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1、www.CRTER.org祁昕征，等. 三维有限元模型力学分析可预测视乳头的形状变化三维有限元模型力学分析可预测视乳头的形状变化*祁昕征，魏 超，杨佳燕，穆 晶，张昆亚，刘志成，钱秀清(首都医科大学生物医学工程学院，北京市 100069)文章亮点：1 目前视乳头的三维重建与有限元分析多是基于解剖数据或组织切片，组织切片染色的不均匀使切片的选取也具有主观性；材料特性的不确定性等使所建模型有丢失重要几何信息的危险。因此，依据在体的视乳头结构进行力学分析会得到更加合理的结果。2 课题的创新性在于利用光学相干断层扫描仪进行活体测量，基于体内测试结果建立视乳头三维模型并进行有限元分析，结果显示，建立有限
2、元模型的计算结果与体内实验结果基本一致。3 实验结果提示，利用光学相干断层扫描仪进行活体视乳头建模和分析是可行的，利用力学分析可实现对视乳头形状变化的预测。在一定程度上弥补了形态学组织切片重建的问题，对进一步确定青光眼的病理进程有一定的指导意义。关键词：组织构建；组织构建基础实验；急性高眼压；三维重建；有限元分析；视乳头；视网膜；国家自然科学基金主题词：高眼压；青光眼；成像，三维；有限元分析；视网膜基金资助：国家自然科学基金(11102123, 31070840)*；北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201110025009)*；北京市属市管高校人才强教计划资助项目(PHR20100839
3、8, PHR201110506)*摘要背景：视乳头形状变化的准确测量及预测是青光眼的早期诊断及病程预测的关键，因此高眼压下视乳头形状的测量与分析具有重要意义。 目的：建立视乳头三维有限元模型，并分析急性高眼压下视乳头形状及视网膜厚度的变化。方法：利用前房灌注的方法建立急性高眼压动物模型，利用光相干断层扫描仪获得猫在正常眼压及5 320， 7 980，10 640，13 300，15 960 Pa眼压时的断层图片，测量视网膜特征点处厚度的变化；基于正常眼压猫眼视乳头的断层数据，利用MIMICS软件获得视网膜及脉络膜的三维结构，并进行组装获得视乳头三维模型；利用有限元软件ABAQUS分析高眼压状态
4、下视乳头的形状变化及视网膜厚度变化，并与实验测试结果进行比较。结果与结论：随着眼压的升高，发现视网膜厚度逐渐变薄，视乳头深度及视乳头宽度均逐渐增加，视乳头宽度与深度的比值也逐渐增加。提示急性高眼压导致视网膜变薄，视乳头宽度增大，视乳头深度增大。结果证明，利用光学相干断层扫描仪进行活体视乳头建模和分析是可行的，力学分析可预测视乳头的形状变化，对进一步确定青光眼的病理进程有一定的指导意义。Shape variation of optic nerve head by mechanical analysis using three-dimensional finite element model Qi
5、 Xin-zheng, Wei Chao, Yang Jia-yan, Mu Jing, Zhang Kun-ya, Liu Zhi-cheng, Qian Xiu-qing (School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China)祁昕征，女，1992年生，山东省聊城市人，汉族，2013年首都医科大学毕业，主要从事生物力学方面的研究。Q 通讯作者：钱秀清，博士，副教授，首都医科大学生物医学工程学院，北京市 中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2013)5
6、0-08712-07 修回日期：2013-11-09(201308191/GY)Qi Xin-zheng, School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, ChinaQCorresponding author: Qian Xiu-qing, Ph.D., Associate professor, School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, Ce Accepted: 2013-1
7、1-09AbstractBACKGROUND: The measure and prediction of the shape of optic nerve head are the key issues for early diagnosis and duration prediction of glaucoma. Therefore, it is significant to research the shape variation of optic nerve head under high intraocular pressure. OBJECTIVE: To establish th
8、ree-dimensional finite element model of optic nerve head and to analyze the deformation of optic nerve head and the change in retina thickness after acute high intraocular pressure. METHODS: Animal model of acute ocular hypertension was established by methods of anterior chamber perfusion. The tomog
9、raphic images of the optic nerve head of a cat were obtained at the normal intraocular pressure and 5 320 Pa, 7 980 Pa, 10 640 Pa, 13 300 Pa, 15 960 Pa intraocular pressures using optical coherence tomography. Then, we measured the variation of retinal thickness at typical location. Basing on the to
10、mographic images of optic nerve head of a cat at normal intraocular pressure, we obtained three-dimensional structure of retina and choroid using software MIMICS. Then three-dimensional model of optic nerve head was established by 8713 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 assembling the retina and choroid.
