（電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）人眼晶狀體建模與仿真研究.pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文物理模型。研究了房水產(chǎn)生的眼壓對晶狀體形態(tài)、屈光和調(diào)節(jié)功能的影響，仿真結(jié)果表明，壓力對于晶狀體的形態(tài)有著顯著的影響；隨著眼壓的增大晶狀體的厚度將減小，直徑將不斷增加，前、后表面曲率半徑增大，晶狀體的屈光力也將增大；壓力作用下依h e l m h o l t z 假說的調(diào)節(jié)仿真計算則表明，壓力和睫狀體拉力對晶狀體形變的影響作用是互相獨立，且晶狀體形變的基本規(guī)律與無壓力作用下完全相同。這一結(jié)果說明，在應(yīng)用物理模型按照h e l m h o l t z 假說研究調(diào)節(jié)時，忽略壓力的影響不會改變晶狀體形變的基本結(jié)果。4 建立環(huán)形撕囊后前囊膜的有限元非線性大形變模型，分析在外力作用下的前囊膜的應(yīng)力分布，研究撕囊開口大小與所能承受的最大拉伸長度的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，撕開口越大，則囊膜所能承受的最大拉伸長度越大，這一結(jié)果與實驗研究得到的結(jié)果完全一致；同時仿真研究還指出，在相同撕開口大小的情況下，囊膜受力作用范圍的越大，則最大拉伸長度也會增大。而這一結(jié)論未被臨床實驗研究所發(fā)現(xiàn)。5 在計算機(jī)上實現(xiàn)一個具有交互功能的晶狀體三維顯示和調(diào)節(jié)仿真系統(tǒng)。以參數(shù)化建模為基礎(chǔ)設(shè)計并實現(xiàn)了晶狀體三維顯示系統(tǒng)，可通過改變輸入?yún)?shù)來實現(xiàn)不同個體特征晶狀體的三維可視化；以調(diào)節(jié)仿真模型為基礎(chǔ)，初步建立了晶狀體功能仿真平臺，實現(xiàn)可模擬調(diào)節(jié)的互動功能，及人眼視覺光路的晶狀體屈光力計算。本文工作的主要創(chuàng)新之處在于：1 將參數(shù)化引入晶狀體的幾何建模中，提取能確定晶狀體幾何形態(tài)的參數(shù)，實現(xiàn)基于特征參數(shù)的晶狀體模型的建立，用來顯示具有不同個體特征的晶狀體。2 建立了“晶狀體一懸韌帶一睫狀體”聯(lián)合作用的有限元調(diào)節(jié)仿真模型，并依據(jù)有限元理論對模型進(jìn)行了詳緬的理論分析，載荷之間都具有線性關(guān)系，且拉力載荷和壓力載荷對模型解的影響具有線性疊加性；并據(jù)此提出了該模型有限元計算的簡化方法。3 利用調(diào)節(jié)仿真有限元模型，分別按照h e l m h o l t z 和s c h a c h a r 兩種不同的調(diào)節(jié)機(jī)制假說進(jìn)行了仿真計算，驗證了兩種假說符合當(dāng)前公認(rèn)的調(diào)節(jié)形變事實，并得出模型依據(jù)h e l m h o l t z 假說的仿真結(jié)果具有穩(wěn)健性；而依據(jù)s c h a c h a r 假說提出的仿真結(jié)果則與懸韌帶的彈性密切相關(guān)。4 得出眼壓對晶狀體形態(tài)和屈光特性具有顯著的影響，及在壓力作用下依h e l m h o l t z 假說的調(diào)節(jié)時，壓力載荷與拉力載荷對晶狀體形態(tài)的影響?yīng)毩⒌慕Y(jié)論，從而說明在應(yīng)用物理模型按照h e l m h o l t z 假說研究調(diào)節(jié)時，忽略壓力的影響不改變晶狀體形變的基本結(jié)果。5 建立c c c 后前囊膜的有限元形變的非線性大形變模型，研究c c c 后撕囊開口大小與所能承受的最大拉伸長度的關(guān)系，得到了與實驗研究完全一致的結(jié)果，并進(jìn)一步指出，“在相同撕開口大小的情況下，囊膜受力作用范圍的越大，則最大拉伸長度也會增大”這一結(jié)論。關(guān)鍵詞：晶狀體，仿真，建模，調(diào)節(jié)，有限元i i里墮型竺墊查盔堂塑壅生墮堡主蘭垡笙苧a b s t r a c tt h er e s e a r c ho f v i r t u a lo r g a n si sav e r yi m p o r t a n td o m a i no f m o d e mb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g a sh u m a ne y ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n th a m a no r g a n s ，t h er e s e a r c ho fv i r t u a le y ei sv e r ym e a n i n g f u la n dv a l u a b l e t h ec o n s t r u c t i o no fv i r t u a le y es y s t e mr e q u i r e st h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nm a n yf i e l d sa n di ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n dc l i n i c a la p p l i c a t i o n so fo p h t h a l m o l o g i cp h y s i o l o g ya n dp a t h o l o g y h a m a nc r y s t a l l i n el e n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fah