一种角膜内皮细胞有限元模型的建立方法

技术领域

本发明涉及模型设计领域，特别是涉及一种角膜内皮细胞有限元模型的建立方法。

背景技术

角膜内皮细胞是角膜的最内层细胞，为单层六边形细胞，它对于保持角膜透明度和正常视觉功能具有重要作用。角膜内皮细胞密度以每年0.3％～0.6％的速度缓慢下降，如遇到创伤、内眼手术等则内皮细胞的损失更多。损伤后的内皮细胞通过扩大移行进行修复，如角膜内皮细胞损失过多，内皮的代谢泵功能失代偿可引起角膜水肿，细胞间紧密连接断裂或者缺失，细胞部分边界缺失、融合，屏障功能降低，临床上即表现为角膜内皮功能失代偿。在角膜疾病的诊断和治疗中，角膜内皮细胞的形态和数量往往是重要的参考指标。

目前，大量研究着重关注角膜内皮细胞密度和六边形细胞占比。然而临床发现存在大量细胞密度高但角膜已明显水肿或细胞密度低但角膜仍处于透明状态的现象，表明当前角膜内皮细胞形态检查的方法不能准确反映细胞功能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种角膜内皮细胞有限元模型的建立方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种角膜内皮细胞有限元模型的建立方法，包括：

将标准角膜模型导入有限元前处理软件中，并生成2d网格，以得到基础网格模型；

导入角膜内皮细胞详细几何模型；

根据所述基础网格模型和所述详细几何模型确定完整的角膜内皮细胞模型；

根据所述完整的角膜内皮细胞模型进行计算。

优选地，所述生成2d网格，包括：

选择角膜内皮表面生成2d网格，最小网格尺寸为2μm，最大网格尺寸为368μm，作为基础网格模型，模型中间网格尺寸为2μm，在径向上逐渐增大；

使用过渡网格划法，保持单元全部为四边形单元；

删除中间的网格，作为基础网格，留出469μmⅹ324μm空间，以替换详细细胞模型。

优选地，在导入角膜内皮细胞详细几何模型之后，还包括：

根据所述详细几何模型生成2d网格；网格尺寸为2μm。

优选地，根据所述基础网格模型和所述详细几何模型确定完整的角膜内皮细胞模型，包括：

使用梁单元模拟细胞之间的连接蛋白；

将详细几何模型生成的网格投影到角膜内皮表面上，使详细几何模型贴合角膜内皮表面；

将基础网格模型和详细网格模型连接，组成完整的角膜内皮细胞模型；

将所有网格投影到角膜内皮表面，完整网格模型是贴合角膜内皮细胞表面。

优选地，根据所述完整的角膜内皮细胞模型进行计算，包括：

在有限元模拟软件中给角膜内皮细胞模型赋予材料及截面属性，材料本构选择Neo-Hooke，材料参数C10设置为173Pa，材料参数D1设置为0.00061/Pa，并为内皮细胞定义厚度为5μm；

细胞之间的连接为梁单元，给梁单元赋予圆形截面；所述圆形截面的半径为1μm；

将角膜内皮细胞最外圈节点约束X、Y和Z方向平动自由度，以固定所述完整的角膜内皮细胞模型；

选择角膜内皮细胞模型，施加压力2E-07MPa，以模拟眼压；

在所述有限元模拟软件中提交计算，得到计算结果。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种角膜内皮细胞有限元模型的建立方法，包括：将标准角膜模型导入有限元前处理软件中，并生成2d网格，以得到基础网格模型；导入角膜内皮细胞详细几何模型；根据所述基础网格模型和所述详细几何模型确定完整的角膜内皮细胞模型；根据所述完整的角膜内皮细胞模型进行计算。本发明能够提高建立角膜内皮细胞有限元模型的效率及效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的标准角膜几何模型内表面示意图；

图3为本发明实施例提供的网格尺寸过渡示意图；

图4为本发明实施例提供的基础网格模型示意图；

图5为本发明实施例提供的PKP术后代偿期角膜内皮细胞详细几何模型示意图；

图6为本发明实施例提供的PKP术后失代偿期角膜内皮细胞详细网格模型示意图；

图7为本发明实施例提供的梁单元连接示意图；

图8为本发明实施例提供的角膜内皮细胞完整模型示意图；

图9为本发明实施例提供的基础模型与详细网格模型连接示意图；

图10为本发明实施例提供的角膜约束示意图；

图11为本发明实施例提供的压力示意图；

图12为本发明实施例提供的正常角膜内皮细胞网格模型示意图；

图13为本发明实施例提供的正常人角膜单个内皮细胞第一主应力云图(MPa)；

图14为本发明实施例提供的实施例细胞边梁单元示意图；

图15为本发明实施例提供的实施例PKP术后失代偿期角膜内皮细胞网格模型示意图；

图16为本发明实施例提供的实施例PKP术后失代偿期人角膜单个内皮细胞第一主应力云图(MPa)；

图17为本发明实施例提供的实施例细胞边梁单元示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中，针对适用的病例或者病种范围并不进行区分和限定，即如青光眼等疾病涉及到内皮的都适用于本实施例中所涉及的方法。

