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本文主要从以下几方面进行了论述： 第一部分 LASIK数字预测模型的构建与临床验证 近视已成为严重的公共卫生问题，近视准分子激光角膜屈光手术（简称近视激光手术）是矫正近视的最常见术式，但术后高达7％的患者与预期矫正屈光度的差异超过±1.0D，手术精度有待提高。力学仿真模拟近视激光手术可用于预测手术效果，但因缺少详细的角膜切削方案和区域性角膜生物力学性能参数，降低了现有模拟的准确性。本研究将在眼球生物力学性能参数设置和手术方案数字化描述两方面加以改进，达到更为可靠与精确地预测术后角膜形态和角膜屈光力，评估近视激光手术矫治近视效果的目的。 研究步骤分为3步:①准确测量及合理设置角巩膜生物力学性能参数，基于以往离体人眼角膜和巩膜膨胀实验所得生物力学性能参数测量结果合理区域差异性设置受试者个性化的区域性角膜本构参量α和μ，降低角膜上皮层单元的本构参量，调整角膜基质愈合层单元生物力学性能参数的方式，对切削后角膜各区域的生物力学性能参数进行更为细致的分层再定义。②个性化有限元模拟近视激光手术，建立无应力状态下的个性化完整全眼球几何结构，使用前期编写的眼球三维建模软件构建理想化的完整全眼球几何结构，参照术前角膜高度和眼球轴向数据进行个性化调整，得到个性化的完整全眼球几何结构;在此结构及区域差异性和年龄相关性设置正常角巩膜本构参量的基础上，逆向建模反复迭代运算得到无应力状态下的完整全眼球几何结构。近视激光手术的有限元模拟，手工采点获取，数字描述临床手术方案，藉此调整无应力全眼球几何结构上相应节点的坐标，得到无应力状态下的切削后全眼球几何结构;选择合适的有限元分析参数，模拟得到近视激光手术后的角膜高度，使用光路追迹和最小弥散斑原理计算得到模拟切削后的角膜屈光力。③根据模型预测和临床检查的差异调整模型参数设置，收集临床数据，选择在我院屈光手术中心拟行近视激光手术的中度近视患者27例，收集患者手术前后眼球的生物参数包括角膜地形图、眼球轴向数据、屈光不正度数、Corvis ST测量等，术后1月随访资料完备的近视病例资料收集。调整优化模型的参数设置，根据模型预测和临床检查所得近视激光手术后角膜高度及角膜屈光力的差异验证模型的有效性，并对模型做不确定性分析;据此调整临床手术方案的数学描述、近视激光手术后角巩膜本构参量设置及有限元分析等参数设置，获取模型预测和临床检查差异最小的最优解决方案，得到具备较好术后预测性的个性化近视激光手术有限元预测模型。 研究结果显示:角膜上皮承受抵抗眼内压的作用非常有限，在眼内压作用下其上应力明显较角膜基质层要小;LASIK术后，角膜瓣大部分区域不再承担抵抗眼内压的作用，应力主要集中在角膜瓣蒂位置。术后角膜曲率预测方面，术后1月临床检查和“有限元数字模型”预测结果相比差异在统计学上没有显著性差异，而“形态切削模型”预测的术后角膜曲率较术后1月临床检查及“有限元数字模型”的预测结果为低。屈光不正矫正度数计算结果，术后1月临床检查和“有限元数字模型”预测结果相比差异在统计学上没有显著性差异，而“形态切削模型”预测结果和术后1月临床检查及“有限元数字模型”预测结果相比均有高估屈光不正矫正度数的情形。术后角膜高度值预测结果显示，术后1月临床检查和“有限元数字模型”预测结果的差异(均方根值，RMS)随着数据选择范围的扩大而增加，在角膜中央3 mm范围两者的差别小于2μm，有限元数字模型具备良好的预测性。 本研究所得结论:通过合理设置角巩膜区域性本构参量，利用临床收集的详细个性化角膜切削方案;有限元模拟近视激光手术。首次将模拟结果和大批量临床数据进行比对，证明本数字预测模型的有效性，较好地揭示了角膜力学行为影响近视激光手术后角膜形态及屈光力的作用机理;本研究所用建模方法可推广到其它屈光不正手术矫正和角膜屈光手术方式的数字模拟，可为术式改进和手术设备研发等方面提供依据。 第二部分 角巩膜生物力学性能区域差异性测量平台的创建 近视及圆锥角膜的发生发展与巩膜及角膜区域性生物力学性能改变密切相关，了解角巩膜生物力学性能的区域分布差异在眼部疾病诊断，眼科手术改进等方面具有重要意义。区域差异性是角巩膜组织的重要生物力学特征，然而受现有实验平台和分析方法的限制，无法提供全眼球角巩膜生物力学性能的区域差异分布。本研究搭建新型离体全眼球膨胀实验平台，提出全眼球一体化分析方法，探索全眼球角巩膜本构参量的区域差异分布。 本研究采用的方法涉及硬件平台的搭建和实验分析方法的探索两方面:①新型离体全眼球膨胀实验平台的搭建及验证，设计平台结构框架，设计透明软性明胶固定法模拟眼周组织支撑眼球并保持实验过程中测试样本的湿润状态，改善平台光学质量，Labview开发环境实现眼内施压与数据采集同步化，完成离体全眼球膨胀实验平台的搭建，并对该平台的可靠性、稳定性和精确性进行验证。②全眼球一体化分析方法的探索，眼球分离固定、眼内施压及采集数据后，提取眼球轮廓曲线用于个性化眼球建模，数字图像相关技术获取眼球各区域形变信息，逆向建模得到可准确描述各区域角巩膜组织力学关系的本构参量的计算结果。 研究结果证实，所搭建的平台硬件配合良好，软件运行稳定;图像分析提取眼球轮廓信息重构眼球立体模型方法的精度(均方根值为0.05mm)，DIC技术提取眼球形变的精度(均方根值为0.0017mm)，证实了平台所得结果的可靠性。软性透明凝胶其线性弹簧钢度为0.0001N/mm3，对眼球膨胀的阻碍作用可以忽略不计。采用的逆向建模一体化分析方法切实可行，成功测量分析了1例离体猪眼角巩膜组织的非线弹性和区域差异性特征，发现眼部组织各区域在压力作用下的形变并不一致，存在明显的区域差异性。采用逆向建模的方式，计算得到眼球各区域的本构参量正切模量本构参量α和μ，将之带入ogden方程可获得眼球各区域的材料硬度信息，角巩膜材料硬度区域差异性分布关系:角巩膜缘＞前部巩膜＞赤道部＞后部巩膜＞后极部巩膜＞中央区角膜＞中周边区角膜。 本研究成功搭建了离体全眼球膨胀实验平台，利用该平台探讨和分析了离体猪眼全眼球角巩膜本构参量的区域差异分布，结果合理可行，为角巩膜生物力学性能参数在眼科临床检查和诊断中的广泛应用奠定基础。