m n a ne y ef o ri ti st h ek e yp a r to fa c c o m m o d a t i o nm e c h a n i s mo fah u m a ne y e f u r t h e r m o r e ，t h e r ea r ed i r e c tr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh a m a nc r y s t a l l i n el e n sa n dm a n ye y ed i s e a s e ss u c ha sp r e s b y o p i aa n dc a t a l y s t t h e r e f o r e , a sa ni m p o r t a n tp a r to f v i r t u a le y er e s e a r c h , t om o d e la n ds i m u l a t eh u m a nc r y s t a l l i n el e n sc a nb ev e r yu s e f u lb o t ht ot h es t u d yo fh u m a ne y e sf u n c t i o n sa n dt ot h er e s e a r c ho f t r e a t m e n tt oc o n c e m e de y ed i s e a s e s t h i sp a p e rs t u d i e dt h eg e o m e t r i cm o d e l i n g ，p h y s i c a lm o d e l i n ga n df u n c t i o n a ls i m u l a t i o no ft h eh u m a nc r y s t a l l i n el e n ss y s t e mi no r d e rt oc o n s t r u c tt h e c r y s t a l l i n el e n sc o m p o n e n t o f v i r t u a lh u m a ne y e a n o t h e rp u r p o s ei st op r o v i d er e f e r e n c ef o r t h es t u d yo f o t h e rc o m p o n e n t so f v i r t u a le y eo nt h et e c h n o l o g ya p p r o a c h t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf u l l o w s ：1 p a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o dw a si n t r o d u c e dt og e o m e t r i cm o d e l i n go fh u m a nc r y s t a l l i n el e n sb a s e do nm u l t i s o u r c ed a t af u s i o n 5k e yp a r a m e t e r sw e r ee x t r a c t e dt oc h a r a c t e r i z el e n sg e o m e t r y , i n c l u d i n gl e n sd i a m e t e r , l e n st h i c k n e s s , 。n u c l e u sd i a m e t e r , n u c l e u st h i c k n e s sa n dn u c l e u ss h i f t 2 dp r o f i l eo fh u m a nc r y s t a l l i n el e n sw a sd e s c r i b e do nt h eb a s i so ft h e s e5p a r a m e t e r s b yr o t a t i n gt h ec o n s t r u c t e d2 dp r o f i l e ，3 ds o l i dm o d e lo fh u m a nc r y s t a l l i n el e n st h e nw a sc o n s t r u c t e dt od i s p l a yd i f f e r e n tl e n s 2 w i t ht h ec o n s t r u c t i o no f g e o m e t r i cm o d e l ，p h y s i c a lm o d e lo f l e n s z o n u l e s - - c i l i a r yb o d y s y s t e mw a st h e ng e n e r a t e dt os i m u l a t et h ea c c o m m o d a t i o nm e c h a n i s mo f h u m a nc r y s t a l l i n el e n sb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e o r e t i c a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sf i r s t l ya p p l i e dt ot h ep h y s i c a lm o d e lt os t u d yt h ep r o p e r t i e so fi t ss o l u t i o n t h ea n a l y s i sl e dt ot h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：t