白內障是一種眼睛晶狀體模糊病變，其首先是使視覺變得模糊不清，隨后在晶狀體變得不透明時最終導致失明。世界衛生組織估計全球有大約1800萬人由于白內障而導致雙眼失明，因此該病成為了各種失明病例中幾乎一半的原因。其罪魁禍首是老化：80歲以上的老年人中大約有半數會罹患不同程度的白內障。

好消息是旨在摘除病變晶狀體并用人工晶狀體進行更換的飛秒激光手術的可行性在不斷提高。大多數情況下，術后患者視力可以恢復到無需用普通眼鏡或隱形眼鏡進行視力矯正。不過，大約有30%的患者在手術后仍然需要佩戴矯正晶狀體。盡管這已經算得上是不錯的成果，但是Integrated Scientific Services公司（ISS）的科學家與工程師相信自己能夠做得更好。

借助關于眼睛各個部位的結構與材料屬性的知識 – 尤其是角膜這些方面的知識，ISS攜手ANSYS打造了一款供眼科醫師使用的臨床工具Optimeyes，其可以在后臺運行ANSYS Mechanical，以便生成針對患者的手術策略，從而改善治療效果。

角膜至關重要

角膜是眼睛前部最外面的透明層，因此幾乎所有眼部手術（包括眾所周知的LASIK手術在內）都需要在一定程度上切入角膜。激光切口位置與方式細節（切口的位置、長度、深度與角度）主要取決于醫生的經驗、統計信息（所謂的諾模圖）以及平均眼睛的特性。問題是何為平均眼睛？

角膜的形狀很大程度上取決于其剛度與眼睛內部壓力（又稱為（眼內壓）。角膜是膠原纖維在多糖和稱為角膜細胞的細胞基質中以各種方向構成的復合物。太陽發射的紫外線會導致膠原纖維之間形成交聯，從而增加角膜的剪切剛度。由于隨著時間推移我們的眼睛會受到更多紫外線的照射，因此隨著我們年齡的增長，我們的角膜會像所有柔軟生物組織那樣變得越來越僵硬。為了建立真實的角膜生物力學模型，ISS通過在ANSYS Mechanical中使用FORTRAN函數接囗（usermat）建立非均勻、非線性和各向異性材料的用戶自定義材料模型來實現對不同材料特性的輸入。

◤供眼科醫師使用的臨床工具能夠在后臺運行ANSYS Mechanical。◢

眼內壓來自于眼睛中稱為房水的透明流體。此流體由虹膜后面的睫狀突產生，然后經過瞳孔而填充虹膜與角膜之間的區域。上述內壓力與眼睛組織的生物力學剛度結合在一起可以決定其特殊形狀或者眼睛與平均值的偏離程度。偏差值對確定角膜切口位置與方式至關重要，目的是為了獲得最佳的手術效果。

確保實現患者個性化

Optimeyes是一種醫師友好型軟件產品，其采用的用戶界面與眼科醫師常用的其它診斷軟件類似。這樣可以確保醫生使用該產品的舒適性。患者只需觀看Pentacam?相機，醫生就能夠在屏幕上看到角膜前部和后部的標準圖像。

與此同時，腳本程序啟動ANSYS Mechanical，其在后臺隱蔽運行，采用相機圖像作為用于進行有限元分析（FEA）仿真的幾何結構。ANSYS Mechanical采用6~8萬個六邊形網格單元（分5層編排）生成角膜和鞏膜（眼睛白色部分）的3D模型。在屏幕上變換網格圖像，以匹配患者眼睛的幾何形狀，并將邊界條件應用于鞏膜的箝位邊界。角膜任意位置的厚度均按模型中其前后表面之間的正常距離測量。在上述第一步操作中，模型建立了患者眼睛的完整形貌，但不施加任何眼內壓。

為了說明眼內壓像吹氣球那樣在角膜中產生的初始應力分布，ANSYS Mechanical采用反向非線性過程確定角膜理論上無應力的形狀。無應力形狀與所測得形狀之間的差異可以獲得實際的3D應力分布。

