眼科醫(yī)生玩轉(zhuǎn)ANSYS Mechanical治療白內(nèi)障

2016-12-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

白內(nèi)障是一種眼睛晶狀體模糊病變,其首先是使視覺變得模糊不清,隨后在晶狀體變得不透明時(shí)最終導(dǎo)致失明。世界衛(wèi)生組織估計(jì)全球有大約1800萬人由于白內(nèi)障而導(dǎo)致雙眼失明,因此該病成為了各種失明病例中幾乎一半的原因。其罪魁禍?zhǔn)资抢匣?80歲以上的老年人中大約有半數(shù)會(huì)罹患不同程度的白內(nèi)障。

好消息是旨在摘除病變晶狀體并用人工晶狀體進(jìn)行更換的飛秒激光手術(shù)的可行性在不斷提高。大多數(shù)情況下,術(shù)后患者視力可以恢復(fù)到無需用普通眼鏡或隱形眼鏡進(jìn)行視力矯正。不過,大約有30%的患者在手術(shù)后仍然需要佩戴矯正晶狀體。盡管這已經(jīng)算得上是不錯(cuò)的成果,但是Integrated Scientific Services公司(ISS)的科學(xué)家與工程師相信自己能夠做得更好。

借助關(guān)于眼睛各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)與材料屬性的知識(shí) – 尤其是角膜這些方面的知識(shí),ISS攜手ANSYS打造了一款供眼科醫(yī)師使用的臨床工具Optimeyes,其可以在后臺(tái)運(yùn)行ANSYS Mechanical,以便生成針對(duì)患者的手術(shù)策略,從而改善治療效果。

角膜至關(guān)重要

角膜是眼睛前部最外面的透明層,因此幾乎所有眼部手術(shù)(包括眾所周知的LASIK手術(shù)在內(nèi))都需要在一定程度上切入角膜。激光切口位置與方式細(xì)節(jié)(切口的位置、長(zhǎng)度、深度與角度)主要取決于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)信息(所謂的諾模圖)以及平均眼睛的特性。問題是何為平均眼睛?

角膜的形狀很大程度上取決于其剛度與眼睛內(nèi)部壓力(又稱為(眼內(nèi)壓)。角膜是膠原纖維在多糖和稱為角膜細(xì)胞的細(xì)胞基質(zhì)中以各種方向構(gòu)成的復(fù)合物。太陽發(fā)射的紫外線會(huì)導(dǎo)致膠原纖維之間形成交聯(lián),從而增加角膜的剪切剛度。由于隨著時(shí)間推移我們的眼睛會(huì)受到更多紫外線的照射,因此隨著我們年齡的增長(zhǎng),我們的角膜會(huì)像所有柔軟生物組織那樣變得越來越僵硬。為了建立真實(shí)的角膜生物力學(xué)模型,ISS通過在ANSYS Mechanical中使用FORTRAN函數(shù)接囗(usermat)建立非均勻、非線性和各向異性材料的用戶自定義材料模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料特性的輸入。

◤供眼科醫(yī)師使用的臨床工具能夠在后臺(tái)運(yùn)行ANSYS Mechanical。◢

眼內(nèi)壓來自于眼睛中稱為房水的透明流體。此流體由虹膜后面的睫狀突產(chǎn)生,然后經(jīng)過瞳孔而填充虹膜與角膜之間的區(qū)域。上述內(nèi)壓力與眼睛組織的生物力學(xué)剛度結(jié)合在一起可以決定其特殊形狀或者眼睛與平均值的偏離程度。偏差值對(duì)確定角膜切口位置與方式至關(guān)重要,目的是為了獲得最佳的手術(shù)效果。

確保實(shí)現(xiàn)患者個(gè)性化

Optimeyes是一種醫(yī)師友好型軟件產(chǎn)品,其采用的用戶界面與眼科醫(yī)師常用的其它診斷軟件類似。這樣可以確保醫(yī)生使用該產(chǎn)品的舒適性。患者只需觀看Pentacam®相機(jī),醫(yī)生就能夠在屏幕上看到角膜前部和后部的標(biāo)準(zhǔn)圖像。

與此同時(shí),腳本程序啟動(dòng)ANSYS Mechanical,其在后臺(tái)隱蔽運(yùn)行,采用相機(jī)圖像作為用于進(jìn)行有限元分析(FEA)仿真的幾何結(jié)構(gòu)。ANSYS Mechanical采用6~8萬個(gè)六邊形網(wǎng)格單元(分5層編排)生成角膜和鞏膜(眼睛白色部分)的3D模型。在屏幕上變換網(wǎng)格圖像,以匹配患者眼睛的幾何形狀,并將邊界條件應(yīng)用于鞏膜的箝位邊界。角膜任意位置的厚度均按模型中其前后表面之間的正常距離測(cè)量。在上述第一步操作中,模型建立了患者眼睛的完整形貌,但不施加任何眼內(nèi)壓。

為了說明眼內(nèi)壓像吹氣球那樣在角膜中產(chǎn)生的初始應(yīng)力分布,ANSYS Mechanical采用反向非線性過程確定角膜理論上無應(yīng)力的形狀。無應(yīng)力形狀與所測(cè)得形狀之間的差異可以獲得實(shí)際的3D應(yīng)力分布。

眼科醫(yī)生玩轉(zhuǎn)ANSYS Mechanical治療白內(nèi)障ansys分析圖片1

▲人眼

◤ANSYS Mechanical針對(duì)給定激光治療方案計(jì)算特定患者角膜的變形。◢

切口

盡管已經(jīng)完成上述各方面建模,但仍然存在一個(gè)難題:激光手術(shù)在切割角膜時(shí)會(huì)造成其輕微變形,因此還必須考慮到激光引起的變形。通過在臨床工具中協(xié)同工作,ANSYS Mechanical可以針對(duì)給定激光治療方案計(jì)算特定患者的角膜變形,而Optimeyes隨后可以計(jì)算表面曲率以及光線經(jīng)過角膜時(shí)的光路長(zhǎng)度,從而預(yù)測(cè)手術(shù)后眼睛的預(yù)期視力。

為此,ANSYS Mechanical會(huì)在預(yù)定義網(wǎng)格區(qū)域仿真激光切口。在對(duì)模型施加標(biāo)準(zhǔn)眼內(nèi)壓時(shí),切入開口可以揭示角膜切口會(huì)導(dǎo)致何種變形。在Optimeyes屏幕上會(huì)顯示相關(guān)仿真結(jié)果,便于醫(yī)生查看。迭代的參數(shù)化工作流程可以評(píng)估給定切口對(duì)患者術(shù)后視力的影響,同時(shí)可以調(diào)整切口參數(shù),以改善效果。 Optimeyes最終可確定能夠?yàn)榛颊邘硗昝酪暳Φ淖罴咽中g(shù)方案。從眼睛成像到優(yōu)化手術(shù)模型的整個(gè)過程目前需要大約20分鐘。醫(yī)生然后只需把計(jì)算出的最佳切口參數(shù)(切口的方向、寬度與角度)輸入到飛秒激光儀器即可,儀器會(huì)完成剩下的工作。

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