復合高過載加速度將導致人體不對稱的周邊視力喪失，會成為飛行安全的極大隱患。基于此，本文提出用數值仿真的手段探究加速度對雙眼視力的影響，以期探索復合加速度造成人體不對稱周邊視力喪失的力學機制。本文首先將計算機斷層掃描（CT）的成年人頭骨序列圖像進行三維重建，得到含有雙眼眼眶的頭骨仿真模型。再將之前建立的單眼球模型進行鏡像，得到雙眼模型，匹配至頭骨模型中，并填充脂肪加以完善。對該模型分別加載頭-足方向的加速度載荷（Gz）、右-左方向的加速度載荷（Gy）、胸-背方向的加速度載荷（Gx）以及三個方向的復合加速度載荷，利用顯式動力學算法，得到視網膜的動態力學響應。仿真研究結果表明，復合加速度作用下雙眼應變相差 25.7%，其分布特征具有明顯差異。本文通過建立雙眼有限元模型，為探索復合加速度造成不對稱的周邊視力喪失的機制性研究提供一種新的手段。
引用本文： 耿曉琪, 劉笑宇, 柳松楊, 徐燕, 趙顯亮, 王頡, 樊瑜波. 加速度造成不對稱周邊視力喪失的仿真研究. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(2): 188-192. doi: 10.7507/1001-5515.201606046 復制
引言
隨著航空技術的不斷進步，人體的抗載荷能力越來越成為航空器研制及其性能發揮的瓶頸[1]。載人離心機試驗發現，復合高過載加速度將導致不對稱的周邊視力喪失（unequal loss of peripheral vision）[2]。進而影響飛行員對艙內儀表和艙外目標觀察的不準確性，成為飛行安全中的極大隱患。
20 世紀 90 年代，Paul 等[3]利用經顱多普勒對飛行員進行超聲掃描監測試驗，他們發現雙眼不對稱的周邊視力喪失可能與韋利斯氏環的異常有關。Popper 等[4]則提出雙眼視力不同可能是由于左右眼視網膜供給血液的動脈壓不對稱造成的。此外，屈光不正是造成飛行員停飛的主要原因之一[5-6]。鄭麗娟等[7]指出造成屈光不正的原因可能與飛行員長時間高強度飛行和空中環境有關，因此，緩慢形成的屈光不正同加速度作用造成的即刻視力喪失可能并無直接關系。我國空軍航空醫學研究所的徐艷等[2]在進行人體離心機試驗也表明，短暫的復合加速度就會導致受試者雙眼不對稱的周邊視力喪失，雖然其作用機制尚不明確，但可排除屈光不正的原因。
眼是重要的人體器官之一，由于結構復雜，內部組織脆弱，對外力的作用十分敏感。有限元仿真是研究外力作用下組織響應機制的一個重要的生物力學手段。本課題組先前的研究表明全眼球模型的有限元仿真可以分析多種外載作用下的眼組織動力學響應[8-10]。Rangarajan 等[11]曾利用有限元建模仿真的方法模擬持續角加速度造成嬰兒視網膜損傷，Hans 等[12]根據嬰兒眼睛的特殊結構進行有限元建模，評估力和沖擊對嬰兒視網膜后極的影響，上述兩項研究充分證明了有限元建模方法研究加速度對眼組織影響的有效性。基于此，本文采用數值仿真技術，建立人體雙眼有限元模型，為探究復合加速度造成的雙眼不對稱周邊視力喪失的機制提供研究手段。
1 材料和方法
1.1 模型建立
本課題采用的全眼模型來源于課題組先前建立的簡化人眼（右）模型，它包含角膜、鞏膜、房水、晶狀體、睫狀體、懸韌帶、玻璃體和視網膜等結構。單眼模型為一個軸對稱的簡化模型，其幾何尺寸均來自于參考文獻中成年男子平均解剖數據[13-14]，并在三維計算機輔助設計軟件 SolidWorks2010（Dassault systems SolidWorks Corp.，USA）中制作完成。眼組織的材料力學參數主要來自于參考文獻中的實測數據，其中包含有超彈性性質的角膜、鞏膜、高粘彈性的玻璃體和脂肪，以及具有流體特征的房水[8]。