CN113171172A - 一种角膜术后情况的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种角膜术后情况的模拟方法，其步骤包括如下：步骤一、通过有限元建模软件建立基础眼球模型；步骤二、在基础眼球模型的基础上输入特定对象角膜参数建立个体眼球形态模型；步骤三、输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型；步骤四、在手术方案模拟软件通过输入切削深度参数、切削范围参数，制备消融手术标记模型；步骤五、在消融手术标记模型基础上，构建无眼内压的消融手术模型；步骤六、根据无眼内压的消融手术模型上标记消融轮廓的位置和深度去除角膜组织，获得术后模型；步骤七、根据光路追迹法计算模拟获得术后角膜屈光力参考数据从而评估手术效果，实现三种手术方案的角膜术后情况的准确预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟方法，特别涉及一种角膜术后情况的模拟方法
背景技术
在经过IK,EK,PRK的不断迭代后，目前主流的屈光手术主要有TPRK、LASIK、SMILE三种。TPRK中文全称“经上皮的激光角膜切削术。TPRK的原理是去除角膜上皮和前部角膜基质层，完成角膜曲率的改变，使外界物体在视网膜上清晰成像。由于仅对表层进行手术，所以仅适用于700度以内的近视人群。其优势是无切口，不制角膜瓣，个性化程度高，视觉成像效果好。手术操作简单，一步完成，手术过程中器械不需要直接接触眼球,安全性相当高，不存在着各种角膜的并发症。缺点是术后流泪畏光异物感等刺激症状稍重，恢复期有数月时间，并且视力恢复正常需要一周左右。
LASIK,准分子激光原位角膜消除术。LASIK的原理是先采用自动微型角膜板层系统在角膜表面制作板层角膜瓣，掀开角膜瓣后，应用准分子激光电脑控制多步分区进行角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。这种方法保留了角膜上皮和前弹力层的完整性，有着术后反应轻，安全性、稳定性、舒适度高，手术时间短恢复快等特点。
微小切口基质透镜切除术，small incision lenticule extraction，英文缩写为SMILE。SMILE手术的原理是利用飞秒激光聚焦于角膜基质，根据屈光度类型和程度做基质透镜成型并将其从由飞秒激光形成的小切口取出，使角膜表面曲率改变以矫正各类屈光不正。SMILE手术有着切口小，对眼表及神经损伤小，术后恢复快，舒适度高等优点。在眼科屈光手术领域，nomogram值的调整对于屈光手术的准确性是至关重要的。屈光度调整值(nomogram值)是根据手术医生先前的手术经验，综合考量球镜度、柱镜度，年龄等其他可能影响的相关因素对输入机器的治疗参数，进行一个经验的调整，以期望达到手术精准性。
现有技术方案：中国专利“CN110960349A”公开的一种SMILE屈光手术屈光度调整值的预测方法，该技术方案有涉及到眼球三维模型的建立，但是该技术方案仅将三维模型用于建立数据库，通过与先前模型的对比得到预测值，功能单一，只能对屈光手术中的屈光度调整值进行预测，不能模拟手术方案术后的视觉效果。且该发明基于机器学习算法原理实现，不同于本发明的有限元分析，其预测精度不高，个性化程度较低，且无法可视化。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种角膜术后情况的模拟方法，其通过构建个体角膜有限元模型进行角膜手术模拟，从而实现三种手术方案的角膜术后情况的准确预测。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种角膜术后情况的模拟方法，其步骤包括如下：
步骤一、通过有限元建模软件建立基础眼球模型；
步骤二、通过有限元建模软件在基础眼球模型的基础上输入特定对象角膜形态参数，修改角膜形状并拉伸巩膜建立个体眼球形态模型；
步骤三、在有限元建模软件输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型；
