散光手术切口参数确定方法、设备及存储介质

本发明涉及眼科手术辅助规划领域，尤其涉及一种散光手术切口参数确定方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、散光通常与角膜不同子午线方向曲率不一致有关，角膜地形图、角膜断层成像及角膜曲率测量可用于识别散光的大小和轴位，并为屈光相关手术规划提供依据。临床中，角膜缘松解切口、弓形角膜切开等切口方式可通过在角膜周边或角膜缘附近形成部分厚度切口或全厚度切口，改变陡峭子午线方向的局部生物力学约束，从而影响角膜曲率分布并辅助矫正角膜散光。现有散光切口规划多依赖经验列线图、手术计划软件或基于角膜地形图的预测模型，上述方法能够根据散光度数、轴位、角膜曲率或切口位置等信息给出一定的术前规划建议，但通常难以充分反映单个患者角膜几何形态、眼压载荷、角膜缘边界约束以及切口区域局部约束降低等力学因素。有限元方法已被用于分析角膜在眼压、外力或边界约束作用下的变形响应，能够为角膜生物力学建模提供计算基础。

2、然而，若直接将术前角膜形态作为有限元初始形态进行加载，加载后的角膜屈光状态可能与真实术前测量状态不一致；若将切口区域简单处理为完全释放，也难以反映切口后组织仍受邻近角膜牵连、残余接触或愈合约束的实际情况。现有散光手术切口规划难以在同时考虑目标眼个体化角膜几何形态、术前眼压载荷、角膜缘边界约束及切口区域残余约束的条件下，准确预测不同候选切口参数引起的角膜屈光变化，导致切口参数确定缺乏客观、可重复的定量依据。因此，针对现有散光手术切口规划的切口参数确定缺乏客观和可重复的定量依据的技术问题，需要一种新的技术来解决当前的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于解决现有散光手术切口规划的切口参数确定缺乏客观和可重复的定量依据的技术问题。

2、本发明第一方面提供了一种散光手术切口参数确定方法，所述散光手术切口参数确定方法包括：

3、获取目标眼的术前角膜几何数据、术前眼压、术前屈光指标、目标矫正约束；

4、根据所述术前角膜几何数据，构建出角膜前表面和角膜后表面，并使所述角膜前表面与所述角膜后表面在角膜缘处封闭，形成个体化角膜三维模型；

5、对所述个体化角膜三维模型进行网格划分并赋予角膜材料属性，施加与所述术前眼压对应的载荷和角膜缘边界约束，得到有限元可计算模型；

6、在无切口状态下，根据所述术前眼压和所述术前屈光指标，对零载角膜形态参数和角膜缘边界刚度参数进行联合校准，使所述有限元可计算模型加载的屈光状态与所述术前屈光指标相匹配，得到无切口有限元基线模型，其中，所述角膜缘边界刚度参数包括：初始参数；

7、在所述目标矫正约束限定的参数范围内生成候选切口参数，以及根据所述候选切口参数，在所述无切口有限元基线模型中设置出切口区域，并将所述切口区域对应的角膜缘边界刚度由所述初始参数调整为切口区域等效刚度参数，得到切口有限元模型，其中，切口区域等效刚度参数小于初始参数；

8、对所述切口有限元模型进行仿真，获得所述候选切口参数对应的预测角膜前表面；

9、根据所述预测角膜前表面计算出预测屈光指标，将所述预测屈光指标与所述目标矫正约束进行比较，生成比较结果，并根据所述比较结果从所述候选切口参数中确定出推荐切口参数。

10、可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，所述根据所述术前角膜几何数据，构建出角膜前表面和角膜后表面，并使所述角膜前表面与所述角膜后表面在角膜缘处封闭，形成个体化角膜三维模型的步骤包括：

11、对所述术前角膜几何数据进行坐标配准，形成以角膜顶点为坐标原点的角膜前表面空间点集，并根据角膜厚度关系确定出角膜后表面空间点集；

12、根据所述角膜前表面空间点集拟合出角膜前表面，并根据所述角膜后表面空间点集拟合出角膜后表面；

13、根据所述角膜厚度关系，约束所述角膜前表面与所述角膜后表面之间的轴向间距，并将所述角膜前表面与所述角膜后表面在角膜缘处连接封闭，生成个体化角膜三维模型。

14、可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述在无切口状态下，根据所述术前眼压和所述术前屈光指标，对零载角膜形态参数和角膜缘边界刚度参数进行联合校准，使所述有限元可计算模型加载的屈光状态与所述术前屈光指标相匹配，得到无切口有限元基线模型的步骤包括：

15、在预设参数集合中选取零载角膜形态参数和角膜缘边界刚度参数；

16、对所述有限元可计算模型施加所述术前眼压，得到模拟平均角膜屈光力、模拟散光度数和模拟散光轴位；

17、将所述模拟平均角膜屈光力、所述模拟散光度数、所述模拟散光轴位，代入预设基线误差函数中，生成误差函数值；

18、选择使所述误差函数值最小且满足预设校准条件的零载角膜形态参数和角膜缘边界刚度参数，构成无切口有限元基线模型。

19、可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，所述基线误差函数包括：

20、

21、其中，e0（g0，k0）为基线误差函数，g0为零载角膜形态参数，k0为角膜缘边界刚度参数，kmeansim(g0，k0)、cylsim(g0，k0)、axissim(g0，k0)分别为采用g0和k0时有限元计算得到的平均角膜屈光力、散光度数、散光轴位，kmeanpre、cylpre、axispre分别为术前测量得到的平均角膜屈光力、散光度数和散光轴位，tk、tc、ta分别为平均角膜屈光力、散光度数、散光轴位的预设误差阈值，wk、wc、wa分别为对应误差项的非负权重系数，wk、wc、wa至少一个大于零，d(a，b)表示轴位角a与轴位角b之间考虑180°周期性的最小夹角。