11、The deformation of optic nerve head and the change in retinal thickness under high intraocular pressure were observed using software ABAQUS. The effectiveness of the model was verified by the experimental result. RESULTS AND CONCLUSION: With the increase of intraocular pressure, the retinal thicknes
12、s is thinner, the optic nerve head depth, width and the ratio of the depth to width are gradually increased. It suggests that the acute high intraocular pressure causes retinal thinning, optic nerve head widening and deepening. It is feasible to establish optic nerve head modeling in vivo by using o
13、ptical coherence tomography, mechanical analysis can be applied to predict the shape variation of optic nerve head, which is significant to further deduce the pathological process of glaucoma.Subject headings: high intraocular pressure; glaucoma; imaging, three-dimensional; finite element analysis;
14、retinaFunding: the National Natural Science Foundation of China, No. 11102123*, 31070840*; Scientific General Program of Beijing Municipal Education Commission, No. KM201110025009*; Funding Program for Academic Human Resources Development in Institutions of Higher Learning Under the Jurisdiction of
15、Beijing Municipality of China, No. PHR201008398*, PHR201110506*Qi XZ, Wei C, Yang JY, Mu J, Zhang KY, Liu ZC, Qian XQ. Shape variation of optic nerve head by mechanical analysis using three-dimensional finite element model. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2013;17(50):8712-8718.8717ISSN 2095-4344 CN
16、 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction青光眼是全球第一大不可修复致盲眼病，临床上以视神经乳头凹陷进行性扩大及视野缺损进行性加重为特点。虽然目前标准化视野检查仍被认为是评价青光眼各种诊断指标的“金标准”，但众多研究证实，当检查出视野缺损时，视网膜神经节细胞丢失已达30%，在青光眼视野发生改变以前已有视乳头和视网膜神经纤维层的改变1-4；同时多数研究认为青光眼中视网膜创伤的主要原因是高眼压下的视乳头变形所导致5-6；因此对视乳头形状变化的准确测量及预测是青光眼早期诊断及病程预测的关键7-9。利用力学分析可实现对视乳头形状变化的预测。自从Quigley等1
17、,10-11研究发现青光眼视神经损害的原发部位在视乳头周围组织，人们就开始用力学手段对视乳头的变形进行分析，但由于当时的测试手段和计算技术发展水平有限，因此仅仅限于视乳头几何形态的测量或利用解析法对模型进行简化分析12。Belleza等13第一次建立了三维几何模型，利用有限元方法分析某一水平眼压及眼压有关的压力对巩膜管的大小和形状及视乳头周围巩膜厚度的影响。Deves眼科研究所的Yang 等6,14重建了慢性青光眼的猴眼视神经乳头和筛板模型，并进行了有限元计算；猴眼模型采用激光电凝小梁网，造成持续数周的慢性青光眼；并对正常猴眼和青光眼猴眼模型做离体的石蜡组织切片，对图像配准后，定量建模。Sig
