CN115563826A - 一种角膜屈光手术切削模型的优化方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法，包括如下步骤：S1、简化人眼结构参数和材料参数，完成构建个性化人眼三维有限元全眼模型；S2、确定屈光手术参数并模拟屈光手术，完成屈光手术后个性化人眼有限元模型的构建；S3、对屈光手术后个性化人眼模型进行有限元分析，评估手术后视觉质量；S4、根据有限元分析的结果和手术参数，优化屈光手术切削模型。考虑到屈光手术后人眼生物力学特性的改变，结合临床测量的波前像差、角膜地形图和眼轴等个体数据，建立更加接近真实人眼的个性化人眼有限元模型，模拟屈光手术并反馈指导屈光手术设备参数设定，解决现有全飞秒屈光手术设备未考虑角膜生物力学效应与像差的问题。

Description

一种角膜屈光手术切削模型的优化方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及视光学领域与临床屈光矫正技术领域，特别是一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法和装置。

背景技术

屈光不正性视力损伤已成为全球范围内的公共卫生问题，角膜屈光手术可有效恢复视力，满足患者摘镜需求。角膜屈光手术大致经历了准分子激光、飞秒激光、全飞秒激光等几个发展阶段，其中，全飞秒角膜屈光手术引领角膜屈光手术进入了‘微创’‘无瓣化’的时代，在术中术后舒适度、视觉质量长期效果稳定、近视及散光矫正效果等方面更有优越性。但现有的角膜屈光手术装置还存在一些问题：屈光手术切削模型没有考虑屈光手术后的生物力学效应与像差的影响，从而导致屈光手术后的视觉效果与预期效果存在明显的差异。

全飞秒屈光角膜屈光手术是在做近视手术的时候全程应用飞秒激光来治疗，通过切削角膜基质层，从而改变角膜曲率矫正屈光不正。而人眼生物力学特性在个体间存在明显差异，由于角膜屈光手术中角膜基质层的部分切削，使得角膜厚度变薄，从而导致角膜形状在生物力学的作用下发生改变，进而影响屈光状态的改变。角膜形状的改变主要表现为屈光手术前后角膜表面的位移，同时术后波前像差可以衡量角膜屈光状态的变化。因此，掌握人眼角膜的生物力学行为，深入研究人眼屈光手术后角膜波前像差与生物力学特性的关联机制，对提升手术的安全性、精准性以及降低术后并发症有重要意义。

有限元分析法是研究生物力学的常用方法，利用有限元模拟研究屈光手术，能够评估角膜的生物力学行为。目前已有研究者对人眼生物力学特性的改变进行研究，但其未关注角膜形态的定量改变，也没有分析这种改变对视觉质量的影响。另外，临床研究发现，有限元模拟结果和临床实际结果之间也存在明显差异。这些差异可部分归因于：一些眼模型没有反映个体差异性，因此存在明显的局限性；当前广泛使用的屈光手术角膜切削算法未考虑角膜对组织切削后继发性结构改变的物理响应。因此，利用临床测量数据，精准构建个性化生物力学有限元模型和屈光手术切削模型，模拟屈光手术，对反馈指导屈光手术设备参数设定至关重要。

CN114522020 A公开了这一种个性化屈光手术装置，通过将角膜生物力学性能的影响与加工参数进行耦合，更真实的模拟角膜的屈光手术过程，可以做为本发明的参考。然而该案在考虑将生物力学特性的影响引入模型时，生物力学特性参数考虑不够细致和全面，在实际运用时，可能无法达到精准实施，或实施效果无法达到预期。

发明内容

本申请主要是为弥补现有全飞秒屈光角膜屈光手术设备未考虑角膜生物力学效应与像差的不足，提出的一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法、系统及装置。

第一方面，本发明针对上述技术问题提出一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法，包括以下步骤：