所有眼組織均利用計算機輔助工程前處理軟件 ICEM CFD 15.0（ANSYS Inc.，USA）進行六面體網格劃分，總節點數為 83 550，網格數量為 69 762。各組織間的接觸，除視網膜與鞏膜間設置為有條件的固連—分離接觸（bonded-breakable）外，其余均為固連接觸（bonded）。該單眼模型已通過文獻的實驗數據及經典的弗吉尼亞理工學院眼模型在不同的沖擊條件下進行對比研究，驗證了當前模型的有效性[8]。本課題的工作是按照成人平均眼距（64 cm），將右眼模型做鏡像復制，完成雙眼模型，同時對眼內脂肪做相同處理。單眼模型已經經過驗證，因此雙眼模型也能夠準確地描述加速度狀態下眼組織的動態力學響應。
本實驗使用的頭部模型來源于首都醫科大學附屬北京同仁醫院一位健康成年男性志愿者（28 歲，身高 173 cm，體重 60 kg）。利用電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）技術對志愿者頭部進行斷層圖像掃描。獲得圖像導入到交互式的醫學影像處理軟件 Mimics10.01（Materialise Inc.，Belgium）中進行三維重建。由于兩只眼睛在形態學上幾乎完全對稱，且其僅作為眼球的一個支撐，并不需要精確計算，因此如圖 1所示，我們將頭部模型沿矢狀面分割，僅保留右側頭骨，導入到逆向工程軟件 Geomagic Studio（Geomagic Inc.，USA）進行平滑處理，并封閉了口腔，刪減了部分耳部碎骨，填充了鼻骨，然后做鏡像對稱，完成整個頭骨的建立，并處理為殼結構。利用有限元分析軟件 ANSYS 15.0（ANSYS Inc.，USA）自動生成網格，節點數為 16 308，網格數量為 16 386。
眼球位于眼眶內部，周圍有脂肪等組織支撐。眼球向前方平視時，突出度約 12～14 mm，兩側相差不超過 2 mm。根據 Weaver 等[15]對 24 個志愿者的眼部測量的平均數據完成頭骨、脂肪、眼球的組裝，如圖 1 所示。
圖1
雙眼模型的裝配
Figure1.
Assembly of double-eye model
1.2 加速度的確定與選取
根據陸霞等[16]提出的我國選拔高性能戰斗機飛行員標準，在慣性力（G）以 1 G/s 增長的條件下，慣性力峰值達到 4.5 G 時，飛行員不使用任何防護措施耐受時間持續 10 s 為合格。本文設計分別將頭—足方向的加速度載荷（Gz）、右—左方向的加速度載荷（Gy）、胸—背方向的加速度載荷（Gx）以及三個方向的復合加速度載荷加載在頭骨模型上，并簡化了加速過程，以恒定 4.5 G 加載，持續 0.1 s，并采用非線性顯式動力學軟件 ANSYS AUTODYN（ANSYS Inc.，USA）進行計算。加速度方向如圖 2 所示，慣性力方向與加速度方向相反。
圖2
加速度方向示意圖
Figure2.
Direction sketch of acceleration
2 結果
視網膜是一層極薄的透明組織，是眼球中最易受到損傷的部位，因此分析不同方向下加速度造成視網膜的應變，對于研究復合加速度下雙眼出現不對稱周邊視力喪失的機制有很大的借鑒作用。從 Gz、Gy、Gx 以及復合加速度載荷作用下應變/時間曲線中可以發現，人體受到加速度載荷后，視網膜應變迅速升高，隨即表現出振蕩特征，該過程大約持續 0.05 s；之后應變曲線趨于穩定，視網膜應變逐漸保持在一定的水平，因此我們認為在當前加速度載荷水平下，0.1 s 視網膜應變可視為達到穩定狀態，應變值幾乎保持不變，如圖 3 所示。
圖3
Gz、Gy、Gx、復合加速度載荷作用下視網膜應變/時間曲線
Figure3.
