眼科医生玩转ANSYS Mechanical治疗白内障

 眼科医生玩转ANSYS Mechanical治疗白内障

白内障是一种眼睛晶状体模糊病变,其首先是使视觉变得模糊不清,随后在晶状体变得不透明时最终导致失明。世界卫生组织估计全球有大约1800万人由于白内障而导致双眼失明,因此该病成为了各种失明病例中几乎一半的原因。其罪魁祸首是老化:80岁以上的老年人中大约有半数会罹患不同程度的白内障。
好消息是旨在摘除病变晶状体并用人工晶状体进行更换的飞秒激光手术的可行性在不断提高。大多数情况下,术后患者视力可以恢复到无需用普通眼镜或隐形眼镜进行视力矫正。不过,大约有30%的患者在手术后仍然需要佩戴矫正晶状体。尽管这已经算得上是不错的成果,但是Integrated Scientific Services公司(ISS)的科学家与工程师相信自己能够做得更好。
借助关于眼睛各个部位的结构与材料属性的知识 – 尤其是角膜这些方面的知识,ISS携手ANSYS打造了一款供眼科医师使用的临床工具Optimeyes,其可以在后台运行ANSYS Mechanical,以便生成针对患者的手术策略,从而改善治疗效果。
角膜至关重要
角膜是眼睛前部最外面的透明层,因此几乎所有眼部手术(包括众所周知的LASIK手术在内)都需要在一定程度上切入角膜。激光切口位置与方式细节(切口的位置、长度、深度与角度)主要取决于医生的经验、统计信息(所谓的诺模图)以及平均眼睛的特性。问题是何为平均眼睛?
角膜的形状很大程度上取决于其刚度与眼睛内部压力(又称为(眼内压)。角膜是胶原纤维在多糖和称为角膜细胞的细胞基质中以各种方向构成的复合物。太阳发射的紫外线会导致胶原纤维之间形成交联,从而增加角膜的剪切刚度。由于随着时间推移我们的眼睛会受到更多紫外线的照射,因此随着我们年龄的增长,我们的角膜会像所有柔软生物组织那样变得越来越僵硬。为了建立真实的角膜生物力学模型,ISS通过在ANSYS Mechanical中使用FORTRAN函数接囗(usermat)建立非均匀、非线性和各向异性材料的用户自定义材料模型来实现对不同材料特性的输入。
◤供眼科医师使用的临床工具能够在后台运行ANSYS Mechanical。◢
眼内压来自于眼睛中称为房水的透明流体。此流体由虹膜后面的睫状突产生,然后经过瞳孔而填充虹膜与角膜之间的区域。上述内压力与眼睛组织的生物力学刚度结合在一起可以决定其特殊形状或者眼睛与平均值的偏离程度。偏差值对确定角膜切口位置与方式至关重要,目的是为了获得最佳的手术效果。
确保实现患者个性化
Optimeyes是一种医师友好型软件产品,其采用的用户界面与眼科医师常用的其它诊断软件类似。这样可以确保医生使用该产品的舒适性。患者只需观看Pentacam®相机,医生就能够在屏幕上看到角膜前部和后部的标准图像。
与此同时,脚本程序启动ANSYS Mechanical,其在后台隐蔽运行,采用相机图像作为用于进行有限元分析(FEA)仿真的几何结构。ANSYS Mechanical采用6~8万个六边形网格单元(分5层编排)生成角膜和巩膜(眼睛白色部分)的3D模型。在屏幕上变换网格图像,以匹配患者眼睛的几何形状,并将边界条件应用于巩膜的箝位边界。角膜任意位置的厚度均按模型中其前后表面之间的正常距离测量。在上述第一步操作中,模型建立了患者眼睛的完整形貌,但不施加任何眼内压。
为了说明眼内压像吹气球那样在角膜中产生的初始应力分布,ANSYS Mechanical采用反向非线性过程确定角膜理论上无应力的形状。无应力形状与所测得形状之间的差异可以获得实际的3D应力分布。


 湃睿科技,Ansys

▲Optimeyes软件用户界面


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▲人眼

◤ANSYS Mechanical针对给定激光治疗方案计算特定患者角膜的变形。◢
切口
尽管已经完成上述各方面建模,但仍然存在一个难题:激光手术在切割角膜时会造成其轻微变形,因此还必须考虑到激光引起的变形。通过在临床工具中协同工作,ANSYS Mechanical可以针对给定激光治疗方案计算特定患者的角膜变形,而Optimeyes随后可以计算表面曲率以及光线经过角膜时的光路长度,从而预测手术后眼睛的预期视力。
为此,ANSYS Mechanical会在预定义网格区域仿真激光切口。在对模型施加标准眼内压时,切入开口可以揭示角膜切口会导致何种变形。在Optimeyes屏幕上会显示相关仿真结果,便于医生查看。迭代的参数化工作流程可以评估给定切口对患者术后视力的影响,同时可以调整切口参数,以改善效果。 Optimeyes最终可确定能够为患者带来完美视力的最佳手术方案。从眼睛成像到优化手术模型的整个过程目前需要大约20分钟。医生然后只需把计算出的最佳切口参数(切口的方向、宽度与角度)输入到飞秒激光仪器即可,仪器会完成剩下的工作。

产品上市

与所有新医疗器械一样,在销售给眼科医师之前Optimeyes必须经过严格的审批过程。ISS已经开始实施临床试验,以证明Optimeyes采用患者针对性方法与目前所用的平均眼睛方案相比,在改善白内障患者术后视力方面的效果更好。目前,Optimeyes在研究的所有案例中均能正确预测手术效果。不过,在获得批准之前还需实施更多眼睛手术和办理其它手续。
◤在Optimeyes屏幕上会显示相关仿真结果,便于医生查看◢


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▲患白内障眼睛的图像:眼睛晶状体不透明

ANSYS专家也积极参与开发团队的每一步工作。ANSYS解决方案的灵活性以及ANSYS技术人员的合作对取得目前的成绩至关重要。ANSYS人员一直会配合ISS改进Optimeyes,直到该公司实现向临床医师销售产品的最终目标。
与此同时,ISS也向其他公司的研发部门提供Optimeyes专业服务。尤其是其他公司的研发部门希望在角膜中植入器件、并且不确定植入多深才能保证角膜前表面不变形时,他们会向ISS寻求服务支持。ISS可以执行参数化灵敏度分析仿真,以便他们自己找到问题的答案。
◤ Optimeyes 有望为全球无数患者带来完美视力。◢
长期目标是一个称为‘Optimeyes Embedded’的项目,其希望在激光设备中直接安装软件,以避免在单独的计算机中运行。无需连接到笔记本电脑,激光仪器自身就能够针对相关患者提出最佳切口方案。此项工作需要与眼科设备公司开展合作。
ISS为Optimeyes有望给全球无数患者带来完美视力感到激动不已。虽然目前主要针对白内障,不过Optimeyes有能力适应于多种不同眼睛手术,让众多饱受眼疾之苦的患者重获宝贵视力。