【WORD格式论文底稿】受损眼眶中视神经受力的有限元模拟

【WORD格式底稿】受损眼眶中视神经受力的有限元模拟 免费查阅论文，豆丁与论文网:www.docin.com/week114 受损眼眶中视神经受力的有限元模拟 李延军 陈维毅 周辉 郭媛 太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所 太原 (030024) 摘要:利用 CT 对受伤的人头颅进行扫描，得到头颅的 CT 图像资料，将图像导入 Mimics 软 件(试用版)中，建立了带有组织的受损眼眶模型，模型中包括视神经、眼球、眶脂体、眼 眶。将此模型导入 ANSYS 软件中建立有限元模型进行分析计算。有限元模拟结果表明，在正 常颅内压和眼内压作用下，视神经最大应力发生在视神经与眼球接触部位。 关键词:视神经;有限元;CT 1 引言 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，所以视神经损伤对视力 [1,2]危害较大，但是对于其发生机制和治疗一直存在争议。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, [11，12]影响了轴浆的运输从而导致了视神经的萎缩。国内外对于视神经的报道，大多偏重于 [3-5]治疗，很少有关于视神经有限元分析力学的。近年来，数字化虚拟人体的发展，建立视 神经三维有限元模型成为现实。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，为了真实的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软件建立符合人视神经的三维有限元模型，模型中还包括了眼球、眶脂体、受损 眼眶三个附属模型，为从理论上分析视神经的受力情况提供了条件。 2 资料和 2.1 资料 2.1.1 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。 2.1.2 工具 组装电脑，64排螺旋CT，Mimics软件(试用版)，ANSYS10.0软件。 2.2 方法 2.2.1 数据采集 对志愿者进行头颅扫描，将图片格式保存为DICOM格式。 免费查阅论文，豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 2.2.2 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。多余的部分可以用erase 命令檫掉，缺少的部分用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。然后利用calculate 3D命令计算出描绘出轮廓的体积(图1,2,3)，为了使模 型美观，还用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: 图 2 水平位图像图 1 矢状位图像 图 3 冠状位图像 图 4 视神经图像 2.2.3 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，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文件分别导入同一各ANSYS文件中，先选中视 神经和眼球接触部位的面，将关键点不是一一对应的面删掉，然后通过关键点创建新的面， 最终达到接触部位的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部位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2mm，对整个模型进行自由网格划分， 共生成24948个节点，127540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 免费查阅论文，豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 包括了视神经，眼眶、眼球、眶脂体。(图5 ,6,7)。本文将视神经、眼眶、眼球、眶脂体视 [6-10]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: 表1:眼眶及其周围组织的材料参数表 序号 名称 材料特性 弹性模量 泊松比 1 视神经 4.1MP 0.499 2 眼球 1.2MP 0.47 3 眼眶 8000MP 0.21 4 眶脂体 0.047MP 0.499 图 6 单独视神经有限元模型 图 5 带有组织的受损眼眶有限元模型 图 7 不带组织的受损眼眶模型 3 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。在带有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， 免费查阅论文，豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 并给视神经和眼球分别施加等于正常颅内压(10毫米汞柱)和正常眼内压(15毫米汞柱)大小 的静水压力载荷。最终的模拟结果如图8，图9，图10: a b 图 8 受损眼眶的应力云图 图 9 受损眼眶侧视神经应力云图图 10 完整眼眶侧视神经应力云图 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，最大值分别为为0.004308MP和 0.002573MP;从这我们可以推断出，假如眼内压升高，在与眼球的接触部位，视神经将会产 [12]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 结语 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视有限模型包括了视神经，眼眶，眼球，眶脂体。该模型可以考 虑可眼球，眶脂体，眼眶对视神经的约束和载荷传递，能较为真实的反映视神经的受力情况。 [8]比起以前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。 免费查阅论文，豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 中国科技论文在线 参考文献 1 Steinsapir KD , Goldberg RA. Traumatic optic neuropathy[J],Surv Ophthalmol ，1994 ,38 :487-518. 2 Ian A. Sigal，C. Ross Ethier，Biomechanics of the optic nerve head[J], Experimental Eye Research , 2009 ;88:799–807. 3 李耀宇,游思维,视神经损伤后节细胞的保护和神经修复的研究进展[J],中华眼科杂 志,2004 ;40(2):141-144 4 马志中,黄厚斌,视神经损伤治疗和不全损伤再生研究的回顾[J], 解放军医学杂志,2005,30(9):765-767 5 王志强,马志中，外伤性视神经病变预后相关因素分析. 中华眼底病杂志[J], 2002 , 18(2) : 98 6 李明，师江明，人的周围神经拉伸强度测定，解剖学杂志[J],1991,14(3):187-190 7 刘先觉，雷刚，基于汽车—行人碰撞事故仿真再现的头部—地面碰撞力学分析[D]，重庆:重庆汽车学院， 2008 8 杨浩，人眼球物理建模及结合青光眼的生物力学分析初探[D],厦门:厦门大学，2006 9 Kleiven S，Influence of impact direction on the human head in prediction of subdural Hematoma[J], Neurotrauma , 2003 , 20 : 365-379 10何黎民，卢亦成，吴建国，三维有限元头颅模型参数及边界条件研究[J],生物医学工程与临床， 2005,9(4):189-193 11 何艺超，李晓阳，眼部传输及生物流体力学[J], 医用生物力学,2007 , 22 (2 ):220-226 12 陈琛 刘晓华, 青光眼相关生物力学研究进展[j], 北京生物医学工程,2007，26(1):93-98 免费查阅论文，豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 中国科技论文在线 Finite element simulation of optic nerve in damaged eye socket Li Yanjun, Chen Weiyi , Zhou Hui, Guo Yuan Taiyuan University of Technology, Institute of Applied Mechanics and Biomedical Engineering,Taiyuan, China (030024) Abstract To gain the CT picture of head, a human’s head which has been injured in accident was scanned by the CT. Then the CT pictures was imported to the Mimics soft (trial version) to establish the 3D geometry model of the optic nerve, as well as the eyeball, adipose body of orbit and eye socket. A finite element model was established in the ANSYS soft by use the 3D geometry model. The calculate results show that in the normal intracranial pressure and intraocular pressure, the maximum stress occurred in the contact part with the optic nerve and eyeball. Keyword: optic nerve finite element CT