正常角膜与圆锥角膜粘弹性的对比研究

研究在体角膜材料的力学特性,是进一步借助有限元方法研究角膜生理与病理现象的重要基础。本文借助可视化角膜生物力学分析仪所提供的数据,使用标准线性固体模型计算正常角膜和圆锥角膜在脉冲气压作用下的弹性系数(E)和粘性系数(η)。研究发现,正常角膜和圆锥角膜的E与η之间的差异具有统计学意义(P 0.05)。受试者工作特征曲线分析发现,E、η及其联合指标的曲线下面积(AUC)分别为0.776、0.895、0.948,说明该指标可以对圆锥角膜进行较好的预测。本文研究结果或可为圆锥角膜的早期诊断提供参考,以避免术后圆锥角膜的发生,因此具有一定的临床实用价值。     

支架植入位置对狭窄血管段支架内再狭窄影响的力学分析

背景经皮冠状动脉介入作为治疗动脉粥样硬化等心血管疾病最有效的方式,近些年在临床上得到广泛应用,但血管晚期血栓和支架内再狭窄等问题却并没有得到彻底解决。研究表明,支架植入会使血管壁产生非生理性组织应力,支架植入后血管内血流动力学微环境的改变会诱发支架内再狭窄。支架植入位置的不同也会对血管内力学环境产生重要影响,但相关研究却少有报道。因此,深入了解支架植入不同位置对血管力学微环境的影响,对于临床上优化支架放置以及缓解支架内再狭窄有重要意义。方法采用有限元方法模拟了支架扩张过程中狭窄血管的力学响应,通过球囊损伤法构建了兔颈动脉狭窄模型,并根据支架与狭窄血管中心区域的相对位置构建了支架植入的近心、中心、远心三种模型,对术后血管内血流动力学特征进行了分析。随后将支架段血管划分为前、中、后三个区域,对三个区域内的血流动力学参数进行了与支架植入位置之间的等级相关性分析,探究了支架位置的变化对于支架不同区域血流动力学特征的影响,并通过血管形态学观察对计算结果进行了验证。结果(1)计算模拟结果显示,血管壁最大应力出现在支架前、后端,而低剪切应力、高震荡剪切等血流动力学特征主要出现在支架前端,在支架后端血流动力学特征不明显,因此支架前端血管出现再狭窄风险较高。(2)支架前端血流动力学特征与支架植入位置存在显著相关性(r_(TAWSS)=-0.718,r_(OSI)=0.898,r_(RRT)=0.818,P0.01)。随着支架位置向远心移动,即从近心模型到远心模型,支架前端血管内膜增厚的程度加重,而支架中后端血管内膜增厚无显著差异,表明支架位置的变化对支架前端血管重构产生显著影响。结论支架植入会显著改变血管内的力学环境,在支架前端形成促动脉硬化斑块新生的区域,随着支架位置的不断靠后,支架前端对支架内再狭窄的影响更加显著。因此,临床支架介入术中需对支架的放置做进一步优化。     

基于角膜生物力学对小切口角膜基质透镜取出手术优化及联合角膜胶原交联手术的效果分析

目的 建立小切口角膜基质透镜取出(small incision lenticule extraction, SMILE)手术的有限元模拟体系,模拟术后角膜生物力学性能变化,为SMILE手术的优化设计提供依据,并探讨角膜胶原交联(corneal collagen cross-linking, CXL)手术对SMILE术后角膜生物力学性能的影响。方法 采用交联强度梯度分布的超弹性本构关系描述角膜的生物力学性能,建立SMILE手术的压痕有限元模型,设置不同的切口位置、切口弧度、侧切口角度和角膜帽厚度,分析SMILE术后角膜生物力学性能的变化;对SMILE术后角膜进行CXL手术的有限元模拟,分析不同辐射能量对角膜生物力学性能的影响。结果 随着切口位置角度变小、切口弧度增加、侧切口角度从90°增大到135°或减小到45°、角膜帽厚度减小,SMILE术后角膜最大von Mises应力不断增大;随着辐射能量增加,CXL术后最大von Mises应力不断增加。结论 构建的有限元模型可有效表征SMILE术后角膜的生物力学响应,为SMILE手术的优化设计提供模拟依据;CXL手术有助于提高SMILE术后角膜...     

