基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法与流程

本发明涉及生物医学中眼球的有限元分析技术，尤其是一种基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法。
背景技术：
：有限元分析在眼科领域广为应用，有限元模型可以帮助人们更好地研究眼组织生物力学特点。因此，通过建立较为完善的理想眼球模型和复杂眼球,对眼部生物力学进行准确分析，可显著提高相关眼科实验的可重复性和精确性，降低研究成本，对眼部疾病的诊断治疗，研究有重要的意义。眼睛是视觉器官，最重要的感觉器官之一。人类通过眼睛可以从复杂的外界环境中，感知和获取丰富的信息。地面眼科疾病如白内障、青光眼等，严重和影响人们生活的质量,而空间微重力眼损伤不但对航天员身体带来严重危害，还严重威胁航天任务的完成。2011年左右，nasa开始了名为“眼损伤与颅内压”(visionimpairmentandintracranialpressure,viip)的相关研究,旨在研究经过长期暴露于微重力空间环境，航天员在抵达地球前后其眼结构及远视力、近视力的变化。研究表明，在航天微重力环境下，眼部结构及功能的改变包括视神经乳头水肿、眼球变扁、脉络膜皱褶、视网膜棉絮状渗出点、视神经鞘肿胀、近点远移等，严重情况下会造成眼部永久性损伤。对于为微重力环境眼损伤的研究主要以实验方法展开，实验成本高，受航天员样本数量少、个体差异明显、空间测试成本高等因素限制，相关研究数据并不具备普遍性且进展较慢，相关研究受到限制。技术实现要素：本发明是要解决无法进行准确测量和得到失重状态下的人眼生物力学数据的问题，提出的一种基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法，其特征在于，其步骤如下：1)对眼球进行简化与假设，建立人眼三维几何模型；2)确定人眼生物力学特性；3)确定材料的性质和设定在失重状态下的参数；其过程为：(1)经数据处理颅内压与眼压之间存在着良好的线性相关性，计算得线性回归方程：iop＝0.934*icp+3.705；式中：icp为颅内压，iop为眼压；(2)根据上述线性回归方程，对人眼内施加14.91～31.73mmhg的压力，并约束人眼外表面；4)对人眼三维几何模型进行有限元网格划分,设定有限元模型的边界条件；其过程为：(1)把人眼生物力学几何模型输入到有限元分析软件中，选择单元类型，设定单元密度，进行网格划分，且网格的尺寸小于或等于0.20mm；(2)眼内压初试值设定为15mmhg，然后对角膜模型进行眼睛内压增值模拟，对应设置时间序列，相邻时间序列间眼内压差均为1mmhg，然后对角膜模型进行眼睛内压增值模拟，分析处理模拟后取得的计算结果；选择角膜后表面和巩膜内表面为作用面加载，约束人眼有限元模型的外表面；5)设定失重下人眼受作用的方式与作用的数值，在人眼内部进行有限元求解，根据人眼内部组织单元各节点所得的应力-应变-位移计算结果，从而得到人眼内部组织单元的应力-应变-位移分布图；定量分析人眼组织在失重状态下角膜前后表面位移变化结果，并得出所导致的波前像差变化和视觉质量的改变，其过程为：将人眼内部组织进行有限元求解，利用有限元软件的分析结果数据，插入函数合成应力-应变-位移图，在其中对应力-应变-位移图进行导出数据，将相关数据与正常数据进行对比，分析角膜位移的改变导致角膜波前像差发生变化并且影响了眼像差的量和特性，并用波前理论对视觉质量进行判定，即完成了一种基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法；进一步，所述步骤1)中建立人眼三维几何模型的具体过程为：(1)利用matlab软件中编程角膜上下表面对应的三维坐标数据，获得具有角膜三维信息数据；利用pentacam综合眼前节分析系统临床测量角膜地形图，获取角膜前后表面的高度差数据；利用具有角膜三维信息数据及角膜前后表面的高度差数据并且结合参考曲面和角膜厚度，建立个体化人眼角膜的几何模型；其中人眼的眼球是轴对称的椭球，人眼的眼角