眼球-眼外肌有限元模型的建立與力學(xué)分析.doc

眼球-眼外肌有限元模型的建立與力學(xué)分析第25卷第3期2006年6月北京生物醫(yī)學(xué)工程BeijingBiomedicalEngineeringV01.25No.3Jun.2006眼球一眼外肌有限元模型的建立與力學(xué)分析周伊頻王廣志丁輝焦永紅摘要將有限元分析(FEA)方法運(yùn)用到眼科研究中,建立了眼球和眼外肌的三維有限元模型并進(jìn)行外力加載,通過(guò)非線性有限元計(jì)算過(guò)程得出模型的位移,應(yīng)力,應(yīng)變等結(jié)果,探討眼部結(jié)構(gòu)與受力,運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,所得結(jié)果與眼科臨床知識(shí)相符合.關(guān)鍵詞眼球眼外肌有限元分析力學(xué)分析中圖分類號(hào)R318.01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002.3208(2006)03022803TheFiniteElementModelingandBiomechanicalAnalysisoftheEyeballExtraoculars.ZHOUYiyi.WANGCuangzhiL,DINGHuiL,jIA0Yonghongi1DepartmentofBiomedicalEngineering,TsinghuaUners,Beng100084;2Departmentofophthalmology,BengTongrenHospital,Beng100730【Abstract】Finiteelementanalysis(FEA)playsanimportantroleinthebiomechanicalfield.Inthispapor,weusedFEAmethodintheareaofophthalmology.Wegeneratedaneyeball-extraocularsmodelandconvertedittomeettheneedofFEAprocess.Weexertedoutsideforcesonthestructurefornonlinearcomputationandgotthedistributionsofdisplacement,stressandstrain.WealsodiscussedtherelationshipamongeyeSstructure,outsideforceandmove.Theresultscorrespondedwiththebasictheoryofophthalmology.Weputforwardsomerelatedaspectsfordiscussionandadvancedresearchaswell【Keywords】eyeballextraocularsfiniteelementanalysis(FEA)biomechanicalanalysis視器是人類重要的感覺(jué)器官,然而由于眼部組織所占體積小,結(jié)構(gòu)精細(xì),目前國(guó)內(nèi)很少有人對(duì)其采用力學(xué)建模的方法進(jìn)行深入研究.美國(guó)JoelMMiller博士的研究室在眼部組織的受力分析方面開展了一系列工作,給這方面研究帶來(lái)很多啟示.本研究希望建立一個(gè)在解剖學(xué)水平上比較精確的眼球一眼外肌三維模型,通過(guò)有限元分析的方法,計(jì)算眼部結(jié)構(gòu)在外力作用下的位移,應(yīng)力和應(yīng)變情況,得到模型運(yùn)動(dòng)與受力的關(guān)系.這方面的研究是具有明確臨床意義的,可以在診斷治療方面用該模型做一些指導(dǎo)或驗(yàn)證工作,來(lái)探討眼科疾病產(chǎn)生的病理機(jī)制或研究相應(yīng)的治療方案.例如在研究垂直斜視過(guò)程中,上斜肌損傷是引起斜視的主要因素,醫(yī)生往往靠改變下斜肌附著點(diǎn)來(lái)治療糾正.在模型中,可通過(guò)改變下斜肌附著點(diǎn)位置來(lái)改變它的受力方向,觀察眼球轉(zhuǎn)動(dòng)的變化規(guī)律,也可以用模型來(lái)基金項(xiàng)目:清華一裕元醫(yī)學(xué)研究基金資助作者單位:1清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系(北京100084)2北京同仁醫(yī)院眼科中心(北京100730)作者簡(jiǎn)介:周伊頗(1979一),女,碩士研究生.模擬病眼情況,對(duì)其進(jìn)行分析.1方法1.1幾何建模建立眼部組織幾何模型是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ).比較三種建模方法:一是用規(guī)則體建模,二是基于解剖學(xué)參數(shù)建立比較精確的模型,三是基于臨床影像切片進(jìn)行建模.用常規(guī)的幾何體組合來(lái)模擬眼部結(jié)構(gòu),可以用球體模擬眼球,圓柱體模擬肌肉.這樣的模型過(guò)度簡(jiǎn)化,只適用于初步定性分析.