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眼角膜生物力学性能非破坏性检测技术研究

作　者: 张学勇
导　师: 卢荣胜
学　校: 合肥工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 眼角膜生物力学性能非破坏性测试压平法三维数字图像相关方法
分类号: TH786
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

精确测量角膜的生物力学性能如应力、应变、应力松弛、弹性模量、迟滞和蠕变性能以及眼壁硬度等在眼科临床对指导近视眼准分子激光角膜屈光手术、青光眼及角膜疾病的诊治等具有广泛的参考和应用价值。现有的一些角膜生物力学特性检测方法如角膜拉伸法、角膜膨胀法、光学干涉法以及整个眼球的灌注测试法等,由于都是对角膜进行离体测量,破坏了角膜固有的生理环境和结构特征,因而这些技术都不能真实反映角膜的在体生物力学性能。眼反应仪虽然可以实现角膜滞后和阻力特性的在体测量,但是由于没有建立与经典角膜力学参量如弹性模量、应力和应变等的定量关系,在眼科临床的实践中也缺乏具体的指导作用。因此,开展在体非破坏性的角膜生物力学性能检测技术与有关理论和应用研究,具有重要现实意义。本论文工作是在安徽省自然科学研究项目“眼角膜生物力学特性在体测量方法及实验研究”(11040606M128)和安徽省教育厅自然科学基金项目“角膜组织生物力学性能在体非破坏性检测技术与应用研究”(KJ2011z060)的支持下进行的,论文对角膜生物力学性能非破坏性检测方法及关键技术进行了深入的研究。(1)介绍了传统的压平和压陷眼压检测及最近发展的新型眼眼压测量技术中有关角膜变形的检测方法。重点研究了压平式眼压计工作原理及其在角膜变形检测中的应用,压平式眼压测量技术对在体角膜变形检测具有非损害、测量速度快和精度高等优点。对角膜组织的几何结构、材料和生物力学性能等参量与眼压的关系进行了全面分析,研究一种可同时动态连续在体测量角膜变形压平面积、角膜压平力和角膜变形压平位移的角膜变形压平眼压式测量新方法。研究角膜压平力测量和角膜变形压平面积或位移测量的关键技术,并构建新型角膜变形压平眼压式实验检测装置,最后与“金标准”Goldmann压平式眼压计进行了眼压对比实验研究。结果表明,两者测量值有很好的一致性,证明角膜变形压平式眼压检测装置在压平式眼压测量时可以实现对角膜变形压平的面积、角膜压平力、眼压与角膜变形压平位移同时动态在体检测。(2)依据压平式眼压测量时眼角膜受力与变形情况分析,采用角膜壳体模型从理论上推导出角膜的弹性模量与角膜变形压平面积、眼压测量值及真正眼内压之间的定量关系,并研究角膜弹性模量压平式检测方法。通过角膜变形压平眼压式测量装置,对角膜材料的弹性模量和蠕变力学行为进行了实验研究。结果表明,角膜弹性模量压平式检测方法可以对角膜的弹性模量及角膜黏弹力学蠕变行为进行有效地非破坏性检测。(3)研究了角膜变形压平位移、压平力和眼壁硬度的关系,以及眼壁硬度在体压平法检测技术。利用角膜变形压平眼压式测量装置对不同眼球在不同眼压下的角膜压平力及角膜变形压平位移进行了实验检测。初步研究结果表明在相同的角膜变形压平面积时,眼球呈现不同的压平力-压平位移曲线,该技术可以实现“个体化”人眼壁硬度在体非破坏性测量。(4)数字图像相关方法是一种非接触全场光学检测方法,具有光路简单、量程局限小、全场测量等优点,非常适合生物软组织力学性能测量。研究基于双目立体视觉的三维数字图像相关方法(3-D Digital Image Correlation,3-D DIC)测量的一些基本理论与技术实现,利用电子万能试验机,分别以不同速率对软管生理盐水液柱高度进行线性控制，模拟在体眼内压的变化,采用三维数字图像相关方法对不同眼内压载荷情形下的角膜变形情况进行非接触和非破坏性的全场测量,对角膜变形及角膜的蠕变、滞后和松弛等生物力学行为进行了系统实验研究。结果表明采用3-D DIC方法可以完成角膜生物力学性能非破坏性检测。(5)角膜是黏弹性材料,同一角膜其弹性模量会随荷载的变化而稍显不同,利用拉伸装置对角膜进行拉伸的同时,采用3-D DIC等光学检测方法虽然可以用来进行离体角膜应力检测,但由于拉伸角膜具有破坏性,因而该技术不能真实检测角膜的力学性能,不具有实用性。采用结构力学中的壳体模型对角膜进行假设,基于薄膜理论的应用,给出一个简单的只采用3-D DIC方法即可完成角膜表面应力检测的新方法。通过角膜膨胀实验,研究结果表明，利用3-D DIC采集的角膜变形位移数据能够实现对模拟眼角膜在眼内压作用下的径向和环向应力分布进行非破坏性检测。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
致谢  13-22
第一章绪论  22-38
  1.1 课题研究背景  22-26
  1.2 角膜的结构及其生物力学性能概述  26-30
    1.2.1 角膜的解剖结构  26-27
    1.2.2 角膜组织生物力学性能  27-30
  1.3 角膜生物力学性能国内外研究现状与分析  30-35
    1.3.1 角膜材料微观组织结构研究  30-31
    1.3.2 有关角膜生物力学性能的检测技术  31-35
      1.3.2.1 角膜膨胀测试技术  31-32
