受损眼眶中视神经受力的有限元模拟✳

李延军,陈维毅,郭 媛

(太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,太原山西 030024)

视神经是人体的重要组织,它接受视网膜上的物象形成视觉,所以视神经的损伤对视力危害较大,但是对于其发生机制和治疗一直存在争议[1-2].全球受青光眼损害者有 2亿多人,其危害性在于它对视力的损害是渐进且不可逆的.科学家认为:眼内压的升高压迫了视神经,影响了轴浆的运输从而导致了视神经的萎缩[3-4].国内外对于视神经的报道大多偏重于治疗[5-6],也有通过测量视神经的几个几何参数建立生物力学分析模型[7],但由于考虑的因素太少,其精确性难以保证.在人体中,视神经不仅和眼球相接触,也和眶脂体、视神经管相接触,为了真实地反映视神经的受力情况,本文利用 CT扫描图像和Mimics软件(试用版)以及 ANSYS软件建立了包含视神经的人体眼眶三维有限元模型,模型中包括有视神经、眼球、眶脂体及受损眼眶,为从理论上分析视神经的受力情况提供了条件.

1 资料和方法

1.1 资料

1)扫描对象.扫描对象是一名成年男性中年志愿者,在一次意外事故中,他的右眼眶粉碎性骨折.

2)工具.组装电脑,64排螺旋 CT,Mimics软件(试用版),ANSYS10.0软件.

1.2 方法

1)数据采集.对志愿者头颅扫描,层厚 0.75 mm,将图片保存为 DICOM格式.

2)导入Mimics.将保存的图像导入 Mimics软件.在 Mimics软件中,通过调节阈值来显示我们需要画的部位.调节阈值的时候要尽量包括需要画的部位,多余的部分可以通过手动编辑中的 erase命令擦掉,缺少的部分通过 draw命令补全.根据 CT图像分别描绘出视神经、受损眼眶、眼球、眶脂体的轮廓(如图1～图3),然后利用 calculate 3D命令计算出所描绘轮廓的三维几何模型.为了使模型美观,使用 smoothing命令将模型光滑,然后将形成的各个模型分别保存为 LIS文件.视神经模型如图4所示.

图1 矢状位图像Fig.1 Sagittal view

图2 水平位图像Fig.2 Horizontal view

图3 冠状位图像Fig.3 Coronal view

图4 视神经图像Fig.4 Image of optic nerve

表1 眼眶及其周围组织的材料参数表Tab.1 Material parameter

3)导入ANSYS生成三维有限元模型.Mimics生成的几何模型是以面的形式存在的,在ANSYS10.0软件中要将模型生成体并划分网格.在 Mimics软件中是分别描绘视神经、眼球、眶脂体、眼眶轮廓,各模型在接触部位的面上关键点并不是一一对应的,划分网格时也不能保证节点对节点,所以几何模型导入 ANSYS后还需要将各组织的接触部位的面进行细微的修改.首先将视神经、眼球、眶脂体、眼眶模型的 LIS文件分别导入同一个 ANSYS文件中,先选中视神经和眼球接触部位的面,将关键点没有一一对应的面删掉.然后,通过关键点创建新的面,最终达到接触面的关键点一一对应.用类似的方法将眼球和眶脂体、眼眶和眶脂体、视神经和眶脂体相接触的面全部修改成关键点一一对应.最后,分别选择视神经、眼球、眶脂体、眼眶的面,分别生成体模型.设单元长度为 2 mm,对整个模型进行自由网格划分,共生成 24 948个节点,127 540个单元,最终形成节点对节点的受损眼眶有限元模型,模型中包括了视神经、眼眶、眼球、眶脂体(如图5～图7).组成头颅结构的组织材料繁杂,相关的理论和实验研究在不断地进行中[7-10].有限元模型根据研究的目的和研究侧重点不同,选用不同的材料特性参数.绝大多数模型将颅脑组织视为均质、各向同性的线弹性材料.本文为简化研究,也将视神经、眼眶、眼球、眶脂体视作各向同性的线性材料,单元类型为 solid45单元,各个材料参数如表 1所示[10-14].

图5 带有组织的受损眼眶有限元模型Fig.5 Finite element model of injured eye socket with soft tissue

图6 单独视神经有限元模型Fig.6 Finite element model of optic nerve

图7 不带组织的受损眼眶模型Fig.7 Finite element model of injured eye socket

2 有限元模拟

在人体中,视神经表面有脑脊液覆盖着,它在眶内段和视神经管内都承受着颅内压;眼球内部有眼内压.在带组织的受损眼眶有限元模型中,将眼眶顶部和底部施加固定约束,并给视神经和眼球分别施加等于正常颅内压和正常眼内压大小的静水压力载荷.最终的模拟结果如图8～图10所示.

由图8可知,受损眼眶侧的颅骨受的应力较大.由图9和图10可知,受损眼眶侧和完整眼眶侧的视神经的最大应力均发生在视神经和眼球的接触部位,最大值分别为0.004 308 MPa和 0.002 573 MPa.从而可以推断出,假如眼内压升高,在与眼球的接触部位,视神经将会产生更大的应力,这和眼内压的升高压迫了视神经的结论是一致的[4].

图8 受损眼眶的应力云图Fig.8 Stress contour of injured eye socket

图9 受损眼眶侧视神经应力云图Fig.9 Stress contour of optic nerve belong to injured side

图10 完整眼眶侧视神经应力云图Fig.10 Stress contour of optic nerve belong to unbroken side

3 结束语

利用CT扫描技术,Mimics软件的建模功能,使得医学图像无需进行任何图像转换而直接应用,大大减轻了工作量,提高了建模速度.成功地利用医学 CT图像的数据建立了受损眼眶的三维有限元模型,完成了有限元分析的前处理,为后续的有限元计算提供了模型基础.有限元模拟结果表明:视神经的最大应力均发生在视神经和眼球的接触部位.本文建立的带有组织的受损眼眶三维有限元模型包括了视神经、眼眶、眼球、眶脂体.该模型可以分析眼球,眶脂体、眼眶对视神经的约束和载荷传递,能较为真实地反映视神经的受力情况,比仅通过测量视神经的几个几何参数建立的模型要精确的多[7],具有很强的拓展意义.但是,由于人体组织结构的不规则性,以及网格划分、材料模型等各方面的原因,在精度方面会有一定的缺陷,下一步的工作是要对材料模型进行更深入的研究并提高网格质量,进一步完善和提高模型的精度.

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