18、al等15-17把人尸眼经过一系列组织学处理后，对典型切片进行照相，建立了有限元模型，此模型在几何学、变形上与真实眼有很好的一致性。Roberts等18-19则利用冷冻切片及图像处理技术对三只猴眼的筛板及其连接组织进行了三维重建，得到了很漂亮的筛板的三维结构，并进行了分析。Sigal20建立了参数化模型，基于有限元分析结果编制了软件，可方便地分析视乳头各部分几何尺寸及材料特性变化时筛板的应力及应变变化；同时，他们基于猴视乳头的几何尺寸，建立了多参数有限元模型，分析了各参数的敏感性及参数间的交叉作用21。他们最近的研究工作则将巩膜三维模型与视乳头模型组装分析22，得到了更合理的结果。目前视乳头的
19、三维重建与有限元分析多是基于解剖数据或组织切片，组织切片染色的不均匀使切片的选取也具有主观性；材料特性的不确定性等使所建模型有丢失重要几何信息的危险16。因此，依据在体的视乳头结构进行力学分析会得到更加合理的结果。20世纪末出现的光学相干成像技术，给眼睛后节的观察，提供了新的途径。早期的时域光学相干断层扫描仪利用可见光光源，可观察到眼底结构，获得较大范围的、能够同时捕捉黄斑和视神经乳头的眼底像。因此，临床实践中，光学相干断层扫描仪被广泛应用于眼底视神经纤维层的观察，用于青光眼诊断。 Chen23和Toth等24-25使用光学相干断层扫描仪获得了灵长类动物和人眼的视网膜断层影像，并进行了形态学的
20、相关测量，但是时域光学相干断层扫描仪的光源穿透能力差，无法获取组织深部信息，采集速度也比较慢。随着光学相干断层扫描技术的发展，应用频域光学相干断层扫描仪可得到清晰的眼底结构图像26-28，分析正常人和青光眼患者视乳头形状的改变，研究发现青光眼患者的视乳头形状与正常人明显不同。最重要的是，频域光学相干断层扫描仪可以帮助我们看到青光眼试验研究中的实时的视乳头图像。对于高速频域光学相干断层扫描仪的连续平行扫描功能来说，序列图像能以超高的成像速度和轴向分辨率来显示视乳头的三维形态，并且可以得到活体视乳头三维模型用于有限元分析，这种模型能够克服离体切片建模的缺点29-31。课题组基于频域光学相干断层扫描
21、仪的体内实验结果，得到了兔视乳头的三维结构，并进行了有限元分析，但由于图像质量限制，没有区分视网膜与脉络膜32，根据前人的研究结果，视网膜与脉络膜的力学特性相差很远33-34，应当加以区分。最新的研究结果发现，利用加强脉络膜扫描模式的光学相干断层扫描仪则可获得脉络膜的清晰图像35-38，因此文章拟基于光学相干断层扫描仪测量活体猫眼视网膜、脉络膜的断层数据，利用三维重建技术获得视乳头的三维结构，最后利用有限元方法分析高眼压状态下视乳头变形及视网膜厚度变化，并与实验结果进行比较。1 视乳头断层图像的获取 Obtaining tomographic images of optic nerve hea
22、d 1.1 实验动物 选用健康、无眼病家猫，年龄一至两岁，体质量1.5-2.5 kg，由首都医科大学实验动物部提供，许可证号：SYXK(京)2009-0020。饲养条件为室温20-25 ，光照12 h，自由饮食。实验过程中对动物的处理方法符合动物伦理学要求。1.2 实验设备 光学相干断层扫描仪(3D OCT-1000 Mark，拓扑康公司，日本)，轴向分辨率最低可以达到10 m，纵向分辨率已达到5 m，扫描模式有三维扫描、辐射状扫描、线扫等，压力传感器。1.3 实验方法 见图1。注：共128张，上图为第64张，标于左上角。中间凹陷的部分为筛板。图1 利用光学相干断层扫描仪获取猫眼视乳头体内断层
23、图像Figure 1 Obtaining tomographic images of optic nerve head using optical coherence tomography测量实验动物正常眼压，利用光学相干断层扫描仪采取以视乳头为中心、6 mm6 mm2.3 mm的三维扫描模式进行扫描，获得视乳头断层图像，如图1所示。然后利用本实验室自行搭建的眼球加压装置39，将眼压分别保持5 320，7 980，10 640，13 300， 15 960 Pa，利用光学相干断层扫描仪进行扫描，获取不同眼压时视乳头断层图像，中间凹陷部分为筛板区域。 2 视乳头有限元分析 Finite elem
24、ent analysis of optic nerve head2.1 视乳头三维重建 获取成年家猫正常眼压时光学相干断层扫描仪图像作为建模对象，由于乳头区上层为视网膜，视网膜下面为脉络膜，研究可知，视网膜与脉络膜的力学特性相差很远23-24，筛板与视网膜力学特性相近，为了真实地模拟视乳头的变形，作者将区分视网膜与脉络膜，将获得的断层图像在Mimics软件中分别建立脉络膜和视网膜(包含筛板)的三维模型，然后在Solidworks中组装视乳头三维模型，如图2所示，导入大型有限元软件Abaqus进行分析。注：左上图是视网膜，右上图脉络膜，下面2张图是组装后的视乳头。图2 猫眼视乳头三维重建Figu
