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1、太原理工大学 硕士学位论文 兔眼角膜巩膜动态性能实验研究 姓名：刘柱 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师： 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 兔眼角膜巩膜动态性能实验研究 摘 要 关于生物力学的研究已经渗透到医学界的各个领域，有许多学者致力 于角膜巩膜力学性质的研究，对角膜巩膜生物力学性质的研究，能使人们 更加了解某些疾病的本质。然而角膜巩膜生物力学特性的静态性能测试研 究的报导已有很多， 而关于角膜巩膜在动态载荷作用下的分析甚少。 本文 的目的是为了研究兔眼角膜巩膜在 0.3Hz 和 1Hz 频率动载荷作用的粘弹性 行为，测定其在交变应力作用下的响应，从而得出动态粘弹性能有关物理 量，并
2、为以后临床应用提供依据。 本文的主要工作如下： 首先,对不同年龄的 16 只新西兰试验白兔分别进行麻醉，待兔子麻醉 后，通过角膜厚度回声测定自动记录仪测量角膜的中心厚度。将兔子处死 后用专门的手术器械对兔子的眼球进行摘除，进而进行角膜巩膜实验条带 的制备。 其次， 在万能材料机 Instron 5544 上对角膜巩膜条带试件分别进行不同 频率的周期性动态加载，从而得出不同试件的实验数据，实验过程中将实 验试件没在能调节温度的生理盐水中，以维持试件正常的水合反应。 再次，把实验数据导入 Excel，拟合出各组试件的应力应变曲线，并通 过曲线得出应力应变函数。根据粘弹性理论以及动态粘弹性参数的物理
3、意 义，通过 Matlab 计算得出角膜巩膜的动态粘弹性能有关物理量（能耗） 。 最后，将角膜、巩膜在 0.3Hz 和 1Hz 的频率下的动态参数列表，最终 算出动态参数的平均值和方差并且做简单分析。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 关键词：生物力学，角膜，巩膜，动态性能，粘弹性,能耗 太原理工大学硕士研究生学位论文 III THE EXPERIMENTAL RESEARCH OF DYNAMIC PERFORMANCE OF THE RABBITS CORNEAS AND SCLERAS ABSTRACT The research on biomechanics has penetra
4、ted into all areas of the medical profession, there are many scholars committing to study the mechanical properties of cornea and sclera, the research on the biomechanical properties of the cornea and sclera will enable people to better understand the nature of certain diseases. However, the static
5、performance tests on the biomechanical properties of cornea and sclera have been reported more often, the analysis of the cornea and sclera under the dynamic load is few. The purpose of this paper is to study the viscoelastic behavior of the rabbits corneas and scleras under the different dynamic lo
6、ad at the frequency of 0.3Hz and 1Hz, to determinate the response under the alternating stress, so as to obtain the physical quantity of dynamic viscoelastic properties, as well as provide a basis for future clinical application. The main works of this paper are below: First of all, anaesthetizing t
7、he 16 New Zealand rabbits of different ages separately, after anesthesia, we determinated the central corneal thickness of corneas using the automatic recorder of echo determinating corneal thickness. After the rabbits were killed, we removed the rabbits eyeball using the specialized surgical instru
8、ments, and then carry out the preparation of the corneal and scleral strips. Secondly, using the all-purpose testing machine Instron5544, we loaded the corneal and scleral strips under the cyclical dynamic loading of different frequencies respectively so as to obtain the experimental data of differe