h es o l u t i o no f c u r r e n tp h y s i c a lm o d e lc h a n g e sl i n e a r l yb o t hw i t ht h ef o r c el o a da n dw i mt h ep r e s s u r el o a d ；a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ef o r c el o a da n dt h ep r e s s u r el o a dt ot h es o l u t i o nc a na c c u m u l a t e ，l i n e a r l y b ya p p l y i n gt h e o r e t i c a lr e s u l t s ，as i m p l i f i c a t i o nc o m p u t i n gm e t h o do f s o l v i n gt h em o d e lw a sp r o p o s e dt or e d u c et h ec o m p u t a t i o nc o s t 3 b ya p p l y i n g2 9y e a r so l da n d4 5y e a r so l dp h y s i c a lm o d e l s ，s i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e dt os t u d yt w oh y p o t h e s i so ft h ea c c o m m o d a t i o nm e c h a n i s m ：h e l m h o l t z sh y p o t h e s i sa n ds c h a e h a r sh y p o t h e s i s t h es t u d yo fh e l m h o l t z ss i m u l a t i o ns h o w e dt h a th e l m h o l t z sh y p o t h e s i sa c c o r d sw i t ht w of a c t so fa c c o m m o d a t i o nw h i c ha r ep o p u l a r l ya p p r o v e d a n dt h e s eb a s i cr o l e so f a c c o m m o d a t i o nw e r er o b u s t o n l yt h en u m e r i c a lr a n g ew a si n f l u e n c e db ym o d e l sp a r a m e t e r s t h i si n d i c a t e dt h a th e l m h o l t z sh y p o t h e s i sw a sp e r f e c t l ys u p p o r t e db yt h es i m u l a t i o no ft h i sp a p e r t h es t u d yo fs c h a c h a r sh y p o t h e s i sa l s oc a n l et ot h e國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院搏士學(xué)位論文a c c o r d a n c ew i t hc u r r e n tt w of a c t so fa c c o m m o d a t i o n h o w e v e r ，b a s i cr u l e so fa c c o m m o d a t i o na c h i e v e db yt h es i m u l a t i o no fs c h a c h a r sh y p o t h e s i sd i f f e r e dw h e nt h ep a r a m e t e r sc h a n g e d t h e r e f o r e ，f u r t h e rs t u d i e sb o t ho nc l i n i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ha r ee x p e c t e d c o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta g em o d e ls h o w e dt h a t ，a sah u m a nt u r n so l d ，t h ev a r i a t i o nh a p p e n i n gt oh i sc r y s t a l l i n el e n sb o t hi nt h es h a p ea n di nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sl e a d st ot h ed e c r e a s i n go fh u m a ne y e sa c c o m m o d a t i o na b i l i t y , a sc u r r e n tp r e s b y o p i at h e o r yd e s c r i b e s n 圮i n f l u e n c eo fe y ep r e s s u r eo nt h el e n sw a ss t u d i e db ya p p l y i n gp h y s i c a lm o d e lo f h u m a nc r y s t a l l i n el e n s n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ep