25、re 2 Three-dimensional reconstruction of optic nerve head of a cat 2.2 有限元分析 建立有限元模型，划分单元271 012个，节点数58 690。由于视乳头结构和材料性质的复杂性，考虑到软组织为不可压缩材料，采用非线性Ogden模型，Ogden模型广泛应用于橡胶的力学特性描述，其应变能函数为：(1) -3-1式中：i=J i，J为变形前后体积之比。i，i和N为材料参数。考虑到软组织的不可压缩性，不考虑上式中第2项。选取Ogden模型的主要原因是这种模型已广泛存在于各有限元软件，如ANSYS、ABAQUS、ADINA等，方便进
26、行数值模拟。材料参数取为一阶Ogden模型，其中脉络膜 1= 90 MPa，=6 600；视网膜1=0.145 MPa，=0.01。为了模拟巩膜对视乳头的支撑作用，在脉络膜、下表面加弹簧约束，其刚度值为6 MPa/节点数；脉络膜与视网膜之间设为绑定；视网膜上表面加均布载荷模拟高眼压的作用。为了验证模型的可靠性，将实验结果与有限元分析结果进行比较。由于Abaqus只能直接输出节点位置的变化，因此选择视乳头3个典型位置的变形进行比较，3个位置如图3所示，结果比较见图4-6。由图示可知，数值模拟结果与实验结果比较接近，认为模型可信。123456注：其中点1和点2之间的竖直距离是视乳头左边的视网膜厚度
27、；点3和点4之间的竖直距离是筛板最低处的厚度；点1和点2之间的竖直距离是视乳头右边的视网膜厚度。图3 计算猫眼视乳头形状变化的3个典型位置Figure 3 Three typical locations to calculate the thickness of the optic nerve head 0.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020变形(mm)0 2 660 5 320 7 980 10 640 13 300 15 960压力(Pa)实验结果计算结果 注：由图示可知，数值模拟结果与实验结果比较接近，认为模型可信。图4 不同压力下猫眼视乳头左
28、侧位置视网膜厚度变化的实验结果与有限元分析结果比较Figure 4 Comparison of the thickness variation of the retina between the experiment results and the calculation results of the left edge of the optic nerve head 压力(Pa)0 2 660 5 320 7 980 10 640 13 300 15 960 0.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020实验结果计算结果变形(mm)注：由图示可知，数值模拟
29、结果与实验结果比较接近，认为模型可信。图5 不同压力下筛板最低处厚度变化的实验结果与计算结果比较Figure 5 Comparison of the thickness variation of the lamina cribrosa between the experiment results and the calculation results of the lowest location of the lamina cribrosa 实验结果计算结果0.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020变形(mm)0 2 660 5 320 7 980 10
30、 640 13 300 15 960压力(Pa)注：由图示可知，数值模拟结果与实验结果比较接近，认为模型可信。图6 不同压力下猫眼视乳头右侧位置视网膜厚度变化的实验结果与有限元分析结果比较Figure 6 Comparison of the thickness variation of the retina between the experiment results and the calculation results of the right edge of the optic nerve head 2.3 结果 正常眼压及5个压力下视乳头竖直方向变形如图7所示，由图中可看出，随着压力的
31、增加，视网膜变形逐渐增大，厚度逐渐变薄。视乳头应力结果如图8所示。从图中可以看出，眼压越高，视乳头凹陷越深。应力的最大值出现在脉络膜边缘，15 960 Pa时最大值为21.82 MPa。图3中1点和3点之间的水平方向的距离可以表征视乳头宽度方向的变化，2点的垂直位移可近似表征视乳头深度方向的变化，视乳头宽度与深度方向变化及宽度与深度比值变的化分析结果见图9-11所示。注：共6张图，左上角的图代表正常眼压时视乳头变形为0；每张图中右下角值代表这张图的眼内压的数值，不同的颜色代表不同位移值的数值，具体数值见每张图左侧的白色框内。图7 不同眼压作用下猫眼视乳头竖直方向位移Figure 7 Verti