      1.3.2.2 角膜拉伸测试技术  32-33
      1.3.2.3 整个眼球的灌注测试技术  33-34
      1.3.2.4 活体检测技术  34-35
  1.4 课题来源及论文主要研究内容  35-38
    1.4.1 课题来源  35
    1.4.2 论文主要研究内容  35-38
第二章角膜三维变形压平眼压式测量方法  38-70
  2.1 压平式眼压计工作原理及其在角膜变形中的应用  38-45
    2.1.1 压平式眼压计工作原理  39
    2.1.2 压平式眼压计中的角膜变形检测  39-41
    2.1.3 其它眼压计中的角膜变形测量  41-45
  2.2 新型智能化角膜变形压平式眼压检测装置的设计  45-68
    2.2.1 光学检测单元  46-64
      2.2.1.1 测头(圆台棱镜)设计  46-47
      2.2.1.2 角膜变形压平直径测量  47-51
      2.2.1.3 光学探头定位对角膜变形压平直径测量值的影响  51-58
      2.2.1.4 角膜变形压平面积测量  58-64
    2.2.2 力学检测单元  64-65
    2.2.3 电路处理单元  65-66
    2.2.4 角膜变形压平式眼压检测装置标定与对比实验  66-68
      2.2.4.1 装置标定  66-67
      2.2.4.2 与GAT对照实验  67-68
  2.3 本章小结  68-70
第三章角膜弹性模量的压平法检测  70-78
  3.1 引言  70
  3.2 角膜变形与弹性模量的关系  70-73
  3.3 角膜弹性模量和蠕变压平法检测技术  73-74
    3.3.1 角膜弹性模量检测  73
    3.3.2 角膜蠕变力学性能检测  73
    3.3.3 实验装置  73-74
  3.4 实验结果及分析  74-76
    3.4.1 角膜材料的弹性模量  74-75
    3.4.2 角膜材料的蠕变力学性能  75-76
  3.5 本章小结  76-78
第四章压平法眼壁硬度检测方法  78-86
  4.1 引言  78-79
  4.2 角膜变形与眼壁硬度的关系  79-80
  4.3 眼壁硬度压平法检测技术  80
  4.4 实验研究与分析  80-85
    4.4.1 实验步骤方法  80-81
    4.4.2 实验结果  81-84
      4.4.2.1 角膜压平力力和眼角膜变形压平位移关系曲线  81-84
      4.4.2.2 眼壁硬度值评估  84
    4.4.3 讨论  84-85
  4.5 本章小结  85-86
第五章角膜生物力学行为3-D DIC检测法  86-116
  5.1 引言  86
  5.2 三维数字图像相关(3-D DIC)方法  86-97
    5.2.1 双目立体视觉三维测量原理  86-87
    5.2.2 摄像机成像数学模型及标定  87-92
    5.2.3 三维空间坐标重构及三维轮廓形貌测量  92-94
    5.2.4 基于图像灰度相关的对应点匹配  94-95
    5.2.5 位移计算  95-97
  5.3 角膜生物力学性能3-D DIC检测技术  97-113
    5.3.1 3-D DIC实验装置  97-99
    5.3.2 实验方案  99-102
      5.3.2.1 预调测试  99-100
      5.3.2.2 蠕变测试  100-101
      5.3.2.3 松弛性能测试  101-102
    5.3.3 实验结果与分析  102-113
      5.3.3.1 角膜参考构图  102-104
      5.3.3.2 变形角膜三维轮廓  104-108
      5.3.3.3 不同眼内压下角膜离面位移(z向位移分量)  108
      5.3.3.4 角膜表面不同区域离面位移  108-110
      5.3.3.5 角膜滞后性能  110-111
      5.3.3.6 角膜蠕变性能  111-113
      5.3.3.7 角膜松弛特性  113
  5.4 本章小结  113-116
第六章角膜应力3-D DIC法检测  116-124
  6.1 引言  116
  6.2 角膜应力与角膜变形的关系  116-118
  6.3 角膜应力3-D DIC法检测技术  118-120
    6.3.1 测量原理  118-119
    6.3.2 实验步骤方法  119-120
  6.4 实验结果与分析  120-122
    6.4.1 角膜顶点位移与眼内压关系曲线  120
    6.4.2 不同眼内压荷载下的角膜径向、环向应力分布  120-122
  6.5 本章小结  122-124
第七章总结与展望  124-128
参考文献  128-140
附录A 攻读博士学位期间发表的论文  140-141
附录B 攻读博士学位期间参加的科研项目  141

眼角膜生物力学性能非破坏性检测技术研究

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