膜的内外表面为椭球面；其中，角膜前表面函数为：角膜后表面函数为：式中：r`为角膜前表面拟合球面的曲率半径，r``为角膜后表面拟合球面的曲率半径，x,y为球面点的坐标，ci’为泽尼克系数，zi为泽尼克多项式；(2)设定巩膜厚度为均匀，内外壁是椭球面，并由临床确定测得的轴长数据大小，建立的人眼形态模型；(3)利用已知晶状体直径、厚度、核直径、核厚度和核偏移特征参数进行参数化建模，并通过上述参数与实测的几何物理特征参数进行融合，得到实体形态模型；(4)将上述实体形态模型进行分析整合，并在造型软件中建立完整的个体化人眼生物力学模型；所述步骤2)中确定人眼生物力学特性为：将角膜作为各向同性材料处理，失重条件下将眼球组织近似为符合线性变化的各向同性的弹性体，根据眼球组织内物质连续性假定、眼球组织内物质均匀性假定、眼球组织内物质力学特性的各向同性假定、线弹性假定和小变形假定设定角膜的密度、弹性模量以及泊松比。进一步，所述步骤1)中建立人眼三维几何模型的具体过程为：(1)利用matlab软件中编程角膜上下表面对应的三维坐标数据，获得具有角膜三维信息数据；利用pentacam综合眼前节分析系统临床测量角膜地形图，获取角膜前后表面的高度差数据；利用具有角膜三维信息数据及角膜前后表面的高度差数据并且结合参考曲面和角膜厚度，建立个体化人眼角膜的几何模型；其中人眼的眼球是轴对称的椭球，人眼的眼角膜的内外表面为椭球面；其中，角膜前表面函数为：角膜后表面函数为：式中：r`为角膜前表面拟合球面的曲率半径，r``为角膜后表面拟合球面的曲率半径，x,y为球面点的坐标，ci’为泽尼克系数，zi为泽尼克多项式；(2)设定巩膜厚度为均匀，内外壁是椭球面，并由临床确定测得的轴长数据大小，建立的人眼形态模型；(3)利用已知晶状体直径、厚度、核直径、核厚度和核偏移的特征参数进行参数化建模，通过上述参数与实测的几何物理特征参数进行融合，得到实体形态模型；(4)将上述实体形态模型进行分析整合，并在造型软件中建立完整的个体化人眼生物力学模型；所述步骤2)中确定人眼生物力学特性为：(1)将角膜作为不均匀的、各向异性的、非线性的和黏弹性的复杂生物力学材料处理；角膜的非线性应力-应变关系服从以下公式：σ＝a(e^αε-1)；其中：σ为应力，ε为应变，a、α为材料常数；由应力松弛曲线得出角膜的黏弹性特征，并计算出经验公式：y＝-0.0157ln(t)+0.9785；其中：y为在伸长比为1.5时归一化累计模量，t为时间；(2)确定角膜、虹膜、巩膜、晶状体和悬韧带在内的各人眼组织的密度，由上述公式确定人眼组织的生物力学特性。进一步，所述步骤1)中建立人眼三维几何模型的具体过程为：(1)利用临床上测量的进行过角膜激光手术的患者眼部相关数据，进而构建术后的恢复正常的人眼三维几何模型；利用matlab软件中编程角膜上下表面对应的三维坐标数据，获得具有角膜三维信息数据；利用pentacam综合眼前节分析系统临床测量角膜地形图，获取角膜前后表面的高度差数据；利用具有角膜三维信息数据及前后表面的高度差数据并且结合参考曲面和角膜厚度，建立个体化人眼角膜的几何模型；其中人眼的眼球是轴对称的椭球，人眼的眼角膜的内外表面为椭球面；其中，角膜前表面函数为：角膜后表面：式中：r`为角膜前表面拟合球面的曲率半径，r``为角膜后表面拟合球面的曲率半径，x,y为球面点的坐标，ci’为泽尼克系数，zi为泽尼克多项式；(2)设定巩膜厚度为均匀，内外壁是椭球面，并由临床确定测得的轴长数据大小，建立的人眼形态模型；(3)利用已知晶状体的特征参数：晶状体直径、厚度、核直径、核厚度、核偏移这五个参来进行参数化建模，通过这些参数与实测的几何物理特征参数进行融合，得到实体形态模型；(4)将模型进行分析整合，并在造型软件中建立完整的个体化人眼生物力学模型；所述步骤2)中确定人眼生物力学特性为：将角膜作为各向同性材料处理，失重条件下将眼球组织近似为符合线性变化的各向同性的弹性体，根据眼球组织内物质连续性假定、眼球组织内物质均匀性假定、眼球组织内物质力学特性的各向同性假定、线弹性假定和小变形假定设定角膜的密度，弹性模量以及泊松比。