基于角膜生物力学与形变精准量化的个性化眼模型对角膜屈光手术后视觉光学变化机制的研究

Corneal refractive surgery, as one of the main approaches of visual correction at present, attracts millions of patients to accept such an operation each year. Although the clinical results of corneal refractive surgery have been confirmed, the optical complications after surgery still have not been solved yet. Our study group have been dedicated to the cross research of visual optics and physical optics over the years and have constructed the wide field of vision model based on the chromatic aberration successfully, recently in the study of optical complications, we discovered that the postoperative higher-order aberrations had intrinsic relationship with preoperative corneal viscoelastic and corneal deformation factors. Based on the previous studies, with the corneal biomechanical researching methods, our study group is intend to establish the constitutive equation for the description of the relationship between corneal tissue internal force and the corneal deformation evaluation, to determine the material constitutive parameters of the cornea using fresh human corneal lens, and set up corneal three-dimensional finite element numerical model on this basis, simulate postoperative corneal deformation characteristics accurately combined with clinical data, finally build the eye optical imaging model based on corneal tissue deformation , quantitatively study the biomechanical influence and the mechanism on the wavefront aberrations and other optical properties, and achieve the theoretical basis of preoperative intervention and personalized design based on comprehensive consideration of corneal biomechanics and quantitative physical optics model. So as to put forward new ideas and solutions which are in combined consideration of physical optics, biomechanics and ophthalmology for the control of refractive surgery complications.

角膜屈光手术是目前视觉矫正的主要手段之一，每年接受该类手术的患者数以百万计，虽然临床效果得到肯定，但手术后光学并发症仍是本领域尚未解决的难题。本课题组多年致力于视觉光学与物理光学交叉研究并成功构建了基于色像差、大视场等眼光学模型，近期在光学并发症的研究中，发现患者术后高阶像差与术前角膜粘弹性及角膜力学等形变因素存在内在关系。本项目拟在前期研究基础上，运用生物力学方法，建立描述角膜组织内力与形变量化关系的本构方程并利用新鲜人眼角膜透镜组织确定角膜材料本构参数，在此基础上建立角膜高仿真三维有限元数值模型，结合临床数据精确模拟术后角膜形变特点，最终构建基于角膜组织材料变形的眼光学成像模型，定量研究人眼波前像差等光学特性的生物力学影响及机制，实现基于角膜生物力学和物理光学模型定量综合考虑的术前干预与个性化手术设计。为控制手术并发症提供物理光学、生物力学与眼科学相结合的新方法与新途径。

屈光手术承载着人们对于视觉质量的需求，每年全球数以百万计的患者接受此类手术，虽然临床效果得到肯定，但手术后光学并发症仍是本领域尚未解决的难题。角膜屈光手术是通过手术切削角膜组织改变角膜面型，从而达到光学屈光改变，然而角膜并非一刚性组织，越来越多研究显示，手术中组织的切削和重塑会使角膜力学重新分布，导致角膜发生胶原纤维受力后扩张等生物力学改变，甚至影响其术后视觉质量。研究已证实术前较弱的角膜力学及结构特性将引起术后角膜表面更明显的形变，进而产生更大的光学变化。因此，角膜屈光手术最终视觉改变不仅依赖于光学矫正还与术后角膜的形变等生物力学问题密切相关，但其变化规律尚不清楚。.本研究以角膜生物力学特性为突破点，将生物力学作用引发角膜形变进而影响视觉成像加以考虑并予以数字化量化评估，解决屈光手术相关并发症的发生机制与可能的干预途径。拟利用飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术中所得透镜，通过轴向拉伸实验建立真实人眼生物力学本构方程，了解人眼角膜基质生物力学参数，分析角膜屈光手术后角膜形态改变的分布特点，精确预测术后视觉质量，实现既考虑光学因素又考虑力学因素的真正的、更精准的个性化手术设计。.本研究在项目实施期内按研究计划已完成项目所涉及的所有相关研究内容，首次利用小切口角膜基质透镜取出术中所得透镜，开展轴向拉伸实验，建立真实人眼生物力学本构方程。同时通过构建加载生物力学乃至光学特性的更精准化个体眼模型，从力学引起形变的角度，将生物力学作用引发角膜形变进而影响视觉成像加以考虑并予以数字化量化评估。并将卷曲度的概念引入角膜屈光矫正领域，应用超弹性连续介质方法建立了全新的“胶原纤维卷曲本构模型”。通过对该本构参数建立的有限元模型进行数字化模拟分析，更好地预测超弹性生物软组织材料的生物力学形变。通过分析角膜屈光手术后角膜形态改变的分布特点和程度，进一步研究了角膜生物力学特性对屈光手术后人眼视觉质量的影响。课题组经过三年的努力，取得了丰硕的研究成果，在国内外专业期刊共发表学术论文54篇其中 SCI 论文36篇，北大中文核心期刊论文18篇；应邀在美国哈弗大学以及斯坦福大学进行学术交流，影响力显著。通过本课题共培养博士研究生12名，硕士研究生19名，本课题研究结果将角膜生物力学引入角膜屈光手术术后视觉质量评估领域，为相关研究奠定基础，对相关专业发展具有一定的指导意义。