急性闭角型青光眼数值化建模与仿真研究基础

张丹

[摘要]虚拟器官研究是当前生物医学工程研究学中的热门研究领域，同时也是当前国际生物医学领域的前沿课题。急性闭角型青光眼是一种危害人眼的疾病，对其进行发病进程过程的仿真模拟和激光手术的仿真研究具有重要的学术意义和，临床医学价值。

[关键词]物理建模；急性闭角型青光眼；有限元方法

近年来，随着我国科技的不断进步，信息技术快速发展起来。随着基于信息技术发展而出现的各种医学应用不断涌现，生物医学被前所未有地推动。采用计算机模拟实验将初步逐步取代传统上医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法。以利用信息技术来实现人体结构和技能的数字化、可视化的虚拟仿真器官的深入研究，其主要通过对生理学、解剖学、病理学以及各种器官相关的临床医学学科领域的研究，同时运用的信息技术手段也涵蓋了图像分析与处理、图形图像的建模与展示、以及虚拟仿真技术等等，在研究方法上同时也借鉴了现代计算科学、现代生物物理学、生物化学以及生物数据建模等相关领域的经典方法，成为了一个跨学科、多学科高度融合的前沿研究方向，在该领域进行深入研究不仅会具有非常高的科学意义和学术价值，同时其研究成果也将注定会产生非常巨大的社会和经济效益。因此该领域是目前国内外专家学者所关注的一个非常重点和热点的领域。

在人体的所有器官中，眼睛无疑是最重要的之一，整个人眼睛的视觉系统其实是一个非常精密的光学系统，其成像和感光的性能都十分优良。一个健康人所获得的所有信息中，大约有百分之八十左右都是直接或间接通过眼睛来获得的。因此，对于人们的日常生活而言，眼睛是十分重要的工具，眼睛的好坏也直接左右着人们的生活质量。由于眼睛的结构相对比较复杂，其本身人体器官中较为脆弱的一个，因此眼部的疾病种类很多，尽管绝大部分不会致命，但会严重影响患者的工作和生活。本文的研究旨在利用信息技术对人眼急性闭角型青光眼的发病进程和激光虹膜切除术进行建模及仿真的研究，包括眼前节各部位的特征参数提取、形态建模、物理建模和仿真等研究。

1人体眼睛的组织形态和其相关的基础特性

在人体的整个视觉系统中，眼睛无疑处于十分重要的地位，整个人眼睛其实是一个非常精密的光学系统，其成像和感光的性能都十分优良。整个眼球的构造近似一个椭圆，包括了屈光和感光两个系统。从眼球的组织形态上来看，其主要由眼球壁和眼球壁所包裹的眼内腔及相关内容物组合而成，眼球的横截面如图1所示。

眼球壁从外向内分为外膜、中膜和内膜三层：眼球外膜的前六分之一表面为角膜，后面的六分之五表面为巩膜。角膜作为位于眼球外膜的一层透明膜，略呈横椭圆形。巩膜是眼球壁的最外面的一层，是由弹力纤维和胶原所构成，巩膜结构较硬，不透明，俗话叫白眼仁。中膜位于眼球壁的中层，又被称为血管膜、葡萄膜或色素膜。中膜的组织比较柔软，含有非常丰富的色素和血管组织。中膜从前往后可分为三部分，分别是虹膜、睫状体、脉络膜。虹膜呈棕色圆盘状，是一层非常坚固且不透明的环形膜状结构，虹膜的前边中间有一个圆形的孔，即为瞳孔。视网膜位于眼球壁的内膜层，是一层非常透明的膜，视网膜就像相机里的底片，专门负责感光成像。我们看到的信息通过在视网膜上形成视觉神经冲动，并沿着通路将这些信息传递到视中枢形成视觉，就能在我们的大脑中生成图像。

在眼球中的角膜后方与虹膜、晶状体之间存在的空腔被称之为前房，前房内充满了无色无味的液体，即房水。虹膜的后面有一个双凸面的透明组织，即为晶状体，晶状体的形状和作用与凸透镜比较类似，它能把看到的物体的真实影像，清晰地反映在视网膜上。