图1为本发明实施例提供的方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种角膜内皮细胞有限元模型的建立方法，包括：

步骤100：将标准角膜模型导入有限元前处理软件中，并生成2d网格，以得到基础网格模型；

步骤200：导入角膜内皮细胞详细几何模型；

步骤300：根据所述基础网格模型和所述详细几何模型确定完整的角膜内皮细胞模型；

步骤400：根据所述完整的角膜内皮细胞模型进行计算。

具体的，眼角膜包含内皮细胞层、连接蛋白、后弹力层、基质层、前弹力层和上皮细胞层，考虑校核方式、计算精度和计算效率等因素，角膜内皮细胞有限元模型的建立方法有多种，在模型层次和面积上有不同的体现。本实施例中的模型包含角膜内皮细胞层和连接蛋白，模型面积和完整内皮细胞层面积相同；具体实施过程如下：

1、将标准角膜模型导入有限元前处理软件Hypermesh中。见图2所示。

2、选择角膜内皮表面生成2d网格，最小网格尺寸为2μm，最大网格尺寸为368μm，作为基础网格模型，模型中间网格尺寸为2μm，在径向上逐渐增大，使用过渡网格划法，保持单元全部为四边形，见图3，删除中间的网格，作为基础网格，留出469μmⅹ324μm空间，以替换详细细胞模型，见图4。

3、导入穿透性角膜移植术(penetratingkeratoplasty，PKP)后，以下简称PKP，代偿期角膜内皮细胞详细几何模型，见图5；并生成2d网格，网格尺寸为2μm，见图6。

4、细胞之间的连接蛋白使用梁单元模拟，见图7中黑色连接处为梁单元。

5、将详细模型生成的网格投影到角膜内皮表面上，使详细模型贴合角膜内皮表面，如图8所示。

6、将基础网格模型和详细网格模型连接，组成完整的角膜内皮细胞模型，见图7，基础模型与详细网格模型连接见图9。

7、将所有网格投影到角膜内皮表面，完整网格模型是贴合角膜内皮细胞表面。

8、将完整角膜内皮细胞模型导出inp文件。

9、将inp文件导入到仿真软件Abaqus中。

10、在Abaqus中给内皮细胞网格模型赋予材料及截面属性，材料本构选择Neo-Hooke，材料参数C10设置为173Pa，材料参数D1设置为0.00061/Pa，为内皮细胞定义厚度为5μm。

11、细胞之间的连接为梁单元，给梁单元赋予圆形截面，半径为1μm。

12、将角膜内皮细胞最外圈节点约束X、Y和Z方向平动自由度，见图10，以固定角膜内皮细胞完整模型。

13、选择角膜内皮细胞模型，施加压力2E-07MPa，见图11，模拟眼压。

14、提交计算，计算完成后即可查看结果。

本实施例中模型可为正常人角膜内皮细胞模型，将正常人角膜内皮细胞详细几何模型导入Hypermesh中，之后的步骤按照本方案中的步骤进行，模型见图12，提交计算，查看结果。细胞顶角角度不同，顶角的第一主应力不同(见图13)，提取其中一个角的角度及第一主应力，结果为120.212°和163.98MPa。提取细胞边上的梁单元的轴力求和(F)，并除以边长(L)，作为细胞边上单位长度的力，体现边长和受力的情况，见图14，提取结果，计算F/L为7.14E-10N/μm。提取细胞边长和边上平均应力值，体现细胞边上应力的不同，见图13，提取其中一条边上第一主应力的平均值，结果为158.330Pa。

本实施例中模型还可为PKP术后失代偿期人角膜内皮细胞模型，将PKP术后失代偿期人角膜内皮细胞详细几何模型导入Hypermesh中，之后的步骤按照本方案中的步骤进行，模型见图15，提交计算，查看结果。细胞顶角角度不同，顶角的第一主应力不同，见图16，提取其中一个角的角度及第一主应力，结果为131.624°和164.40MPa。提取细胞边上的梁单元的轴力求和(F)，并除以边长(L)，作为细胞边上单位长度的力，体现边长和受力的情况，见图17，提取结果，计算F/L为7.96E-10N/μm。提取细胞边长和边上应力值，体现细胞边上应力的不同，见图16，提取其中一条边上第一主应力的平均值，结果为162.289Pa。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。