Curves of retinal strain/time under multy-acceleration loads of Gz、Gy、Gx and multi-axis directions
如圖 3、圖4 所示，分別為應變/時間曲線圖，穩定后應變柱狀圖。可以看到，Gz 載荷作用下，穩定后兩眼應變絕對值相差 0.168×10–3，左眼應變比右眼高出 8.3%。Gy 載荷作用下，穩定后兩眼應變絕對值相差 0.133×10–3，左眼應變比右眼高出 9.0%，Gx 載荷作用下，穩定后兩眼應變絕對值相差 0.151×10–3，左眼應變比右眼高出 4.9%；復合加速度載荷作用下，左眼應變為 2.725×10–3，右眼應變為 2.167×10–3，兩眼絕對值相差 0.558×10–3，左眼應變比右眼高出 25.7%。圖中的結果顯示，Gz 載荷作用下，雙眼應變/時間曲線幾乎完全重合；而 Gy、Gx 作用下，左、右眼應變/時間曲線波動趨勢有很大不同，但應變穩定后左、右眼差異不大；而復合加速度載荷下，左、右眼應變/時間曲線波動趨勢差異明顯，應變穩定后左、右眼差異較為明顯，絕對值相差較高。
圖4
Gz、Gy、Gx、復合加速度載荷作用下穩定后雙眼視網膜應變柱狀圖
Figure4.
Histogram of retina strain in a steady state under multi-acceleration loads of Gz、Gy、Gx and multi-axis directions
不同方向加速度載荷作用下視網膜應變云圖如圖 5 所示，Gz 載荷作用下，視網膜左右眼應變分布十分對稱；Gy、Gx 載荷作用下，左右眼應變分布有所不同，但差異較小；復合方向加速度載荷作用下，左右眼應變分布差異較為明顯，左眼應變值較右眼高。
圖5
Gz、Gy、Gx、復合加速度載荷作用下視網膜的應變云圖
Figure5.
Strain nephogram of retina under multi-acceleration loads of Gz、Gy、Gx and multi-axis directions
3 分析和討論
隨著超機動性能戰斗機的出現，越來越多科學家開始關注復合加速度對飛行員的影響[17]。我國空軍航空醫學研究所的徐艷等[2]在做復合加速度人體離心機試驗時，發現在復合加速度作用時，受試者雙眼出現了不對稱的周邊視力喪失，但并未解釋其原因。本文從有限元仿真的角度入手，研究了以不同方向的加速度 Gz、Gy、Gx 以及三個方向共同施加的復合加速度分別對仿真模型進行加載的情況，以求探尋雙眼出現不對稱周邊視力喪失的機制。
傳統戰斗機在空戰中多數暴露在持續高 Gz 載荷作用下，而現代高性能戰斗機高度機動靈活，空戰時不但會產生持續高 Gz 載荷作用，在短距起降或超機動時也會產生復合加速度載荷。從仿真結果來看，Gz 載荷作用下，雙眼應變/時間曲線幾乎完全重合，應變云圖十分對稱，穩定后雙眼應變絕對值相差 0.168×10–3，差異甚微；而復合加速度載荷下，雙眼應變分布差異明顯，左眼應變比右眼高出 25.7%。可見單純的 Gz 載荷作用下，并不能引起雙眼不對稱的周邊視力喪失，而復合加速度載荷下，雙眼視網膜應變差異變得明顯，這也許是造成不對稱周邊視力喪失的力學因素。另外，由于屈光系統造成視力改變的主要原因是屈光系統的大變形，而加速度造成的角膜、晶狀體的應變很小，并不能造成屈光系統的大變形，因此排除了加速度造成屈光系統改變而引起視力變化的原因。