而通過(guò)切片圖像進(jìn)行建模,主要是運(yùn)用圖像處理和三維重建技術(shù)從切片圖像集中提取出感興趣部位,模型可以根據(jù)個(gè)體建立得比較精確,但是不具有通用性,而且可能過(guò)于復(fù)雜.對(duì)于眼科圖像而言,在體的醫(yī)學(xué)成像過(guò)程很難達(dá)到所需精度,建出的模型效果不一定好,而且要將幾何模型運(yùn)用到有限元分析領(lǐng)域中還需要解決兩者的接口問(wèn)題,所以在研究初期暫時(shí)不考慮用這種模型做分析.收集和整理一系列眼科資料,學(xué)習(xí)眼科相關(guān)的解剖學(xué)知識(shí),根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)采用臨床的通用形第3期眼球一跟外肌有限元模型的建立與力學(xué)分析?229?態(tài)和平均參數(shù)作為建模依據(jù).所建立的模型由眼球以及周圍的四條直肌,兩條斜肌組成,關(guān)鍵參數(shù)有:眼球旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)和眼球半徑;眼外肌起始點(diǎn),形狀轉(zhuǎn)折點(diǎn)(pulley所在)和附著點(diǎn)的三維坐標(biāo);眼外肌的長(zhǎng)度,厚度等.在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用有限元分析軟件Ansys自帶的建模工具建立眼球一眼外肌的幾何模型,如圖1中(a)(b)所示.1.2有限元模型在建立了幾何模型之后,根據(jù)有限元分析的要求,遵循其處理步驟,對(duì)模型進(jìn)行加工轉(zhuǎn)換,使之成為適用于計(jì)算的有限元模型.所做的工作主要有:定義材料特性和單元類型,定義元素的形狀,尺寸并進(jìn)行網(wǎng)格劃分.根據(jù)眼部組織的特性,將眼球的彈性模量設(shè)為3e6N/m2,泊松比為0.3,眼外肌的彈性模量設(shè)為8.2e4N/m2,泊松比為0.4.采用的眼球單元類型為SOLID45,眼外肌單元類型為VISCO107,單元尺寸設(shè)計(jì)得比較精細(xì),建立的模型共有節(jié)點(diǎn)6704個(gè),單元24030個(gè).所得有限元模型見圖1(c).1.3約束條件和外力加載有了較為精確的有限元模型后,下一步工作是對(duì)模型進(jìn)行有限元力學(xué)結(jié)構(gòu)分析,即在有限元模型上施加一定的約束與載荷,研究眼球運(yùn)動(dòng)和眼外肌受力之間的聯(lián)系.載荷模型見圖1(d).施加的約束條件有:眼球中心位置固定在三維坐標(biāo)原點(diǎn)不動(dòng);六條眼外肌在眼球上的附著點(diǎn)與眼球之間緊密結(jié)合,沒(méi)有相對(duì)位移;四條直肌和上斜肌的起始點(diǎn)都固定在總腱環(huán)上,下斜肌的起始點(diǎn)固定在眼眶壁上,沒(méi)有位移;上斜肌形狀轉(zhuǎn)折點(diǎn)(纖維滑車所在處)固定在眼眶壁上,沒(méi)有位移.隨后根據(jù)研究的需要來(lái)加載外力,主要內(nèi)容包括:在眼球的前后極施加一對(duì)大小相等,方向相反的作用力,產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,讓眼球轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,觀察這時(shí)各條眼外肌的位移變化,應(yīng)力和應(yīng)變分布,以驗(yàn)證模型的合理性;對(duì)某條眼外肌施加力的作用來(lái)模擬其收縮,對(duì)其它眼外肌施加約束條件,觀察眼球運(yùn)動(dòng)的方向,研究單獨(dú)眼外肌作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)功能.2結(jié)果首先給模型前后兩極加上一對(duì)大小為0.03N,方向相反的力,模擬在第一眼位時(shí)外力,眼球運(yùn)動(dòng)和眼外肌受力形變的相互關(guān)系,見圖2.得到的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)角度和結(jié)構(gòu)最大節(jié)點(diǎn)位移,應(yīng)力,應(yīng)變見表1.根據(jù)眼科理論的Lancaster計(jì)算,一般只需11.75g的牽引力即可使眼球轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)加載0.03N外力時(shí)使得眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍在7.10.之間,單元最大位移在ITlm數(shù)量級(jí),是符合實(shí)際情況的.表I第一眼位眼球運(yùn)動(dòng)與Wll,b肌受力形變的關(guān)系TableIRelationshipsofeyeballmovementsandextraoculardeformationsatfirstgazeposition(righteye)動(dòng)結(jié)Vo果nMisesSEQ點(diǎn)VE接著對(duì)每條眼外肌分別加0.05N的牽引力,方向從附著線的中點(diǎn)向肌肉中線延伸.