基于膨胀实验数据获取角膜屈光手术后力学参数的方法初探

目的:基于离体膨胀实验获得的角膜顶点与压力数据,探索利用有限元方法获得屈光手术后角膜力学参数的方法。方法:取实验兔4只,左眼为手术眼,右眼为对照眼。行标准的LASIK术实验兔2只,仅制瓣未对角膜基质层消融的实验兔2只,分别于术后不同时间点实施离体角膜膨胀实验。在离体膨胀实验中,利用位移传感器、压力传感器和显微镜分别获得角膜顶点位移、角膜内压力及角膜正侧面轮廓图像。根据获得的角膜轮廓图像构建角膜几何模型,用二阶Ogden模型描述角膜的本构关系,通过有限元方法模拟膨胀实验,将计算结果与膨胀实验数据比对确定角膜的力学参数,分析屈光手术后饲养一定时间时角膜的力学特性。结果:角膜膨胀实验获得的角膜顶点位移与压力呈非线性关系。在相同压力下,术后饲养一定时间后的兔眼角膜顶点位移量比对照眼小。二阶Ogden模型可以较好地描述屈光手术后角膜的力学特性。屈光手术后角膜弹性模量较对照眼大。结论:基于整体膨胀实验数据,利用有限元方法模拟角膜膨胀实验反推屈光手术后角膜力学参数的方法是可行的。     

机械牵拉与前列腺素E_2联合作用下调圆锥角膜成纤维细胞赖氨酰氧化酶家族基因表达

为了研究机械牵拉与前列腺素E_2(PGE_2)对赖氨酰氧化酶(LOXs)家族基因表达的影响,本文对体外培养的正常人及圆锥角膜患者角膜成纤维细胞给予PGE_2处理,并进行幅度为12%、频率为0.1 Hz的周期性机械牵拉12 h,采用荧光定量聚合酶链式反应(PCR)检测LOXs家族基因的表达情况。研究结果显示,圆锥角膜患者的角膜成纤维细胞LOXs家族基因表达量普遍低于正常角膜;与静态培养组比较,单独机械牵拉使正常组的赖氨酰氧化酶样蛋白(LOXL)中的LOXL-2和LOXL-4基因表达上调,并使得圆锥角膜组的LOXL-3和LOXL-4基因表达下调;机械牵拉与PGE_2联合作用则使正常组的LOXL-4以及圆锥角膜组除LOXL-1之外的所有LOXs基因表达均下调。根据以上研究结果可提示,以机械牵拉和PGE_2同时作用,将下调圆锥角膜患者角膜成纤维细胞的LOXs家族基因表达,这将可能导致角膜胶原交联受阻,使胶原纤维之间的黏附力下降,胶原板层之间产生相对滑动,影响角膜结构稳定性,促进角膜发生圆锥膨隆。本文通过探讨研究力学刺激与炎性因子对LOXs家族基因表达的影响,有助于更好地理解圆锥角膜发生发展的可能机理,为圆锥角膜预防及治疗提供参考。     

角膜的弹性模量非均匀分布对其光学相干弹性成像的影响

目的 分析激励源位置、检测区域长度和检测深度对人眼角膜的剪切波光学相干弹性成像(optical coherence elastography, OCE)的影响。方法 结合人眼角膜的弹性模量的实际分布情况,构建角膜弹性模量非均匀分布的有限元模型。通过模拟剪切波OCE实验,对比分析有限元模拟结果和理论结果。结果 当激励源位置不同时,角膜前后基质的剪切波波速误差不同;当检测区域长度不同时,角膜前后基质的剪切波波速非线性变化;在超弹性材料模型下,当检测深度不同时,剪切波波速明显变化。结论 由于角膜弹性模量非均匀分布,在角膜前后基质不同激励源位置、不同检测区域长度和不同检测深度的有限元模拟剪切波波速的结果不同。将具有非均匀性的生物组织视作均质进行OCE实验会影响结果准确性。     

