李延軍,陳維毅,郭 媛

(太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所,太原山西 030024)

視神經(jīng)是人體的重要組織,它接受視網(wǎng)膜上的物象形成視覺(jué),所以視神經(jīng)的損傷對(duì)視力危害較大,但是對(duì)于其發(fā)生機(jī)制和治療一直存在爭(zhēng)議[1-2].全球受青光眼損害者有 2億多人,其危害性在于它對(duì)視力的損害是漸進(jìn)且不可逆的.科學(xué)家認(rèn)為:眼內(nèi)壓的升高壓迫了視神經(jīng),影響了軸漿的運(yùn)輸從而導(dǎo)致了視神經(jīng)的萎縮[3-4].國(guó)內(nèi)外對(duì)于視神經(jīng)的報(bào)道大多偏重于治療[5-6],也有通過(guò)測(cè)量視神經(jīng)的幾個(gè)幾何參數(shù)建立生物力學(xué)分析模型[7],但由于考慮的因素太少,其精確性難以保證.在人體中,視神經(jīng)不僅和眼球相接觸,也和眶脂體、視神經(jīng)管相接觸,為了真實(shí)地反映視神經(jīng)的受力情況,本文利用 CT掃描圖像和Mimics軟件(試用版)以及 ANSYS軟件建立了包含視神經(jīng)的人體眼眶三維有限元模型,模型中包括有視神經(jīng)、眼球、眶脂體及受損眼眶,為從理論上分析視神經(jīng)的受力情況提供了條件.

1 資料和方法

1.1 資料

1)掃描對(duì)象.掃描對(duì)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.組裝電腦,64排螺旋 CT,Mimics軟件(試用版),ANSYS10.0軟件.

1.2 方法

1)數(shù)據(jù)采集.對(duì)志愿者頭顱掃描,層厚 0.75 mm,將圖片保存為 DICOM格式.

2)導(dǎo)入Mimics.將保存的圖像導(dǎo)入 Mimics軟件.在 Mimics軟件中,通過(guò)調(diào)節(jié)閾值來(lái)顯示我們需要畫(huà)的部位.調(diào)節(jié)閾值的時(shí)候要盡量包括需要畫(huà)的部位,多余的部分可以通過(guò)手動(dòng)編輯中的 erase命令擦掉,缺少的部分通過(guò) draw命令補(bǔ)全.根據(jù) CT圖像分別描繪出視神經(jīng)、受損眼眶、眼球、眶脂體的輪廓(如圖1～圖3),然后利用 calculate 3D命令計(jì)算出所描繪輪廓的三維幾何模型.為了使模型美觀,使用 smoothing命令將模型光滑,然后將形成的各個(gè)模型分別保存為 LIS文件.視神經(jīng)模型如圖4所示.

圖1 矢狀位圖像Fig.1 Sagittal view

圖2 水平位圖像Fig.2 Horizontal view

圖3 冠狀位圖像Fig.3 Coronal view

圖4 視神經(jīng)圖像Fig.4 Image of optic nerve

表1 眼眶及其周圍組織的材料參數(shù)表Tab.1 Material parameter

3)導(dǎo)入ANSYS生成三維有限元模型.Mimics生成的幾何模型是以面的形式存在的,在ANSYS10.0軟件中要將模型生成體并劃分網(wǎng)格.在 Mimics軟件中是分別描繪視神經(jīng)、眼球、眶脂體、眼眶輪廓,各模型在接觸部位的面上關(guān)鍵點(diǎn)并不是一一對(duì)應(yīng)的,劃分網(wǎng)格時(shí)也不能保證節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn),所以幾何模型導(dǎo)入 ANSYS后還需要將各組織的接觸部位的面進(jìn)行細(xì)微的修改.首先將視神經(jīng)、眼球、眶脂體、眼眶模型的 LIS文件分別導(dǎo)入同一個(gè) ANSYS文件中,先選中視神經(jīng)和眼球接觸部位的面,將關(guān)鍵點(diǎn)沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的面刪掉.然后,通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建新的面,最終達(dá)到接觸面的關(guān)鍵點(diǎn)一一對(duì)應(yīng).用類似的方法將眼球和眶脂體、眼眶和眶脂體、視神經(jīng)和眶脂體相接觸的面全部修改成關(guān)鍵點(diǎn)一一對(duì)應(yīng).最后,分別選擇視神經(jīng)、眼球、眶脂體、眼眶的面,分別生成體模型.設(shè)單元長(zhǎng)度為 2 mm,對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,共生成 24 948個(gè)節(jié)點(diǎn),127 540個(gè)單元,最終形成節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的受損眼眶有限元模型,模型中包括了視神經(jīng)、眼眶、眼球、眶脂體(如圖5～圖7).組成頭顱結(jié)構(gòu)的組織材料繁雜,相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究在不斷地進(jìn)行中[7-10].有限元模型根據(jù)研究的目的和研究側(cè)重點(diǎn)不同,選用不同的材料特性參數(shù).絕大多數(shù)模型將顱腦組織視為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料.本文為簡(jiǎn)化研究,也將視神經(jīng)、眼眶、眼球、眶脂體視作各向同性的線性材料,單元類型為 solid45單元,各個(gè)材料參數(shù)如表 1所示[10-14].