步骤四、在有限元建模软件输入角膜瓣厚度值及角膜瓣范围值，根据手术种类选择建立手术准备模型，该手术准备模型为SMILE模型或TPRK模型或LASIK模型，在手术方案模拟软件通过输入切削深度参数、切削范围参数，在受眼内压下的手术准备模型上标记消融轮廓的位置和深度，制备消融手术标记模型；步骤五、在消融手术标记模型基础上，构建无眼内压的消融手术模型；
步骤六、在有限元建模软件中，根据无眼内压的消融手术模型上标记消融轮廓的位置和深度去除角膜组织，获得术后模型；
步骤七、通过在有限元建模软件对术后模型加载特定对象个体眼内压力值，根据光路追迹法计算模拟获得术后角膜屈光力参考数据，通过比对角膜屈光力参考数据来评估手术效果。
本发明进一步设置为，所述步骤二特定对象角膜形态参数为角膜前表面高度图、角膜厚度图和临床眼轴长度。
本发明进一步设置为，所述步骤二采用10阶Zernike多项式计算个体角膜任意位置的节点坐标和相应的厚度。
本发明进一步设置为，所述步骤三个体角膜材料属性通过在有限元建模软件载入应力应变曲线，该应力应变曲线如下公式表示：
其中age为年龄，e为自然常数，ε为应变量，在有限元建模分析软件中自动拟合该曲线与Ogden材料模型，并输出Ogden本构参数，通过Corvis ST仪器测得的特定对象的个体应力应变系数，个体应力应变系数乘上获得的Ogden本构参数Mu1得到个体角膜材料属性，输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型。
本发明进一步设置为，步骤五无眼内压的消融手术模型构建过程为：测量特定对象个体眼内压力值，消融手术标记模型加载上述眼内压值，并获得由该加压过程而产生的眼球形变数据，从变形后的形态中参考上一步获得的眼球形变数据的双倍数值调整角膜前表面节点坐标，得到模拟无眼内压模型，在模拟无眼内压模型加载眼内压形成参考加压模型，对参考加压模型与消融手术标记模型的角膜前表面节点坐标的差值进行判断，在差值小于0.00001mm时，参考加压模型为最终无眼内压模型，在差值大于0.00001mm时，通过调整角膜前表面节点坐标更新模拟无眼内压模型，对更新后的模拟无眼内压模型加载眼内压形成更新后的参考加压模型，对更新后的参考加压模型与消融手术标记模型的角膜前表面节点坐标的差值进行判断，反复迭代，直至差值小于0.00001mm。
本发明进一步设置为，所述角膜屈光力参考数据包括等效球镜角膜屈光力、0度角方向角膜散光分量、45度角方向角膜散光分量。
本发明进一步设置为，利用Matlab软件或具有有限元建模功能的软件构建个性化眼球有限元模型。
本发明进一步设置为，采用Abaqus软件或具有有限元分析功能的软件计算术后角膜的形态和角膜生物力学属性。
本发明的有益效果为：
通过有限元模拟来实现手术的虚拟实施，根据输入不同人眼的形态和材料相关参数，以及个体手术切削方案相关参数，建立个性化预测屈光手术效果的数值模型，分析角膜在手术过程中的形变情况，达到更为可靠与精确地预测术后角膜形态和角膜屈光力的目的。
并且根据术后模型再通过Corvis ST仪器测量术后角膜形态及生物力学的改变，从而评估术后发生角膜膨隆的可能性，即若生物力学属性较低，则表示易出现角膜膨隆。同时其在实现精准预测效果的前提下，通过不断调整手术参数设置可以得到效果最优的手术方案，为眼科临床屈光手术术式选择以及手术参数设置提供参考。
附图说明：
图1：为本发明无应力求解过程中角膜形变状态结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明做进一步的详述。
本实施例公开的一种角膜术后情况的模拟方法，其步骤包括如下：步骤一、通过有限元建模软件建立基础眼球模型；