32、cal displacement of the optic nerve head under the different intraocular pressure 注：共4张图。每张图中的max代表此图中的最大等效应力，每张图中右下角值代表这张图的眼内压的数值。左面2张图代表视网膜的等效应力，右面2张图代表脉络膜的等效应力。图8 不同眼压作用下猫眼视网膜和脉络膜的等效应力Figure 8 Equivalent stress of the retina and choroid under the different intraocular pressure 0.003 50.003 00.002
33、 50.002 00.001 50.001 00.000 50视乳头宽度变化(mm) 2 660 5 320 7 980 10 640 13 300 15 960眼压(Pa)注：在压力作用下，猫眼视杯开口持续增大。图9 猫眼视乳头宽度变化与眼压的关系Figure 9 Correlation between the width variation of the optic nerve head and the intraocular pressure 2 660 5 320 7 980 10 640 13 300 15 960眼压(Pa)注：在压力作用下，猫眼视杯持续变深。视乳头深度变化(mm)
34、 0.200.150.100.050图10 猫眼视乳头深度变化与眼压的关系Figure 10 Correlation between the depth variation of the optic nerve head and the intraocular pressure 0.0160.0140.0120.0100.0080.0060.004视乳头宽度和深度的比值 5 320 7 980 10 640 13 300 15 960眼压(Pa)注：在压力作用下，猫眼视乳头宽度和深度的比值持续增大。图11 猫眼视乳头宽度、深度比值变化与眼压的关系Figure 11 Correlation be
35、tween the ratio of width and depth of the optic nerve head and the intraocular pressure 由图中结果可以看出，视乳头宽度和深度都随着眼压的增大而增大，视乳头宽度和深度的比值也在增大，也就是说，在压力作用下，猫眼视杯开口持续增大，视杯持续变深，视乳头宽度和深度的比值持续增大。3 讨论与结论 Discussion and conclusion虽然已有多人对视乳头进行力学分析，但前人的结果图片大都来自离体的组织切片16，在制备组织切片的过程中，组织会被脱水，从而导致结构三维重建存在较大的误差。本文用于三维重建的图片
36、来源于体内实验测试，因此结构与视乳头真实结构更接近，实验结果也更可靠。本文将视网膜与脉络膜分开考虑，且用弹簧单元模拟了巩膜对视乳头的支撑作用，计算结果与实验结果进行了比较，误差在可接受的范围内，因此计算结果合理。研究发现，青光眼患者的视乳头形状会发生改变，平均视杯深度在眼压降低后明显降低40，由图10可看出，视乳头的深度变化随眼压的升高而升高，与文献结果一致。同时，本文研究发现视网膜厚度随着眼压的升高而降低，这与Strouthidis等26的研究及临床上观察视网膜神经纤维层厚度随着眼压的升高而降低一致。压力作用下，猫眼视杯开口持续增大，视杯持续变深，这与实验观测早期青光眼猴的视乳头形状变化一致
37、。本文基于体内实验获取猫视乳头断层图像并进行三维重建，分析了高眼压下视乳头的形状变化规律及视网膜的厚度变化规律。研究发现随着压力的升高，视网膜厚度变薄，视乳头宽度增大，视乳头深度增大。结果证明，利用光学相干断层扫描仪进行活体视乳头建模和分析是可行的，在一定程度上弥补了形态学组织切片重建的问题。作者贡献：祁昕征负责视乳头有限元分析；魏超负责视乳头三维重建；杨佳燕、穆晶负责动物实验；张昆亚负责动物实验及论文修改；刘志成负责论文修改；钱秀清负责结果分析及论文撰写。利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。伦理要求：实验获得首都医科大学的实验动物伦理委员会批准，
38、对动物的处置符合2009年Ethical issues in animal experimentation相关动物伦理学标准的条例。学术术语：视乳头-视神经乳头由源于视网膜神经节细胞层的神经纤维组成，来自眼底所有各点的神经纤维覆盖视神经乳头，在临床上，视乳头和视盘都常使用。作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。4 参考文献 References1 Quigley HA, Addicks EM, Green WR, et al. Optic nerve damage in human
