眼外肌力学行为及相关的眼球运动建模研究

【摘要】眼球运动建模研究有助于一些眼疾的临床诊断和治疗,比如斜视、眩晕、眼震等。眼外肌控制眼球的运动,是眼球运动建模必不可少的要素。人体解剖发现人眼组织包含6条眼外肌,分别是外直肌、内直肌、上直肌、下直肌、上斜肌和下斜肌。本文的主要目的是研究眼外肌的力学行为并建立与之相关的眼球运动模型,采取的研究手段主要包括数学力学建模、动物实验测试、数值模拟等,研究内容主要是：推算第一眼位时眼外肌的初张力；哺乳动物眼外肌被动拉伸实验研究；眼球运动建模研究。第一眼位往往作为眼球运动模型的初始位置,眼球悬停在第一眼位的力学平衡依赖于6条眼外肌的贡献,这6条眼外肌在第一眼位的施力情况是眼球运动建模首要解决的问题。文中收集了包括眼外肌系统的几何坐标参数和经典的人眼外肌被动拉伸实验数据等方面的文献内容,利用力学平衡原理和数学优化的手段,推算出6条眼外肌控制眼球悬停于第一眼位的力。推算模型的建立考虑了近年眼科研究流行的观点,眼球运动主要依靠自身系统的机械作用而非神经作用,因而在建模过程中有意识地弱化了神经支配方面的影响。用离体实验的手段,分析了哺乳动物的眼外肌被动力学行为。选用狐眼外肌为试验试件,因狐眼位置与人眼位置类似,均长在脸的正前方。从当地的养殖基地收集到一定数量的眼外肌试件,在实验室环境下对各试件行单轴拉伸实验测定眼外肌的被动力学性能,之后用Ogden超弹性模型分析相应的实验数据。将分析所得的眼外肌超弹性参数的平均值作为数值建模研究的模拟输入参数,建立了相应的眼外肌被动拉伸的有限元模型,以验证有限元建模方法的有效性。与实验结果相比较,发现分析结果的误差与模拟结果的误差之间没有统计学差异。另外,用相同的实验方法进一步研究了三种不同眼位哺乳动物(狐、猪、羊)的眼外肌被动力学行为之间的差异。根据前人提出的有关眼外肌滑车组织的主动滑车假说,用数学力学建模的办法建立了眼球运动的主动滑车模型。因解剖的难度,至今未见有关眼外肌主动力学行为方面的详细的实验数据报道,在建模的过程中,将优化方法补充到力学平衡方程中求解眼外肌控制眼球运动的力。之后,与无滑车的眼球运动模型对比,发现在眼球大幅内旋运动时主动滑车能够维持内直肌的力学优势,验证了现代眼球运动理论认为眼外肌滑车是眼外肌的功能性起点的观点。
【作者】高志鹏；
【导师】陈维毅；
【作者基本信息】太原理工大学，固体力学，2014，博士
【关键词】初张力；单轴拉伸实验；有限元；数学优化；力学建模；

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