r e s s u r eh a sag r e a ti n f l u e n c eo i lt h el e n ss h a p ea sw e l la si t so p t i c a lp o w e r a n da st h ep r e s s u r ei n c r e a s e d ，t h el e n sg o tt h i c k e ra n di t sd i a m e t e ri n c r e a s e d ；t h ec u r v a t u r er a d i u so fa n t e r i o ra n dp o s t e r i o rs u r f a c e si n c r e a s e da n dt h eo p t i c a lp o w e ro ft h el e n si n c r e a s e d f u r t h e r m o r et h es i m u l a t i o no fh e l m h o l t z h y p o t h e s i sw i t hp r e s s u r ei n d i c a t e dt h a tt h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r ew a si n d e p e n d e n tt ot h ei n f l u e n c eo ft h ef o r c el o a da n dt h eb a s i cr u l ew a si d e n t i c a lw i t ht h ec a s eo f z e r op r e s s u r e 4 an o n l i n e a r , l a r g ed e f o r m a t i o nm o d e lo ft h ea n t e r i o rc a p s u l ew a sc o n s t r u c t e dt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc c cd i a m e t e ra n dt h em a x i m l m le x t e n do ft h ea n t e r i o rc a p s u l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t , t h el a r g e rt h ec c cd i a m e t e rw a s ，t h eg r e a t e rt h ec a p s u l ec o u l db ee x t e n d e d w h i c hw a sa c c o r d 麗t 1 1t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nb o d yl e n sc a p s u l e f u r t h e r m o r e s i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a t , 、析mt h es a m ec c cd i a n a e t e gt h ec a p s u l ee x t e n d e dg r e a t e ra st h ec o n t a c ta r e ao ft h ee x t e r n a lf o r c eg o tl a r g e r t h i sr e s u l tr e m a i n su n d i s c o v e r e di ne x p e r i m e n t a ls t u d i e s 5 ac o m p u t e rs o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e dt od i s p l a yt h eh u m a nc r y s t a l l i n el e n sc o m p o n e n ta n dt os i m u l a t et h ea c c o m m o d a t i o n u s e rc a l lm o d i f yt h el e n ss h a p eb yi n p u t t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dc a ne x p e r i e n c et h ea c c o m m o d a t i o np r o c e s si n t e r a c t i v e l y t h em a i nc r e a t i v i t yi nt h i sp a p e ri st h ef o l l o w i n g ：1 i n t r o d u c e dp a r a m e t r i cm o d e l i n gi n t ot h eg e o m e t r i cm o d e l i n go f h u m a nc r y s t a l l i n el e n sa n dr e a l i z e dt h ep a r a m e t e r - b a s e dc o n s t r u c t i o no fd i f f e r e n tl e n s b a s eo nt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o d ，v a r i o u sh u m a nc r y s t a l l i n el e n s e sw e r eg e n e r a t e da n dd i s p l a y e do nc o m p u t e r ,2 ap h y s i c a lm o d e lw a sc o n s t r u c