本文的主要研究内容是眼睛的眼前节部分。眼前节又称为眼前段，是指位于眼球锯齿缘以前的解剖结构。眼前节主要包括眼球的角膜、巩膜、前房、虹膜、瞳孔和晶状体等。人们眼睛产生的许多疾病，比如青光眼、白内障、角膜溃疡等，都与人的眼前节发生病变有关。

2青光眼介绍

所谓青光眼，是指由于眼内压增高而引起视盘凹陷、视野缺损，最终可以导致失明的严重眼病。据调研，在全球范围内，目前青光眼患者已经超过7000万人。但其具有隐匿性，在发达国家有一半的青光眼患者不知道自己患有青光眼，发展中国家中则有超90%的青光眼患者对自己的疾病一无所知。预计到2020年，全世界将有7960万人患有青光眼，其中1120万人最终可能发展为双眼失明。青光眼已经成为导致人类失明的三大致盲眼病之一。

在临床上，根据致病原因我们一般将青光眼分为四大类：先天性青光眼，继发性青光眼，急性闭角型青光眼和慢性开角型青光眼。通过对青光眼致病成因的研究得出，导致产生青光眼的物理因素主要分成了功能和形态两个方面。功能方面主要是指由于功能异常而导致的房水循环异常情况，形态方面是指主要因为虹膜、角膜等部位结构异常因而导致了房水的流通不畅，产生堵塞。

3有限元分析方法

有限元法是60年代以来发展起来的新的数值计算方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。

而所谓的有限元分析，则是指通过使用有限元分析法来对物体或物理系统所进行的分析。有限元分析法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。有限元分析法不仅能够适应各种复杂的形状，而且使用该分析法进行建模计算的精度很高。该分析法理论上可以使用任意形状的网格来进行区域的分割，同时也可以根据场函数的需要自由的布置节点，因而在许多工程学科中成为行之有效的分析手段，被广泛应用在结构、振动和传热问题上。

本文通过对眼前节部分进行形态建模并开展研究。通过人体眼球临床诊断的经典几何参数的基础上，进行了合理化的假设及模式简化来得出我们形态建模所选择采用的几何参数。基于此次建模所做出的建设及适当简化是建立在能够保证数据结果定性分析正确性的基础上的，同时也是符合此种类型研究的研究特点的。

在实际的手术模拟操作及仿真演示中，需要对每一个眼部组织的精确定位及对眼部结构形态的精确描述，由此生成的几何模型才可真正进行手术模拟。而本文中形态模型的建立仅仅是为接下来生成对应的物理模型，通过建立物理模型来做出针对眼前节常见病症“青光眼”的生物力学分析，所以该形态模型并不依赖于精确的几何模型的建立。

同时，由于人体的眼部组织的形态非常复杂，如果根据实际情况进行参数化建模，则会因为模型过于复杂无法聚焦主要问题。同时，也会给在物理建模阶段所进行的的网格划分带来一定的不利影响。

另外，由于本文只是通过在建立形态模型的基础上为今后开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来分析，为了关注主要矛盾，这种合理的简化也是非常有必要的。

在本文形态建模的研究范畴中，包括的人体眼球组织主要有：角膜、虹膜、晶状体、房水等。在前期通过查阅相关研究内容了解到，除了房水以外，其余各个眼组织都属于弹性体，而房水的物理特性与普通的水比较相似。因此，本文采用了有限元方法来建立研究物理模型。

4结论

本文作为急性闭角型青光眼数值化建模与仿真研究的基础，主要工作有：获取了经典人眼前节形态数据模型，包括角膜、眼膜以及晶状体；获取了眼前节各组织物理学特性，包括弹性模量和泊松比；了解了各种青光眼发病原理；理解了有限元理论以及弹性力学知识。这些基础性工作为后续研究建立眼前节形态、物理模型以及仿真奠定了良好的基础。