所述步骤1)中建立人眼三维几何模型的具体过程为：(1)利用临床上测量的进行过角膜激光手术的患者眼部相关数据，进而构建术后的恢复正常的人眼三维几何模型；利用matlab软件中编程角膜上下表面对应的三维坐标数据，获得具有角膜三维信息数据；利用pentacam综合眼前节分析系统临床测量角膜地形图，获取角膜前后表面的高度差数据；利用具有角膜三维信息数据及前后表面的高度差数据并且结合参考曲面和角膜厚度，建立个体化人眼角膜的几何模型；其中人眼的眼球是轴对称的椭球，人眼的眼角膜的内外表面为椭球面；其中，角膜前表面函数为：角膜后表面函数为：式中：r`为角膜前表面拟合球面的曲率半径，r``为角膜后表面拟合球面的曲率半径，x,y为球面点的坐标，ci’为泽尼克系数，zi为泽尼克多项式；(2)设定巩膜厚度为均匀，内外壁是椭球面，并由临床确定测得的轴长数据大小，建立的人眼形态模型；(3)利用已知晶状体直径、厚度、核直径、核厚度和核偏移的特征参数进行参数化建模，通过上述参数与实测的几何物理特征参数进行融合，得到实体形态模型；(4)将模型进行分析整合，并在造型软件中建立完整的个体化人眼生物力学模型；所述步骤2)确定人眼生物力学特性的具体过程为：(1)将角膜作为不均匀的，各向异性的，非线性的和黏弹性的复杂生物力学材料处理；角膜的非线性应力-应变关系服从以下公式：σ＝a(e^αε-1)；其中：σ为应力，ε为应变，a、α为材料常数；由应力松弛曲线得出角膜的黏弹性特征，并计算出经验公式：y＝-0.0157ln(t)+0.9785；其中：y为在伸长比为1.5时归一化累计模量，t为时间；(2)确定包括角膜、虹膜、巩膜、晶状体、悬韧带在内的各人眼组织的密度，由以上公式确定人眼组织的生物力学特性。本发明能够解决无法进行准确测量人眼生物力学数据的问题，得到失重状态下的人眼生物力学准确数据，从而可以帮助人们更好地研究眼组织生物力学特点。本发明对人眼内部组织进行有限元求解，根据人眼组织单元各节点所得的应力-应变-位移计算结果，从而得到人眼内部组织单元的应力-应变-位移分布图；根据应力-应变-位移的分布结果，定量分析位移的变化而导致的像差的变化并且进一步用来对人眼的视觉质量的预测，从而使本发明为眼组织生物力学研究提供了一种有效的辅助研究方法且具有重要意义。附图说明图1是本发明的流程图；图2是本发明中人眼三维几何模型的示意图；图3是本发明中对人眼模型进行有限元网格划分图；图4是本发明中的人眼位移分布正视图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图4。实施例1：基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法，具体是按以下步骤制备：步骤一：对眼球进行简化与假设，建立人眼三维几何模型；步骤二：确定人眼生物力学特性；步骤三：确定材料的性质和设定在失重状态下的参数；步骤四：对人眼三维几何模型(如图2所示)进行有限元网格划分(如图3所示),设定有限元模型的边界条件；步骤五：设定失重下人眼受作用的方式与作用的数值，在人眼内部进行有限元求解，根据人眼内部组织单元各节点所得的应力-应变-位移计算结果，从而得到人眼内部组织单元的应力-应变-位移分布图(如图4所示)；定量分析人眼组织在失重状态下角膜前后表面位移变化结果，并得出所导致的波前像差变化和视觉质量的改变；即完成了一种基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法。本实施方式效果：本发明提出的一种基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法，能获得失重状态下的人眼生物力学准确数据，从而可以帮助人们更好地研究眼组织生物力学特点。本发明对人眼内部组织进行有限元求解，根据人眼组织单元各节点所得的应力-应变-位移计算结果，从而得到人眼内部组织单元的应力-应变-位移分布；根据应力-应变-位移的分布结果，定量分析位移的变化而导致的像差的变化并且进一步用来对人眼的视觉质量的预测，从而使本发明为眼组织生物力学研究提供了一种有效的辅助研究方法且具有重要意义。