22、可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述根据所述候选切口参数，在所述无切口有限元基线模型中设置出切口区域，并将所述切口区域对应的角膜缘边界刚度由所述初始参数调整为切口区域等效刚度参数，得到切口有限元模型的步骤包括：

23、根据所述术前屈光指标，确定目标散光主子午线；

24、以所述目标散光主子午线为基准，根据所述候选切口参数所限定的切口覆盖范围，在所述无切口有限元基线模型中生成一个切口区域或一对切口区域；

25、按照所述切口区域与角膜缘边界之间的几何对应关系，将所述切口区域力学等效映射至角膜缘边界，得到映射范围；

26、将映射范围的边界约束设置为切口区域等效刚度参数，并将映射范围外的角膜缘边界约束保持为角膜缘边界刚度参数，形成切口有限元模型。

27、可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，所述对所述切口有限元模型进行仿真，获得所述候选切口参数对应的预测角膜前表面的步骤包括：

28、针对同一候选切口参数，分别施加所述术前眼压对应载荷和按照预设回退比例确定的术后眼压回退载荷；

29、基于所述术前眼压对应载荷、所述术后眼压回退载荷，分别对所述切口有限元模型进行有限元计算，获得第一预测角膜前表面、第二预测角膜前表面；

30、当所述第一预测角膜前表面对应的预测屈光指标、所述第二预测角膜前表面对应的预测屈光指标存在不满足所述目标矫正约束中的允许范围时，排除对应的候选切口参数。

31、可选的，在本发明第一方面的第六种实现方式中，所述根据所述预测角膜前表面计算出预测屈光指标的步骤包括：

32、提取所述预测角膜前表面的中央光学区表面点，并拟合两条相互正交的主子午线；

33、根据预设屈光公式，计算出两条主子午线的角膜屈光力，其中，所述屈光公式包括：

34、

35、其中，d为主子午线的角膜屈光力，n为预设角膜折射率，r为对应主子午线的角膜曲率半径；

36、将两条主子午线的角膜屈光力的平均值作为预测平均角膜屈光力，将两条主子午线的角膜屈光力差值的绝对值作为预测散光度数，并将最大的角膜屈光力对应主子午线方向作为预测散光轴位。

37、可选的，在本发明第一方面的第七种实现方式中，所述将所述预测屈光指标与所述目标矫正约束进行比较，生成比较结果，并根据所述比较结果从所述候选切口参数中确定出推荐切口参数的步骤包括：

38、针对满足所述目标矫正约束中预设允许范围的每一候选切口参数，获取第一预测角膜前表面对应的第一预测屈光指标，以及第二预测角膜前表面对应的第二预测屈光指标；

39、根据所述目标矫正约束，确定目标平均角膜屈光力、目标散光度数、目标散光轴位；

40、根据预设屈光目标函数，计算所述第一预测屈光指标对应的第一目标函数值，以及计算所述第二预测屈光指标对应的第二目标函数值，其中，所述屈光目标函数包括：

41、

42、

43、其中，p为候选切口参数，i为眼压状态序号，i=1表示术前眼压对应的第一眼压状态，i=2表示术后眼压回退载荷对应的第二眼压状态，ji(p)表示候选切口参数p在第i眼压状态下的目标函数值，ki(p)、ci(p)、ai(p)分别表示候选切口参数p在第i眼压状态下的预测平均角膜屈光力、预测散光度数、预测散光轴位，kt、ct、at分别表示目标平均角膜屈光力、目标散光度数、目标散光轴位，δai(p)表示第i眼压状态下的预测散光轴位与所述目标散光轴位之间按照一百八十度周期确定的轴位差，tk、tc、ta依次表示平均角膜屈光力、散光度数、散光轴位的预设误差尺度，wk、wc、wa依次表示平均角膜屈光力误差项、散光度数误差项、散光轴位误差项的非负权重系数，wk、wc、wa至少一个非负权重系数大于零；

44、根据预设综合目标函数，代入所述第一目标函数值、所述第二目标函数值，得到所述候选切口参数对应的综合目标函数值，其中，所述综合目标函数包括：

45、

46、其中，j(p)表示候选切口参数p对应的综合目标函数值，λ表示权重系数，且0≤λ≤1，j1(p)表示第一目标函数值，j2(p)表示第二目标函数值；

47、将各所述候选切口参数对应的综合目标函数值作为所述比较结果，将所述综合目标函数值最小的候选切口参数确定为推荐切口参数。

48、本发明第二方面提供了一种散光手术切口参数确定设备，包括：存储器和至少一个处理器，所述存储器中存储有指令，所述存储器和所述至少一个处理器通过线路互连；所述至少一个处理器调用所述存储器中的所述指令，以使得所述散光手术切口参数确定设备执行上述的散光手术切口参数确定方法。

49、本发明的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的散光手术切口参数确定方法。

50、在本发明实施例中，通过将目标眼术前角膜几何数据构建为个体化角膜三维模型，并在术前眼压载荷和角膜缘边界约束下对零载角膜形态参数及角膜缘边界刚度参数进行联合校准，使无切口有限元基线模型的加载屈光状态与目标眼术前真实屈光指标相匹配。在此基础上，采用低于初始参数的切口区域等效刚度参数表征切口区域的局部约束变化，对不同候选切口参数进行仿真，并根据预测屈光指标与目标矫正约束之间的比较结果确定推荐切口参数，从而将切口参数确定过程转化为基于目标眼个体化力学响应的可计算、可比较过程，实现了不同切口方案的定量预测与客观筛选，提高了切口参数确定结果的可重复性，解决了现有散光手术切口规划的切口参数确定缺乏客观和可重复定量依据的问题。