緒論

1.1 研究背景

眼睛是人的靈魂之窗，亦為人類主要擷取外界資訊的路徑。眼睛的構造 堪稱為人體最精密的器官之ㄧ，因此在醫療上相對需要高精度的儀器作為量 測與治療的工具。

眼睛的相關數據的量測，發展歷史悠久，而量測儀器發展的緣起均源於 疾病的發生，其中「青光眼」便間接造就了眼壓計的發展。青光眼這個名詞 首次出現在約三百年前，一位眼壓過高導致角膜水腫的病人，由於醫師注意 到其前眼結構混濁而泛青光，便診斷為「青光眼」，然而實際上這位醫師看 到的是水晶體混濁的「白內障」，但「青光眼」這個名詞也就這樣被延用了 數百年。然而真正的青光眼，是一種會持續進行的視神經疾病，由於視神經 盤凹陷而造成視覺缺損甚至失明，而其通常與眼壓升高有關，因此眼壓量測 便成為診斷青光眼的重要參考之一。

史上第一台眼壓計在 1863 年問世，由 Donder 設計在鞏膜上測量眼壓的 壓陷式眼壓計，雖然該儀器由於設計不良不適用於臨床，但其卻代表著眼壓 計發展過程中的重大突破。1885 年 Maklakoff 首創壓平式眼壓計，藉由外力 與壓平角膜面積大小推算眼壓。1905 年 Schiotz 則發表較實用的壓陷式眼壓 計，並不斷改良，因該儀器簡便價廉且易於操作，至今仍為多國所通用。到 了 1954 年，Goldmann 所設計的壓平式眼壓計，克服了 Schiotz 眼壓計受眼 球壁彈性影響的缺點，使其量測結果更加準確可靠。1974 年，Grollman 利 用氣流來壓平角膜，設計出非接觸式的壓平式眼壓計。1987 年，根據 Mackay-Marg 眼壓計原理，使用壓力傳感器所設計的 Tono-Pen 手持式眼壓計 被應用於臨床上。其後隨著電子科技的發展，許多加入電子系統的眼壓計相

繼問世。

除了眼壓計外，有許多眼科相關的量測儀器也隨著科技的發展，不斷的 改良與精進，如角膜曲率計、角膜地形儀、等等，大部分的儀器都由原本以 傳統物理原理設計的方式，進而逐漸整合電子系統，改採電子偵測、數位顯 示、數位資料處理等，目的都是為了獲得一個更舒服安全而準確的量測方 式。

然而當電腦科技發展到一定程度，開始有學者對複雜的生理結構，建立 局部的數學模型，並借助於電腦計算能力逐步實現精確的虛擬模型。隨著數 據處理技術的進步，擷取的精確度也隨之提高，虛擬模型也將越來越精確而 廣泛的模擬生物體的功能與行為。

生物體的虛擬模型對於醫學發展有重要的科學意義，它能為醫學研究與 教學提供真實模型，並在疾病診斷與醫療技術開發上提供參考。在生物虛擬 摸型的發展上，已有許多成果在國際上發表，如德國海德堡大學所開發的虛 擬肝臟模型[1]，其考量了肝臟的幾何與物理特性，可應用於模擬手術中；

澳洲的澳大利亞大學建立了虛擬腹部模型[2]，模擬整個腹腔壁與重要器官 的型態，以及受到外力作用下的形變特性，可用於模擬棄車撞擊下對腹部器 官所產生的衝擊效果；美國威克森林大學提出虛擬結腸模型[3]，基於實現 模擬及腸內窺境；日本名古屋大學則發展胃模型[4]，在器官型態下考量胃 組織的形變於黏滯特性，用於研究胃延展型態等相關問題。

眼睛是十分精密的器官，而視覺更是人類接受資訊重要管道，在醫療上 需要精密準確的診斷，然而眼球的實驗體取得困難，若能建立人眼的虛擬模 型便能藉由模擬得到許多相關數據，能減少臨床實驗體的需求，並降低發生 診療錯誤的機會。同時藉由虛擬模型，對於研究發展醫療儀器有很大的助 益，先於模型上完成初步設計再套用於臨床實驗，能縮短開發時間，促進醫 療技術的發展。

1.2 相關研究與文獻回顧

對於眼睛的相關研究，基本上都來自於臨床的實驗與觀察，近年來電腦 科技的發展為眼科學的研究提供了一個新的路徑，藉由電腦建立虛擬眼球模 型，能分析眼球的各種生理與病理參數，對於各種眼部疾病進行早期診斷、

