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基于虚拟现实技术的激光角膜热成形术仿真研究

杨艳芳  
【摘要】: 社会的发展使得人们越来越关注人身体上最精密的器官之一——眼睛,针对远视、近视、老花、异物侵入等不同的状况提出了很多的解决方法,从佩戴矫正眼镜到准分子激光,到人工角膜等,表明社会上对角膜相关疾病的关注。眼科屈光手术是当今眼科医学最前沿的领域之一,激光治疗近视得到全世界的广泛应用。随着近视治疗的日臻成熟,远视治疗越来越成为人们关注的焦点。但目前针对远视,特别是高度远视的治疗还没有很好的解决方案。因此,探索激光治疗远视有着重要的学术和应用价值。 本论文将虚拟现实技术、计算机仿真技术、应用激光技术、眼科屈光技术以及生物医学技术等多学科交叉结合,研究了半导体激光角膜热成形术对眼角膜作用机理:利用有限元方法针对眼睛角膜特性做了医学虚拟分析,定性分析了影响角膜曲率变化的主要因素;结合虚拟现实技术,建立眼角膜热成形术的虚拟仿真系统。 论文的主要内容包括: (1)分析了半导体激光角膜热成形术的实施原理,研究了基于有限元方法的激光角膜热成形术的虚拟分析过程;分析了热传导理论的微分方程和有限元方法模型,查阅了大量的国内外相关资料,确定了角膜组织的热参数,研究了半导体激光作为表面热源作用于角膜时,材料的热物理参数不随温度变化的情况下,在角膜上所产生的瞬态温度场,给出了不同参数下的激光作用时角膜的温度场分布曲线和穿透深度的比较。 (2)根据人眼及角膜结构、屈光不正产生的原因以及人眼的屈光学原理,分析了角膜屈光力D的变化率η与角膜术后的曲率半径变化率;运用有限元方法,通过建立几何模型,在相应的约束和加载的情况下,分析了不同参数情况下角膜的变形量以及曲率半径的变化率。通过分析对比,得到了每一种手术参数在手术中对角膜曲率变化效果的影响程度,确定了各个参量在屈光矫正中的作用效果。 (3)根据对角膜热分析和力学分析结果,对角膜热成形术的影响参数做了定性分析,设计了实验方案,完成实验设计及前期实验,对实验中产生的结果通过裂隙灯观察、角膜地形图仪观察,并做了电镜病理分析,说明了半导体激光角膜热成形术的安全性和有效性,为后期实验打下了基础。 (4)基于虚拟现实技术,构建了半导体激光角膜热成形术的医学仿真系统框架;结合面向对象设计和模块化设计方法,设计、开发了仿真系统,初步实现了半导体激光角膜热成形远视治疗的预测、计算和演示等仿真功能。研究了软组织的变形仿真的相关方法,针对眼球的构成以及角膜热成形术的原理,提出了质点弹簧法与基于压力模型的方法相结合的思想,实现了眼角膜三维仿真变形系统,为交互式角膜热成形术虚拟手术的实现打下了基础。


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