9、nt samples. During the experimental process, the samples are submerged into the 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV normal saline that can adjust the temperature to maintain sample hydration normal. Thirdly, we imported the experimental data into Excel, fitted the stress-strain curves of each group samples, and deri
10、ved functions from the stress-strain curves. According to viscoelastic theory and the physical meaning of the dynamic visco-elastic parameter, we calculated the dynamic viscoelastical physical quantities of the cornea and sclera (energy consumption) using the software Matlab. Finally, we listed the
11、dynamic parameters of corneas and scleras at the frequencies 1Hz and 0.3Hz respectively and ultimately calculated the mean and deviation of all the dynamic parameters and did a simple analysis. KEY WORDS: biomechanics, cornea, sclera, dynamic performance, viscoelasticity，energy consumption 太原理工大学硕士研
12、究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 眼的生物力学研究现状以及意义 眼是光转换的视觉器官，通常考虑将其作为一个生物力学结构。目前尚有许多学者 致力于眼的生物力学性质的研究，包括角膜、巩膜，虹膜等都有了迅速的发展,对眼的生 物力学性质的研究能使人们更加了解某些疾病的本质， 从而为更好地了解视觉器官的生 理功能和病理变化、不断提高眼科的诊治水平打下了基础。 1.1.1 角膜生物力学性质的研究 在国内， 1993 年北京工业大学生物力学研究室曾衍钧， 任庆华和北京友谊医院眼科 李秀云等1对猪眼角膜进行了系统的单轴拉伸实脸，通过实脸来确定其极限强度、断裂 能,显著非线性的应力应变关系和滞后环。 在不
13、同的应变水平下进行了应力松弛实验并确 定了连续松弛谱的各参数。从极限强度、断裂能和应力松弛来看，角膜的纵向和横向之 间无重大的差异，据此，各向同性假定可用于初步的角膜力学模型。1997 年白求恩医科 大学第二临床医学院赵梅生，李桂荣，董心2测量了在单向拉伸状态下人眼角膜的拟弹 性模量、破坏应力及相应的应变值，绘出了在单向拉伸状态下的应力应变曲线，初步描 述了人眼角膜的力学性能。 1999 年北京工业大学生物力学和医学信息研究所杨坚， 曾衍 钧和北京同仁医院眼科李志辉3以人角膜为研究对象，通过建立一套规范、系统的实验 方法,揭示人角膜的生物力学特性。 对人角膜标本进行了单轴拉伸实验， 测定了其极
14、限强 度、应力最大时的变形能及其变形能密度。循环加载实验表明应力-应变的滞后环随加 载次数的增加而逐渐减小，应力-应变曲线在应力为 0.15MPa 以上时能用幂指数拟合； 应力松弛实验测定了应力松弛谱各参数， 蠕变实验表明归一化蠕变数据和时间对数呈线 性关系。2001 年杨坚，曾衍钧，黄昆等4又对人与猪角膜的生物力学特性做了比较，把 切成条状的人角膜和猪角膜在 Instron 万能实验机上做单轴拉伸实验，测量它们的强度、 应力-应变、应力松驰。结果表明：人角膜和猪角膜的强度、应力-应变性质相差不大， 仅考虑强度、应力-应变关系，猪角膜可作为人角膜的代用品进行研究，但若考虑应力 松驰等生物力学特
15、性， 则人角膜与猪角膜存在较大差异。 因此,采用猪角膜作为人角膜力 学研究的动物模型是不适合的。 2003 年首都医科大学生物医学工程学院首都医科大学生 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 物力学研究中心刘志成，张昆亚，王玉慧5模拟眼内压，测量了 20 只兔眼角膜，获得了 本构关系 0exp( / )cp=和面积模量 EABP=+，研究结果表明：角膜是不易发生较大 变形的黏弹性材料。2006年北京工业大学生物力学与医学信息研究所杜春娟和首都医科 大学附属北京同仁医院眼科中心王小兵，刘爱珍6发表了眼的固体力学研究一文， 文中介绍了眼睛的生物固体力学各方面研究成果及尚待解决的问题，其研究对象为巩
16、膜、角膜巩膜、角膜、视网膜、筛板以及眼调节和老花。回顾角膜生物力学一个显著的 应用是激光切开剖面手术， 它将使屈光角膜手术达到最优的术后视敏度。2007年解放军 白求恩国际和平医院眼科靳韬， 王超英7对眼的生物力学研究现状做了综述， 包括角膜， 巩膜，虹膜等。2009年上海大学力学系朱怀亮和上海市应用数学和力学研究所谢严，梁 思辉等8以猪眼角膜为研究对象， 应用实验分析和各向异性弹性理论,探讨动物角膜在双 向载荷作用下的生物力学行为。在Zwick-Z010型小吨位双向电子万能试验机上，利用 所开发的平口微型双轴夹具，分别对片状角膜进行单、双轴拉伸和循环加载实验，确定 材料的弹性常数和强度、刚度等特性。研究表明：材料具有典型的各项异性生物力学行 为，在角膜的长轴和短轴方向呈现出不同的应力变形特征。沿短轴方向角膜具有更高的 黏弹性和黏塑性，其延展率也要大于长轴方向，而沿长轴方向则有更高的弹性模量和拉 伸极限强度，材料的破坏为多种变形相互作用所致。 国外对角膜的研究比较早，1968年Gerald W.Nyquist9就对角膜
