缝合线拉力与小梁网扩张宽度的仿真分析与实验研究

巴鹏，刘识博

（沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159）

0 引言

青光眼是世界排名第一的不可逆致盲疾病[1]。而原发性开角型青光眼是最为常见的一种类型，具体发病机制尚未明确。在诸多治疗手段中，黏小管成形术（Canaloplasty，CP）是微创青光眼手术[2]（Minimally-invasive glaucoma surgeries，MIGS）的一种新型非滤过泡依赖性抗青光眼术式。术者在角巩膜缘的巩膜上做切口深至施莱姆氏管（Schlemm’s canal，SC），并将微导管引入SC的管腔中，使微导管在SC内环行360°从切口对侧穿出。随后在其末端系10-0缝合线并撤回，从而引入缝合线并系紧，达到长期扩张SC和小梁网（Trabecular Meshwork，TM）的目的。扩张状态的TM和SC恢复房水自然流出通路，可降低眼内压。

然而在CP中，尚无法直接测量缝合线张紧力的大小和组织的扩张情况。前者主要由医生临床经验判断，例如利用在巩膜切口处缝合线张紧对薄膜组织的压痕来判断[3]。后者主要通过成像的方式表征，例如在术前和术后用超声生物显微镜（UBM）或光学相干层析（OCT）成像对比SC和TM扩张前后组织形貌发生的变化。

要获得缝合线拉力与TM扩张的关系，首先要确定TM的力学性质。Camras等[4]将猪眼TM解剖出来，并用微应变分析仪进行单轴拉伸实验获得其弹性模量为2.49 MPa，用原子力显微镜对猪眼TM做压痕试验测量其弹性模量为1.38 kPa。这两种测量结果差异巨大与测量方式的不同有关，两种方式分别表征组织整体与局部特性。

综上，缝合线张紧引起SC和TM扩张是CP中恢复房水流出通路，降低眼内压的重要操作。然而，这一过程目前尚无法直接测量并量化表征缝合线拉力大小和TM扩张情况。因此，本文基于CP手术原理建立了缝合线扩张SC和TM的有限元求解模型，搭建了实时缝合线拉力测量平台，开展了离体猪眼小梁网扩张实验。通过量化的缝合线拉力与组织扩张的对应关系，可预测相应拉力下组织的扩张情况。从而提高手术精准性，优化患者预后。同时也为之后的手术机器人辅助眼科手术提供控制输入。

1 小梁网与施莱姆氏管组织有限元建模

1.1 仿真模型的建立

建立角巩膜缘模型如图1所示，其中浅灰色为角膜，深灰色为巩膜，黄色为TM，红色为缝合线，包含缝合线的管腔为SC。SC和TM位于眼睛前房角的角巩膜缘处，角巩膜缘是角膜和巩膜移行区，因此可简化为截面绕对称轴回转形成的环状结构。依据文献[5]～[6]的组织照片及尺寸描述，在Siemens NX 10中建立巩膜外缘、巩膜内缘、TM、SC和缝合线的三维实体模型。SC简化为单一理想环状管腔，其中SC长为145 μm，宽为30 μm[6]，TM长为450 μm，宽为250 μm[5-6]，巩膜厚为1000 μm，SC至回转轴的回转半径为6.75 mm。由于采用轴对称建模，设置回转角度为0.2°生成小角度的实体模型，并导入有限元分析软件ANSYS Workbench中。

图1 含有缝合线、SC和TM的角巩膜缘模型

对上述模型进行网格划分。为提高计算效率，TM和巩膜采用无中间节点的一阶线性四面体单元划分网格，缝合线采用无中间节点的六面体单元进行网格划分。由于TM产生变形较大，因此将扩张过程分成多段进行分步求解，并逐步细化网格模型，整体网格单元尺寸为8 μm，局部细化至4 μm，平均网格质量为0.81，具有较好的网格，最终生成63 875个单元。

