面的透明組織，即為晶狀體，晶狀體的形狀和作用與凸透鏡比較類似，它能把看到的物體的真實影像，清晰地反映在視網膜上。

本文的主要研究內容是眼睛的眼前節部分。眼前節又稱為眼前段，是指位于眼球鋸齒緣以前的解剖結構。眼前節主要包括眼球的角膜、鞏膜、前房、虹膜、瞳孔和晶狀體等。人們眼睛產生的許多疾病，比如青光眼、白內障、角膜潰瘍等，都與人的眼前節發生病變有關。

2青光眼介紹

所謂青光眼，是指由于眼內壓增高而引起視盤凹陷、視野缺損，最終可以導致失明的嚴重眼病。據調研，在全球范圍內，目前青光眼患者已經超過7000萬人。但其具有隱匿性，在發達國家有一半的青光眼患者不知道自己患有青光眼，發展中國家中則有超90%的青光眼患者對自己的疾病一無所知。預計到2020年，全世界將有7960萬人患有青光眼，其中1120萬人最終可能發展為雙眼失明。青光眼已經成為導致人類失明的三大致盲眼病之一。

在臨床上，根據致病原因我們一般將青光眼分為四大類：先天性青光眼，繼發性青光眼，急性閉角型青光眼和慢性開角型青光眼。通過對青光眼致病成因的研究得出，導致產生青光眼的物理因素主要分成了功能和形態兩個方面。功能方面主要是指由于功能異常而導致的房水循環異常情況，形態方面是指主要因為虹膜、角膜等部位結構異常因而導致了房水的流通不暢，產生堵塞。

3有限元分析方法

有限元法是60年代以來發展起來的新的數值計算方法，是計算機時代的產物。雖然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于當時計算機尚未出現，它并未受到人們的重視。隨著計算機技術的發展，有限元法在各個工程領域中不斷得到深入應用，現已遍及宇航工業、核工業、機電、化工、建筑、海洋等工業，是機械產品動、靜、熱特性分析的重要手段。早在70年代初期就有人給出結論：有限元法在產品結構設計中的應用，使機電產品設計產生革命性的變化，理論設計代替了經驗類比設計。目前，有限元法仍在不斷發展，理論上不斷完善，各種有限元分析程序包的功能越來越強大，使用越來越方便。

而所謂的有限元分析，則是指通過使用有限元分析法來對物體或物理系統所進行的分析。有限元分析法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。有限元分析法不僅能夠適應各種復雜的形狀，而且使用該分析法進行建模計算的精度很高。該分析法理論上可以使用任意形狀的網格來進行區域的分割，同時也可以根據場函數的需要自由的布置節點，因而在許多工程學科中成為行之有效的分析手段，被廣泛應用在結構、振動和傳熱問題上。

本文通過對眼前節部分進行形態建模并開展研究。通過人體眼球臨床診斷的經典幾何參數的基礎上，進行了合理化的假設及模式簡化來得出我們形態建模所選擇采用的幾何參數?；诖舜谓Ｋ龀龅慕ㄔO及適當簡化是建立在能夠保證數據結果定性分析正確性的基礎上的，同時也是符合此種類型研究的研究特點的。

在實際的手術模擬操作及仿真演示中，需要對每一個眼部組織的精確定位及對眼部結構形態的精確描述，由此生成的幾何模型才可真正進行手術模擬。而本文中形態模型的建立僅僅是為接下來生成對應的物理模型，通過建立物理模型來做出針對眼前節常見病癥“青光眼”的生物力學分析，所以該形態模型并不依賴于精確的幾何模型的建立。

同時，由于人體的眼部組織的形態非常復雜，如果根據實際情況進行參數化建模，則會因為模型過于復雜無法聚焦主要問題。同時，也會給在物理建模階段所進行的的網格劃分帶來一定的不利影響。

另外，由于本文只是通過在建立形態模型的基礎上為今后開展更加深入的研究工作做出初步的研究，基于工作效率最大化的角度來分析，為了關注主要矛盾，這種合理的簡化也是非常有必要的。

在本文形態建模的研究范疇中，包括的人體眼球組織主要有：角膜、虹膜、晶狀體、房水等。在前期通過查閱相關研究內容了解到，除了房水以外，其余各個眼組織都屬于彈性體，而房水的物理特性與普通的水比較相似。因此，本文采用了有限元方法來建立研究物理模型。

4結論

本文作為急性閉角型青光眼數值化建模與仿真研究的基礎，主要工作有：獲取了經典人眼前節形態數據模型，包括角膜、眼膜以及晶狀體；獲取了眼前節各組織物理學特性，包括彈性模量和泊松比；了解了各種青光眼發病原理；理解了有限元理論以及彈性力學知識。這些基礎性工作為后續研究建立眼前節形態、物理模型以及仿真奠定了良好的基礎。