深板层角膜移植修复瘢痕期圆锥角膜

背景：深板层角膜移植治疗圆锥角膜可显著提高视力,且并发症少,排斥反应率低,但对于瘢痕期圆锥角膜仍以部分穿透性角膜移植为主。 目的：评价深板层角膜移植治疗瘢痕期圆锥角膜的临床疗效。 方法：58例Ⅲ期、Ⅳ期有角膜瘢痕患者分为角膜浅基质层有角膜瘢痕形成患者37例(浅瘢痕组),角膜深基质层或全层有角膜瘢痕形成患者21例(深瘢痕组)。58例患者行深板层角膜移植,移植后随访12个月,比较移植前后视力变化。 结果与结论：所有患者角膜移植后裸眼视力与移植前比较均有明显提高。58只眼角膜植片均透明,其中1只眼角膜移植后2个月发生上皮型排斥反应,经药物治疗后恢复透明。深瘢痕组2例角膜移植后出现眩光,改做部分穿透性角膜移植。角膜移植后1年浅瘢痕组与深瘢痕组视力相比差异无显著性意义。提示深板层角膜移植治疗瘢痕期圆锥角膜可显著提高视力,且并发症少,排斥率低,是一种安全有效,长期疗效稳定的治疗方法,尤其对于大基底的圆锥角膜应作为首选方案。     

一种血管张应力体外加载装置的实验研究

目的研制一种血管张应力体外加载装置,研究弹性基底(硅胶片)上的张应力、张应变分布。方法基于基底形变加载技术,研制一种接近人体血液动力学环境的血管张应力体外加载装置。利用装置中的摄像机拍摄硅胶片拉伸前后硅胶片网格点的图像并转化为数字图像,使用Matlab软件对网格点的位置特征进行计算,从而得到硅胶片的应变分布。利用万能材料试验机对硅胶片进行实验和计算得到硅胶片的力学参数,根据力学参数建立有限元模型,并对硅胶片的张应力、张应变分布进行模拟计算。将实验结果和模拟结果进行比较。结果有限元结果和实验结果基本一致,张应力、张应变的最大值均出现在加载点处,中间区域应力、应变较为均匀。硅胶片中间60%面积区域可视为均匀应变场。结论研究结果可为后期血管壁内皮细胞的动态培养以及细胞力学研究提供实验技术。     

松质骨拉力螺钉紧固过程的隐式动力分析

目的利用有限元隐式动力学分析方法对拉力螺钉的紧固过程进行动态模拟,分析其骨-钉界面应力分布特征。方法建立螺钉和周围骨性结构的有限元模型,利用有限元隐式求解器对拉力螺钉的紧固过程进行隐式动力学分析。根据螺钉及周围骨性结构的应力、分布情况分析骨-钉界面受力特征。结果螺钉螺纹杆部近端为应力集中区域。螺钉周围骨性结构的高应力分布区域位于螺钉螺纹周缘向外区域,深度约相当于螺纹深度。此区域是抵抗螺钉滑脱的主要区域。结论隐式动力学分析方法可准确模拟螺钉紧固过程中骨-钉界面的力学特性;螺钉周围骨质高应力分布区域的发现有助于进一步理解并改进螺钉的稳定性。     

不同残余基质床厚度SMILE术对兔角膜在体力学性能的影响EI北大核心CSCD

本文旨在探讨保留不同残余基质床厚度(RST)的飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术(SMILE)对兔角膜在体生物力学性能的影响。本文选取24只健康成年日本大耳兔,随机分为A、B组,A组RST为角膜中央厚度(CCT)的30%,B组RST为CCT的50%,两组角膜帽厚度均设置为CCT的1/3,于术前以及术后1周、1月和3月分别行可视化角膜生物力学分析仪(Corvis ST)和Pentacam三维眼前节分析仪检查,从而获取角膜生物力学和形态学相关参数,并采用Pearson相关性分析研究SMILE术后角膜生物力学参数的影响因素。结果表明,A组术后1周及1月角膜硬度显著高于B组,术后3月时两组大多数生物力学参数均恢复至术前水平。相关性分析结果表明,术后CCT和RST是SMILE术后角膜生物力学参数的主要影响因素。术后3月与术前比较中,两组角膜后表面高度值(PE)均无显著差异。提示制备较厚角膜帽、保留较少RST的SMILE术在短期内虽然抵抗变形能力有所下降,但尚无圆锥角膜倾向,可能与保留较多前基质层有关。     