在本文的視網膜應變/時間曲線中可以看到，應變在較短時間內隨時間從波動逐漸達到穩定狀態，如圖 3 所示。恒定的加速度載荷下，0.1 s 可以反映后續視網膜的應變狀態。因此，利用有限元仿真 0.1 s 恒定加速度載荷下的應變，就可以反映實際飛行中飛行員受到的應變水平。
加速度產生的應力波在眼球中傳播會造成視網膜的動態響應。如圖 3 所示，在恒定加速度載荷的作用下，視網膜的瞬時應力會出現短暫的震蕩（持續時間小于 0.05 s）。根據對沖傷理論[18]，當眼球受到加速度沖擊時，沿著眼球鞏膜傳播的切向波與沿著玻璃體傳播的壓縮波在作用方向的對側匯合，產生應力集中現象，可能造成生物組織的損傷。根據比較視網膜的應變值與其自身的力學強度極限，可以判斷不同加速度載荷條件下視網膜損傷的可能性。然而，由于視網膜組織十分脆弱，動態載荷作用下的力學屬性至今還未曾在實驗中獲得。在先前的研究中，利用類比法，通過實驗數據和仿真結果的比對，計算出動態載荷作用下視網膜的應變強度約為 0.125。然而，我們的仿真結果顯示，4.5 G 的加速度載荷造成視網膜的最大應變僅為 0.003，遠小于自身的強度極限，因此在 4.5 G 的機動飛行載荷下，飛行員不對稱的周邊視力喪失不可能是由于視網膜損傷導致的。
在恒定的加速度作用下，視網膜的應變/時間曲線在 0.05 s 后趨于穩定，其應變狀態已表現出準靜態的特征。在該狀態下，不同的加速度方向會影響視網膜的應變分布，如圖 5 所示，這也許同不對稱的周邊視力喪失有一定的相關性。加速度的作用會造成眼球的整體變形。充滿于晶狀體與視網膜之間的明膠狀玻璃體很可能對視網膜及周圍血管產生嚴重擠壓。尤其對于視網膜的靜脈血管，其管壁薄、管徑大、血壓低，極易發生塌陷。塌陷后的靜脈流阻明顯增加，影響視網膜的正常供血，這是我們認為復合加速度導致飛行員不對稱周邊視力喪失的最可能的原因。在進一步的研究中，我們將利用雙眼仿真模型計算加速度作用下視網膜及周圍血管的擠壓情況，預測靜脈血流阻抗的增加值，并結合人體循環系統集總參數模型，模擬復合加速度作用下，由于血液靜壓阻抗的改變造成左、右眼供血變化。通過分析血液灌注對視覺的影響機制，明確復合加速度造成飛行員雙眼不對稱周邊視力喪失的根本原因。
綜上所述，本文建立了雙眼有限元模型，并應用于加速度載荷條件下的仿真，結果表明在復合加速度載荷作用下，雙眼視網膜的動力學響應差異明顯，這可能是復合加速度導致飛行員不對稱周邊視力喪失的力學因素。本文提供的研究方法或可為研究不對稱周邊視力喪失的機制提供一條新的思路。
引言
隨著航空技術的不斷進步，人體的抗載荷能力越來越成為航空器研制及其性能發揮的瓶頸[1]。載人離心機試驗發現，復合高過載加速度將導致不對稱的周邊視力喪失（unequal loss of peripheral vision）[2]。進而影響飛行員對艙內儀表和艙外目標觀察的不準確性，成為飛行安全中的極大隱患。
20 世紀 90 年代，Paul 等[3]利用經顱多普勒對飛行員進行超聲掃描監測試驗，他們發現雙眼不對稱的周邊視力喪失可能與韋利斯氏環的異常有關。Popper 等[4]則提出雙眼視力不同可能是由于左右眼視網膜供給血液的動脈壓不對稱造成的。此外，屈光不正是造成飛行員停飛的主要原因之一[5-6]。鄭麗娟等[7]指出造成屈光不正的原因可能與飛行員長時間高強度飛行和空中環境有關，因此，緩慢形成的屈光不正同加速度作用造成的即刻視力喪失可能并無直接關系。我國空軍航空醫學研究所的徐艷等[2]在進行人體離心機試驗也表明，短暫的復合加速度就會導致受試者雙眼不對稱的周邊視力喪失，雖然其作用機制尚不明確，但可排除屈光不正的原因。