S1、简化人眼结构参数和材料参数，完成构建个性化人眼三维有限元全眼模型；

(1)通过角膜地形图高度差数据获得角膜前后表面面型的点云数据，在三维笛卡尔坐标系下拟合得到角膜前后表面面型，结合角膜的微观结构，通过布尔运算构建出角膜的三维实体形态模型；

(2)假定巩膜厚度均匀，内外壁是椭球面，采用临床测得的眼轴长度和给定巩膜的几何参数，通过布尔操作将角膜边缘部分嵌入巩膜，构建出包含角膜、巩膜和视网膜的人眼三维实体形态模型；

(3)根据角膜和巩膜材料属性的特点，采用Ogden超弹性材料本构模型代表眼模型的材料属性；

(4)将人眼实体形态模型导入到有限元分析软件中，设置角膜和巩膜的材料参数、杨氏模量和泊松比；

(5)根据临床测得的眼内压，在角膜下表面以及巩膜内表面上加载眼内压，模拟实际的眼内压作用过程；通过眼外肌在巩膜的附着点施加约束条件，使眼球模型固定在眼外肌内；

(6)在确保有限元计算速度和数据准确性的前提下，对角膜和巩膜进行网格划分，分别设置角膜和巩膜的网格划分方式和单元格大小，完成个性化人眼三维有限元全眼模型的构建；

S2、确定屈光手术参数并模拟屈光手术，完成屈光手术后个性化人眼有限元模型的构建；

S3、对屈光手术后个性化人眼模型进行有限元分析，评估手术后视觉质量；

S4、根据有限元分析的结果和手术参数，优化屈光手术切削模型。

优选的，所述的一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法中，所述的S2包括以下步骤：

(1)根据临床屈光度或波前像差数据，建立光学区切削轮廓；设计过渡区切削轮廓；得到整个切削区内的切削深度；

(2)根据角膜前表面高度差数据以及角膜帽的厚度和大小，建立角膜帽切面的曲面，计算获得角膜帽下表面的点云数据，将点云数据减去角膜切削深度，模拟屈光手术移除基质透镜的过程，对角膜帽进行修改以使其能覆盖在切削后角膜上面，得到术后切削模型；

(3)选定切口大小、方向和角膜帽厚度，设定光学区大小，得到包括残余基质层厚度在内的手术参数，构建得到屈光手术后个性化人眼有限元模型。

优选的，所述的一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法中，所述的S3包括以下步骤：

(1)通过有限元求解得到角膜前后表面的位移和应力应变分布；

(2)由角膜表面位移得到生物力学响应对屈光手术后人眼波前像差的影响；

(3)根据生物力学效应引入的波前像差数据和术前的波前像差数据评估人眼手术后的视觉质量；

(4)根据前后表面和内部的应力分布情况分析术后人眼的生物力学稳定性。

优选的，所述的一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法中，所述的S4包括以下步骤：

根据术后视觉质量的评估结果和生物力学稳定性的评估结果，再结合切口大小和方向、角膜帽厚度、光学区大小、残余基质层厚度和其它手术参数对术后手术效果的影响规律，进一步优化和设计屈光手术切削模型和手术参数，从而实现一种考虑生物力学的精准个性化屈光手术视觉矫正。

优选的，所述的一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法中，所述的S1步骤(6)中，角膜采用四面体网格划分方式，巩膜采用六面体网格进行划分，分别设置角膜和巩膜的网格大小。

优选的，所述的一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法中，所述的S2步骤(1)包括：根据临床屈光度或波前像差数据，建立常规屈光手术或波前像差引导的屈光手术光学区切削模型：

式中(x,y)为角膜表面上任意一点，R_f为矫正后角膜表面的曲率半径，R_ix和R_iy为矫正前的角膜在2个主子午线上的曲率半径，O为x轴向的切削范围的直径；

设过渡区是光学区外一个等宽的环带，宽度为Rβ，则过渡区的内半径为光学区半径R，外半径为R(1+β),在这里β为修边系数，则可构造出一种过渡区角膜切削模型:

Z(x,y)＝Z_t(x,y)·Z_b(x,y)

式中

Z_t(x,y)为修边函数，其值在内边界为1,由内边界到外边界逐渐减小到0；Z_b(x,y)为过渡区上的扩展切削深度,由光学区切削深度的边界值扩展到整个过渡区上而形成的；

最后计算整个切削区内的切削深度。

第二方面，本发明还提供一种角膜屈光手术切削模型的优化系统，包括：

获取模块，用于获取用于执行如上述中任意一项所述的方法所需的数据；

处理模块，用于执行如上述中任意一项所述的方法。

第三方面，本发明提供一种角膜屈光手术切削模型的优化装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述中任意一项所述的方法。

优选的，所述的一种角膜屈光手术切削模型的优化装置，包括：角膜扫描成像模块、数据采集与数据处理模块和全飞秒激光加工模块；

所述的数据采集与数据处理模块包括存储器和处理器；

所述存储器包含对角膜切削区域的循环迭代算法程序；

所述飞秒激光加工模块包括激光调控器、激光光束和激光控制器。

本发明相对于现有技术的不同之处在于：

(1)通过构建实际人眼的全眼三维有限元模型，探索屈光手术后人眼生物力学效应对矫正效果的影响，充分考虑生物力学效应对全飞秒屈光手术精准切削模型影响的机理。

(2)根据术后视觉质量的评估结果和生物力学稳定性的评估结果，再结合切口大小和方向、角膜帽厚度、光学区大小、残余基质层厚度和其它手术参数对术后手术效果的影响规律，进一步优化和设计屈光手术切削模型和手术参数，构建全飞秒屈光手术精准切削模型的方案和实施步骤。

本专利具有以下有益效果：

结合临床测量的波前像差、角膜地形图和眼轴等个体数据，建立更加接近真实的个性化人眼有限元模型，充分考虑生物力学等参数对术后治疗带来的影响，模拟屈光手术并反馈指导屈光手术设备参数设定，提升屈光手术的安全性和精准性，有效降低术后并发症，弥补现有全飞秒屈光角膜屈光手术设备未考虑角膜生物力学效应和像差的不足。

附图说明

图1是人眼三维实体形态模型；

图2a是个性化人眼三维有限元全眼模型的人眼眼球模型；

图2b是个性化人眼三维有限元全眼模型的眼球模型截面图；

图3a是屈光手术切削眼球模型的屈光手术切削模型；

图3b是屈光手术切削眼球模型的手术小切口示意图；

图4a是屈光度为-3D的屈光手术术后角膜前表面形变云图；

图4b是屈光度为-6D的屈光手术术后角膜前表面形变云图；

图5为角膜前表面离焦与屈光度和眼内压的关系图；

图6为角膜生物力学反应引起的波前像差和切削偏心之间的散点图；

图7为切削模型引入波前像差和偏心之间的散点图；

图8为不同屈光度和眼内压下角膜后表面的应力应变图；

图9位角膜屈光手术切削模型的优化装置结构框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的目的、技术方案和技术优点以及技术效果更利于理解，下面将对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-图9，本发明提供一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法，包括以下步骤：

S1、合理简化人眼结构参数和材料参数，完成构建个性化人眼三维有限元全眼模型；

S2、确定屈光手术参数并模拟屈光手术，完成屈光手术后个性化人眼有限元模型的构建；

S3、对屈光手术后个性化人眼模型进行有限元分析，评估手术后视觉质量；

S4、根据有限元分析的结果和手术参数，优化屈光手术切削模型。

在进一步的实施方式中，不同之处在于，所述的S1具体包括以下步骤：

(1)通过角膜地形图获取角膜前后表面的高度差数据，将沿半径方向的角膜表面与参考球面的高度差转化为沿着z轴方向的高度差，在三维笛卡尔坐标系下拟合出角膜表面形状，结合角膜的微观结构，在三维模型设计软件中通过布尔运算构建出角膜的三维实体形态模型。