Corvis ST检测在体角膜生物力学性能的有限元模拟

角膜的刚度降低是导致圆锥角膜的关键因素,角膜中胶原纤维刚度和纤维分散程度与角膜生物力学性能密切相关。本文通过建立基于角膜微结构即考虑胶原纤维的准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)术前和术后人眼角膜有限元模型,模拟了可视化角膜生物力学分析仪的检测过程,并与临床实际检测结果对比,确定屈光手术前后人眼角膜材料的超弹性本构参数及角膜胶原纤维刚度模量。研究发现LASIK术后,角膜胶原纤维刚度模量较术前明显增大,并与中央角膜厚度(CCT)高度相关;术前术后角膜胶原纤维刚度模量与对应中央角膜厚度的预测关系分别为:k_(1术前)=exp(9.14-0.009CCT_(术前)),k_(1术后)=exp(8.82-0.008CCT_(术后))。根据本文的研究结果,可由患者的中央角膜厚度值估算其术前术后胶原纤维刚度模量,进而建立与患者实际情况更相符的个性化角膜模型,为更准确地预测角膜安全手术切削量提供理论参考。     

SMILE和PRK的生物力学特性对比

目的探讨飞秒激光小切口透镜提取术(SMILE)和准分子激光角膜切削术(PRK)对角膜生物力学的影响。方法选取广州视献眼科屈光手术中心2019年10月至2020年1月收治的中低度近视(等效球镜小于-6.00 D)患者20例(40眼),根据患者意愿分为SMILE组(10例,20眼)和PRK组(10例,20眼)。使用角膜生物力学分析仪测量术前及术后1个月角膜在空气脉冲作用下的形变参数。结果在等效球镜和角膜厚度等基线条件相近的情况下,SMILE组角膜切削量显著高于PRK组,差异有统计学意义(t=3.502,P=0.02)。术前和术后1个月,2组患者反向曲率半径(Radius)、第一次压平时间(AT1)、第一次压平角膜长度(Length1)、峰值距离(Peak Distance)和变形幅度比(DA Ratio)组内分别比较,差异有统计学意义(P<0.05)。SMILE组和PRK组ΔDA Ratio、ΔLength2、ΔAT2和ΔPeak Distance比较,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论角膜屈光手术改变了角膜的生物力学性能,角膜对变形的阻力变小,角膜硬度降低。SMILE组术后Peak Distance和DA Ratio生物力学参数较PRK组明显增加,说明SMILE术对角膜生物力学影响更大。     

颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响

目的针对目前对儿童颅脑组织材料参数的不确定性,研究直接冲击载荷条件下颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响。方法应用已验证的3岁儿童头部有限元模型进行冲击仿真实验,采用正交实验设计和方差分析对儿童颅脑组织材料进行参数分析。结果颅骨弹性模量对儿童头部冲击响应具有显著性影响,随着颅骨弹性模量的增加,头部撞击侧颅内压力显著减小(P=0.000),对撞侧颅内压力显著增大(P=0.000),颅骨最大Von Mises应力显著增大(P=0.000)。脑组织的线性黏弹性材料参数对儿童头部冲击响应同样具有显著性影响,随着脑组织短效剪切模量的增加,脑组织最大主应变显著减小(P=0.000),脑组织最大剪应力则显著增加(P=0.000)。结论参数分析结果可为今后儿童头部有限元模型的材料选取提供参考依据,进而提升模型在预测临床上无法通过脑CT影像确诊的脑震荡等脑损伤时的准确性。     

