SMILE和LASIK术后角膜力学响应的数值研究

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近视性屈光不正是最常见的一种眼科疾病,是目前全球视力损害的最主要原因。屈光手术通过消融角膜基质层组织来改变角膜屈光度,其中飞秒激光小切口基质微透镜取出术(small incision lenticule extraction,SMILE)和准分子激光原位角膜磨镶术(laser in situ keratomileusis,LASIK)被广泛用于治疗近视,但屈光手术破坏了角膜原有的结构完整性,术后角膜生物力学发生改变。SMILE术是否因为制备更厚角膜帽、保留了更多的前基质层而具有优势,仍需要进一步探究。本文采用有限元模拟方法分析LASIK和SMILE术前术后在不同消融厚度和眼内压下角膜的生物力学行为,比较了两种术式的优劣;通过模拟制备不同厚度的角膜帽SMILE术后角膜生物力学行为变化,从理论上探究SMILE术是否因为保留了更多前基质层和结构完整性而在力学上更具优势,为临床SMILE手术参数设计和安全性提供参考。主要工作如下:(1)建立了考虑零应力的角膜LASIK和SMILE模型。采用Gasser–Holzapfel–Ogden超弹性本构描述角膜材料的力学行为,引入角膜迭代算法,通过逆向建模软件建立术前和术后人角膜生物力学的零应力三维实体有限元模型。零应力模型更符合实际,与未考虑零应力模型相比,采用零应力模型计算的角膜位移和Von Mises应力均有所增加。(2)比较了矫正-3D和-6D屈光度LASIK和SMILE术前术后在不同消融厚度和眼内压下角膜位移和Von Mises应力变化。研究表明,矫正屈光度越大,角膜前表面和角膜后表面位移和Von Mises应力越大。角膜瓣和角膜帽的制备明显改变了角膜的生物力学行为。在相同眼内压下,SMILE角膜前后表面的位移明显低于LASIK,SMILE术的最大Von Mises应力小于LASIK术;与角膜瓣相比,角膜帽可承受更大的载荷。眼内压越高,LASIK和SMILE术残余基质床表面顶点位移和Von Mises应力越大,且LASIK术残余基质床表面顶点位移和Von Mises应力增长速度大于SMILE术。(3)比较了角膜零应力模型与传统角膜模型对术后角膜变形和应力的影响。研究发现,与非零应力状态下比较,零应力状态下SMILE和LASIK术前术后角膜前表面和角膜后表面顶点位移增加约20%左右,两种术式术后角膜前表面顶点Von Mises应力增加了60%左右。(4)研究了不同厚度的角膜帽SMILE术后角膜生物力学行为变化。研究发现,相同矫正屈光度下(-3D或-6D),制备更厚角膜帽,SMILE术后角膜前表面、残余基质床表面和角膜后表面的位移与Von Mises应力在整体上无明显差异。手术切口附近有应力集中现象,术后角膜表面的Von Mises应力值随角膜帽厚度增加而增加,但均小于角膜最大Von Mises应力。在角膜其他位置,术后角膜前表面、角膜后表面和残余基质床表面的Mises应力值基本不随角膜帽厚度变化。不同矫正屈光度下,SMILE术后角膜前表面、残余基质床表面和角膜后表面位移和Von Mises应力不受角膜帽厚度影响,基本保持不变。我们的研究提示,考虑角膜零应力状态更符合屈光手术角膜生物力学行为实际受力情况。在矫正-6D以下的屈光不正时,SMILE屈光手术在角膜生物力学稳定性方面优于LASIK手术;制备更厚的角膜帽对角膜的力学行为影响不大,但由于切口过深会引起切口处位移和应力增加,不是制备越厚的角膜帽越有利于SMILE术后角膜的力学稳定性。
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