▲Optimeyes軟件用戶界面

▲人眼

◤ANSYS Mechanical針對給定激光治療方案計算特定患者角膜的變形。◢

切口

盡管已經完成上述各方面建模，但仍然存在一個難題：激光手術在切割角膜時會造成其輕微變形，因此還必須考慮到激光引起的變形。通過在臨床工具中協同工作，ANSYS Mechanical可以針對給定激光治療方案計算特定患者的角膜變形，而Optimeyes隨后可以計算表面曲率以及光線經過角膜時的光路長度，從而預測手術后眼睛的預期視力。

為此，ANSYS Mechanical會在預定義網格區域仿真激光切口。在對模型施加標準眼內壓時，切入開口可以揭示角膜切口會導致何種變形。在Optimeyes屏幕上會顯示相關仿真結果，便于醫生查看。迭代的參數化工作流程可以評估給定切口對患者術后視力的影響，同時可以調整切口參數，以改善效果。 Optimeyes最終可確定能夠為患者帶來完美視力的最佳手術方案。從眼睛成像到優化手術模型的整個過程目前需要大約20分鐘。醫生然后只需把計算出的最佳切口參數（切口的方向、寬度與角度）輸入到飛秒激光儀器即可，儀器會完成剩下的工作。

產品上市

與所有新醫療器械一樣，在銷售給眼科醫師之前Optimeyes必須經過嚴格的審批過程。ISS已經開始實施臨床試驗，以證明Optimeyes采用患者針對性方法與目前所用的平均眼睛方案相比，在改善白內障患者術后視力方面的效果更好。目前，Optimeyes在研究的所有案例中均能正確預測手術效果。不過，在獲得批準之前還需實施更多眼睛手術和辦理其它手續。

◤在Optimeyes屏幕上會顯示相關仿真結果，便于醫生查看。◢

▲患白內障眼睛的圖像：眼睛晶狀體不透明

ANSYS專家也積極參與開發團隊的每一步工作。ANSYS解決方案的靈活性以及ANSYS技術人員的合作對取得目前的成績至關重要。ANSYS人員一直會配合ISS改進Optimeyes，直到該公司實現向臨床醫師銷售產品的最終目標。

與此同時，ISS也向其他公司的研發部門提供Optimeyes專業服務。尤其是其他公司的研發部門希望在角膜中植入器件、并且不確定植入多深才能保證角膜前表面不變形時，他們會向ISS尋求服務支持。ISS可以執行參數化靈敏度分析仿真，以便他們自己找到問題的答案。

◤ Optimeyes 有望為全球無數患者帶來完美視力。◢

長期目標是一個稱為‘Optimeyes Embedded’的項目，其希望在激光設備中直接安裝軟件，以避免在單獨的計算機中運行。無需連接到筆記本電腦，激光儀器自身就能夠針對相關患者提出最佳切口方案。此項工作需要與眼科設備公司開展合作。

ISS為Optimeyes有望給全球無數患者帶來完美視力感到激動不已。雖然目前主要針對白內障，不過Optimeyes有能力適應于多種不同眼睛手術，讓眾多飽受眼疾之苦的患者重獲寶貴視力。

上述文章來源于《ANSYS Advantage》雜志--《醫療保健》，查看更多ANSYS Advantage 文章可以訪問：

http://t.cn/Rq4sv1s

如果您想定期收到《ANSYS Advantage》紙質版資料，可以微信上一鍵訂閱，訂閱方式：

微信已綁定微信的用戶一鍵報名：

1).打開ANSYS公眾號，點擊下面的菜單：

“最新活動“點擊“活動報名”，選擇“ANSYS Advantage 雜志免費訂閱”。

未綁定微信用戶的報名方式：

1).關注ANSYS官方微信

2).點擊進入到ANSYS微信，點擊“咨詢反饋”-“注冊綁定”

3).點擊”最新活動“-“活動報名”，選擇“ANSYS Advantage 雜志免費訂閱”。