基于可行方向法的脂肪组织本构模型参数反求优化

目的研究脂肪组织在中等应变率下本构模型及其参数反求。方法基于脂肪组织力学性能实验,通过有限元方法重构脂肪组织压缩实验,并对常见表征脂肪组织的本构模型进行参数筛选。结合最优化方法中的可行方向法(method of feasible direction,MFD),进行中应变率下脂肪组织本构模型相关参数的反求。结果中应变率(260 s~(-1))下黏弹性本构模型相比Ogden本构模型更适合表征脂肪组织的力学响应,并反求得到适用于仿真的本构模型参数。结论中等应变率下黏弹性本构模型更适合表征脂肪组织力学响应。研究结果为汽车碰撞有限元仿真中探究人体脂肪组织对人体损伤的影响提供参考。     

植床四点定位法降低深板层角膜移植后散光

背景：深板层角膜移植已广泛应用于圆锥角膜的治疗,不但能够达到与穿透性角膜移植术同样的增视效果,且具有移植后排斥反应发生率低等优点。目的：探讨采用植床四点定位法,降低深板层角膜移植后散光度的效果。方法：回顾性分析行深板层角膜移植的圆锥角膜病例50例(50眼),分别在移植中采用植床四点定位法25例(25眼)和直接剖切植床即未采用植床四点定位法25例(25眼),对比观察两组患者治疗后散光度及角膜地形图模拟角膜镜度数。结果与结论：移植后随访6-12个月,平均8.3个月。两组患者无角膜植片排斥反应、继发感染、继发性青光眼等发生。采用植床四点定位法,治疗后患者散光度及角膜地形图模拟角膜镜度数均较未采用四点定位降低。深板层角膜移植术中采用植床四点定位法能够有效地减少因眼内压下降、眼球变形、植床扭曲造成的移植后散光。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植;肝移植;移植;心脏移植;组织移植;皮肤移植;皮瓣移植;血管移植;器官移植;组织工程全文链接：     

基于整体角膜膨胀实验对兔眼角膜参数的确定

目的角膜一般被视为非线性弹性材料,用线弹性模型刻画角膜的力学特性难免存在一定误差。本研究基于体外兔眼角膜膨胀实验,探索用分段的线弹性模型描述角膜非线性弹性行为的可行性。方法选取5只新鲜兔眼,制备附带巩膜环的角膜试件,将试件固定在自制的加压装置上,用微量注射泵给试件加压以模拟角膜随内压力的增加发生形变的过程,同时利用显微镜获取相应压力下角膜的正侧面轮廓图像。预调后,记录加载过程中压力与角膜顶点及轮廓信息。分别选取角膜内压力为7mm Hg、14 mm Hg和21 mm Hg时的角膜正侧面轮廓图像,建立具有不均匀厚度的轴对称角膜几何模型,将角膜视为各向同性不可压缩材料,在7~14 mm Hg、14~21 mm Hg和21~28 mm Hg三个眼内压范围内视角膜为线弹性材料,通过有限元方法分段模拟体外角膜膨胀实验,将模拟结果与膨胀实验角膜外轮廓线位移结果比对,确定角膜在上述压力范围内的弹性模量。结果获得的兔眼角膜在7~14 mm Hg、14~21 mm Hg和21~28 mm Hg的弹性模量分别为(0.73±0.16)MPa、(2.20±0.43)MPa和(3.03±0.37)MPa。此结果与文献结果基本一致。结论用分段的线弹性模型近似描述角膜非线性弹性行为的方法是可行的。     

