Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

Napjainkban a szembetegségek egyre gyakoribbá váltak, így megnőtt a sebészeti beavatkozások száma. A szövődmények elkerülése érdekében az orvosok egyre gyakrabban fordulnak mérnökökhöz, akik numerikus módszerekkel megjósolhatják a szem viselkedését, károsodásának mértékét, vagy akár segíthetnek a műtétek tervezésében.

Az emberi szem egy rugalmas térbeli ágyazatban elhelyezkedő, közelítőleg gömb alakú nemlineárisan rugalmas testnek tekinthető mechanikai szempontból. Fő alkotórészei, az üvegtest, a szemlencse és a szaruhártya ortotróp anyagúak, mechanikai viselkedésüket pedig a rájuk feszített, mintegy kötélhálóként viselkedő szálerősítő kollagénhálózat szabályozza. A rendszer valamennyi résztvevőjének erősen időfüggő a mechanikai viselkedése, a kor előrehaladtával rugalmasságuk jelentősen csökken, mely hatására a szem optometriai jellemzői is megváltoznak. Cél makroszintű anyagvizsgálatok végzése modellillesztéssel egyedileg fejlesztett nyúlásmérő bélyeges, biaxiális mérőeszközzel végzett saját mérésekkel, illetve a mikroszintű jellemzők feltérképezése szövettani vizsgálatokkal.

A numerikus biomechanikai szimuláció egyik részfeladata az emberi szem, mint szálerősített kompozit részeket is tartalmazó komplex rendszernek az időbeli változásának hatását is figyelembe vevő, komplex háromdimenziós mechanikai modelljének létrehozása. Ez tartalmazza a valós anyagi tulajdonságok, illetve a szemet mozgató izomrendszer minden hatásának leírását. Az anatómiailag elkülöníthető részek mechanikai viselkedését leíró anyagmodellek esetében cél a viselkedést pontosan leíró anyagmodellek alkalmazása, ideértve a hiperelasztikus modelleket is. A szövetek viselkedésének pontos leírásához szükséges a megfelelő részletességű geometria megalkotása. A kutatás másik részfeladata az egyes szemműtétek következményeként létrejövő változások megvizsgálása. A harmadik részfeladat pedig a szemet érő külső mechanikai hatások, traumák modellezése. Hagyományos feladataik mellett tehát az orvosoknak olyan balesetekkel is foglalkozniuk kell, amelyek az emberek napi rutinja során – például sportolás vagy munkavégzés során – következnek be, ahol fizikai szemkárosodás léphet fel. Cél a szemre és környezetére gyakorolt dinamikus hatások mechanikájának elemzése explicit dinamikus elemzéssel.

A numerikus modellek megalkotása során alapvető követelmény a szemész orvosokkal való folyamatos együttműködés.

***
Nowadays, eye diseases have become more and more common, thus the number of surgical interventions has increased. To avoid complications, doctors are increasingly turning to engineers who can use numerical methods to predict the behaviour of the eye, the extent of its damage, or even help in planning operations.

From a mechanical point of view, the human eye can be regarded as an approximately spherical non-linear elastic body located in an elastic spatial bed. Its main components, the vitreous body, the eye lens and the cornea, are made of orthotropic material, and their mechanical behaviour is mainly determined by the fiber-reinforced collagen network contained within, which behaves like a cable net. The mechanical behaviour of all constituents in the system is highly dependent on time, their elasticity decreases significantly with advancing age, as a result of which the optometric characteristics of the eye also change. The goal is to carry out macro-level material analysis with model fitting using own measurements with a uniquely developed biaxial measuring device with strain gauges, and to explore the micro-level characteristics with histological tests.

One of the subtasks of the numerical biomechanical simulation is to create a complex three-dimensional mechanical model of the human eye as a complex system that also includes fiber-reinforced composite parts, considering the effect of changes over time. It contains a description of the real material properties and all the effects of the eye-moving muscle system. In the case of material models describing the mechanical behaviour of anatomically separable parts, the goal is to use material models that accurately describe the behaviour, including hyperelastic models. To accurately describe the behaviour of the tissues, it is necessary to create the geometry with the appropriate detail.

Another subtask of the research is to examine the changes that occur as a result of individual eye surgeries.

The third subtask of the research is to model external mechanical effects and traumas on the eyes. In addition to their traditional duties, doctors also have to deal with accidents that occur during people's daily routine - for example during sports or work - where physical eye damage can occur. The goal is to analyse the mechanics of dynamic effects on the eye and its environment using explicit dynamic analysis.

Continuous cooperation with ophthalmologists is a basic requirement during the development of numerical models.