Lasik术后眼球受力变形的有限元模拟研究

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本文的目的是通过动物实验对用准分子激光术原位角膜磨镶术(LASK)治疗后的眼球的整体变形及可能的安全隐患进行研究,比较不同切削量下眼球的受力和变形的关系,为确定手术的安全切削量提供依据。 本文主要工作是根据眼球的几何结构和力学特征,将眼球模型筒化成薄壳结构,结合实验测得尺寸厚度数据,用Solidworks绘图软件对眼球建模,建立不同切削量各手术组眼球的几何模型,导入Adina有限元分析软件,对术后不同切削深度组眼球在不同眼内压作用下受力变形情况进行了计算模拟仿真。 首先,材料模型的选取。本模拟将角巩膜看成不可压缩各向同性材料,考虑角巩膜生物软组织粘弹性的特征,选择能反映角巩膜材料模型的合适模型,结合实验数据将各模型之间进行比较,角膜选用viscoelastic模型,能很好的体现角膜力学性质的时间相关性,巩膜选用Mooney-Rivlin模型可较好的反应巩膜非线性的特征。 其次,实验数据的获得。本模拟以实验数据为依据,对21只成年新西兰大白兔右眼施行角膜激光切削术,左眼为正常对照眼,根据术后基质层保留量的不同,将实验对象分为轻度,中度,重度三组(这一工作在山西眼科医院完成),术后六个月,对四组兔眼进行在体眼内压和眼球整体变形关系的测试,并离体对其角膜条带试件在INSTFRON5544力学实验机上进行拉伸应力-应变测试及拉伸蠕变测试分析,得到反应各组试件性质的实验数据,实验过程中将实验装置浸没在能调节温度的生理盐水中,以维持试件正常的水合反应。将实验曲线进行处理导入Adina,拟合出各组试件角巩膜力学参数,与已有研究将眼球考虑成线弹性材料模型相比,本文的模拟结果更接近实际情况。 再次,力学参数的比较。通过对比拟合得到的巩膜各组力学性能参数,得到结论: 1.各组力学常数之间没有太大的变化,说明手术并没有很大程度的改变巩膜的力学特性,2.随着切削深度的增加巩膜体积模量减小。这和理论上术后巩膜平均变形量大于术前是一致的,有限元模拟结果也与此结论一致。 对各组眼球模型进行分网加载,比较生理眼压范围下不同眼内压力作用下的位移图,得出结论: 1.手术的切削深度越大,角膜位移越明显,从而对角膜屈光的变化影响也越大,对近视矫正的效果也越强; 2.手术必须保证最小基质层厚度,切削深度过大会导致角膜膨隆,易发生圆锥角膜; 3.眼内压越大,角膜上各点的相对位移越大,因此眼压较低的人用Lasik手术治疗效果不太理想。 最后,角膜曲率的计算。运用平面曲线的曲率计算公式,通过在眼内压作用下模拟结果位移值计算得到不同手术组术后角膜曲率的变化,得出:角膜切削深度越大,角膜曲率值增加越明显,其中重度组眼球角膜曲率增加最大,角膜变形较明显,易产生角膜膨隆。 本文还对有限元软件非线性计算过程中出现的问题和解决方法进行了分析讨论。
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