擬定治療方案與預測評估效果或是醫療儀器的開發上，都具有重要的意義。

在早期的眼科學的研究中，大多偏向於臨床觀察與物理性質的研究。

1972 年 Woo 等[5]便對眼球受力後角膜頂點位移量測作了完整的研究，1986 年 Jue 等[6]與 1992 年 Hjortdal 等[7]則對於眼球相關材料特性進行測量與 探討。

近年來有許多學者開始針對角膜與鞏膜的幾何特性及力學特性做量測的 相關研究，並藉由電腦建立虛擬模型。Bryant 等[8]以二維有限元素模型探 討本質參數變化對模擬結果的影響，並應用於外科手術上的研究。Jessica 等[9]建立了角膜的有限元素模型，用於探討角膜相關手術後，對於角膜曲 率與形變的影響。Anderson 等[10][11]則藉由自己實驗的量測數據，由數 學模型推導與數值分析的方式，建立了角膜與鞏膜的有限元素模型，探討眼 內壓對於角膜頂點形變量的關係，並應用於模擬壓平式眼壓計量測時的特 性。Fernandez[12] 則建立了二維的角膜模型，藉由模擬比較角膜同性與異 性材質的差異，並同時探討線性與非線性的彈性特性在模擬上的影響，應用 於參數變化對於角膜屈光度的影響。Pandolfi 等[13]則以各向異性材質特 性為基礎，建立有限元素模型來探討正常角膜與圓錐角膜的力學特性。

Sliesoratyte 等[14]則以角膜有限元素模型與臨床實驗來探討角膜厚度對 於形變量的影響。

在眼壓計的研製上，發展至今已有許多不同種類，而以原理區分基本上 可分為壓平式眼壓計與壓陷式眼壓計，而近年來亦有許多新式眼壓計被研發 出來，如動態式眼壓計等，而各種眼壓計基本上都是依據力學感測的方式，

藉由外部施力在角膜上使其達到一定的形變量，以形變量與所施予的外力推 算眼內壓，也由於需要施以外力的緣故，因此在量測方式上難以避免接觸被 測者的眼睛。

1.3 研究動機

眼球的相關研究已行之多年，從最初藉由觀察現象，進而臨床實驗與物 理特性研究，到虛擬建模，對於眼球本質上的特性與功能作用也愈加瞭解，

其目的都是為了藉由正確的學理提供醫學研究，而達到更加的醫療效果。

在醫療器材上的研究，隨著醫學知識的增進與科技的發展，亦逐漸朝著 更舒適、更精確的量測方式前進。在眼壓量測的發展上，從 1863 年史上第 一台眼壓計問世以來，經過許多學者專家不斷的改進，已發展出多種類型的 眼壓計，而精確度大幅提升，使用上也朝輕便舒適發展。然而目前眼壓計所 採用的量測方式，都是由外部施加壓力使得角膜產生形變，藉此推算眼壓。

眼壓計為了對眼球施予外力，因此必須直接接觸眼球，而其中所謂非接觸式 眼壓計，是利用氣流脈衝壓平角膜，雖然名為非接觸，但實際上仍然需要以 空氣為媒介向眼球施力，並非真正的非接觸。

綜觀現今各式的眼壓計，會發生與眼球直接接觸均源於需要施予外力來 造成角膜形變，而偵測形變上則多藉助光學系統或是人眼判斷。為了達到真 正非接觸式的量測，我們期望不採取外部施力的方式，而改採以眼球內部壓 力自然發生變化時造成角膜產生形變，直接藉由光學系統偵測角膜形變量推 算眼壓，如此一來便能確實避免直接接觸眼球，而達到真正的非接觸式量 測。為了證明此想法的可行性，本文將建構角膜模型，模擬眼內壓與角膜形 變關係，提供相關數據作為驗證之用。

1.4 論文架構

本論文將分為五章，第一章為緒論，說明本研究的背景與目的，概略介 紹相關的研究與發展狀況

第二章詳述本研究的知識背景，內容包括眼球整體結構與角膜生理組 織，另外對於眼壓及其影響作說明，並比較各種常見眼壓計原理與優缺點。

第三章為基礎角膜模型的建構，藉由已知的幾何與特性參數以有限元素 法建立壓力模型。

第四章針對角膜受眼內壓的影響所產生的形變加以分析與探討，嘗試建 立眼壓與形變量的關係式，並提出一個非接觸式的眼壓量測方法

第五章為結論與建議，說明本研究的結果，對於未來研究提供建議以改 善與增進研究的成效，並提出未來發展的方向與重心。