1.2 材料属性

在Engineering Data中设置缝合线、TM，巩膜的材料属性。手术中使用的是不可吸收聚丙烯10-0缝合线，其弹性模量为3.449×109Pa[7]。由上述可知当前研究中TM弹性模量测量值相差巨大，并且组织在扩张过程中出现大变形。因此在组织扩张过程的前期和后期用两种弹性模量不同的各向同性线弹性材料分别模拟，在上述测量值[4]范围内设置其弹性模量为2.00 ×104Pa和1.00 ×105Pa以便分段累加求解。根据Bronte等[8]研究，巩膜弹性模量范围在（1.84±0.30）MPa至（6.04±2.11）MPa，其值大于TM。因此在手术和实验中巩膜几乎不发生变形，力学性能用线弹性材料模型表征，生物软组织材料设为不可压缩材料，设置弹性模量为1.95 MPa，泊松比为0.48。

2 组织扩张过程的仿真计算

2.1 边界条件设置与数值计算方法

在Workbench软件中对有限元模型施加载荷和边界条件。手术过程中，巩膜几乎不发生变形，因此将其分成两层，外层作为刚体，设置固定边界条件。内层与外层设置绑定接触，同时内层与TM设为共享拓扑，保证巩膜与TM间不发生分离。由于术中无法确定缝合线相对SC管腔的具体位置，设置其一般位置如图1所示。缝合线与TM接触面设为摩擦接触，摩擦因数为0.15。在手术过程中，用缝合线向内收紧扩张TM，因此设置缝合线沿径向指向回转轴的强制位移（图3中δi），拉伸TM模拟手术过程。TM产生大变形，求解设置中打开“Large Deflection”以调整刚度矩阵并求解至收敛。并将上一次的求解结果导入本次求解中，保证分段求解中TM模型的连续变形。每次求得固定边界条件上的支反力（图2中Frβi）即为缝合线作用于小梁网上力的大小。

本文采用轴对称小角度建模，模型两个端面设置为对称面，并且可以认为缝合线拉紧时，拉力沿线的方向，即沿线端面的法向向外且在小角度下线两端上力（F，F′）大小相等，则支反力Frβi可由该力的分力（Fr，Fr′）表示（如图2）。缝合线扩张宽度δtotal可表示为

图2 缝合线扩张SC和TM径向受力分析

式（1）、式（2）中：n为总体变形中分段求解的段数；δi为第i段模拟中缝合线的强制位移量；Frβi为中心角为β的模型第i段中缝合线的径向合力。

2.2 仿真结果与分析

SC和TM的扩张程度用缝合线对组织的扩张宽度表示，即缝合线强制位移的大小。在扩张前期TM弹性模量为2.00×104Pa，此时，随着缝合线强制位移增加，SC、TM被逐渐扩张，每一步求解结果的组织最大变形均出现在其与缝合线接触区域周围，这与实际变形情况相同，最大应力也出现在与缝合线接触处，巩膜未发生变形是由于弹性模量与TM差异巨大而引起的。随着TM变形，产生最大变形处逐渐变薄，刚度逐渐降低，因此随着拉力的增加，在恒定弹性模量下，扩张宽度的变化量逐渐增大。在缝合线张力为19.9 mN，扩张宽度为210 μm时将弹性模量增加至1.00×105Pa，此时由于TM弹性模量增加，扩张宽度随缝合线拉力增加速度减缓，最终当拉力为57.3 mN时，扩张宽度增加至390 μm。模拟求解结果及拉力与扩张宽度关系如图3所示。

图3 缝合线扩张SC和TM的变形，应力仿真结果

3 实验设计

3.1 实验材料

由于猪眼的生理结构与人眼相似，廉价易得。因此用其模拟手术中缝合线扩张TM的过程。采用新鲜离体猪眼球，将其解剖去除玻璃体、晶状体等内容物，保留包含角巩膜缘在内的眼前节。选择颞侧一个象限的组织固定在显微镜下。将100 μm镍钛丝与缝合线固结，并从组织断面确定TM和SC的位置，将镍钛丝插入SC内，沿管腔穿出，将缝合线引入SC，完成猪眼样品组织穿线操作。

3.2 实验平台

整体实验设计如图4所示，其中定制支架球面半径为7.5 mm，由猪眼角膜半径确定，用于支撑固定准备好的眼组织，并恢复其空间形貌模拟术中眼球。由于光纤光栅传感器（FBG）柔顺性好且灵敏度高，因此用于测量沿缝合线方向的实时拉力值。定制支架安装于位移平台，平台可以水平右移提供缝合线与组织样品间的相对运动。

