用人眼的光機械模型研究老花眼

HPC365云服務

2019年4月3日 16:57

老花眼即老視是一種生理現象，不是病理狀態也不屬于屈光不正，是人們步入中老年后必然出現的視覺問題。而隨著患者年齡的增長，醫生更關注患者是否患有老花眼，是否失去調節幅度，或者是否有長期完全喪失近視力的可能等。

視覺適應過程是復雜的，并且治療過程較為復雜困難。而現在科學家們為了解決測量鏡片折射率的問題，開發了一種逆向工程技術，創建一種新的人體老化光學機械模型，用于基本的光學和機械模擬。

專注于老花眼矯正與模擬仿真

在世界衛生組織（WHO）表示“裸老花眼是視力障礙的最常見的原因”。隨著年齡增長，眼球晶狀體逐漸硬化、增厚，而且眼部肌肉的調節能力也隨之減退，導致變焦能力降低。

眼睛的晶狀體能夠通過復雜的生物力學過程改變其形狀，該過程導致遠視覺被動并且近視力活躍。然而，隨著年齡的增長，晶狀體會發生幾何變化。鏡片的生長和鏡片的機械性能變化（鏡片變得更硬）導致睫狀環向前推動。在遠視和近視之間幾乎不存在變形幅度之前，鏡片順應性受到越來越多的影響。鏡片的形狀增加，其等效屈光力和總體直徑減小到這樣的程度，即在老花眼的情況下，最容納的形狀最終是遠視力。

雖然眼鏡是解決與老花眼有關的視力問題的最安全和最可靠的方法，但并非所有人都喜歡戴眼鏡。

有些人通過手術來矯正視力。但是這種手術是有風險的，并很可能帶來其他的并發癥，比如說患者可能會出現視弱、看東西會產生眩光、光暈，或在昏暗的光線下無法看清事物等。此外，許多可用于這些手術的體內成像技術不能精確地解釋視覺調節過程中的每個因素或實際的臨床測量。

為了解決這些問題，研究人員利用仿真軟件的光學評估技術開發了人眼的3D參數化機械模型。通過他們的模型，團隊可以使用逆向工程技術從體內成像中推斷出不可測量部分的屬性。

建模

由于視覺調節過程非常復雜，因此在對眼睛及其組件進行建模時通常會進行簡化。例如許多模型是軸對稱的，并且不考慮眼睛器官的自然變化。模型側重于調節的機械或光學方面，意味著只有少數眼睛組件被建模，材料屬性被近似，而不是考慮實際中的使用。

用于眼科的體內技術為3D建模的進步做出了巨大貢獻，但每種類型都有其優點和缺點：

磁共振成像（MRI）為內部幾何結構提供了最佳結果（低失真，高分辨率），但在實驗室外很難使用。

光學相干斷層掃描（OCT）有助于檢索光軸上的信息，但會引起一些空間失真。

超聲生物顯微鏡（UBM）獲取非透明眼部圖像，誘發高空間畸變。

在通過體內成像進行校正和推斷信息之后，仍然難以測量一些材料特性。更重要的是，當嘗試矯正老花眼時，必須考慮不可測量的特性對矯正的影響，例如晶狀體中的剛度和折射率分布。

建立人眼的光機械模型

研究團隊使用非線性結構材料模塊、結構力學模塊和射線光學模塊建立了自己的模型。

首先，他們開發并驗證了人眼調節的完整3D非軸對稱模型，其中包括視覺調節過程中涉及的主要器官。由于經驗證的模型證明能夠模擬老花眼的進展，研究人員能夠進一步開發幾何模型，包括考慮近視和遠視幾何模型。

研究小組還使用CAD導入模塊基于對屬于22歲患者的相對年輕眼睛的OCT掃描來準備模型幾何形狀。雖然他們使用這種成像作為他們模型的基礎，研究人員最終將能夠通過將每個患者的生物測定數據導入模型來幫助定制患者程序，以便他們能夠精確表示每個患者的眼睛及其實際的老花眼的患病程度。

這可以顯著推進老花眼治療的發展，目前的“植入物市場”就像鞋店，同一雙鞋有不同的尺寸。每個人的眼睛都不同; 組件之間的距離及其各自的形狀創造了獨特的組合。此外，并非所有特定年齡的患者在鏡片硬化方面都經歷了相同的老花眼階段，并且鏡片特性并非“均勻分布在患者體內”。使用模擬可以幫助創建適合的激光治療每個人的需求。

OCT成像為團隊提供了光軸上的幾何形狀，用于兩種光學刺激：0D用于遠視，6D用于近視。以屈光度測量，這些幾何形狀表明鏡片的力量及其將光聚焦在視網膜上的能力。他們使用了經過驗證的實驗和參考數據的其他測量和屬性。然后研究人員能夠將樣品組織提交給機械和光學測試，以提高他們獲得更多材料特性的能力。一旦未調節的幾何形狀在遠視力測量中輸入+/- 5％的公差，該模型就被認為是準備好的。

仿真模擬的過程

為了模擬鏡片的折射，研究人員使用“壁距離”界面創建折射率的重新分區，該折射率遵循鏡頭在調節過程中的變形。該團隊的目標是計算遠視和近視視力條件下的折射率及其空間分布。

在第一項研究（“測試A”）中，他們準備幾何來解釋這些極端條件，假設折射率在鏡片中是均勻的。然后，他們將雙參數函數應用于生成的距離場，以創建折射率（GRIN）的梯度，該梯度具有自然光學特性。

在檢查了整體模擬后，研究人員能夠驗證他們的3D參數人眼模型幾何結果與科學文獻是否一致。例如，遠視數據在鏡頭位置和形狀上的差異小于3％。此外，研究人員發現，個別研究的結果與經過驗證的數據一致。它們在測試A中獲得的值完全在經驗證的研究的等效測量范圍內，并且測試B中的GRIN結果對于兩種視覺條件都是一致的。

基于這兩項研究，該團隊發現了一些令人驚訝的結果，這些結果有助于他們的研究和逆向工程能力。例如，與他們的假設相反，即鏡片中的折射率是均勻的，測試A的結果表明，找不到與患者刺激（0到6D）的振幅匹配的獨特的均勻折射率。此外，當遠視匹配均勻折射率用于近視時，它會產生4.35D而不是6D的調節幅度。當計算近視力時，均勻折射率值需要更高。

基于他們的GRIN模型結果，研究人員還發現了一些關于自然光學結構的有趣內容：人眼會引起非線性響應，試圖最大化鏡片組織的光學能力。如下所示，為了獲得平臺的相同最大值，梯度引起比最大值更大的變化。

此外，由于自然光學結構，眼睛具有更大的聚焦范圍和更低的折射率最大值。下面顯示的是GRIN作為調節的乘法因子的示意圖。對于每種視力狀態，鏡片組織隨著調節而移動。遠視力的光學配置明顯不同于近視力的配置。通過誘導這種非線性響應，GRIN有助于改善視力的幅度。

如上所述，推斷出不可測量的特性可能會導致眼部護理的重要發展，例如預防和矯正老花眼。Kejako的研究人員很快就明白了這種能力在眼科領域的價值。在開發和驗證他們的模型后，他們開設了一個內部部門，致力于回答他們的工具和模擬可以幫助回答的研究和開發問題。