[發明專利]基于調和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法

有效

• 申請號: 201710085497.5
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106909724B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 廖勝輝;李志平;劉熙堯;鄒北驥
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G06T17/00
• 代理公司: 深圳市中原力和專利商標事務所(普通合伙) 44289
• 代理人: 謝芝柏

本發明公開一種基于調和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法，包括以下步驟：采用高精度激光掃描得到特定患者鞏膜立體模型；對所述立體模型指派鞏膜權值、設計傘算子，得到調和場；為調和場設置約束條件，分布調和場的梯度場和等值線場；通過梯度場和等值線場平滑地分布規則六面體網格在非規則鞏膜上；對立體模型設置基于調和場的各向異性材料參數；對比實驗結果。本發明的基于調和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法可以為特定患者鞏膜進行有效建模，加入了各向異性材質方向場，不但保證了建模精確質量高，而且可以對非規則半球鞏膜建模進行個性化參數設置。

技術領域

本發明涉及三維有限元建模和醫學成像的交叉技術領域，具體地，涉及一種基于調和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法。

背景技術

最近，研究人員專注于理解鞏膜生物力學的特性，因為鞏膜和篩板的生物力學特性決定了視神經乳頭的生物力學變化，這種特性在處理由于眼內壓增大所導致的視網膜神經細胞缺失和視神經損傷上扮演著著重的角色。

眼球后部包括三層：鞏膜、脈絡膜、視網膜，其中鞏膜最厚，視網膜最薄。對鞏膜、脈絡膜、視網膜施加同樣的壓力，它們的切線模量在不同數量級上，其中鞏膜最高。因此，鞏膜在維持眼球形狀上扮演著至關重要的角色。鞏膜包裹著眼球，它由纖維組織組成，由幾乎完全平行且交錯的稠密帶狀原蛋白組成，這些原蛋維持著鞏膜的生物力學特征。研究發現，大部分動物鞏膜組織的許多相似的特征在結構上都是各向異性的。在后部和視神經乳頭周圍區域，鞏膜纖維幾乎是呈環狀面的，但不與前部和赤道部區域對齊。環狀面鞏膜纖維可能充當一個增強環去防止視神經乳頭的變形。鞏膜膠原纖維的生物力學特性可展示各向異性對外力的反應。

一些研究采用規則的映射六面體網格去生成相同厚度的規則半球型鞏膜，這一策略并不能適用于特定幾何結構的鞏膜。Pandolfi等人開發了一種基于參數的人類角膜網格生成器。它基于一個二維的網格生成算法，這個網絡生成器構造出了角膜的結構。這個雙錐形函數的輸入限定在幾個幾何參數，這些參數描述了角膜的內、外表面。但是真實的鞏膜形狀并非規則的，并且形狀對鞏膜內部區域的厚度變化有重要影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種可以為特定患者鞏膜建模的方法。

本發明所采用的技術方案為：一種基于調和場的各向異性特定患者鞏膜有限元建模方法，包括以下步驟：

S1、采用激光掃描得到特定患者鞏膜立體模型；

S2、對所述立體模型指派鞏膜權值、設計傘算子，得到調和場；

S3、為所述調和場設置約束條件，分布所述調和場的梯度場和等值線場；

S4、通過所述梯度場和所述等值線場平滑地分布規則六面體網格在所述鞏膜上；

S5、對所述立體模型設置基于所述調和場的各向異性材料參數；

S6、通過IA-FEMesh生成器在所述鞏膜上生成目標網格，將所述目標網格與所述規則六面體網格進行實驗結果對比。

優選的，在步驟S2中，指派所述鞏膜權值其中j∈N(i)表示與點i相鄰的頂點集，α_ij和β_ij表示相對邊的角度；設計所述傘算子得到所述調和場Δf＝0。

優選的，在步驟S3中，設置約束條件全局最小值賦值給所有約束最小值，全局最大值賦值給所有約束最大值。

優選的，所述步驟S5中，在所述鞏膜的立體模型的每一個單元設置一個本地坐標系，其中，將環狀方向作為X軸方向，梯度方向作為Y軸方向，環狀方向與梯度方向的交點方向作為Z軸方向，所述Z軸方向用于表示所述鞏膜的厚度方向，對于所述鞏膜的各向異性彈性參數，設Ex＝8.6MPa，Ey＝6MPa，Ez＝2.5MPa。