图4 缝合线扩张施莱姆氏管和小梁网实验过程

实验时，首先将组织样品的角膜、巩膜外表面固结在支架上，并将支架安装于位移平台。穿过SC的缝合线两端分别与固定在支架上的光纤相连。此时微调位移平台，使缝合线处于张紧的临界状态。实验中使平台水平移动，组织样品与缝合线产生相对运动，模拟手术中缝合线扩张SC和TM的操作。实验完成了从开始扩张直至SC和TM破坏的过程。该过程同时记录了FBG测量的拉力值、位移平台表头记录的位移值、显微镜摄像头记录的眼组织的扩张情况。即可获得拉力与组织扩张的对应关系

3.3 实验结果与分析

3.3.1 整体实验过程分析

在位移与拉力的关系中，随着平台位移增加，组织与缝合线产生相对运动，缝合线被逐渐张紧，SC和TM开始扩张变形，整体扩张过程可分成2～3个阶段，如图5所示。

图5 平台位移与缝合线拉力曲线

第一阶段：缝合线张力随着位移增加而增大，基本成线性趋势，组织无明显破坏。随着拉力进一步增加，组织将出现部分破坏，此时拉力将急剧下降，或者表现为随着位移增加，缝合线拉力先出现小范围的平稳，不再增长，然后急剧下降。第二阶段：TM产生部分破坏后，拉力下降至某一值附近，剩余组织仍可继续承受缝合线扩张，拉力值可再次随位移增加，或趋于平稳。随着位移进一步增大，大部分组织破坏进入第三阶段，拉力再次突变、下降至极小值，此时仅有残余组织勾连，可认为完全破坏，过程如图6所示。实验选择组织无明显破坏并具有线性趋势的第一阶段进行分析，此时平台位移范围为0～2 mm。

图6 组织扩张过程

3.3.2 0～2 mm范围内拉力-扩张宽度分析

在平台0～2 mm位移中，SC和TM变形如图6（a）、图6（b）所示，缝合线向内收紧扩张组织。用缝合线扩张宽度表示组织变形。由于SC和TM结构微小，难以直接测量，所以在显微镜视图中，选择已知尺寸的参照物和参照点，通过image J软件计算已知参照物的像素尺寸和实际尺寸获得全局比例尺，进而在显微镜图像上标定相对参照点的扩张宽度，由全局比例尺计算实际组织扩张宽度。

在上述的0～2 mm的位移范围内，选择拉力较大一侧（FBG1侧）的6组实验数据，绘制拉力-扩张宽度曲线，如图7所示。其中黑色曲线为出现破坏的对照组，表现为随着位移增加，拉力在略大于70 mN处短时趋于平稳，而扩张宽度急剧增大。组1～5为无明显破坏的实验组。实验组中，扩张宽度随拉力增加而逐渐增大，无急剧变化，且基本成线性关系，经线性拟合R2为0.84。拉力变化范围为0～55.1 mN到0～66.6 mN，而相应的扩张宽度变化范为0～297.8 μm到0～404.6 μm。同时在图7中以加粗的模拟线示出了有限元仿真结果，可见模拟分析结果与实验验证呈现相同趋势。

图7 0～2 mm内拉力-扩张宽度曲线

Fuest等[9]测得患者术后SC在缝合线扩张下的平均宽度为380.2 μm，宽度区间在300～500 μm。而图9中5组实验结果的平均扩张宽度为360.3 μm，与文献参考范围基本一致。参考上述范围，在实验组间选择297.8～404.6 μm的扩张宽度区间进行分析，可以发现拉力范围为34.1～66.6 mN。而有限元模拟结果中，当扩张宽度为300～390 μm时，缝合线拉力范围为43.5～57.3 mN，分布于实验结果范围内。因此通过参考扩张宽度结合拉力-扩张宽度关系可以给出缝合线拉力的对应范围，获取量化的拉力值。

4 结论

本文针对当前无法直接测量缝合线拉力的问题，应用有限元法模拟了CP中缝合线扩张SC和TM的过程，求解了缝合线拉力与组织扩张宽度的量化关系。建立了实时缝合线拉力测量平台，在猪眼组织中完成了缝合线扩张操作，测量缝合线上实时张紧力与组织扩张的实验数据，获得拉力-扩张宽度曲线，实验结果与仿真结果呈现相同趋势。该量化关系，可预测相应拉力下组织扩张情况，缩短医生学习曲线，提高手术精准性。