t e dt os i m u l a t et h el e n sa c c o m m o d a t i o n a n dg o tu s e f u lt h e o r e t i c a lr e s u l t so ft h ec o n s t r u c t e dm o d e lb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e o r e t i c a la n a l y s i sp r o v e dt h a tt h es o l u t i o no f t h ec u r r e n tm o d e lv a r i e dl i n e a r l yw i t ht h ed i s p l a c e m e n tl o a da n dp r e s s u r el o a d a n do nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s u l t s ，af a s tc o m p u t a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e dt os i m p l i f yt h em o d e ls o l v i n g 3 ，b ya p p l y i n gp h y s i c a lm o d e l ，h e l m h o l t z sh y p o t h e s i sw a sp e r f e c t l ys u p p o r t e db ys i m u l a t i o nr e 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rt h ef i r s tt i m ea n ds i m u l a t i o ng o tt h es a m er e s u l t sa si ne x p e r i m e n t a ls t u d i e s a n dw i t l lt h es a m ec c cd i a m e t e r , t h ec a p s u l ee x t e n d e dg r e a t e ra st h ec o n t a c ta r e ao f t h ee x t e r n a lf o r c eg o tl a r g e r k e y w o r d s ：h u m a nc r y s t a l l i n el e n s ，s i m u l a t i o n ，m o d e l i n g ，a c c o m m o d a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o dv國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文圖1 1圖2 1圖2 2圖2 3圖2 4圖2 5圖2 6圖2 7圖2 8圖2 9圖2 1 0圖2 1 l圖2 1 2圖3 1圖3 2圖3 3圖3 4圖3 5圖3 6圖3 7圖3 8圖3 9圖3 1 0圖4 1圖4 2圖4 3圖4 4圖4 5圖4 6圖4 7圖4 8圖4 9圖4 1 0圖4 1 1圖4 1 2圖4 1 3圖4 1 4圖目錄人眼晶狀體建模與仿真研究技術(shù)路線人眼橫截面示意圖尸體眼切片圖：晶狀體、虹膜、睫狀體。晶狀體結(jié)構(gòu)示意圖晶狀體截面圖晶狀體輪廓數(shù)據(jù)2 9 歲晶狀體前表面11 階多項式擬合結(jié)果2 9 歲晶狀體前表面混合函數(shù)擬合結(jié)果2 9 歲晶狀體后表面擬合誤差曲線晶狀體基本輪廓形態(tài)。參數(shù)化建模過程3 7 歲晶狀體的外輪廓曲線參數(shù)化變換得到的晶狀體調(diào)節(jié)示意圖。79l o1 0“1 31 41 41 6晶狀體調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖晶狀體調(diào)節(jié)系統(tǒng)幾何模型2 9 歲晶體有限元模型囊膜單元厚度曲線( 放大5 倍)4 5 歲晶體有限元模型囊膜單元厚度曲線( 放大5 倍)2 節(jié)點軸對稱殼單元的示意圖均布壓力載荷彈簧單元示意圖h e l m h o l t z 松弛理論調(diào)節(jié)示意圖s c h a c h a r 張緊理論調(diào)節(jié)示意圖晶狀體表面曲率半徑擬合示意圖2 9 歲晶體位移o 1m m 時的晶狀體輪廓位移前、后2 9 歲晶狀體前極附近形態(tài)的變化1 72 02 22 42 63 l3 l3 75 25 3位移前，后2 9 歲晶狀體后極附近形態(tài)的變化前、后表面曲率半徑與位移的關(guān)系5 5屈光力與位移的關(guān)系4 5 歲晶體位移o 1m m 時的晶狀體輪廓5 7位移前后4 5 歲晶狀體前極附近形態(tài)的變化位移前后4 5 歲晶狀體后極附近形態(tài)的變化前、后表面曲率半徑與位移的關(guān)系屈光力與位移的關(guān)系5 85 8國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文圖4 1 5圖4 1 6圖4 1 7圖4 1 8圖4 1 9圖4 2 0圖4 2 l圖4 2 2圖4 2 3圖4 2 4圖4 2 5圖4 2 6圖4 2 7圖4 2 8圖4 2 9圖4 3 0圖4 3 l圉4 3 2圖4 3 3圖4 3 4圖4 3 5囝4 1 3 6圖4 3 7圖4 3 8圖4 3 9圖5 1圖5 2圖5 3圖5 4圖5 5圖5 6圖5 7圖5 8圖5 9圖5 1 0圖5 1 1圖5 1 2圖5 1 3圖6 1調(diào)節(jié)狀態(tài)示意圖6 22 9 歲晶狀體無調(diào)節(jié)狀態(tài)，6 22 9 歲晶狀體最大調(diào)節(jié)狀態(tài)6 2調(diào)節(jié)時2 9 歲晶狀體厚度變化一6 3調(diào)節(jié)時2 9 歲晶狀體直徑變化6 3調(diào)節(jié)時2 9 歲晶狀體前、后表面曲率半徑的變化6 3調(diào)節(jié)時2 9 歲晶狀體屈光力的交化6 34 5 歲晶狀體無調(diào)節(jié)狀態(tài)。