具体设置方式为，其中建立基础化模型包括对模型的基本设置：比如控制模型网格划分精度、角巩膜链接形式，设置合理的边界条件等，其中角膜和巩膜分别使用了25和45个环。角膜和巩膜厚度分为3层，形成44100个元素。角膜的形状取决于其前表面，中央角膜厚度(CCT)和周边角膜厚度(PCT)。前角膜地形图由椭圆形表示，该椭圆形在外围更平坦，并且根据CCT和PCT线性插值任何位置的角膜厚度。另一方面，巩膜具有球形的外部形状，其厚度在角膜缘处等于PCT，在赤道处减小到0.8PCT，然后在后巩膜极增加到1.2PCT。该模型使用15个节点的实体元素(C3D15H)网格划分，这些实体元素以分布在整个眼表表面的环和分布在整个厚度的层中的方式排列。C3D15H元素是二阶三角棱柱形单元，在角和每个边缘的中间都有节点。模型的边界条件设置如下：沿极的节点限制了在x和y方向上的位移，同时防止了赤道节点在z方向上的移动。为了防止模型绕z轴进行刚体旋转，x-z平面中的赤道节点也沿y方向固定。
步骤二、通过有限元建模软件在基础眼球模型的基础上输入特定对象角膜形态参数，修改角膜形状并拉伸巩膜建立个体眼球形态模型；
具体设置方式为，基于基础眼球模型的网格结构，并使用相同的坐标系和边界条件，通过Pentacam角膜地形图系统，导出特定对象角膜前后表面高度图数据矩阵，用10阶Zernike多项式拟合每只眼的角膜前部高度图和角膜厚度图，以计算特定对象角膜形态任意位置的节点坐标和相应的厚度，修改基础眼球模型的角膜形状以符合特定对象的角膜形态，测量特定对象眼轴长度，并拉伸巩膜以适应特定对象的眼轴长度，最终得出个体眼球形态模型。
步骤三、在有限元建模软件输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型；
步骤四、在有限元建模软件输入角膜瓣厚度值及角膜瓣范围值，根据手术种类选择建立手术准备模型，该手术准备模型为SMILE模型或TPRK模型或LASIK模型，在手术方案模拟软件通过输入切削深度参数、切削范围参数，在受眼内压下的手术准备模型上标记消融轮廓的位置和深度，制备消融手术标记模型；
步骤五、在消融手术标记模型基础上，构建无眼内压的消融手术模型；
步骤六、在有限元建模软件中，根据无眼内压的消融手术模型上标记消融轮廓的位置和深度去除角膜组织，获得术后模型；
步骤七、通过在有限元建模软件对术后模型加载特定对象个体眼内压力值，根据光路追迹法计算模拟获得术后角膜屈光力参考数据，通过比对角膜屈光力参考数据来评估手术效果。
其中光路追迹法的具体计算方式为，角膜前后表面形态采用Zernike多项式描述，用于计算光线在角膜表面的入射点坐标和对应的曲面法向方向；用0.2mm间距的平行光束(波前面为平面)入射角膜，据Snell折射定律(Snell’s Law)计算光线在角膜前后表面上的折射情况，继而得到经角膜前、后表面折射后(进入前房)的出射波前面；并将出射波前面拟合到10阶Zernike多项式。基于微分几何的方法使用该Zernike表达式的一阶和二阶导数计算出射波前面上任何一点的主曲率Ki(x,y),i＝1,2和主方向αi(x,y),i＝1,2。出射波面与入射平面波(聚散度为零)的聚散度之差即为角膜屈光力(角膜曲率)。利用微分几何的基本公式解析计算出射波面上各点的最大和最小角膜曲率，对其进行矢量分解得到等效球镜角膜屈光力M，0度角方向角膜散光分量J0和45度角方向角膜散光分量J45。
Vi(x，y)＝n·κi(x，y)，i＝1，2
(其中n是房水的折射率，1.336)
通过上述方法，采用有限元模拟来实现角膜手术的实施，根据输入特定对象人眼的形态参数和材料相关参数构建个性化人眼球模型，并通过调整个体手术切削方案相关参数，形成个性化屈光手术术后效果的模型，计算分析术后角膜屈光力。
作为一种改进的具体实施方式，所述步骤二特定对象角膜形态参数为角膜前表面高度图、角膜厚度图和临床眼轴长度。
作为一种改进的具体实施方式，所述步骤二采用10阶Zernike多项式计算个体角膜任意位置的节点坐标和相应的厚度。
作为一种改进的具体实施方式，所述步骤三个体角膜材料属性通过在有限元建模软件载入应力应变曲线，该应力应变曲线如下公式表示：
其中age为年龄，e为自然常数，ε为应变量，在有限元建模分析软件中自动拟合该曲线与Ogden材料模型，并输出Ogden本构参数，通过Corvis ST仪器测得的特定对象的个体应力应变系数，个体应力应变系数乘上获得的Ogden本构参数Mu1得到个体角膜材料属性，输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型。