(2)假定巩膜厚度均匀，内外壁是椭球面，采用临床测得的眼轴长度和给定巩膜的几何参数，通过布尔运算将角膜边缘嵌入巩膜的前端，构建内外角巩膜沟，做为角膜巩膜之间的柔顺支撑，建立包含角膜、巩膜和视网膜的人眼三维实体形态模型。人眼三维实体形态模型如图1所示。

(3)角膜和巩膜的材料属性具有超弹性、各向同性和不可压缩的特征，根据其材料属性的特点，采用Ogden超弹性材料本构模型代表眼模型的材料属性；

(4)将人眼三维实体形态模型导入到有限元分析软件中，根据眼球结构和材料的特点，设定人眼的物理特性参数：角膜杨氏模量Ex＝1.8MPa，Ey＝1.8MPa，泊松比μ＝O.49；巩膜杨氏模量Ex＝3.08MPa，Ey＝3.08MPa，泊松比μ＝O.49。

(5)将眼内压设置为15mmHg更接近于人眼的生理状态，在角膜下表面以及巩膜内表面上加载眼内压，模拟实际的眼内压作用过程；通过眼外肌在巩膜的附着点施加约束条件，使眼球模型固定在眼外肌内。

(6)角膜采用四面体网格划分方式，巩膜采用六面体网格进行划分，分别设置角膜和巩膜的网格大小为0.15mm和0.3mm，此时模型的网格划分质量在0.7左右且模拟计算具有较好的稳定性，完成含角膜和巩膜的个性化人眼三维有限元全眼模型的构建。图2a和图2b显示了包含角膜和巩膜的个性化人眼三维有限元全眼模型。

本实施方法效果在于：既考虑现有的角膜几何面形，同时考虑角膜的材料属性和每个人的力学特性，构建了精确的角膜和巩膜个性化人眼有限元模型，曲面的拟合精度达到了平均误差小于2微米，将使分析角膜屈光手术的生物力学响应将更加准确。

在进一步的实施方式中，不同于如上实施方式之处在于，所述的S2包括以下步骤：

(1)根据临床屈光度或波前像差数据，建立常规屈光手术或波前像差引导的屈光手术光学区切削模型：

式中(x,y)为角膜表面上任意一点，R_f为矫正后角膜表面的曲率半径，R_ix和R_iy为矫正前的角膜在2个主子午线上的曲率半径，O为x轴向的切削范围的直径。

设过渡区是光学区外一个等宽的环带，宽度为Rβ，则过渡区的内半径为光学区半径R，外半径为R(1+β),在这里β为修边系数，则可构造出一种过渡区角膜切削模型:

Z(x,y)＝Z_t(x,y)·Z_b(x,y)

式中

Z_t(x,y)为修边函数，其值在内边界为1,由内边界到外边界逐渐减小到0；Z_b(x,y)为过渡区上的扩展切削深度,它由光学区切削深度的边界值扩展到整个过渡区上而形成的。

最后计算整个切削区内的切削深度。

(2)根据角膜前表面高度差数据以及角膜帽的厚度和大小，建立角膜帽切面的曲面，计算获得角膜帽下表面的点云数据，将点云数据减去角膜切削深度，模拟屈光手术移除基质透镜的过程，对角膜帽进行修改以使其能覆盖在切削后角膜上面，得到术后切削模型。屈光手术切削眼球模型如图3a和图3b所示。

(3)选定切口大小、方向和角膜帽厚度，设定光学区大小，得到残余基质层厚度和其它手术参数，构建得到屈光手术后个性化人眼有限元模型。

本实施方法效果在于：有限元模型仅能分析人眼生物力学特性和形态改变，对视觉质量并不能进行准确地分析，而考虑生物力学改变的个性化人眼有限元模型能弥补有限元模型的不足，实现人眼像差等光学特性的准确评估，研究结果可为优化全飞秒屈光角膜屈光手术设备参数提供理论依据。

在进一步的实施方式中，不同于如上实施方式之处在于，所述的S3包括以下步骤：

(1)通过有限元求解得到角膜前后表面的位移和应力应变分布。图4a和图4b显示了屈光手术术后角膜前表面形变云图.