眼是重要的人體器官之一，由于結構復雜，內部組織脆弱，對外力的作用十分敏感。有限元仿真是研究外力作用下組織響應機制的一個重要的生物力學手段。本課題組先前的研究表明全眼球模型的有限元仿真可以分析多種外載作用下的眼組織動力學響應[8-10]。Rangarajan 等[11]曾利用有限元建模仿真的方法模擬持續角加速度造成嬰兒視網膜損傷，Hans 等[12]根據嬰兒眼睛的特殊結構進行有限元建模，評估力和沖擊對嬰兒視網膜后極的影響，上述兩項研究充分證明了有限元建模方法研究加速度對眼組織影響的有效性。基于此，本文采用數值仿真技術，建立人體雙眼有限元模型，為探究復合加速度造成的雙眼不對稱周邊視力喪失的機制提供研究手段。
1 材料和方法
1.1 模型建立
本課題采用的全眼模型來源于課題組先前建立的簡化人眼（右）模型，它包含角膜、鞏膜、房水、晶狀體、睫狀體、懸韌帶、玻璃體和視網膜等結構。單眼模型為一個軸對稱的簡化模型，其幾何尺寸均來自于參考文獻中成年男子平均解剖數據[13-14]，并在三維計算機輔助設計軟件 SolidWorks2010（Dassault systems SolidWorks Corp.，USA）中制作完成。眼組織的材料力學參數主要來自于參考文獻中的實測數據，其中包含有超彈性性質的角膜、鞏膜、高粘彈性的玻璃體和脂肪，以及具有流體特征的房水[8]。所有眼組織均利用計算機輔助工程前處理軟件 ICEM CFD 15.0（ANSYS Inc.，USA）進行六面體網格劃分，總節點數為 83 550，網格數量為 69 762。各組織間的接觸，除視網膜與鞏膜間設置為有條件的固連—分離接觸（bonded-breakable）外，其余均為固連接觸（bonded）。該單眼模型已通過文獻的實驗數據及經典的弗吉尼亞理工學院眼模型在不同的沖擊條件下進行對比研究，驗證了當前模型的有效性[8]。本課題的工作是按照成人平均眼距（64 cm），將右眼模型做鏡像復制，完成雙眼模型，同時對眼內脂肪做相同處理。單眼模型已經經過驗證，因此雙眼模型也能夠準確地描述加速度狀態下眼組織的動態力學響應。
本實驗使用的頭部模型來源于首都醫科大學附屬北京同仁醫院一位健康成年男性志愿者（28 歲，身高 173 cm，體重 60 kg）。利用電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）技術對志愿者頭部進行斷層圖像掃描。獲得圖像導入到交互式的醫學影像處理軟件 Mimics10.01（Materialise Inc.，Belgium）中進行三維重建。由于兩只眼睛在形態學上幾乎完全對稱，且其僅作為眼球的一個支撐，并不需要精確計算，因此如圖 1所示，我們將頭部模型沿矢狀面分割，僅保留右側頭骨，導入到逆向工程軟件 Geomagic Studio（Geomagic Inc.，USA）進行平滑處理，并封閉了口腔，刪減了部分耳部碎骨，填充了鼻骨，然后做鏡像對稱，完成整個頭骨的建立，并處理為殼結構。利用有限元分析軟件 ANSYS 15.0（ANSYS Inc.，USA）自動生成網格，節點數為 16 308，網格數量為 16 386。
眼球位于眼眶內部，周圍有脂肪等組織支撐。眼球向前方平視時，突出度約 12～14 mm，兩側相差不超過 2 mm。根據 Weaver 等[15]對 24 個志愿者的眼部測量的平均數據完成頭骨、脂肪、眼球的組裝，如圖 1 所示。
圖1
雙眼模型的裝配
Figure1.