下表给出了本发明中针对年龄段为50岁人群的眼球所有区域采用的一阶材料参数(μ1和α1)。
| 区域 | Mu1(μ1) | Alpha1(α1) |
| 角膜-1 | 0.053672 | 110.8358 |
| 巩膜-1 | 2.318425 | 39.12831 |
| 巩膜-2 | 1.300878 | 47.29361 |
| 巩膜-3 | 0.717241 | 53.41822 |
通过上述技术方案，采用Corvis ST仪器测得特定对象的个体应力应变系数，再将age＝50的值输入应力应变曲线公式，并通过有限元分析模型与Ogden材料模型自动拟合，获得年龄段为50岁的Ogden本构参数(即上表中的μ1值和α1值)。最后将Corvis ST仪器测得的特定对象的个体应力应变系数乘以μ1值获得个体角膜材料属性。
作为一种改进的具体实施方式，步骤五无眼内压的消融手术模型构建过程为：测量特定对象个体眼内压力值，消融手术标记模型加载上述眼内压值，并获得由该加压过程而产生的眼球形变数据，从变形后的形态中参考上一步获得的眼球形变数据的双倍数值调整角膜前表面节点坐标，得到模拟无眼内压模型，在模拟无眼内压模型加载眼内压形成参考加压模型，对参考加压模型与消融手术标记模型的角膜前表面节点坐标的差值进行判断，在差值小于0.00001mm时，参考加压模型为最终无眼内压模型，在差值大于0.00001mm时，通过调整角膜前表面节点坐标更新模拟无眼内压模型，对更新后的模拟无眼内压模型加载眼内压形成更新后的参考加压模型，对更新后的参考加压模型与消融手术标记模型的角膜前表面节点坐标的差值进行判断，反复迭代，直至差值小于0.00001mm。
作为一种改进的具体实施方式，所述角膜屈光力参考数据包括等效球镜角膜屈光力、0度角方向角膜散光分量、45度角方向角膜散光分量。
作为一种改进的具体实施方式，利用Matlab软件或具有有限元建模功能的软件构建个性化眼球有限元模型。
通过上述技术方案，采用Matlab程序构建个性化眼球有限元模型，可以准确地模拟患者全眼球形态、眼压、角膜区域性受力情况等；
作为一种改进的具体实施方式，所述步骤7采用Abaqus软件或具有有限元分析功能的软件计算分析术后角膜的形态和角膜生物力学属性。
首先再次通过Corvis ST仪器，测量术后角膜受压改变形态、形态还原过程中的生物力学改变。得出大量客观数据，包括角膜厚度、真实眼内压以及全面的生物力学数据(角膜变形幅度、扁平长度、回弹速率等)。然后采用Abaqus计算术后角膜的形态和角膜生物力学属性并以三维形式呈现。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种角膜术后情况的模拟方法，其步骤包括如下：
步骤一、通过有限元建模软件建立基础眼球模型；
步骤二、通过有限元建模软件在基础眼球模型的基础上输入特定对象角膜形态参数，修改角膜形状并拉伸巩膜建立个体眼球形态模型；
步骤三、在有限元建模软件输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型；
步骤四、在有限元建模软件输入角膜瓣厚度值及角膜瓣范围值，根据手术种类选择建立手术准备模型，该手术准备模型为SMILE模型或TPRK模型或LASIK模型，在手术方案模拟软件通过输入切削深度参数、切削范围参数，在受眼内压下的手术准备模型上标记消融轮廓的位置和深度，制备消融手术标记模型；
步骤五、在消融手术标记模型基础上，构建无眼内压的消融手术模型；
步骤六、在有限元建模软件中，根据无眼内压的消融手术模型上标记消融轮廓的位置和深度去除角膜组织，获得术后模型；
步骤七、通过在有限元建模软件对术后模型加载特定对象个体眼内压力值，根据光路追迹法计算模拟获得术后角膜屈光力参考数据，通过比对角膜屈光力参考数据来评估手术效果。
2.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：所述步骤二特定对象角膜形态参数为角膜前表面高度图、角膜厚度图和临床眼轴长度。
