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我国现阶段晶状体建模与仿真的研究现状 摘要：随着科技的发展，计算机和信息技术在医学与生物的研究中扮演了越来越重要的角色。从基因构成到蛋白质的三维结构，再到细胞、组织以及器官的形态与功能，对人体信息的完整描述己经提到科学研究日程上来了。利用信息技术实现人体从微观到宏观的结构和技能的数字化、可视化，最终达到人体的精确模拟，将对医学、生物学及其他人体相关学科的发展起到难以估计的影响，以人体科学为中心的科学技术将以前所未有的速度发展。 关 键 词：晶状体；虹膜；囊膜；手术仿真 建立虚拟眼的“晶状体组件”涉及到其形态和功能两方面的研究内容。形态研究包括对晶状体及其周边组织的几何形态数据进行测量，涉及到医学中的眼科检查和生理解剖。功能研究则需要以晶状体几何形态数据和生物组织材料力学特性数据为基础，建立晶状体的物理仿真模型，研究涉及到晶状体形态变化的内容，如研究睫状体肌肉、悬韧带和晶状体三者之间力的相互作用关系，进行调节机制的研究，模拟晶状体的屈光功能，研究房水对晶状体的影响，乃至实现具有基本视觉功能等。功能研究涉及的内容包括生物组织力学特性的测量、晶状体的形变模拟、调节仿真模型等。 1晶状体的形态研究 形态数据是建立仿真模型的基础，通过直接或间接对晶状体及其周边组织(如睫状体)形态特征的测量得到的。由于活体状态下晶状体位于眼球内部，无法对其形态和结构进行直接的测量，需要通过光学或是其他成像设备进行间接观察。常用的设备有裂隙灯、超声成像、核磁共振成像等。裂隙灯是眼科常用的检查设备，可以很方便获取晶状体的图像，从而对其形态特征进行测量分析。BrownI32，3刀利用裂隙灯测量了11岁、29岁、45岁晶状体的若干主要特征参数，包括，前、后极处曲率半径，前、后边缘曲率半径，晶体和核厚度等。M.n曲比lman， aL.M劝de:Heijde和H.A.weeber测量了数十例晶状体的厚度、前房深度和前、后光学半径。裂隙灯可以获得清晰的晶体图像，但也存在缺陷:第一，由于活体状态下晶状体受到虹膜的遮挡，无法直接观察到晶状体的直径和睫状体形态;第二，角膜和房水对光线的折射作用会给测量带来误差。超声成像和核磁成像则可以避免上述不足，但是他们的分辨率太低，不能精确地测量调节时晶体的形变。 J.W.Rohen用电子显微镜研究了人和猴子的悬韧带，K.Ludwig，E.wegseheider， J.RHoops和A.Kampikl使用超声研究了睫状体的形态，S.A.Strenk， J.L.selnlnfow.LM·Strenk· P.Mtlnoz，J.Gronlund一Jac吵和J.K.DeMarcot39]等使用咖研究了睫状体的半径。这些研究通过获得的晶林体、睫状体和悬韧带图像来研究他们的形态。 对离体的尸眼进行解剖学的研究是研究眼球和晶状体的另一重要手段，它可以提供比活体研究丰富得多的信息。国内外学者在这方面开展了大量的研究工作，代表性的有:E.EFinchaml在1937年对晶状体的轮廓进行T详细的测量， R.EFisher和B.E.Pettet在1972测量了囊膜的厚度变化，梁皓、谭少健等对中国青年尸眼晶状体、悬韧带和睫状体的主要特征参数进行了测量和统计学分析，张东东、韩淑云、梁衍锋、韩曦和陈乃峰等从解剖学上对睫状体进行了研究，饶枣英对睫状体的形态和理化特性进行了阐述。尸体眼研究比活体研究能够提供更多的信息，但是由于它并不是处在正常状态，这样得到的数据不能真实地反映了活体状态下的晶状体形态，结果存在一定的误差。 由于晶状体的外形比较规则，使得用比较简单的曲线描述其外轮廓成为可能。 GSmith，B.K.Pierscinnek和D.A.Aichison[48l使用圆锥曲线来拟合晶状体的光学区，但是圆锥曲线无法拟合整个晶状体轮廓。H.J.Burd，5.J.Judge和J.A.CrossI49)利用多项式加圆弧的形式来拟合，取得了不错的拟合效果。VictorWaShun梦0]则利用分段多项式来拟合，使其满足一定的连续性条件。He恻 kT.Kasprzak在2000提出用双曲余弦函数来拟合，提供了新的思路。无论采取哪种形式，都要符合晶体轮廓外形的基本要求:满足一定的连续性，在特定点满足给定的曲率约束。 对于睫状体和悬韧带，由于其形状非常复杂，因此无法用简单的曲线来拟合。未见有使用数学工具对其形态做分析的报道。 2晶状体的生物力学性质研究 目前的检查设备无法测得活体状态下晶状体各组成部分材料的物理属性，需要通过对尸体眼的研究获得了这方面的信息。 R.EFishe:首先测量了尸体眼晶状体囊膜、皮质和核的杨氏模量及泊松比，后来又测量了睫状体肌肉的收缩力。susanne枷g，Troels T.Andreassen， T.Olsen等的一系列实验研究了囊膜的物理属性，描