6 34 5 歲晶狀體最大調(diào)節(jié)狀態(tài)6 3調(diào)節(jié)時4 5 歲晶狀體厚度變化一。6 4調(diào)節(jié)時4 5 歲晶狀體直徑變化6 4調(diào)節(jié)時4 5 歲晶狀體前、后表面曲率半徑的變化。6 4調(diào)節(jié)時4 5 歲晶狀體屈光力的變化。6 4懸韌帶彈性變化后4 5 歲晶狀體厚度變“6 5懸韌帶彈性變化后4 5 歲晶狀體直徑變化6 5懸韌帶彈性變化后4 5 歲晶狀體前，后表面曲率半徑的變化6 5懸韌帶彈性變化后4 5 歲晶狀體屈光力的變化6 5碾壓= ik p a 時的2 9 歲晶狀體最大調(diào)節(jié)狀態(tài)輪露，6 62 9 歲晶狀體厚度隨壓力變化的關(guān)系6 72 9 歲晶狀體曲率半徑隨壓力變化的關(guān)系6 72 9 歲晶狀體屈光力隨壓力變化的關(guān)系6 7眼壓= 2k p a 囂于，2 9 歲晶狀體調(diào)節(jié)過程中厚度盼變化。6 7眼壓= 2k p a 時，2 9 歲晶狀體調(diào)節(jié)過程中屈光力的變化6 7眼壓= 1 5 ，2 0 ，2 5k p a 時，2 9 歲晶狀體調(diào)節(jié)過程中屈光力的變化, 6 9眼壓分別為2k p a 與2 5k p a 時調(diào)節(jié)過程中屈光力的差別6 9實驗獲得的囊膜應(yīng)力一應(yīng)變數(shù)據(jù)7 2插值產(chǎn)生的4 5 歲晶狀體囊膜的應(yīng)力一應(yīng)變數(shù)據(jù)，。7 2c c c 后的晶狀體真實形態(tài)囊膜形態(tài)示意圖7 4，7 4有限元網(wǎng)格模型( 厚度放大3 5 倍) 7 5利用對稱性進(jìn)行簡化后的網(wǎng)格模型7 5撕開口直徑為5 m m 的4 5 歲前囊膜最大拉伸狀態(tài)7 6撕開口直徑為5 m m 的4 5 歲前囊膜在的晟大拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力分布7 6撕開口直徑為5 r a m 的4 5 歲前囊膜受力局部的應(yīng)力分布7 6撕開口直徑為5 m m 的4 5 歲前囊膜受應(yīng)變分布一7 6拉伸過程中單元# 1 3 2 的應(yīng)變一應(yīng)力關(guān)系曲線7 7撅開口直徑與最大拉伸長度的關(guān)系7 8撕開口直徑與c r c c 的關(guān)系一7 8系統(tǒng)框圖8 3國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文圖6 2圖6 3圖6 4圖6 5圖6 6圖6 7系統(tǒng)的界面晶狀體顯示的基本流程設(shè)置光源和透明度的晶狀體與核兩個不同晶狀體的屈光力計算結(jié)果8 48 6調(diào)節(jié)仿真界面8 8調(diào)節(jié)仿真時的兩個不同狀態(tài)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院媲士學(xué)位論文表目錄表2 1核的形態(tài)特征，單位：m m 1 5表2 2兩組不同晶狀體參數(shù)，單位：m m 表4 14 5 歲晶狀體前、后表面曲率半徑和屈光力與擬合范圍的關(guān)系，單位：m m 。5 3表4 2晶狀體形變前后的幾何特征數(shù)據(jù)，單位：m m 表4 32 9 歲晶狀體調(diào)節(jié)時形態(tài)的改變，單位：表4 44 5 歲品狀體形變前后的幾何特征數(shù)據(jù)，表4 54 5 歲晶狀體調(diào)節(jié)時形態(tài)的改變，單位：m m ，5 6單位：m m 5 7m m 5 9表4 6不同年齡晶狀體仿真調(diào)節(jié)時特征改變量的對比，單位：m 5 9表4 7前部懸韌帶不同彈性下調(diào)節(jié)時品狀體的改變，單位：m m 6 0表4 8后部懸韌帶不同彈性下調(diào)節(jié)時晶狀體的改變，單位：m 6 0表4 9赤道部懸韌帶不同彈性下調(diào)節(jié)時品狀體的改變，單位：m p 6 1表4 1 02 9 歲晶狀體無調(diào)節(jié)狀態(tài)和最大調(diào)節(jié)下的晶狀體的形變，單位：m m 。6 2表4 1 14 5 歲晶狀體無調(diào)節(jié)狀態(tài)和最大調(diào)節(jié)下的晶狀體的形變，單位：m ? 。6 4表4 1 l 有壓力和無壓力情形晶狀體形態(tài)數(shù)據(jù)對比，單位：m m 6 6表4 1 2 眼壓= 2k p a 時，2 9 歲晶狀體調(diào)節(jié)過程中的變化，單位：m m 6 8表5 1囊膜的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)7 4表5 24 5 歲品狀體前囊膜不同撕開1 2 1 直徑大小與獲得的最大拉伸長度，單位：m m 。7 7表5 33 節(jié)點位移載荷時前囊膜不同撕開口直徑對應(yīng)的最大拉伸狀態(tài)，單位：m m 7 9表5 44 5 歲晶狀體不同接觸節(jié)點數(shù)與晟大拉伸長度的關(guān)系，單位：m m 7 9表5 52 9 歲晶狀體前囊膜不同撕開口直徑大小與獲得的最大拉伸長度，單位：m m 8 0表5 62 9 歲晶狀體不同接觸節(jié)點數(shù)與晟大拉伸長度的關(guān)系，單位：m m 。