39、 glaucoma. II: The site of injury and susceptibility to damage. Arch Ophthalmol.1981;99(4): 635-649.2 季宝玲, 游逸安, 方爱武, 等. OCT测量视网膜神经纤维层和黄斑厚度在青光眼早期诊断中的意义J. 眼视光学杂志,2008, 10(1): 54-58.3 胡赛静, 邱翎. 正常眼与原发性开角型青光眼的OCT视盘参数分析的对比研究J. 临床眼科杂志, 2007, 15(1):26-28.4 戴惟葭, 边俊杰, 杨惠青, 等. 急性闭角型青光眼视网膜神经纤维层改变的一年动态观察J. 眼科, 2
40、010, 19(5): 331-335.5 Sigal IA, Flanagan JG, Tertinegg I, et al. Modeling individual-specific human optic nerve head biomechanics. Part II: influence of material properties. Biomech Model Mechanobiol. 2009;8:99-109.6 Yang H, Downs JC, Sigal IA, et al. Deformation of the normal monkey optic nerve hea
41、d connective tissue after acute IOP elevation within 3-D histomorphometric reconstructions. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2009;50:5785-5799.7 杨翎, 袁志兰, 占慧琴. FD-OCT测量视盘周围视网膜神经纤维层和视神经乳头参数在青光眼早期诊断中的意义J. 南京医科大学学报:自然科学版, 2010,30(7): 1026-1030.8 杨新光, 刘钊, 于敬妮, 等. 原发性青光眼早期视盘参数与视野缺损的关系J. 临床眼科杂志, 2009, 17(4):295-
42、299.9 徐亮, 夏翠然, 杨桦, 等. 正常人不同类型视乳头及早期青光眼患者视乳头形态学研究J. 中华眼科杂志, 2002, 38(6): 325-328.10 Quigley HA, Addicks EM. Quantitative studies of retinal nerve fiber layer defects. Arch Ophthalmol. 1982;100: 807-814.11 Quigley HA, Addicks EM. Regional differences in the stucture of the laminal cribeosa and their r
43、elation to glaucomatous optic nerve damage. Arch Ophthalmol. 1981;99: 137-143.12 He DQ, Ren ZQ. A biomathematical model for pressure- dependent lamina cribrosa behavior. J Biomech. 1999; 32: 579-584.13 Belleza AJ, Hart RT, Burgoyne CF. The optic nerve head as a biomechanical structure: initial finit
44、e element modeling. Invest OphthalmolVis Sci. 2000;41(10): 2991-3000.14 Yang H, Downs JC, Bellezza A, et al. 3-D histomorphometry of the normal and early glaucomatous monkey optic nerve head: prelaminar neural tissues and cupping. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2007;48:5068-5084.15 Sigal IA, Flinagan JG, Ethier CR. Finite element modeling of optic nerve head. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004;45(12): 4378- 4387.16 Sigal IA, Flinagan JG, Tertinegg I, et al. Reconstruction of human nerve heads for finite element m