实施例2：与实施例1不同的是：步骤一中对眼球进行简化与假设，建立人眼三维几何模型的过程为：(1)利用临床上测量的进行过角膜激光手术的患者眼部相关数据，进而构建术后的恢复正常的人眼三维几何模型。不考虑视神经束等组织对眼球整体形态造成的不对称的影响，忽视眼球部分地方的微小不对称，认为眼球是轴对称的椭球；近似认为眼角膜的内外表面为椭球面；本专利人眼几何模型的建立采用的几何参数是在人眼临床经典几何参数基础上，在合理简化和假设基础上的来的，所做的简化和假设是建立在保证结果分析正确的基础上的。(2)利用matlab软件中编程角膜上下表面对应的三维坐标数据，获得具有角膜三维信息数据；利用pentacam综合眼前节分析系统临床测量角膜地形图，获取角膜前后表面的高度差数据；利用具有角膜三维信息数据及前后表面的高度差数据并且结合参考曲面和角膜厚度，建立个体化人眼角膜的几何模型。其中人眼的眼球是轴对称的椭球，人眼的眼角膜的内外表面为椭球面；其中，角膜前后表面函数分别为:角膜前表面：角膜后表面：式中：r`为角膜前表面拟合球面的曲率半径，r``为角膜后表面拟合球面的曲率半径，x,y为球面点的坐标，ci’为泽尼克系数，zi为泽尼克多项式。(3)设定巩膜厚度为均匀，内外壁是椭球面，并由临床确定测得的轴长数据大小，建立的人眼形态模型。(4)利用已知晶状体的特征参数：晶状体直径、厚度、核直径、核厚度、核偏移这五个参数来进行参数化建模，通过这些参数与实测的几何物理特征参数进行融合，得到真实性更强的实体形态模型。(5)将模型进行分析整合，并在造型软件中建立完整的个体化人眼生物力学模型；其他步骤及参数与实施例1相同。实施例3：与实施例1、2不同的是：步骤二中定义人眼生物力学特性为：角膜具有不均匀的，各向异性的，非线性的和黏弹性的复杂生物力学特性。眼组织内包含形状各异的细胞，性能不同的纤维，流动的细胞间质等，它们的位置和方向分布不均，导致不同方向上的眼组织的力学特性不同，这就是眼组织的各向异性。角膜具有典型的各项异性生物力学行为,在角膜的长轴和短轴方向呈现出不同的应力和变形特征。沿短轴方向角膜具有更高的黏弹性和黏塑性,其延展率也要大于长轴方向,而沿长轴软组织纤维方向则有更高的弹性模量和拉伸极限强度；多种眼组织在实验条件下的“应力-应变”并不符合严格的线性关系，使得在大内压范围内，眼组织不能取固定的弹性模量。角膜的非线性应力-应变关系服从以下公式σ＝a(e^αε-1)其中σ为应力，ε为应变，a、α为材料常数；眼球组织由各种细胞，细胞间质组成，可以认为其内物质是连续性；角膜组织内间隙完全由液体填充，可以认为是不可压缩的材料。角膜的黏弹性特征由应力松弛曲线给出，满足经验公式y＝-0.0157ln(t)+0.9785，其中y为在伸长比为1.5时归一化累计模量，t为时间。其他步骤及参数与实施例1、2相同。实施例4：一种基于有限元的失重状态下的人眼生物力学模拟方法，具体是按照以下步骤制备的：步骤一：对眼球进行简化与假设，建立人眼三维几何模型；(1)不考虑视神经束等组织对眼球整体形态造成的不对称的影响，忽视眼球部分地方的微小不对称，认为眼球是轴对称的椭球；认为眼角膜的内外表面为椭球面；本专利人眼几何模型的建立采用的几何参数是在人眼临床经典几何参数基础上，在合理简化和假设基础上的来的，所做的简化和假设是建立在保证结果分析正确的基础上的。(2)利用matlab软件中编程角膜上下表面对应的三维坐标数据，获得具有角膜三维信息数据(采用a＝load(‘cloud3d.dat’)；％读入数据％x,y,z轴坐标x＝a(：，1)；y＝a(；，2)；z＝a(；，3)figure，surf(x,y,z)；％三维坐标)；利用pentacam综合眼前节分析系统临床测量角膜地形图，获取角膜前后表面的高度差数据(在不足2秒时间内pentacam可测量和分析眼前节25000/138000个数据点，旋转测量可在角膜中心获取更多的数据，使角膜中心的测量数据结果更加准确)；利用具有角膜三维信息数据及前后表面的高度差数据并且结合参考曲面和角膜厚度，建立个体化人眼角膜的几何模型。