改良深板层角膜移植治疗圆锥角膜屈光状态的改变及相关因素*

背景：传统深板层角膜移植治疗圆锥角膜后弹力层穿孔率较高。 目的：观察改良深板层角膜移植治疗圆锥角膜后屈光状态的长期改变及相关因素分析。 方法：采用改良深板层角膜移植法治疗46例(51眼)圆锥角膜患者,记录移植前后裸眼视力和最佳矫正视力;移植前按平均角膜曲率大小分为两组,平均角膜曲率≥60 m-1组与<60 m-1组,观察移植后24个月的等效球镜、散光、角膜曲率,并分析眼轴与术后屈光状态的相关性。 结果与结论：与移植前比较,移植后1,6,12,18,24个月的裸眼视力及最佳矫正视力均有显著提高(P < 0.01或P < 0.05),移植后6个月内视力是显著提高的,6~18个月视力虽有一定的提高,但基本是处于稳定的趋势,18~24个月视力显著提高,显示随 着移植后时间的延长,视力逐渐提高并趋于稳定,说明改良深板层角膜移植后长期疗效佳。两组移植后的等效球镜、移植后散光、平均角膜曲率均较移植前明显改善,但两组间差异均无显著性意义(P > 0.05),眼轴与移植后的等效球镜、裸眼视力、角膜散光有一定的负相关性。说明改良深板层角膜移植后等效球镜向近视方向移动,角膜散光逐渐减小,平均角膜曲率逐渐增大。移植前角膜曲率差异对改良深板层角膜移植后屈光状态无明显影响。眼轴与术后屈光状态有一定的相关性。     

股骨颈骨折空心钉内固定手术参数的优化分析

闭合复位空心钉内固定手术是目前治疗股骨颈骨折的常用方法,采用有限元方法对空心钉内固定手术进行力学综合分析,根据股骨近端力学实验的结果,建立股骨近端有限元分析模型,对可能影响手术效果的患者体重、骨折线角度、空心钉布局与角度等几个参数进行分组分析,提取骨折面、钉子的应力应变分析结果,获得了216组不同手术参数组合的情况下,影响术后愈合与承载能力的骨折端面的错位位移、钉孔底部应变、钉子最大应力、股骨最大应变四个参数,并进行综合分析比较,找到一组符合生物力学规律的内固定治疗参数,并应用于医疗机器人手术参数规划及手术效果的评价系统。     

10岁儿童头部有限元模型的建立及验证

运用ANSYS ICEM CFD以及HYPERMESH软件对10岁儿童头部几何模型进行合理的网格划分,获得具有高度解剖学细节的10岁儿童头部有限元模型。利用MADYMO软件自带的假人,模拟一起典型跌落事故中,受伤儿童从3个不同高度跌落时人体的动力学响应过程,并计算头部与地面碰撞接触瞬间的方位和速度等运动学参数。然后将这些参数输入到10岁儿童头部有限元模型中,模拟头部与地面的碰撞过程,并分析与损伤相关的生物力学参数。结果表明,颅骨的最大应力和最大应变分布在枕骨右侧,与碰撞点的位置较为吻合,但均未超过颅骨的耐受极限。利用颅内压力可较好地预测脑组织的损伤程度,而利用脑组织的von mises应力可较好地判断脑组织的损伤位置。事故重建的结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用于儿童头部损伤生物力学的研究。     

激光虹膜切开术对角膜内皮细胞所受切应力影响的数值研究

目的研究激光周边虹膜切开术(laser peripheral iridoctomy,LPI)对患者眼内房水流动和角膜内皮细胞所受流体切应力的影响。方法参照文献中的人眼几何数据,在CAD软件中建立三维完整眼球几何模型,并结合有限元软件数值模拟LPI术后房水流动状态以及角膜内皮细胞所受切应力的变化,并对比LPI手术前后虹膜上不同激光开孔位置时角膜内表面切应力的数值结果。结果虹膜上激光孔的位置越靠近瞳孔中心,角膜受到的切应力越小。在激光孔离瞳孔轴距离分别为4.0、4.5、5.0、5.5 mm时,对应角膜内皮受到的最大切应力分别为16.5、25.8、57.0、179.8 m Pa。激光孔在3、6点方位时的切应力最大值比开孔在12点方位时的切应力最大值(56.95 m Pa)分别高出13.7%和4.2%。结论 LPI会改变患者眼内房水流动和角膜内皮细胞所受流体切应力。合适的开孔位置能降低角膜内皮细胞受到的切应力,减少LPI术后患者大泡角膜病变的风险。