Finite-Elemente-Modellierung des Auges zur Untersuchung der Akkommodation

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Akkommodationsforschung bedient sich in zunehmendem Maße ingenieurwissenschaftlicher Methoden. Im vorliegenden Artikel wird die Anwendung der Finite-Elemente-Methode auf die Untersuchung der Akkommodation vorgestellt.

Material und Methoden: Als Ausgangsdaten für die Anwendung der Finite-Elemente-Methode werden Geometrie, Materialdaten und Randbedingungen benötigt. Es wird eine Übersicht über vorhandene Daten zu Geometrie und Materialeigenschaften aus der Literatur gegeben. Die Bedeutung der Randbedingungen und ihr Einfluss auf die Ergebnisse werden dargestellt.

Ergebnisse: Zweidimensionale und 3-dimensionale Modelle der Vorderkammer des Auges werden vorgestellt. Anhand von 2-dimensionalen Modellen wird gezeigt, dass bereits mit einfachen Modellen realistische Ergebnisse für die Akkommodationsamplitude des Auges erreicht werden können. Aufwendigere 3-dimensionale Modelle des Akkommodationsmechanismus mit Einbeziehung des Ziliarmuskels erfordern weitere Untersuchungen der Materialdaten und der Morphologie des Ziliarmuskels, um realistische Ergebnisse für die Akkommodation erreichen zu können.

Diskussion und Schlussfolgerung: Die Leistungen und Grenzen der Finite-Elemente-Methode werden bei der Anwendung auf die Akkommodation besonders deutlich. Die Anwendung der Methode erfordert umfangreiche Vorarbeiten bei der Beschaffung von Geometrie- und Materialdaten und bei der notwendigen Validierung durch Experimente. Ein validiertes Modell kann aber durch Änderung von Materialdaten und geometrischen Dimensionen als Grundlage für Variantenstudien dienen, die eine systematische Untersuchung von Einflussgrößen und damit Schlussfolgerungen bez. wichtiger Parameter auf die Ergebnisse erlauben.

Abstract

Background: Accommodation research increasingly uses engineering methods. This article presents the use of the finite element method in accommodation research.

Material and Methods: Geometry, material data and boundary conditions are prerequisites for the application of the finite element method. Published data on geometry and materials are reviewed. It is shown how boundary conditions are important and how they influence the results.

Results: Two dimensional and three dimensional models of the anterior chamber of the eye are presented. With simple two dimensional models, it is shown that realistic results for the accommodation amplitude can always be achieved. More complex three dimensional models of the accommodation mechanism – including the ciliary muscle – require further investigations of the material data and of the morphology of the ciliary muscle, if they are to achieve realistic results for accommodation.

Discussion and Conclusion: The efficiency and the limitations of the finite element method are especially clear for accommodation. Application of the method requires extensive preparation, including acquisition of geometric and material data and experimental validation. However, a validated model can be used as a basis for parametric studies, by systematically varying material data and geometric dimensions. This allows systematic investigation of how essential input parameters influence the results.

Schlüsselwörter

Anatomie - physiologische Optik - Katarakt

Key words

anatomy - cataract - physiological optics

• Literatur

• 1 Burd HJ, Judge SJ, Cross JA. Numerical modelling of the accommodating lens. Vision Res 2002; 42: 2235-2251
• 2 Schachar RA, Bax AJ. Mechanism of human accommodation as analyzed by nonlinear finite element analysis. Compr Ther 2001; 27: 122-132
• 3 Dubbelman M, Van der Heijde GL. The shape of the aging human lens: curvature, equivalent refractive index and the lens paradox. Vision Res 2001; 41: 1867-1877
• 4 Stachs O, Langner S, Terwee T et al. In vivo 7.1 T magnetic resonance imaging to assess the lens geometry in rabbit eyes 3 years after lens-refilling surgery. J Cataract Refract Surg 2011; 37: 749-757
• 5 Burd HJ, Wilde GS, Judge SJ. An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens. Exp Eye Res 2011; 92: 28-39
• 6 Martin H, Schmidt W, Schmitz KP, Schneider H, Guthoff R, Terwee T. Material Properties of the isolated human Capsular Bag. In: Guthoff R, Ludwig K, eds. Current Aspects of human Accommodation II. Heidelberg: Kaden; 2003: 127-133
• 7 Heys KR, Cram SL, Truscott RJ. Massive increase in the stiffness of the human lens nucleus with age: the basis for presbyopia?. Mol Vis 2004; 10: 956-963
• 8 Strenk SA, Semmlow JL, Strenk LM et al. Age-related changes in human ciliary muscle and lens: a magnetic resonance imaging study. Invest Ophthalmol Vis Sci 1999; 40: 1162-1169
• 9 Duane A. Studies in monocular and binocular accommodation with their clinical application. Am J Ophthalmol 1922; 5: 865-877
• 10 Alio JL, Simonov A, Plaza-Puche AB et al. Visual outcomes and accommodative response of the lumina accommodative intraocular lens. Am J Ophthalmol 2016; 164: 37-48
• 11 Koopmans SA, Terwee T, Glasser A et al. Accommodative lens refilling in rhesus monkeys. Invest Ophthalmol Vis Sci 2006; 47: 2976-2984