论文摘要：眼损伤的生物力学研究

眼是人体重要的感觉器官，是人类获取外界信息的主要途径。眼结构复杂，组织脆弱，即使受到轻微损伤，也常常由于处理不当而导致严重的视力障碍，甚至是失明。流行病学研究表明我国眼外伤住院患者约占眼科住院患者总数的三分之一，是眼科疾病中首位致盲因素。眼外伤是有力学因素直接或间接导致的眼组织损伤。尽管眼外伤的眼组织病变和临床表现已有较充分的认识，但是对一些眼损伤的发病机制的仍然缺少深入系统的探究。本文从生物力学角度出发，利用有限元模拟技术，定量研究了造成眼外伤所满足的力学条件；基于概率理论，从微观层面揭示了眼组织损伤的发生机制。本文主体部分主要包括六个方面的工作：
1． 全眼球有限元建模
本研究建立了全眼球的有限元模型，它包括角膜、巩膜、视网膜、晶状体、玻璃体、房水、脂肪和眼眶骨等结构，并考虑不同材料间的耦合作用。有效性验证表明该模型包可以针对多种动态载荷，定量分析眼组织损伤情况。
2． 全眼球模型在眼外伤分析中的应用
本研究利用有限元仿真技术，分析两种不同类型的载荷——瞬态加速度和爆破冲击波对眼组织造成的损伤。首先通过假人多刚体动力学的模拟，获得眼眶加速度载荷的响应曲线，得到冲击加速度和视网膜损伤的量化关系；将眼球模型植入流体场，利用流固耦合技术，模拟了爆破冲击波作用下眼球的动力学响应，确定了爆炸物造成眼球破裂需要的力学条件。
3． 外伤性视网膜脱离的力学机理
视网膜粘附于眼球壁的内表面，负责眼底的感光成像。当眼球遭受严重的钝性挫伤，外力的作用很有可能导致视网膜的脱落。本研究通过“胀泡”实验在体的测量了视网膜粘附力的大小，并将其考虑到有限元模型，模拟了眼球在钝物冲击下，视网膜从粘附到脱离的过程。研究发现钝击造成的应力波导致了视网膜裂孔的形成；冲击过程产生的负压是导致外伤性视网膜脱落的直接原因。
4． 基于微观结构的角膜损伤分析
生物组织的微观结构决定其宏观的力学行为。在角膜内部，平行排列的胶原纤维镶
嵌在富含粘蛋白基底的板层上构成基质层，是角膜承载外力的主要部分。本文根据角膜的层状结构特征，对比研究了造成两种典型的角膜损伤——破裂伤和撕裂伤需要的力学条件；根据角膜中胶原纤维的排列特征，研究了角膜各向异性的力学行为和微观尺度的损伤特点。
5． 角膜微观损伤的概率描述微观世界尺度越小,个体行为的不确定性就越大，因此需要利用概率论方法来描述微观事物的状态。本研究基于概率理论，建立宏观的角膜非线性力学特性与微观的胶原纤维形态之间的数学模型，描述角膜在载荷作用下其内部组织形态的变化过程。概率论在生物力学中的应用，为跨尺度研究生物组织的力学行为提供新思路。
6． 眼前节OCT图像的三维可视化研究
眼前节位于眼球最前端，外力的直接作用很容易造成它们的损伤。OCT成像技术是目前较为流行的眼前节外伤的检查手段。本研究基于眼科OCT特有的“旋转式”图像序列，设计一套重建算法，建立个性化的眼前节三维可视化模型，为医生提供一个更为直观的虚拟解剖实体，有助于对病症的正确诊断和有效治疗。
本文的创新方法在于：1）利用特殊的接触类型模拟了视网膜从粘附到脱落的过程，为研究生物组织间的粘附作用提供有效手段。2）首次将概率理论应用于组织损伤的研究，为跨尺度研究生物组织的力学行为提供新思路；3）提出“旋转式”图像序列的重建算法，为眼科图像的三维可视化研究提供新技术。
本文的研究价值在于：1）发现了冲击过程中的负压和连通效应是导致视网膜脱离的直接原因，为外伤性视网膜脱离的防护提供有力依据；2）发现了纤维卷曲形态的正态分布特征，微观形态的多样化决定了宏观组织非线性的力学行为。

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