近视的发病机制迄今为止尚未充分阐明,因此缺乏有效的针对病因的治疗方法。由于发病率极高,近视在我国已不仅是一个医学问题,其对社会及经济生活亦带来了广泛影响,亟待进一步研究。传统的近视研究手段存在动物模型制造困难、研究成本高、研究周期长、影响因素多、难以避免伦理风险等难点,故本研究通过基于有限元方法的多物理场有仿真软件COMSOL Multiphysics来构建病理性近视数字化模型,模拟分析葡萄肿区域巩膜厚度、面积、曲率等参数对病理性近视发生发展的影响,并初步探讨了多物理场仿真技术在近视相关研究中的应用价值及前景。第一部分角巩膜三维重建及有限元前处理目的:利用眼部影像资料进行角巩膜三维重建,并进行有限元前处理,为下一步的有限元求解做准备。方法:使用影像检查设备所附带的软件进行三维重建及图像分析,或将数据以DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)格式导出至In Vesalius 3、Mimics等软件中进行三维重建。对角巩膜三维模型进行修补、降噪、曲面化操作,组装模型并进行网格的初步划分,在COMSOL Multiphysics软件中导入已经划分好网格的角巩膜模型,进行有限元网格二次处理和其他网格特性赋值,完成角巩膜有限元模型的预处理。结果:最终形成可用于有限元计算及分析的角巩膜三维实体模型。小结:CT可较好的显示角巩膜整体轮廓,但对于巩膜局部的细节显示不足,建议通过CT数据进行角巩膜整体三维重建,并与OCT检查获取的后部巩膜数据进行配准及融合,以获取兼顾整体形态及局部细节的三维模型。3D-MRI是眼内容三维重建的理想工具,可间接反映巩膜内表面形态及巩膜扩张程度,但用于以角巩膜为主的三维重建时尚不能代替CT。CBCT具有低辐射,高精度,各向同性的特点,非常适合用于病理性近视的检查及随访,在眼科有较好的应用前景。第二部分葡萄肿区域巩膜厚度对眼轴增长的影响目的:模拟不同眼压情况下,葡萄肿区域巩膜厚度变化对眼轴增长的影响。方法:眼内压分别设置为15mm Hg、20mm Hg、30mm Hg,逐步降低假定的后巩膜葡萄肿区域(直径为4mm的圆形)的巩膜厚度,得到不同状态下的巩膜位移分布云图,直至眼轴增长幅度达到2mm。结果:当眼内压为15mm Hg,后巩膜葡萄肿区域直径为4mm时,如果巩膜厚度由0.8mm减少至0.37mm,眼轴将延长2mm。当眼内压为20mm Hg及30mm Hg时,对应的巩膜厚度为0.42mm及0.57mm。小结:巩膜的厚度与抗变形能力密切相关,即使不考虑巩膜的强度下降,单纯的巩膜厚度变化超过一定程度后也可引起眼轴的明显增长,在评价病理性近视的进展风险时,巩膜厚度应作为监测指标之一。第三部分葡萄肿区域面积对眼轴增长的影响目的:模拟不同眼压情况下,葡萄肿区域面积变化对眼轴增长的影响。方法:眼内压分别设置为15mm Hg、20mm Hg、30mm Hg,葡萄肿区域的起始巩膜厚度设置为0.4mm,假定葡萄肿区域为规则圆形,起始直径为2mm,逐步增加葡萄肿区域的直径,得到不同葡萄肿区域面积下的巩膜位移分布云图,分析眼轴增长随直径变化的趋势。结果:随着葡萄肿区域直径的增加,眼轴呈现非线性的增长趋势。当葡萄肿区域的直径从2mm变化至4mm时,眼轴伸长较慢,当直径超过4mm时,随着葡萄肿区域直径的增加,眼轴增长速度明显加快。小结:葡萄肿区域的直径(面积)与眼轴增长速度密切相关,当葡萄肿区域直径超过4mm时,眼轴增长的速度将较前明显增加。葡萄肿区域面积是评价病理性近视进展风险的另一个重要指标。第四部分眼球形态对巩膜应力分布的影响目的:比较厚度相同但形态(曲率)不同的巩膜所承受的局部应力差异。方法:眼内压设置为20mm Hg,葡萄肿区域直径设置为6mm,分别计算规则球壳结构模型和从临床影像资料重建的个体化模型的应力分布,并对两种模型承受的局部应力进行对比分析。结果:某些患者存在较明显的巩膜局部应力集中现象,在眼球后极部直径6mm范围内,与标准规则球壳模型相比,局部巩膜的应力差异最高可达5～8倍。小结:由于巩膜曲率等的差异,即使临床上的正视眼巩膜应力分布也并不均匀,在某些近视眼这种现象则更为明显。在应力较为集中的区域,是否会通过“力-生物信号传导”的方式启动巩膜重塑,从而影响近视的发生发展值得进一步研究。第五部分大气污染物对接触镜佩戴安全性的影响目的:尝试应用多物理场仿真方法模拟近视研究相关问题。方法:建立角膜接触镜三维模型后,利用多物理仿真方法模拟大气污染物在接触镜片前表面的吸附和沉积过程,并与临床试验结果进行对比。结果:当大气污染物主要为PM2.5微粒时,中等程度以下的空气污染不会造成佩戴者对接触镜不耐受增加或相关并发症增多,亦对接触镜的光学性能无明显影响。。小结:多物理场耦合分析可大大扩宽计算机仿真技术在近视研究中的应用范围,但建模过程中可能出现的错误也随之增多。在利用多物理场仿真方法来进行近视研究时,对仿真结果的分析必须谨慎,并高度重视仿真预测结果与临床研究结果的比对。结论1.对于近视建模仿真研究而言,目前尚无完美的单模式成像技术,获取兼顾整体形态及局部细节的三维影像需通过多模式成像技术将OCT/CT/MRI等数据进行配准及融合。2.巩膜的厚度与抗变形能力密切相关。即使不考虑巩膜强度的下降,单纯的巩膜厚度变化超过一定程度后也可引起眼轴的明显增长,在评测病理性近视的进展风险时,巩膜厚度应作为监测指标之一。3.葡萄肿区域的直径(面积)与眼轴增长速度密切相关。随着后巩膜葡萄肿区域直径的增加,眼轴伸长呈现非线性的增加趋势,当葡萄肿区域的直径超过4mm时,眼轴增长风险将较前大为增加。4.近视患者存在较明显的巩膜局部应力集中现象。这种应力集中现象是否会以“力-生物信号传导”的方式导致巩膜重塑,从而启动近视的发生发展过程值得进一步研究。5.随着近视研究的深入,单纯的力学仿真已逐渐无法满足相关研究的需求,在模拟具体临床问题时,多数情况下须借助多物理场耦合仿真来实现。