8 0獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意學(xué)位論文題目：厶盟量迭住建搓皇籩基盟窺學(xué)位論文作者簽名：日期：跏z 年f 月3l i i學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本入完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定本人授權(quán)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱；- q e a 將學(xué)位論文的金部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，- t p l 采用影印縮印或掃描等復(fù)制手段保存匯編學(xué)位論文( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書)學(xué)位論文題目：厶喔昌迭堡建搓主籩墓盈窒學(xué)位論文作者簽名：作者指導(dǎo)教師簽名：e t 期：死加占年牛月弓日日期：砷年4 - 月孑e t國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第一章緒論2 1 世紀(jì)被認(rèn)為將是生物的世紀(jì)，以人類基因組計劃的完成為標(biāo)志，生物醫(yī)學(xué)當(dāng)前正處于以信息化為主要特征的時期。以人體科學(xué)為中心的科學(xué)技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展，傳統(tǒng)上醫(yī)藥學(xué)研究依賴于大量動物和人體實驗的做法將在很大程度上由計算機(jī)模擬所取代。從這個方面來看，建立人體的數(shù)字化模型是至關(guān)重要的。利用信息技術(shù)實現(xiàn)人體從微觀到宏觀的結(jié)構(gòu)和機(jī)能等方面的數(shù)字化、可視化，最終達(dá)到人體的整體精確模擬，將對生物醫(yī)學(xué)及人體相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到難以估量的作用。在人體眾多器官當(dāng)中，。眼睛是最重要的感覺器官之一，健康人有8 0 左右的信息是通過眼睛獲取的。因此，眼的健康對于人們的生活質(zhì)量是至關(guān)重要的。與此同時，由于眼部結(jié)構(gòu)十分精密復(fù)雜且比較脆弱，眼部相關(guān)疾病的種類很多。雖然絕大部分不會致命，但是會嚴(yán)重影響患者的工作和生活。因此我們認(rèn)為，構(gòu)造能夠用于眼科相關(guān)教學(xué)、科研和臨床診斷、：治療的虛擬人眼具有很高的社會價值。本文的研究課題就是在這樣的大背景下提出的，旨在對人眼的重要組成部分晶狀體進(jìn)行形態(tài)建模和功能仿真的研究，建立虛擬眼的晶狀體組件部分。1 1 虛擬化數(shù)字人和虛擬器官隨著科技的發(fā)展，計算機(jī)和信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)與生物的研究中扮演了越來越重要的角色。從基因構(gòu)成到蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，再到細(xì)胞、組織以及器官的形態(tài)與功能，對人體信息的完整描述已經(jīng)提到科學(xué)研究日程上來了。利用信息技術(shù)實現(xiàn)人體從微觀到宏觀的結(jié)構(gòu)和技能的數(shù)字化、可視化，最終達(dá)到人體的精確模擬，將對醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及其他人體相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到難以估計的影響，以人體科學(xué)為中心的科學(xué)技術(shù)將以前所未有的速度發(fā)展。傳統(tǒng)上醫(yī)藥學(xué)研究依賴于大量動物和人體實驗的做法將在越來越多地被計算機(jī)模擬所取代。從這個方面來看，人體的數(shù)字化模型至關(guān)重要。數(shù)字化虛擬人相關(guān)技術(shù)是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程研究的熱點領(lǐng)域之一。1 9 8 6 年，美國國家醫(yī)學(xué)圖書館( n a t i o n a ll i b r a r yo f m e d i c i n e ) 首次提出了”可視人計劃”( v i s i b l eh u m a np r o i e c t ) 【l j ，并于2 0 0 0 年8 月獲得了容量在2 0 0 g b以上的超高分辨率數(shù)據(jù)集。這樣龐大的數(shù)據(jù)集在人類醫(yī)學(xué)史上是首創(chuàng)，它改變了醫(yī)學(xué)可視化的模式，為虛擬世界進(jìn)入現(xiàn)實醫(yī)學(xué)敞開了大門。為了進(jìn)一步完善和接近真正的人體實況，美國正在建造第二代有物理性能的虛擬人體和第三代有生理功能的虛擬人體。與此同時，世界范圍從事相關(guān)研究的科學(xué)家越來越多。這項計劃提出的最初目標(biāo)，只是要獲得“一套能夠?qū)⒖梢暬谋憩F(xiàn)形式和象人體各部分的名稱這樣的抽象標(biāo)記信息直接關(guān)聯(lián)起來的數(shù)字圖像集” 2 1 ：在該計劃的實施過程中，先后獲得了一具男性尸體和一具女性尸體分別以1 所研和0 3 3 3m m 的間距進(jìn)行c t 、m r i 斷層掃描和冷凍切片拍照的圖像數(shù)據(jù)1 3 。c t 圖像第1 頁國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文片內(nèi)分辨率最高為5 1 2 x 5 1 2 ，1 2 級灰度：m r j 圖像最高片內(nèi)分辨率為2 5 6 x 2 5 6 ，1 2 級灰度；組織學(xué)照片通過里夫照相機(jī)拍攝，男性共有1 8 7 8 個橫斷面切片，女性切片數(shù)為5 1 9 0 。