Assembly of double-eye model
1.2 加速度的確定與選取
根據陸霞等[16]提出的我國選拔高性能戰斗機飛行員標準，在慣性力（G）以 1 G/s 增長的條件下，慣性力峰值達到 4.5 G 時，飛行員不使用任何防護措施耐受時間持續 10 s 為合格。本文設計分別將頭—足方向的加速度載荷（Gz）、右—左方向的加速度載荷（Gy）、胸—背方向的加速度載荷（Gx）以及三個方向的復合加速度載荷加載在頭骨模型上，并簡化了加速過程，以恒定 4.5 G 加載，持續 0.1 s，并采用非線性顯式動力學軟件 ANSYS AUTODYN（ANSYS Inc.，USA）進行計算。加速度方向如圖 2 所示，慣性力方向與加速度方向相反。
圖2
加速度方向示意圖
Figure2.
Direction sketch of acceleration
2 結果
視網膜是一層極薄的透明組織，是眼球中最易受到損傷的部位，因此分析不同方向下加速度造成視網膜的應變，對于研究復合加速度下雙眼出現不對稱周邊視力喪失的機制有很大的借鑒作用。從 Gz、Gy、Gx 以及復合加速度載荷作用下應變/時間曲線中可以發現，人體受到加速度載荷后，視網膜應變迅速升高，隨即表現出振蕩特征，該過程大約持續 0.05 s；之后應變曲線趨于穩定，視網膜應變逐漸保持在一定的水平，因此我們認為在當前加速度載荷水平下，0.1 s 視網膜應變可視為達到穩定狀態，應變值幾乎保持不變，如圖 3 所示。
圖3
Gz、Gy、Gx、復合加速度載荷作用下視網膜應變/時間曲線
Figure3.
Curves of retinal strain/time under multy-acceleration loads of Gz、Gy、Gx and multi-axis directions
如圖 3、圖4 所示，分別為應變/時間曲線圖，穩定后應變柱狀圖。可以看到，Gz 載荷作用下，穩定后兩眼應變絕對值相差 0.168×10–3，左眼應變比右眼高出 8.3%。Gy 載荷作用下，穩定后兩眼應變絕對值相差 0.133×10–3，左眼應變比右眼高出 9.0%，Gx 載荷作用下，穩定后兩眼應變絕對值相差 0.151×10–3，左眼應變比右眼高出 4.9%；復合加速度載荷作用下，左眼應變為 2.725×10–3，右眼應變為 2.167×10–3，兩眼絕對值相差 0.558×10–3，左眼應變比右眼高出 25.7%。圖中的結果顯示，Gz 載荷作用下，雙眼應變/時間曲線幾乎完全重合；而 Gy、Gx 作用下，左、右眼應變/時間曲線波動趨勢有很大不同，但應變穩定后左、右眼差異不大；而復合加速度載荷下，左、右眼應變/時間曲線波動趨勢差異明顯，應變穩定后左、右眼差異較為明顯，絕對值相差較高。
圖4
Gz、Gy、Gx、復合加速度載荷作用下穩定后雙眼視網膜應變柱狀圖
Figure4.
Histogram of retina strain in a steady state under multi-acceleration loads of Gz、Gy、Gx and multi-axis directions
不同方向加速度載荷作用下視網膜應變云圖如圖 5 所示，Gz 載荷作用下，視網膜左右眼應變分布十分對稱；Gy、Gx 載荷作用下，左右眼應變分布有所不同，但差異較小；復合方向加速度載荷作用下，左右眼應變分布差異較為明顯，左眼應變值較右眼高。
圖5
Gz、Gy、Gx、復合加速度載荷作用下視網膜的應變云圖
Figure5.