其中人眼的眼球是轴对称的椭球，人眼的眼角膜的内外表面为椭球面；其中，角膜前后表面函数分别为:角膜前表面：角膜后表面：式中r`为角膜前表面拟合球面的曲率半径，r``为角膜后表面拟合球面的曲率半径，x,y为球面点的坐标，ci’为泽尼克系数，zi为泽尼克多项式。(3)设定巩膜厚度为均匀，内外壁是椭球面，并由临床确定测得的轴长数据大小，建立的人眼形态模型。(4)利用已知晶状体的特征参数：晶状体直径、厚度、核直径、核厚度、核偏移这五个参数来进行参数化建模，通过这些参数与实测的几何物理特征参数进行融合，得到真实性更强的实体形态模型。(5)将模型进行分析整合，并在造型软件中建立完整的个体化人眼生物力学模型；步骤二：确定人眼生物力学特性为：进行模拟计算时需要对人眼组织进行准确计算，在有价值的眼内压范围内，“应力-应变”曲线的曲线特征表现并不明显，呈现明显的线性关系；同时对于眼球组织来说，其自身的组成有很强的规律性，可以认为它是各向同性的。角膜实质上是一种正交各向异性材料，在三个正交方向上有三个弹性主向，精确计算时需要输入在x,y,z三个方向上的应力一应变特性，或三个弹性模量主值。但由于目前实验条件和实验技术的限制，只有一个方向上的应力一应变曲线和一个方向的弹性模量。而且在研究中发现在其他方向上的弹性模量差别不大。因此，我们在此将角膜作为各向同性材料处理。综上所述，在一定压强范围内，即失重条件下也可以认为眼球组织是符合线性变化的，各向同性的弹性体。即它遵守五个基本假定：眼球组织内物质连续性假定；眼球组织内物质均匀性假定；眼球组织内物质力学特性的各向同性假定；线弹性假定；小变形假定。材料属性人眼组织机械特性线弹性体各向异性密度(kg/m3)1030杨氏模量(mpa)1.8泊松比0.49步骤三：确定材料的性质和设定在失重状态下的参数为；(1)在失重情况下，静水压消失且体液头向运动，由于静水压消失，人体各处体液压力相同约100mmhg。与正常环境状态(正常眼压值是11-21mmhg)相比，头部压力升高30mmhg。(2)在研究时认为正常重力环境下眼压(iop)为15mmhg，颅内压(icp)近似为12mmhg；失重环境下颅内压(icp)升高到30mmhg,颅内压与眼压之间存在着良好的线性相关性，经数据处理并计算，分析得线性回归方程：iop＝0.934*icp+3.705。步骤四：将人眼精确三维几何模型导入有限元软件中，进行有限元网格划分(如图3所示),根据实际情况设定所需构建的有限元模型边界条件；把人眼生物力学几何模型输入到有限元分析软件中,选择单元类型，设定单元密度，采用自由网格划分，考虑到壳体的厚度仅有0.62mm,空间分布和空间的布局差异很大，因此，为避免产生畸形的网格，网格的尺寸应小于或等于0.20mm，应选择“自由取向单元”以利于更合理地、更便利地获得合格的网格。计算中证实，选择这样的划分条件,网格划分能得到满意的结果。眼内压初试值设定为15mmhg,这是个正常的眼内压，然后对角膜模型进行眼睛内压增值模拟，在十五个时间序列上，每个时间序列眼内压增加1个毫米汞柱，再用有限元软件进行分析处理取得模拟后的计算结果。在几何模型上施加压力，由于角膜受到的眼内压是房水传递的均匀液体压力，所以角膜内表面在各个方面上的压强值都是相同的，选择角膜后表面为作用面加载，正常条件下眼内压取值范围是10-22mmhg(1mmhg＝133.322pa)。对人眼模型进行有限元网格划分图如图3。步骤五：设定失重下人眼受作用的方式与作用的数值，在人眼内部进行有限元求解，根据人眼内部组织单元各节点所得的应力-应变-位移计算结果，从而得到人眼内部组织单元的应力-应变-位移分布图；定量分析人眼组织在失重状态下角膜前后表面位移变化结果，并得出所导致的波前像差变化和视觉质量的改变；将人眼内部组织进行有限元求解，利用有限元软件的分析结果数据，插入函数合成应力-应变-位移图，并在其中对应力-应变-位移图进行导出数据，将相关数据与正常数据进行对比，分析角膜位移的改变导致角膜波前像差发生变化并且影响了眼像差的量和特性，所导致的高级不规则像差影响了大瞳孔的能见度范围，降低了视网膜的分辨率和成像质量，进而改变了视觉质量。因此，根据波前理论可以对视觉质量进行判定。当前第1页12