圖5 帶有組織的受損眼眶有限元模型Fig.5 Finite element model of injured eye socket with soft tissue

圖6 單獨(dú)視神經(jīng)有限元模型Fig.6 Finite element model of optic nerve

圖7 不帶組織的受損眼眶模型Fig.7 Finite element model of injured eye socket

2 有限元模擬

在人體中,視神經(jīng)表面有腦脊液覆蓋著,它在眶內(nèi)段和視神經(jīng)管內(nèi)都承受著顱內(nèi)壓;眼球內(nèi)部有眼內(nèi)壓.在帶組織的受損眼眶有限元模型中,將眼眶頂部和底部施加固定約束,并給視神經(jīng)和眼球分別施加等于正常顱內(nèi)壓和正常眼內(nèi)壓大小的靜水壓力載荷.最終的模擬結(jié)果如圖8～圖10所示.

由圖8可知,受損眼眶側(cè)的顱骨受的應(yīng)力較大.由圖9和圖10可知,受損眼眶側(cè)和完整眼眶側(cè)的視神經(jīng)的最大應(yīng)力均發(fā)生在視神經(jīng)和眼球的接觸部位,最大值分別為0.004 308 MPa和 0.002 573 MPa.從而可以推斷出,假如眼內(nèi)壓升高,在與眼球的接觸部位,視神經(jīng)將會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力,這和眼內(nèi)壓的升高壓迫了視神經(jīng)的結(jié)論是一致的[4].

圖8 受損眼眶的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contour of injured eye socket

圖9 受損眼眶側(cè)視神經(jīng)應(yīng)力云圖Fig.9 Stress contour of optic nerve belong to injured side

圖10 完整眼眶側(cè)視神經(jīng)應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contour of optic nerve belong to unbroken side

3 結(jié)束語(yǔ)

利用CT掃描技術(shù),Mimics軟件的建模功能,使得醫(yī)學(xué)圖像無(wú)需進(jìn)行任何圖像轉(zhuǎn)換而直接應(yīng)用,大大減輕了工作量,提高了建模速度.成功地利用醫(yī)學(xué) CT圖像的數(shù)據(jù)建立了受損眼眶的三維有限元模型,完成了有限元分析的前處理,為后續(xù)的有限元計(jì)算提供了模型基礎(chǔ).有限元模擬結(jié)果表明:視神經(jīng)的最大應(yīng)力均發(fā)生在視神經(jīng)和眼球的接觸部位.本文建立的帶有組織的受損眼眶三維有限元模型包括了視神經(jīng)、眼眶、眼球、眶脂體.該模型可以分析眼球,眶脂體、眼眶對(duì)視神經(jīng)的約束和載荷傳遞,能較為真實(shí)地反映視神經(jīng)的受力情況,比僅通過(guò)測(cè)量視神經(jīng)的幾個(gè)幾何參數(shù)建立的模型要精確的多[7],具有很強(qiáng)的拓展意義.但是,由于人體組織結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,以及網(wǎng)格劃分、材料模型等各方面的原因,在精度方面會(huì)有一定的缺陷,下一步的工作是要對(duì)材料模型進(jìn)行更深入的研究并提高網(wǎng)格質(zhì)量,進(jìn)一步完善和提高模型的精度.

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