Strain nephogram of retina under multi-acceleration loads of Gz、Gy、Gx and multi-axis directions
3 分析和討論
隨著超機動性能戰斗機的出現，越來越多科學家開始關注復合加速度對飛行員的影響[17]。我國空軍航空醫學研究所的徐艷等[2]在做復合加速度人體離心機試驗時，發現在復合加速度作用時，受試者雙眼出現了不對稱的周邊視力喪失，但并未解釋其原因。本文從有限元仿真的角度入手，研究了以不同方向的加速度 Gz、Gy、Gx 以及三個方向共同施加的復合加速度分別對仿真模型進行加載的情況，以求探尋雙眼出現不對稱周邊視力喪失的機制。
傳統戰斗機在空戰中多數暴露在持續高 Gz 載荷作用下，而現代高性能戰斗機高度機動靈活，空戰時不但會產生持續高 Gz 載荷作用，在短距起降或超機動時也會產生復合加速度載荷。從仿真結果來看，Gz 載荷作用下，雙眼應變/時間曲線幾乎完全重合，應變云圖十分對稱，穩定后雙眼應變絕對值相差 0.168×10–3，差異甚微；而復合加速度載荷下，雙眼應變分布差異明顯，左眼應變比右眼高出 25.7%。可見單純的 Gz 載荷作用下，并不能引起雙眼不對稱的周邊視力喪失，而復合加速度載荷下，雙眼視網膜應變差異變得明顯，這也許是造成不對稱周邊視力喪失的力學因素。另外，由于屈光系統造成視力改變的主要原因是屈光系統的大變形，而加速度造成的角膜、晶狀體的應變很小，并不能造成屈光系統的大變形，因此排除了加速度造成屈光系統改變而引起視力變化的原因。
在本文的視網膜應變/時間曲線中可以看到，應變在較短時間內隨時間從波動逐漸達到穩定狀態，如圖 3 所示。恒定的加速度載荷下，0.1 s 可以反映后續視網膜的應變狀態。因此，利用有限元仿真 0.1 s 恒定加速度載荷下的應變，就可以反映實際飛行中飛行員受到的應變水平。
加速度產生的應力波在眼球中傳播會造成視網膜的動態響應。如圖 3 所示，在恒定加速度載荷的作用下，視網膜的瞬時應力會出現短暫的震蕩（持續時間小于 0.05 s）。根據對沖傷理論[18]，當眼球受到加速度沖擊時，沿著眼球鞏膜傳播的切向波與沿著玻璃體傳播的壓縮波在作用方向的對側匯合，產生應力集中現象，可能造成生物組織的損傷。根據比較視網膜的應變值與其自身的力學強度極限，可以判斷不同加速度載荷條件下視網膜損傷的可能性。然而，由于視網膜組織十分脆弱，動態載荷作用下的力學屬性至今還未曾在實驗中獲得。在先前的研究中，利用類比法，通過實驗數據和仿真結果的比對，計算出動態載荷作用下視網膜的應變強度約為 0.125。然而，我們的仿真結果顯示，4.5 G 的加速度載荷造成視網膜的最大應變僅為 0.003，遠小于自身的強度極限，因此在 4.5 G 的機動飛行載荷下，飛行員不對稱的周邊視力喪失不可能是由于視網膜損傷導致的。
在恒定的加速度作用下，視網膜的應變/時間曲線在 0.05 s 后趨于穩定，其應變狀態已表現出準靜態的特征。在該狀態下，不同的加速度方向會影響視網膜的應變分布，如圖 5 所示，這也許同不對稱的周邊視力喪失有一定的相關性。加速度的作用會造成眼球的整體變形。充滿于晶狀體與視網膜之間的明膠狀玻璃體很可能對視網膜及周圍血管產生嚴重擠壓。尤其對于視網膜的靜脈血管，其管壁薄、管徑大、血壓低，極易發生塌陷。塌陷后的靜脈流阻明顯增加，影響視網膜的正常供血，這是我們認為復合加速度導致飛行員不對稱周邊視力喪失的最可能的原因。在進一步的研究中，我們將利用雙眼仿真模型計算加速度作用下視網膜及周圍血管的擠壓情況，預測靜脈血流阻抗的增加值，并結合人體循環系統集總參數模型，模擬復合加速度作用下，由于血液靜壓阻抗的改變造成左、右眼供血變化。通過分析血液灌注對視覺的影響機制，明確復合加速度造成飛行員雙眼不對稱周邊視力喪失的根本原因。
綜上所述，本文建立了雙眼有限元模型，并應用于加速度載荷條件下的仿真，結果表明在復合加速度載荷作用下，雙眼視網膜的動力學響應差異明顯，這可能是復合加速度導致飛行員不對稱周邊視力喪失的力學因素。本文提供的研究方法或可為研究不對稱周邊視力喪失的機制提供一條新的思路。