觀察計(jì)算眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和幅度,得到的結(jié)果見表2.運(yùn)動(dòng)方向與應(yīng)力應(yīng)變分布也和臨床知識(shí)相符合.表2第一眼位眼外肌受力引起的眼球運(yùn)動(dòng)和位移的關(guān)系?230?北京生物醫(yī)學(xué)工程第25卷(a)幾何模型正面觀(b)幾何模型側(cè)面觀(c)有限元模型(d)加載模型圖1眼球一眼外肌模型(右眼)Fig1EyebM1一extraocularsmodels(fighteye)(a)外轉(zhuǎn)位移變化(b)上轉(zhuǎn)時(shí)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力(c)下轉(zhuǎn)時(shí)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變(d)上直肌受力位移圖2第一眼位眼球運(yùn)動(dòng)與眼外肌受力形變的關(guān)系圖(右眼)Fig2Relationshipsofeyeballmovementsandextraoculardeformationsatfirstgazeposition(righteye)3討論通過(guò)建立有限元模型并計(jì)算分析,得到的結(jié)果在一定范圍內(nèi)與真實(shí)情況相符合.但是由于模型中存在一些假設(shè),簡(jiǎn)化,還有許多可以改進(jìn)和繼續(xù)研究的方面.在建模過(guò)程中,假定眼球是由兩個(gè)球形嵌套形成,眼球半徑和眼外肌的長(zhǎng)度,厚度等參數(shù)均來(lái)自相關(guān)的眼科教程.由于眼球,眼外肌存在明顯個(gè)體差異,故該模型并不適用于所有情況.在材料特性方面,由于沒(méi)有找到相關(guān)的眼肌參數(shù),是通過(guò)其他肌肉的特性根據(jù)規(guī)律推導(dǎo)得到的,尚無(wú)法驗(yàn)證其精確性.在分析載荷與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系時(shí),假定眼球的旋轉(zhuǎn)中心是一個(gè)固定點(diǎn),眼外肌附著處是一條不規(guī)則的弧線,跟外肌牽引力從附著線的中點(diǎn)向肌肉中線延伸.同時(shí),忽略了眼眶筋膜,韌帶的存在與限制,以及肌肉間相互作用所產(chǎn)生的促進(jìn)或抑制.實(shí)際的眼球一眼外肌運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜,而該模型只是一個(gè)粗略的近似,得到的有限元分析結(jié)果可能與臨床的真實(shí)情況不能完全對(duì)應(yīng).由于只是處于探索階段,有很多問(wèn)題還可以進(jìn)一步加以考慮.在建模方面,模型可以添加眼眶,筋膜等結(jié)構(gòu),更具體化,也可以嘗試從臨床切片提取出對(duì)象,將圖像技術(shù)和有限元方法相結(jié)合.在單元和材料特性方面,類型和參數(shù)的選擇可以適當(dāng)調(diào)整,使得眼部組織的特性更符合生物力學(xué)規(guī)律,其中肌肉特性的分析可以作為一個(gè)重要的研究方向.在約束條件和加載方面,要盡量具體細(xì)化眼部組織之間的約束關(guān)系,對(duì)于運(yùn)動(dòng)受力的分析也要從單條肌肉作用發(fā)展到幾條肌肉的協(xié)同作用,并適當(dāng)加入對(duì)斜視等病眼的模擬以及對(duì)治療后變化情況的模擬,將其與臨床具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來(lái).這些工作都將隨著眼科基礎(chǔ)研究和臨床實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善.4結(jié)論從解剖學(xué)的角度出發(fā),以眼球和眼外肌的特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)為依據(jù),建立了一個(gè)眼部組織的有限元模型.該模型雖然經(jīng)過(guò)一定簡(jiǎn)化,但較好表現(xiàn)出了眼球與眼外肌的形態(tài)特點(diǎn)以及它們的相互位置關(guān)系.進(jìn)一步,對(duì)該模型施加力的作用,研究了眼球運(yùn)動(dòng)與眼外肌受力間存在的聯(lián)系.模擬的結(jié)果表明該模型一定程度上是符合實(shí)際的.由于這項(xiàng)研究剛處于起步階段,還有許多具體的參數(shù),方法值得探討,可以發(fā)展的空間非常大.希望在今后不斷改進(jìn)和充實(shí)這方面的工作,為眼科的基礎(chǔ)研究提供幫助.參考文獻(xiàn)1JSmithKettlewellEyeResearchInst,JMMillertab./【2IGunterK.VonNoo