眼科醫生玩轉ANSYS Mechanical治療白內障

2016-12-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

白內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最終導致失明。世界衛生組織估計全球有大約1800萬人由于白內障而導致雙眼失明,因此該病成為了各種失明病例中幾乎一半的原因。其罪魁禍首是老化:80歲以上的老年人中大約有半數會罹患不同程度的白內障。

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

借助關于眼睛各個部位的結構與材料屬性的知識 – 尤其是角膜這些方面的知識,ISS攜手ANSYS打造了一款供眼科醫師使用的臨床工具Optimeyes,其可以在后臺運行ANSYS Mechanical,以便生成針對患者的手術策略,從而改善治療效果。

角膜至關重要

角膜是眼睛前部最外面的透明層,因此幾乎所有眼部手術(包括眾所周知的LASIK手術在內)都需要在一定程度上切入角膜。激光切口位置與方式細節(切口的位置、長度、深度與角度)主要取決于醫生的經驗、統計信息(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部壓力(又稱為(眼內壓)。角膜是膠原纖維在多糖和稱為角膜細胞的細胞基質中以各種方向構成的復合物。太陽發射的紫外線會導致膠原纖維之間形成交聯,從而增加角膜的剪切剛度。由于隨著時間推移我們的眼睛會受到更多紫外線的照射,因此隨著我們年齡的增長,我們的角膜會像所有柔軟生物組織那樣變得越來越僵硬。為了建立真實的角膜生物力學模型,ISS通過在ANSYS Mechanical中使用FORTRAN函數接囗(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現對不同材料特性的輸入。

◤供眼科醫師使用的臨床工具能夠在后臺運行ANSYS Mechanical。◢

眼內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生,然后經過瞳孔而填充虹膜與角膜之間的區域。上述內壓力與眼睛組織的生物力學剛度結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。偏差值對確定角膜切口位置與方式至關重要,目的是為了獲得最佳的手術效果。

確保實現患者個性化

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

與此同時,腳本程序啟動ANSYS Mechanical,其在后臺隱蔽運行,采用相機圖像作為用于進行有限元分析(FEA)仿真的幾何結構。ANSYS Mechanical采用6~8萬個六邊形網格單元(分5層編排)生成角膜和鞏膜(眼睛白色部分)的3D模型。在屏幕上變換網格圖像,以匹配患者眼睛的幾何形狀,并將邊界條件應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,但不施加任何眼內壓。

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

▲人眼

◤ANSYS Mechanical針對給定激光治療方案計算特定患者角膜的變形。◢

切口

盡管已經完成上述各方面建模,但仍然存在一個難題:激光手術在切割角膜時會造成其輕微變形,因此還必須考慮到激光引起的變形。通過在臨床工具中協同工作,ANSYS Mechanical可以針對給定激光治療方案計算特定患者的角膜變形,而Optimeyes隨后可以計算表面曲率以及光線經過角膜時的光路長度,從而預測手術后眼睛的預期視力。

為此,ANSYS Mechanical會在預定義網格區域仿真激光切口。在對模型施加標準眼內壓時,切入開口可以揭示角膜切口會導致何種變形。在Optimeyes屏幕上會顯示相關仿真結果,便于醫生查看。迭代的參數化工作流程可以評估給定切口對患者術后視力的影響,同時可以調整切口參數,以改善效果。 Optimeyes最終可確定能夠為患者帶來完美視力的最佳手術方案。從眼睛成像到優化手術模型的整個過程目前需要大約20分鐘。醫生然后只需把計算出的最佳切口參數(切口的方向、寬度與角度)輸入到飛秒激光儀器即可,儀器會完成剩下的工作。

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