1 9 9 5 年數(shù)字化的分辨率為2 0 4 8 x1 2 1 6 ，2 4 級彩色。數(shù)據(jù)量男性為1 5g b ，女性為3 0g b 。并于2 0 0 0 年8 月將組織學(xué)切片數(shù)據(jù)的分辨率提高到4 0 9 6 2 7 0 0 ，獲得了容量在2 0 0c a b 以上的超高分辨率數(shù)據(jù)集。這樣龐大的數(shù)據(jù)集在人類醫(yī)學(xué)史上是首創(chuàng)，它改變了醫(yī)學(xué)可視化的模式，為虛擬世界進(jìn)入現(xiàn)實醫(yī)學(xué)敞開了大門。目前世界上大多數(shù)關(guān)于虛擬人體的研究仍然是以v h p 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，是唯一得到公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)人體解剖數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步完善和接近真正的人體實況，該計劃現(xiàn)在已進(jìn)一步將重點轉(zhuǎn)向建造第二代有物理性能的虛擬人體和第三代有生理功能的虛擬人體。2 0 0 0 年，由韓國a j o u 大學(xué)和韓國科技信息研究所共同承擔(dān)了稱為“可視韓國人( v i s i b l ek o r e a nh u m a n ，v k h ) ”的計劃【4 】。該計劃預(yù)計用五年的時間，在沒有信息損失和組織切片為0 2m m 的條件下完成切片數(shù)據(jù)的獲取。目前該計劃已經(jīng)公布出一些初步的結(jié)果，已有科學(xué)家在這套數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的研究【5 】。自從v h p 數(shù)據(jù)公布以來，世界各地的科學(xué)家依據(jù)它研究開發(fā)出了很多成果。其中比較著名的有美國x i eg e o r g ex u 6 結(jié)合光子、電子、中子和原子輻射模型建立的人體全身1 0 0 多個器官的輻射模型，包括皮膚、呼吸道、眼晶體和紅骨髓等以前認(rèn)為太小而不能建模的器官組織；德國漢堡大學(xué)建立了名為v o x e lm a n 日的人體虛擬解剖圖譜，a d s 公司從事了虛擬髖關(guān)節(jié)、心臟瓣膜和腎臟等的研列8 】；此外法國在影像建模、英國在藥物虛擬實驗和日本在模型人汽車實驗等許多方面都在從事著虛擬人的相關(guān)研究。除了韓國于2 0 0 0 年啟動了自己的可視人計劃以外，德國、法國、英國和日本等國家的許多科學(xué)家也一直從事著虛擬人的相關(guān)研究。2 0 0 1 年1 1 月第1 7 4 次香山科學(xué)會議之后，中國數(shù)字化虛擬人研究被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“8 6 3 項目。中國成為繼美國、韓國后第三個擁有本國虛擬人數(shù)據(jù)庫的國家。“虛擬中國人”( v i r t u a lc h i n e s eh u m a n ，v c h ) ，是將臨床應(yīng)用解剖學(xué)與計算機(jī)圖像技術(shù)相結(jié)合，：以標(biāo)準(zhǔn)中國人體切片標(biāo)本為來源，在計算機(jī)上進(jìn)行三維重建的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集將包含有骨骼、肌肉、組織、器官以及血管等全部數(shù)字化的人體三維模型，可為醫(yī)學(xué)以及多學(xué)科的研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)技術(shù)平臺。中國首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集于2 0 0 3 年2 月1 8 日在南方醫(yī)科大學(xué)( 原第一軍醫(yī)大學(xué)) 構(gòu)建成功。目前，首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集已經(jīng)提供國內(nèi)有關(guān)研究單位應(yīng)用1 9 1 。數(shù)字化虛擬人對于增進(jìn)對人類自身的認(rèn)識、促進(jìn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展有重要的科學(xué)意義，它將人體結(jié)構(gòu)和功能信息數(shù)字化與可視化，建立能夠為計算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型，使得借助于計算機(jī)的定量分析計算和精確模擬成為可能。隨著信息獲取和處理技術(shù)的進(jìn)步、數(shù)據(jù)采集精度的提高，將在越來越精確和廣泛的程度上模擬人體的功能和行為。數(shù)字化虛擬人體模型具有廣泛的應(yīng)用前景：可為醫(yī)學(xué)研究、教學(xué)與臨床提供形象而真實的模型：為疾病診斷、新藥和新的醫(yī)療技術(shù)的開發(fā)提供參考；促進(jìn)形成新一代醫(yī)療高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，大大加速我國醫(yī)學(xué)教育和臨床的現(xiàn)代化。雖然虛擬人數(shù)據(jù)的獲取和顯示等方面已經(jīng)獲得了階段性的成果，但是相對于真正能體現(xiàn)功能的虛擬人的要求還相差較遠(yuǎn)。而在現(xiàn)實中