急性閉角型青光眼數(shù)值化建模與仿真研究基礎(chǔ)

張丹

[摘要]虛擬器官研究是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程研究學(xué)中的熱門研究領(lǐng)域，同時也是當(dāng)前國際生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(jìn)行發(fā)病進(jìn)程過程的仿真模擬和激光手術(shù)的仿真研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和，臨床醫(yī)學(xué)價值。

[關(guān)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(jìn)步，信息技術(shù)快速發(fā)展起來。隨著基于信息技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的各種醫(yī)學(xué)應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，生物醫(yī)學(xué)被前所未有地推動。采用計算機(jī)模擬實驗將初步逐步取代傳統(tǒng)上醫(yī)藥學(xué)研究依賴于大量動物和人體實驗的做法。以利用信息技術(shù)來實現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)和技能的數(shù)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(xué)、解剖學(xué)、病理學(xué)以及各種器官相關(guān)的臨床醫(yī)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的研究，同時運用的信息技術(shù)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(shù)等等，在研究方法上同時也借鑒了現(xiàn)代計算科學(xué)、現(xiàn)代生物物理學(xué)、生物化學(xué)以及生物數(shù)據(jù)建模等相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)典方法，成為了一個跨學(xué)科、多學(xué)科高度融合的前沿研究方向，在該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究不僅會具有非常高的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價值，同時其研究成果也將注定會產(chǎn)生非常巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。因此該領(lǐng)域是目前國內(nèi)外專家學(xué)者所關(guān)注的一個非常重點和熱點的領(lǐng)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(tǒng)其實是一個非常精密的光學(xué)系統(tǒng)，其成像和感光的性能都十分優(yōu)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(zhì)量。由于眼睛的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)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(yán)重影響患者的工作和生活。本文的研究旨在利用信息技術(shù)對人眼急性閉角型青光眼的發(fā)病進(jìn)程和激光虹膜切除術(shù)進(jìn)行建模及仿真的研究，包括眼前節(jié)各部位的特征參數(shù)提取、形態(tài)建模、物理建模和仿真等研究。

1人體眼睛的組織形態(tài)和其相關(guān)的基礎(chǔ)特性

在人體的整個視覺系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)，其成像和感光的性能都十分優(yōu)良。整個眼球的構(gòu)造近似一個橢圓，包括了屈光和感光兩個系統(tǒng)。從眼球的組織形態(tài)上來看，其主要由眼球壁和眼球壁所包裹的眼內(nèi)腔及相關(guān)內(nèi)容物組合而成，眼球的橫截面如圖1所示。

眼球壁從外向內(nèi)分為外膜、中膜和內(nèi)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(gòu)成，鞏膜結(jié)構(gòu)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(luò)膜。虹膜呈棕色圓盤狀，是一層非常堅固且不透明的環(huán)形膜狀結(jié)構(gòu)，虹膜的前邊中間有一個圓形的孔，即為瞳孔。視網(wǎng)膜位于眼球壁的內(nèi)膜層，是一層非常透明的膜，視網(wǎng)膜就像相機(jī)里的底片，專門負(fù)責(zé)感光成像。我們看到的信息通過在視網(wǎng)膜上形成視覺神經(jīng)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(nèi)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(wǎng)膜上。

本文的主要研究內(nèi)容是眼睛的眼前節(jié)部分。眼前節(jié)又稱為眼前段，是指位于眼球鋸齒緣以前的解剖結(jié)構(gòu)。眼前節(jié)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(chǎn)生的許多疾病，比如青光眼、白內(nèi)障、角膜潰瘍等，都與人的眼前節(jié)發(fā)生病變有關(guān)。

2青光眼介紹

所謂青光眼，是指由于眼內(nèi)壓增高而引起視盤凹陷、視野缺損，最終可以導(dǎo)致失明的嚴(yán)重眼病。據(jù)調(diào)研，在全球范圍內(nèi)，目前青光眼患者已經(jīng)超過7000萬人。但其具有隱匿性，在發(fā)達(dá)國家有一半的青光眼患者不知道自己患有青光眼，發(fā)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(yù)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(fā)展為雙眼失明。青光眼已經(jīng)成為導(dǎo)致人類失明的三大致盲眼病之一。

在臨床上，根據(jù)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(fā)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(dǎo)致產(chǎn)生青光眼的物理因素主要分成了功能和形態(tài)兩個方面。功能方面主要是指由于功能異常而導(dǎo)致的房水循環(huán)異常情況，形態(tài)方面是指主要因為虹膜、角膜等部位結(jié)構(gòu)異常因而導(dǎo)致了房水的流通不暢，產(chǎn)生堵塞。

3有限元分析方法

有限元法是60年代以來發(fā)展起來的新的數(shù)值計算方法，是計算機(jī)時代的產(chǎn)物。雖然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于當(dāng)時計算機(jī)尚未出現(xiàn)，它并未受到人們的重視。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個工程領(lǐng)域中不斷得到深入應(yīng)用，現(xiàn)已遍及宇航工業(yè)、核工業(yè)、機(jī)電、化工、建筑、海洋等工業(yè)，是機(jī)械產(chǎn)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(jié)論：有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生革命性的變化，理論設(shè)計代替了經(jīng)驗類比設(shè)計。目前，有限元法仍在不斷發(fā)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(qiáng)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(tǒng)所進(jìn)行的分析。有限元分析法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)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(yīng)各種復(fù)雜的形狀，而且使用該分析法進(jìn)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(wǎng)格來進(jìn)行區(qū)域的分割，同時也可以根據(jù)場函數(shù)的需要自由的布置節(jié)點，因而在許多工程學(xué)科中成為行之有效的分析手段，被廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)、振動和傳熱問題上。

本文通過對眼前節(jié)部分進(jìn)行形態(tài)建模并開展研究。通過人體眼球臨床診斷的經(jīng)典幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了合理化的假設(shè)及模式簡化來得出我們形態(tài)建模所選擇采用的幾何參數(shù)。基于此次建模所做出的建設(shè)及適當(dāng)簡化是建立在能夠保證數(shù)據(jù)結(jié)果定性分析正確性的基礎(chǔ)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(shù)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(jié)構(gòu)形態(tài)的精確描述，由此生成的幾何模型才可真正進(jìn)行手術(shù)模擬。而本文中形態(tài)模型的建立僅僅是為接下來生成對應(yīng)的物理模型，通過建立物理模型來做出針對眼前節(jié)常見病癥“青光眼”的生物力學(xué)分析，所以該形態(tài)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(tài)非常復(fù)雜，如果根據(jù)實際情況進(jìn)行參數(shù)化建模，則會因為模型過于復(fù)雜無法聚焦主要問題。同時，也會給在物理建模階段所進(jìn)行的的網(wǎng)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(tài)模型的基礎(chǔ)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(guān)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(tài)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(guān)研究內(nèi)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(jié)論

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