ANSYS kann auch ins Auge gehen
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CAD-FEM GmbH INFOPLANER 1/2003 ANSYS kann auch ins Auge gehen .... Durch eine FEM-Simulation kann das biomechanische Verhalten der Hornhaut (Cornea) und anderen Augenkomponenten bereits vor refraktiven chirurgischen Eingriffen abgeschätzt werden. In diesem Sinne werden die Auswirkungen des an sich irreversiblen Eingriffs über Parametervariationen bereits im Vorfeld analysiert. Einsatz der FEM in der refraktiven Augenchirurgie Hintergrund: Für das refraktive Verhalten des menschlichen Auges ist speziell die Hornhaut (Cornea) mit etwa 43 Dioptrien verantwortlich. In der refraktiv cornealen Chirurgie können pathologische Fälle wie Myopie (Kurzsichtigkeit), Hyperopie (Weitsichtigkeit) und andere Fehlsichtigkeiten korrigiert werden. Dazu sind verschiedene Techniken wie die PRK (photoablative Keratektomie) und das LASIK (laser insitu keratomileusis) Verfahren im Einsatz. In allen Fällen handelt es sich um partielle Zerstörungen des menschlichen Gewebes und eine nachhaltige Verformung der cornealen Oberfläche. Ziel ist es, die Chirurgieparameter in Abhängigkeit der vorher vermessenen Patientendaten so einzustellen, dass der postoperative Effekt mit der neuen Cornea-Geometrie ein optimiertes Sehen, d.h. ein scharfes Abbild von Mustern auf der Netzhaut gewährleistet. Volumenmodell eines Menschenauges Im Rahmen der Chirurgie- und Therapieplanung bei Eingriffen am menschlichen Auge, insbesondere an der Hornhaut, werden rechnergestützte Simulationsmethoden benötigt, um in Abhängigkeit der patientenspezifischen Hornhaut das postoperative Gewebeverhalten bei einem refraktiven chirurgischen Eingriff im Voraus abschätzen zu können. Im Institut für Angewandte Informatik des Forschungszentrums Karlsruhe wird ein Simulations- und Trainingssystem für die refraktive Hornhautchirurgie aufgebaut. Damit werden unter Verwendung der FiniteElement-Methode Netzmodell einschließlich lokaler Verfeinerung an der Cornea Geometrie Modell Simulation der Myopiekorrektur mit dem kommerziellen Tool ANSYS biomechanische Simulationsrechnungen durchgeführt, wobei morphometrische Daten und auch Gewebematerial und Chirurgieparameter und Augeninnendruck in die Modelle eingehen. Für die biomechanischen Simulationsmodelle sind folgende Merkmale essentiell: • Parametrisierung des Schichtenaufbaus der etwa 0.5 mm dicken Cornea. Dabei werden die Bindungsgleichungen in den Netzknoten der biologischen Grenzflächen für die FEMSimulation berücksichtigt, so dass aufgrund unterschiedlicher Materialkennwerte die Deformation an den Gewebeübergängen stetig bleibt. • Parametrisierbarkeit der Chirurgie-Parameter bei Hornhautoperationen zur Behandlung von Kurz- und Weitsichtigkeit sowie Astigmatismen und anderer Irregularitäten. • Netzspezifikation und automatische Netzgenerierung. Nach Erstellen des patientenspezifischen Geometriemodells werden parametrisierte Netze in dem Volumenmodell erzeugt. Das Deformationsverhalten des Gewebes wie auch die gewebeinterne Spannungsverteilung Netz Modell hängen vom Augeninnendruck wie auch den gewebespezifischen Festigkeitswerten ab. Randbedingungen werden über Festlegung der Freiheitsgrade am Limbus (Hornhautrand) spezifiziert. In Verbindung mit optischen Simulationsverfahren kann nach der biomechanischen Deformation das Abbild auf der Retina und damit die Qualität des Sehens ermittelt werden. Zur Validierung der Simulationsmodelle werden prä- und postoperative morphometrische Daten von Patientengruppen mit den simulierten Daten verglichen. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit Kliniken im In- und Ausland. Aus Systemsicht handelt es sich um ein gekoppeltes Biomechanik-Optik-System von ANSYS und dem Freistrahltool SOLSTIS. Durch eine Auftragsgenerierung in einer für den Arzt eigens entwickelten Oberfläche kann die Simulation von der Klinik am PC angestoßen werden. Die zum Beispiel im Forschungszentrum berechneten Ergebnisse werden dann wiederum an die Klinik zurückgeliefert. Autor: Dr.-Ing. Klaus Peter Scherer, Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Angewandte Informatik, E-Mail: [email protected] 19 FEM Ergebnisse mit ANSYS Intraokulardruck (IO) als innere Drucklast Cornea-Deformation als FEM Resultat
