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眼睛是集感光和光学成像于一体的视觉系统,其形状类似一个椭球体,它的主要功能是感光和屈光。在眼睛的屈光系统中,晶状体是最重要的屈光介质之一,是唯一具有调节能力的屈光介质。常见的晶状体疾病主要有白内障、老视、青光眼等。一般认为,随着年龄的增长,晶状体的调节能力逐渐减弱,是引起老视的主要因素。而本文研究的主要内容是通过有限元模拟与实验结果进行对照的反分析方法确定晶状体的弹性模量、探讨老视与调节的关系,为老视、白内障等晶状体疾病的手术治疗、人工晶状体的研制提供参考依据。
本文主要通过以下几方面对晶状体的调节以及晶状体的弹性模量进行研究:
首先,由于晶状体的调节系统是由晶状体-悬韧带-睫状体三者联合作用而产生的,所以模拟仿真的关键在于建立的模型要符合晶状体实际调节情况。然而由于悬韧带和睫状体形态的复杂性,在建模时必进行简化,本文用三条悬韧带的末端表示睫状体,然后直接在悬韧带末端施加位移载荷来代替睫状体收缩时产生的位移。本文根据前人所测得的人类不同年龄组晶状体-悬韧带的几何尺寸以及相关的材料力学特性参数,建立了人的不同年龄晶状体调节系统的三维模型图。然后在Solidworks软件中建立晶状体-悬韧带的三维模型,导入到ANSYS分析软件中建立有限元模型。共对11岁、29岁和45岁三个不同年龄的模型进行了仿真计算分析,将得到的结果进行比较分析,研究人眼调节能力与年龄之间的关系,探讨老视的成因。
其次,通过晶状体压缩试验和模拟结果进行对照的反分析方法得到兔眼晶状体的弹性模量。利用INSRON5544万能材料试验机对离体的晶状体进行极轴方向的单轴压缩试验,然后记录压缩位移及对应的极轴方向的压力载荷。根据实验前测得的不同年龄组的兔眼晶状体的直径和厚度,参考文献中关于晶状体的建模方法,在有限元分析软件ANSYS中建立晶状体、压头和载物台的三维有限元模型图。通过将模拟计算结果与实验数据对照的反分析方法,得到三个不同年龄组的兔眼晶状体的弹性模量。研究结果为晶状体的物理建模及屈光分析提供了依据,为人眼晶状体研究提供一定依据。
通过上述分析得到以下结论:
1、随着人眼晶状体调节幅度的减弱,晶状体的屈光度减小;直径增大,厚度减小,前、后表面的曲率半径增大,且前表面曲率半径的变化幅度大于后表面的曲率半径的变化幅度;45岁年龄组晶状体的调节能力最差,可能是老视的原因。
2、通过3个月、6个月、14个月离体兔眼晶状体的压缩试验与模拟对照的结果进行分析,得出不同年龄组兔眼晶状体的弹性模量。从结果可以看出兔眼晶状体的弹性模量随年龄的增大而增大。从晶状体的应力、应变分析云图可以看出在压缩载荷的作用下,晶状体后极部分所承受的力和变形都比前极部分大。