摘  要  

撞击导致人眼视网膜脱落或撕裂是一种经常发生的现象。该研究项目旨在了解当受到钝性冲击时，人眼发生动态变形的实际过程。在本项目中，使用真实人眼的3D测量数据，在Dytran软件中建立了有限元分析模型，然后将人眼模型的仿真结果与不同时刻的变形测量结果以及弹丸撞击后在回弹阶段的剩余速度进行了比较。

  背  景  

60%以上的眼部损伤是由钝性撞击造成的，即与各种物体的撞击，但未导致眼球穿孔。这些损伤的临床表现差别很大，包括视网膜破裂、脉络膜破裂（视网膜和巩膜之间的组织）、视网膜撕裂和视网膜脱落、黄斑裂孔和透析等。人眼的主要结构见图1。

图1：人眼的主要结构：C）角膜，S）巩膜，L）晶状体，R）视网膜，B）睫状体；M） 黄斑，V）玻璃体，H）玻璃体基底。

尽管这类损伤的临床现象学已经得到了准确的描述，但与钝性撞击相关的视网膜和脉络膜病变的机理尚未完全了解。在解释钝性撞击对眼睛内部结构的损伤机理的理论中，最被广泛接受的是“玻璃体弦拉-牵引”理论。根据这一理论，当眼球在撞击方向受到挤压时，巩膜在正交方向上的扩张在由玻璃体的粘性作用所支撑的内部结构中产生关键应力，玻璃体是包含在主眼窝中的果冻状流体。这一机制将解释为什么视网膜撕裂主要发生在玻璃体基底，即视网膜和脉络膜之间的周向连接附近和黄斑附近。

根据一名患者的确认，尽管他已经切除了玻璃体，但由于钝性撞击造成了一个清晰的黄斑洞，我们决定更详细地研究这一现象，以便在Dytran模拟的帮助下验证损伤机制的各种假设。我们特别模拟了人眼在受到钢球撞击所产生的钝性冲击时的行为，将仿真结果与文献实测数据进行比较，验证了模型的有效性。然后使用该模型研究撞击过程中产生的动态应力波强度，以评估视网膜故障的主要缘由。

  仿 真 模 型  

图2：眼睛的3D网格-每种颜色代表不同的子结构。

在Dytran软件的帮助下，基于人眼的平均尺寸建模，生成了眼球的计算模型。之所以在市场上可用的不同显式求解器之间选择了Dytran，主要是因为其先进的流体-结构耦合能力。假设以包含纵轴的球体子午线部分为对称平面，创建了一个半眼球模型，包括可能影响其动态行为的所有子结构和组织：角膜，巩膜，房水和玻璃体，晶状体，睫状体和小带。视网膜建模成一个与巩膜相连的薄层，厚度恒定，为0.2mm。相关的3D网格，如图2所示，由6912个实体单元组成。将直径为4.5 mm的球形弹丸建模为刚体，用于模拟常规的撞击，弹丸以62.5米/秒的速度沿纵向撞击角膜顶点（图3）。

   图3：纵向撞击模拟示意图。

  材 料 模 型  

考虑到所有生物材料的物理和机械性能的复杂性和可变性，这些物理和机械特性强烈依赖于组织的水合作用以及在表征测试中如何模拟它们，使用Deloria等人在1967年通过对人眼的非穿透冲击试验获得的实验结果进行了相关识别。在本例中，由射弹穿透引起的角膜顶点随时间变化的位移实验值被用作参考。

此外，采用“Occam’s Razor”的方法学原理来描述所有组织的本构模型行为。这一原理可以使描述的现象达到所需精度时所需的参数数量最少。

对组织的描述是基于线性弹性材料模型(忽略所有粘弹塑性效应)和线性状态方程。玻璃体采用带阻尼的粘弹性流体建模。晶状体和脉络膜通过线性状态方程描述。然后通过反向校准过程来识别模型参数，该过程使用Deloria等人产生的实验测量值作为目标函数。图4和图5显示了实验值与数值模型优化响应的对比。

  仿 真 结 果   

通过对模拟得到的结果进行仔细检查后发现，由于钝性撞击而发生的视网膜破裂大多数位于黄斑区和玻璃体区域，但很少影响中纬线区域。为了充分理解模拟结果，选取了三个关注点并提取了压力值，如图6。图6显示：撞击产生的压力波在眼内传播，并被反射为牵引波，因此主要影响眼底和黄斑。压力波在眼睛中的传播速度远远高于弹丸的速度，因此在撞击后的0.05毫秒内观察到拉伸压力的峰值(约0.6 MPa)，此时眼球还没有受到大变形的影响(图7)。撞击后不久(时间= 0.1毫秒)，由于弹丸的穿透，巩膜开始受到大变形的影响。这导致黄斑区受到压迫，而玻璃体区主要受到牵拉。中纬线区域的压力比其他区域要低得多，这证实了该部分视网膜破裂的风险较低。

图6：黄斑区、玻璃体区和中纬线区三个点的压力变化(负压值表示牵引力)。 

   图7：撞击后0.03毫秒眼球内的压力波。

  结论及未来展望  

该项目的初步结果表明，视网膜的破裂主要是由于撞击后瞬间压缩波反射产生的拉力造成的，而不一定是由于整个眼睛的变形。由于有了可靠和经过验证的模型用于模拟，研究小组得以详细了解钝性撞击现象的发病机理，这一现象特别难以通过实验室物理测试以受控和仪器测量的方式再现。这项研究的实际应用尤其适用于军事工业，例如为人员和直升机飞行员设计先进的迫降时的安全系统。