3.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：所述步骤二采用10阶Zernike多项式计算个体角膜任意位置的节点坐标和相应的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：所述步骤三个体角膜材料属性通过在有限元建模软件载入应力应变曲线，该应力应变曲线如下公式表示：
其中age为年龄，e为自然常数，ε为应变量，在有限元建模分析软件中自动拟合该曲线与Ogden材料模型，并输出Ogden本构参数，通过Corvis ST仪器测得的特定对象的个体应力应变系数，个体应力应变系数乘上获得的Ogden本构参数Mu1得到个体角膜材料属性，输入个体角膜材料属性，制备个性化全眼眼球模型。
5.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：步骤五无眼内压的消融手术模型构建过程为：测量特定对象个体眼内压力值，消融手术标记模型加载上述眼内压值，并获得由该加压过程而产生的眼球形变数据，从变形后的形态中参考上一步获得的眼球形变数据的双倍数值调整角膜前表面节点坐标，得到模拟无眼内压模型，在模拟无眼内压模型加载眼内压形成参考加压模型，对参考加压模型与消融手术标记模型的角膜前表面节点坐标的差值进行判断，在差值小于0.00001mm时，参考加压模型为最终无眼内压模型，在差值大于0.00001mm时，通过调整角膜前表面节点坐标更新模拟无眼内压模型，对更新后的模拟无眼内压模型加载眼内压形成更新后的参考加压模型，对更新后的参考加压模型与消融手术标记模型的角膜前表面节点坐标的差值进行判断，反复迭代，直至差值小于0.00001mm。
6.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：所述角膜屈光力参考数据包括等效球镜角膜屈光力、0度角方向角膜散光分量、45度角方向角膜散光分量。
7.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：利用Matlab软件或具有有限元建模功能的软件构建个性化眼球有限元模型。
8.根据权利要求1所述的一种角膜术后情况的模拟方法，其特征在于：采用Abaqus软件或具有有限元分析功能的软件计算术后角膜的形态和角膜生物力学属性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Junjie Inventor after: Ye Yi Inventor after: Fan Lei Inventor after: Jin Yu Inventor after: Gong Jiawei Inventor after: Xinyang Inventor after: Li Xuefei Inventor after: Luo Shenglong Inventor after: Zhang Peipei Inventor after: Qiu Chenhui Inventor after: Wang Zheng Inventor after: Wang Zijian Inventor after: Zhang Xinyu Inventor after: Lv Dan Inventor before: Li Xuefei Inventor before: Fan Lei Inventor before: Jin Yu Inventor before: Wang Zijian Inventor before: Gong Jiawei Inventor before: Xinyang Inventor before: Zhang Peipei Inventor before: Wang Junjie Inventor before: Lv Dan Inventor before: Qiu Chenhui Inventor before: Zhang Xinyu Inventor before: Luo Shenglong Inventor before: Ye Yi Inventor before: Wang Zheng |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |