（电子科学与技术专业论文）人眼晶状体建模与仿真研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文物理模型。研究了房水产生的眼压对晶状体形态、屈光和调节功能的影响，仿真结果表明，压力对于晶状体的形态有着显著的影响；随着眼压的增大晶状体的厚度将减小，直径将不断增加，前、后表面曲率半径增大，晶状体的屈光力也将增大；压力作用下依h e l m h o l t z 假说的调节仿真计算则表明，压力和睫状体拉力对晶状体形变的影响作用是互相独立，且晶状体形变的基本规律与无压力作用下完全相同。这一结果说明，在应用物理模型按照h e l m h o l t z 假说研究调节时，忽略压力的影响不会改变晶状体形变的基本结果。4 建立环形撕囊后前囊膜的有限元非线性大形变模型，分析在外力作用下的前囊膜的应力分布，研究撕囊开口大小与所能承受的最大拉伸长度的关系。仿真结果表明，撕开口越大，则囊膜所能承受的最大拉伸长度越大，这一结果与实验研究得到的结果完全一致；同时仿真研究还指出，在相同撕开口大小的情况下，囊膜受力作用范围的越大，则最大拉伸长度也会增大。而这一结论未被临床实验研究所发现。5 在计算机上实现一个具有交互功能的晶状体三维显示和调节仿真系统。以参数化建模为基础设计并实现了晶状体三维显示系统，可通过改变输入参数来实现不同个体特征晶状体的三维可视化；以调节仿真模型为基础，初步建立了晶状体功能仿真平台，实现可模拟调节的互动功能，及人眼视觉光路的晶状体屈光力计算。本文工作的主要创新之处在于：1 将参数化引入晶状体的几何建模中，提取能确定晶状体几何形态的参数，实现基于特征参数的晶状体模型的建立，用来显示具有不同个体特征的晶状体。2 建立了“晶状体一悬韧带一睫状体”联合作用的有限元调节仿真模型，并依据有限元理论对模型进行了详缅的理论分析，载荷之间都具有线性关系，且拉力载荷和压力载荷对模型解的影响具有线性叠加性；并据此提出了该模型有限元计算的简化方法。3 利用调节仿真有限元模型，分别按照h e l m h o l t z 和s c h a c h a r 两种不同的调节机制假说进行了仿真计算，验证了两种假说符合当前公认的调节形变事实，并得出模型依据h e l m h o l t z 假说的仿真结果具有稳健性；而依据s c h a c h a r 假说提出的仿真结果则与悬韧带的弹性密切相关。4 得出眼压对晶状体形态和屈光特性具有显著的影响，及在压力作用下依h e l m h o l t z 假说的调节时，压力载荷与拉力载荷对晶状体形态的影响独立的结论，从而说明在应用物理模型按照h e l m h o l t z 假说研究调节时，忽略压力的影响不改变晶状体形变的基本结果。5 建立c c c 后前囊膜的有限元形变的非线性大形变模型，研究c c c 后撕囊开口大小与所能承受的最大拉伸长度的关系，得到了与实验研究完全一致的结果，并进一步指出，“在相同撕开口大小的情况下，囊膜受力作用范围的越大，则最大拉伸长度也会增大”这一结论。关键词：晶状体，仿真，建模，调节，有限元i i里堕型竺垫查盔堂塑壅生堕堡主兰垡笙苎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国防科学技术大学研究生院搏士学位论文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 丽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 s u l t s a n dp h y s i c a lm o d e lw a sp r o v e dt ob er o b u s ta n dr e a s o n a b l e s c h a c h a r sh y p o t h e s i sw a sn o ts u p p o r t e da sw e l la sh e l m h o l t z sh y p o t h e s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e p e n d e do i lt h ee l a s t i cp r o p e r t yo f t h ez o n u l e s 4 e y ep r e s s u r ew a sf o u n dt oi n f l u e n c et h el e n ss h a p ea n di t so p t i c a lp o w e rr e m a r k a b l y , w h i c hi v国防科学技术大学研究生院博士学位论文w a sn e v e rm e n t i o n e db e f o r e a n dt h ei n f l u e n c eo f t h ep r e s s u r el o a da n dt h ef o r c el o a dw e r ei n d e p e n d e n tt oe a c ho t l l e r ot l l i sl e dt ot h er e s u l tt h a tt h ep r e s s u r ed i d n ti n f l u e n c et h eb a s i cr u l e so f t h es i m u l a t i o no f h e i m h o l t z sh y p o t h e s i s 5 n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sc o n s t r u c t e dt os t u d yt h ee x t e n s i o no fc c cc a p s u l ef o 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国防科学技术大学研究生院博士学位论文图1 1图2 1图2 2图2 3图2 4图2 5图2 6图2 7图2 8图2 9图2 1 0图2 1 l图2 1 2图3 1图3 2图3 3图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图3 9图3 1 0图4 1图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6图4 7图4 8图4 9图4 1 0图4 1 1图4 1 2图4 1 3图4 1 4图目录人眼晶状体建模与仿真研究技术路线人眼横截面示意图尸体眼切片图：晶状体、虹膜、睫状体。晶状体结构示意图晶状体截面图晶状体轮廓数据2 9 岁晶状体前表面11 阶多项式拟合结果2 9 岁晶状体前表面混合函数拟合结果2 9 岁晶状体后表面拟合误差曲线晶状体基本轮廓形态。参数化建模过程3 7 岁晶状体的外轮廓曲线参数化变换得到的晶状体调节示意图。79l o1 0“1 31 41 41 6晶状体调节系统示意图晶状体调节系统几何模型2 9 岁晶体有限元模型囊膜单元厚度曲线( 放大5 倍)4 5 岁晶体有限元模型囊膜单元厚度曲线( 放大5 倍)2 节点轴对称壳单元的示意图均布压力载荷弹簧单元示意图h e l m h o l t z 松弛理论调节示意图s c h a c h a r 张紧理论调节示意图晶状体表面曲率半径拟合示意图2 9 岁晶体位移o 1m m 时的晶状体轮廓位移前、后2 9 岁晶状体前极附近形态的变化1 72 02 22 42 63 l3 l3 75 25 3位移前，后2 9 岁晶状体后极附近形态的变化前、后表面曲率半径与位移的关系5 5屈光力与位移的关系4 5 岁晶体位移o 1m m 时的晶状体轮廓5 7位移前后4 5 岁晶状体前极附近形态的变化位移前后4 5 岁晶状体后极附近形态的变化前、后表面曲率半径与位移的关系屈光力与位移的关系5 85 8国防科学技术大学研究生院博士学位论文图4 1 5图4 1 6图4 1 7图4 1 8图4 1 9图4 2 0图4 2 l图4 2 2图4 2 3图4 2 4图4 2 5图4 2 6图4 2 7图4 2 8图4 2 9图4 3 0图4 3 l圉4 3 2图4 3 3图4 3 4图4 3 5囝4 1 3 6图4 3 7图4 3 8图4 3 9图5 1图5 2图5 3图5 4图5 5图5 6图5 7图5 8图5 9图5 1 0图5 1 1图5 1 2图5 1 3图6 1调节状态示意图6 22 9 岁晶状体无调节状态，6 22 9 岁晶状体最大调节状态6 2调节时2 9 岁晶状体厚度变化一6 3调节时2 9 岁晶状体直径变化6 3调节时2 9 岁晶状体前、后表面曲率半径的变化6 3调节时2 9 岁晶状体屈光力的交化6 34 5 岁晶状体无调节状态。6 34 5 岁晶状体最大调节状态6 3调节时4 5 岁晶状体厚度变化一。6 4调节时4 5 岁晶状体直径变化6 4调节时4 5 岁晶状体前、后表面曲率半径的变化。6 4调节时4 5 岁晶状体屈光力的变化。6 4悬韧带弹性变化后4 5 岁晶状体厚度变“6 5悬韧带弹性变化后4 5 岁晶状体直径变化6 5悬韧带弹性变化后4 5 岁晶状体前，后表面曲率半径的变化6 5悬韧带弹性变化后4 5 岁晶状体屈光力的变化6 5碾压= ik p a 时的2 9 岁晶状体最大调节状态轮露，6 62 9 岁晶状体厚度随压力变化的关系6 72 9 岁晶状体曲率半径随压力变化的关系6 72 9 岁晶状体屈光力随压力变化的关系6 7眼压= 2k p a 嚣于，2 9 岁晶状体调节过程中厚度盼变化。6 7眼压= 2k p a 时，2 9 岁晶状体调节过程中屈光力的变化6 7眼压= 1 5 ，2 0 ，2 5k p a 时，2 9 岁晶状体调节过程中屈光力的变化, 6 9眼压分别为2k p a 与2 5k p a 时调节过程中屈光力的差别6 9实验获得的囊膜应力一应变数据7 2插值产生的4 5 岁晶状体囊膜的应力一应变数据，。7 2c c c 后的晶状体真实形态囊膜形态示意图7 4，7 4有限元网格模型( 厚度放大3 5 倍) 7 5利用对称性进行简化后的网格模型7 5撕开口直径为5 m m 的4 5 岁前囊膜最大拉伸状态7 6撕开口直径为5 m m 的4 5 岁前囊膜在的晟大拉伸状态下的应力分布7 6撕开口直径为5 r a m 的4 5 岁前囊膜受力局部的应力分布7 6撕开口直径为5 m m 的4 5 岁前囊膜受应变分布一7 6拉伸过程中单元# 1 3 2 的应变一应力关系曲线7 7撅开口直径与最大拉伸长度的关系7 8撕开口直径与c r c c 的关系一7 8系统框图8 3国防科学技术大学研究生院博士学位论文图6 2图6 3图6 4图6 5图6 6图6 7系统的界面晶状体显示的基本流程设置光源和透明度的晶状体与核两个不同晶状体的屈光力计算结果8 48 6调节仿真界面8 8调节仿真时的两个不同状态国防科学技术大学研究生院媲士学位论文表目录表2 1核的形态特征，单位：m m 1 5表2 2两组不同晶状体参数，单位：m m 表4 14 5 岁晶状体前、后表面曲率半径和屈光力与拟合范围的关系，单位：m m 。5 3表4 2晶状体形变前后的几何特征数据，单位：m m 表4 32 9 岁晶状体调节时形态的改变，单位：表4 44 5 岁品状体形变前后的几何特征数据，表4 54 5 岁晶状体调节时形态的改变，单位：m m ，5 6单位：m m 5 7m m 5 9表4 6不同年龄晶状体仿真调节时特征改变量的对比，单位：m 5 9表4 7前部悬韧带不同弹性下调节时品状体的改变，单位：m m 6 0表4 8后部悬韧带不同弹性下调节时晶状体的改变，单位：m 6 0表4 9赤道部悬韧带不同弹性下调节时品状体的改变，单位：m p 6 1表4 1 02 9 岁晶状体无调节状态和最大调节下的晶状体的形变，单位：m m 。6 2表4 1 14 5 岁晶状体无调节状态和最大调节下的晶状体的形变，单位：m ? 。6 4表4 1 l 有压力和无压力情形晶状体形态数据对比，单位：m m 6 6表4 1 2 眼压= 2k p a 时，2 9 岁晶状体调节过程中的变化，单位：m m 6 8表5 1囊膜的几何形态数据7 4表5 24 5 岁品状体前囊膜不同撕开1 2 1 直径大小与获得的最大拉伸长度，单位：m m 。7 7表5 33 节点位移载荷时前囊膜不同撕开口直径对应的最大拉伸状态，单位：m m 7 9表5 44 5 岁晶状体不同接触节点数与晟大拉伸长度的关系，单位：m m 7 9表5 52 9 岁晶状体前囊膜不同撕开口直径大小与获得的最大拉伸长度，单位：m m 8 0表5 62 9 岁晶状体不同接触节点数与晟大拉伸长度的关系，单位：m m 。8 0独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：厶盟量迭住建搓皇笾基盟窥学位论文作者签名：日期：跏z 年f 月3l i i学位论文版权使用授权书本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；- q e a 将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行检索，- t p l 采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：厶喔昌迭堡建搓主笾墓盈窒学位论文作者签名：作者指导教师签名：e t 期：死加占年牛月弓日日期：砷年4 - 月孑e t国防科学技术大学研究生院博士学位论文第一章绪论2 1 世纪被认为将是生物的世纪，以人类基因组计划的完成为标志，生物医学当前正处于以信息化为主要特征的时期。以人体科学为中心的科学技术正以前所未有的速度发展，传统上医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法将在很大程度上由计算机模拟所取代。从这个方面来看，建立人体的数字化模型是至关重要的。利用信息技术实现人体从微观到宏观的结构和机能等方面的数字化、可视化，最终达到人体的整体精确模拟，将对生物医学及人体相关学科的发展起到难以估量的作用。在人体众多器官当中，。眼睛是最重要的感觉器官之一，健康人有8 0 左右的信息是通过眼睛获取的。因此，眼的健康对于人们的生活质量是至关重要的。与此同时，由于眼部结构十分精密复杂且比较脆弱，眼部相关疾病的种类很多。虽然绝大部分不会致命，但是会严重影响患者的工作和生活。因此我们认为，构造能够用于眼科相关教学、科研和临床诊断、：治疗的虚拟人眼具有很高的社会价值。本文的研究课题就是在这样的大背景下提出的，旨在对人眼的重要组成部分晶状体进行形态建模和功能仿真的研究，建立虚拟眼的晶状体组件部分。1 1 虚拟化数字人和虚拟器官随着科技的发展，计算机和信息技术在医学与生物的研究中扮演了越来越重要的角色。从基因构成到蛋白质的三维结构，再到细胞、组织以及器官的形态与功能，对人体信息的完整描述已经提到科学研究日程上来了。利用信息技术实现人体从微观到宏观的结构和技能的数字化、可视化，最终达到人体的精确模拟，将对医学、生物学及其他人体相关学科的发展起到难以估计的影响，以人体科学为中心的科学技术将以前所未有的速度发展。传统上医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法将在越来越多地被计算机模拟所取代。从这个方面来看，人体的数字化模型至关重要。数字化虚拟人相关技术是当前生物医学工程研究的热点领域之一。1 9 8 6 年，美国国家医学图书馆( 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”可视人计划”( 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 月获得了容量在2 0 0 g b以上的超高分辨率数据集。这样庞大的数据集在人类医学史上是首创，它改变了医学可视化的模式，为虚拟世界进入现实医学敞开了大门。为了进一步完善和接近真正的人体实况，美国正在建造第二代有物理性能的虚拟人体和第三代有生理功能的虚拟人体。与此同时，世界范围从事相关研究的科学家越来越多。这项计划提出的最初目标，只是要获得“一套能够将可视化的表现形式和象人体各部分的名称这样的抽象标记信息直接关联起来的数字图像集” 2 1 ：在该计划的实施过程中，先后获得了一具男性尸体和一具女性尸体分别以1 所研和0 3 3 3m m 的间距进行c t 、m r i 断层扫描和冷冻切片拍照的图像数据1 3 。c t 图像第1 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文片内分辨率最高为5 1 2 x 5 1 2 ，1 2 级灰度：m r j 图像最高片内分辨率为2 5 6 x 2 5 6 ，1 2 级灰度；组织学照片通过里夫照相机拍摄，男性共有1 8 7 8 个横断面切片，女性切片数为5 1 9 0 。1 9 9 5 年数字化的分辨率为2 0 4 8 x1 2 1 6 ，2 4 级彩色。数据量男性为1 5g b ，女性为3 0g b 。并于2 0 0 0 年8 月将组织学切片数据的分辨率提高到4 0 9 6 2 7 0 0 ，获得了容量在2 0 0c a b 以上的超高分辨率数据集。这样庞大的数据集在人类医学史上是首创，它改变了医学可视化的模式，为虚拟世界进入现实医学敞开了大门。目前世界上大多数关于虚拟人体的研究仍然是以v h p 数据为基础进行的，是唯一得到公认的标准人体解剖数据。为了进一步完善和接近真正的人体实况，该计划现在已进一步将重点转向建造第二代有物理性能的虚拟人体和第三代有生理功能的虚拟人体。2 0 0 0 年，由韩国a j o u 大学和韩国科技信息研究所共同承担了称为“可视韩国人( v i s i b l ek o r e a nh u m a n ，v k h ) ”的计划【4 】。该计划预计用五年的时间，在没有信息损失和组织切片为0 2m m 的条件下完成切片数据的获取。目前该计划已经公布出一些初步的结果，已有科学家在这套数据基础上进行了进一步的研究【5 】。自从v h p 数据公布以来，世界各地的科学家依据它研究开发出了很多成果。其中比较著名的有美国x i eg e o r g ex u 6 结合光子、电子、中子和原子辐射模型建立的人体全身1 0 0 多个器官的辐射模型，包括皮肤、呼吸道、眼晶体和红骨髓等以前认为太小而不能建模的器官组织；德国汉堡大学建立了名为v o x e lm a n 日的人体虚拟解剖图谱，a d s 公司从事了虚拟髋关节、心脏瓣膜和肾脏等的研列8 】；此外法国在影像建模、英国在药物虚拟实验和日本在模型人汽车实验等许多方面都在从事着虚拟人的相关研究。除了韩国于2 0 0 0 年启动了自己的可视人计划以外，德国、法国、英国和日本等国家的许多科学家也一直从事着虚拟人的相关研究。2 0 0 1 年1 1 月第1 7 4 次香山科学会议之后，中国数字化虚拟人研究被列入国家高技术研究发展计划“8 6 3 项目。中国成为继美国、韩国后第三个拥有本国虚拟人数据库的国家。“虚拟中国人”( v i r t u a lc h i n e s eh u m a n ，v c h ) ，是将临床应用解剖学与计算机图像技术相结合，：以标准中国人体切片标本为来源，在计算机上进行三维重建的数据集。该数据集将包含有骨骼、肌肉、组织、器官以及血管等全部数字化的人体三维模型，可为医学以及多学科的研究与应用提供基础技术平台。中国首例女性虚拟人数据集于2 0 0 3 年2 月1 8 日在南方医科大学( 原第一军医大学) 构建成功。目前，首例女性虚拟人数据集已经提供国内有关研究单位应用1 9 1 。数字化虚拟人对于增进对人类自身的认识、促进医学的发展有重要的科学意义，它将人体结构和功能信息数字化与可视化，建立能够为计算机处理的数学模型，使得借助于计算机的定量分析计算和精确模拟成为可能。随着信息获取和处理技术的进步、数据采集精度的提高，将在越来越精确和广泛的程度上模拟人体的功能和行为。数字化虚拟人体模型具有广泛的应用前景：可为医学研究、教学与临床提供形象而真实的模型：为疾病诊断、新药和新的医疗技术的开发提供参考；促进形成新一代医疗高新技术产业，大大加速我国医学教育和临床的现代化。虽然虚拟人数据的获取和显示等方面已经获得了阶段性的成果，但是相对于真正能体现功能的虚拟人的要求还相差较远。而在现实中