(2)利用角膜前后表面节点位移得到角膜表面的光程差，采用泽尼克多项式对术前、术后角膜表面的光程差进行波面拟合，得到术前、术后的泽尼克像差系数，根据泽尼克系数差值得到对应的波前像差。定量分析角膜前后表面由生物力学响应引入的像差，并研究矫正屈光度、眼内压、材料参数、切削偏心、瞳孔大小等参数对术后残余波前像差的影响。图5显示了不同屈光度和眼内压下离焦的变化规律。图6表示角膜生物力学反应引起的波前像差和切削偏心之间的散点图。图7表示切削模型引入波前像差和偏心之间的散点图。

(3)利用分析软件统计分析由生物力学效应引入的波前像差数据和术前的波前像差数据，并分析由术前波前像差、视锐度、对比敏感度等参量和有限元模型得到的对应参量，评估人眼手术后的视觉质量；

(4)通过有限元结果分析屈光度、眼内压、材料参数、切削偏心等因素对术后角膜应力和应变分布的影响，评估术后人眼的生物力学稳定性。图8显示了不同屈光度和眼内压下角膜后表面的应力应变图。

本实施方法效果在于：基于有限元模型分析了屈光手术后由于人眼生物力学改变而引入的波前像差以及角膜前后表面位移、应力应变分布，根据视觉质量评估，进一步优化眼科手术参数，为提高全飞秒屈光手术效果提供新方法。

在进一步的实施方式中，不同于如上实施方式之处在于，所述的S4包括以下步骤：

根据术后视觉质量的评估结果和生物力学稳定性的评估结果，再结合切口大小和方向、角膜帽厚度、光学区大小、残余基质层厚度和其它手术参数对术后手术效果的影响规律，进一步优化和设计屈光手术切削模型和手术参数，从而实现考虑生物力学的精准个性化屈光手术视觉矫正。

本发明实施例还提供一种角膜屈光手术切削模型的优化系统，包括：

获取模块，用于获取用于执行如上所述任意一项所述的方法所需的数据；

处理模块，用于执行如上所述任意一项所述的方法。

请同时参阅图9，本发明实施例还提供一种角膜屈光手术切削模型的优化装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述任意一项所述的方法。

优选的，所述的一种角膜屈光手术切削模型的优化装置，包括：角膜扫描成像模块、数据采集与数据处理模块和全飞秒激光加工模块；

所述的数据采集与数据处理模块包括存储器和处理器；

所述存储器包含对角膜切削区域的循环迭代算法程序；

所述飞秒激光加工模块包括激光调控器、激光光束和激光控制器。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全飞秒角膜屈光手术切削模型的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、简化人眼结构参数和材料参数，完成构建个性化人眼三维有限元全眼模型；

S2、确定屈光手术参数并模拟屈光手术，完成屈光手术后个性化人眼有限元模型的构建；

S3、对屈光手术后个性化人眼模型进行有限元分析，评估手术后视觉质量；

S4、根据有限元分析的结果和手术参数，优化屈光手术切削模型。

2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述的S1包括以下步骤：

(1)通过角膜地形图高度差数据获得角膜前后表面面型的点云数据，在三维笛卡尔坐标系下拟合得到角膜前后表面面型，结合角膜的微观结构，通过布尔运算构建出角膜的三维实体形态模型；

(2)假定巩膜厚度均匀，内外壁是椭球面，采用临床测得的眼轴长度和给定巩膜的几何参数，通过布尔操作将角膜边缘部分嵌入巩膜，构建出包含角膜、巩膜和视网膜的人眼三维实体形态模型；

(3)根据角膜和巩膜材料属性的特点，采用Ogden超弹性材料本构模型代表眼模型的材料属性；

(4)将人眼实体形态模型导入到有限元分析软件中，设置角膜和巩膜的材料参数、杨氏模量和泊松比；

(5)根据临床测得的眼内压，在角膜下表面以及巩膜内表面上加载眼内压，模拟实际的眼内压作用过程；通过眼外肌在巩膜的附着点施加约束条件，使眼球模型固定在眼外肌内；

(6)在确保有限元计算速度和数据准确性的前提下，对角膜和巩膜进行网格划分，分别设置角膜和巩膜的网格划分方式和单元格大小，完成个性化人眼三维有限元全眼模型的构建；

3.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述的S2包括以下步骤：

(1)根据临床屈光度或波前像差数据，建立光学区切削轮廓；设计过渡区切削轮廓；得到整个切削区内的切削深度；

(2)根据角膜前表面高度差数据以及角膜帽的厚度和大小，建立角膜帽切面的曲面，计算获得角膜帽下表面的点云数据，将点云数据减去角膜切削深度，模拟屈光手术移除基质透镜的过程，对角膜帽进行修改以使其能覆盖在切削后角膜上面，得到术后切削模型；

(3)选定切口大小、方向和角膜帽厚度，设定光学区大小，得到包括残余基质层厚度在内的手术参数，构建得到屈光手术后个性化人眼有限元模型。

4.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述的S3包括以下步骤：

(1)通过有限元求解得到角膜前后表面的位移和应力应变分布；

(2)由角膜表面位移得到生物力学响应对屈光手术后人眼波前像差的影响；

(3)根据生物力学效应引入的波前像差数据和术前的波前像差数据评估人眼手术后的视觉质量；

(4)根据前后表面和内部的应力分布情况分析术后人眼的生物力学稳定性。

5.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述的S4包括以下步骤：

根据术后视觉质量的评估结果和生物力学稳定性的评估结果，再结合切口大小和方向、角膜帽厚度、光学区大小、残余基质层厚度和其它手术参数对术后手术效果的影响规律，进一步优化和设计屈光手术切削模型和手术参数，从而实现一种考虑生物力学的精准个性化屈光手术视觉矫正。

6.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述的S1步骤(6)中，角膜采用四面体网格划分方式，巩膜采用六面体网格进行划分,分别设置角膜和巩膜的网格大小。

7.如权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述的S2步骤(1)包括：根据临床屈光度或波前像差数据，建立常规屈光手术或波前像差引导的屈光手术光学区切削模型：

式中(x,y)为角膜表面上任意一点，R_f为矫正后角膜表面的曲率半径，R_ix和R_iy为矫正前的角膜在2个主子午线上的曲率半径，O为x轴向的切削范围的直径；

设过渡区是光学区外一个等宽的环带，宽度为Rβ，则过渡区的内半径为光学区半径R，外半径为R(1+β),在这里β为修边系数，则可构造出一种过渡区角膜切削模型:

Z(x,y)＝Z_t(x,y)·Z_b(x,y)

式中

Z_t(x,y)为修边函数，其值在内边界为1,由内边界到外边界逐渐减小到0；Z_b(x,y)为过渡区上的扩展切削深度,由光学区切削深度的边界值扩展到整个过渡区上而形成的；

最后计算整个切削区内的切削深度。

8.一种角膜屈光手术切削模型的优化系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取用于执行如权利要求1-6中任意一项所述的方法所需的数据；

处理模块，用于执行如权利要求1-6中任意一项所述的方法。

9.一种角膜屈光手术切削模型的优化装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述的方法。

10.如权利要求9所述的一种角膜屈光手术切削模型的优化装置，其特征在于，包括：角膜扫描成像模块、数据采集与数据处理模块和全飞秒激光加工模块；

所述的数据采集与数据处理模块包括存储器和处理器；

所述存储器包含对角膜切削区域的循环迭代算法程序；

所述飞秒激光加工模块包括激光调控器、激光光束和激光控制器。

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