亚洲和欧洲人种平均3D面部解剖结构特征对眼部紫外辐射暴露强度的影响研究

发布时间：2020-10-19 21:59

　　 目的:白内障是影响生命质量的全球性疾病,是全球范围内致视力损伤和致盲的重要因素之一。流行病学证据表明,以黄色人种为主的东南亚地区白内障年龄标准化伤残调整寿命年(Disability-adjusted Life Year,DALYs)最高,其次是东地中海地区,非洲地区,西太平洋地区,以白色人种为主的美国和欧洲地区最低,白色人种白内障患病率低于黄色人种和其他人种。众所周知,紫外线是导致白内障的重要环境危险因素之一,而眼部是紫外线暴露的主要靶器官之一。影响人群眼部紫外线暴露强度的因素很多,如纬度、海拔、太阳高度角(Solar Elevation Angle,SEA)、地面反射率等。除此之外,面部解剖结构也是影响眼部紫外线暴露强度的因素之一。1902年版的“大英百科全书”指出,高加索人群的面部“眉脊强烈发育”,而在蒙古人中,“突出的眉脊”通常不存在。与高加索人种相比,亚洲面部的主要特征包括更宽的内眼角间距,更高的面部凸角,更低的鼻倾角,更高的唇突,更短的眼睑裂缝,和更窄的唇部宽度。上述这些面部形态的差异使亚洲人种和高加索人种之间的眉弓、眉间及鼻部等解剖结构上亦具有形态学差异。一些研究表明,气候因素可能对不同人种面部和穹窿形状产生部分影响,在南大陆巴塔哥尼亚样本中发现的大型咀嚼组成部分和明显的眉间区域和眶上脊,而黄色人种则不然;环境光暴露水平影响鸟类和灵长类动物的视觉系统变化,这一作用在人类中同样适用,由于不同人种生活地区的环境光暴露水平不同,不同人群的眼球大小与其生存地区的纬度具有正相关关系。在本项研究中,我们推测,与亚洲人和其他种族相比,高加索人的眉弓和眉间等特征可能会阻止更多的紫外线暴露。除了环境紫外辐射暴露强度水平的差异之外,这种解释可能是高加索人种和其他种族之间的眼部紫外辐射暴露强度水平差异的另一个原因。正常人体站立时头部位置处于自然头位,此时视线方向为水平位置。而当人类在行走时,其头部向下倾斜,此时视线方向与水平方向呈现向下15°角。头部姿势位置的差异势必影响到眼部入射光线的接收角度,进而影响到眼部紫外辐射暴露的强度。总之,本研究构建亚洲和欧洲人种的3D光学模型,并构建3D眼部光最大入射角(Three-Dimensions Maximum Ocular Optical Angle of Incidence,3D MOOAI)的概念,从紫外辐射暴露监测和日光暴露渲染模拟两方面探讨面部解剖结构对亚洲和欧洲人种眼部紫外辐射暴露的影响,为完善年龄相关性白内障眼紫外线暴露学的认知提供新的依据。研究方法:1、选择FaceGen Modeller软件提供的具有亚洲和欧洲人种典型平均面部解剖结构特征的3D面部模型来代表亚洲人种和高加索人种,将模型进行精确处理后经3D打印制作后安置于旋转式眼部紫外辐射暴露模型,构建出亚洲和欧洲人种3D光学模型。监测地点为中国辽宁省阜新市(北纬42.00°,东经121.69°,海拔46米)以及沈阳市(北纬41.96°,东经123.48°,海拔42米)。监测日期为2018年6月28日至2018年7月4日(阜新)及2018年8月22日至8月27日(沈阳)。监测时,模型以顺时针方向匀速旋转,每1秒进行一次采样,监测间隔为15分钟(阜新)和20分钟(沈阳)。本实验监测获得的数据由“AvaSoft 7.4 for USB2.0”软件计算得到整波长光谱数据,在此基础上得到不同采样点的强度积分值,最后结合不同生物有效光谱权重,计算生物有效暴露强度。2、采用3ds Max软件调整3D面部解剖结构模型为自然头位,构建3D眼部光最大入射角。采用3ds Max 2017软件中的日光系统对亚洲和欧洲人种3D面部解剖结构模型进行渲染,采用阜新地区2018年7月2日以及具有较全SEA范围的低纬度地区夏至日(三亚地区,2018年6月22日)作为日光模拟器中设定的模拟日期,输出亚洲和欧洲模型直射光、天光漫散射以及日光渲染的渲染结果。应用MATLAB 2018a软件计算亚洲和欧洲模型直射、漫散射渲染结果图片中左眼瞳孔暴露部位上45个像素点的灰度值及其平均值,采用IBM spss 22.0软件,应用直线回归方法对亚洲和欧洲模型的渲染输出的灰度值与3D MOOAI、SEA以及旋转角度进行分析。结果:1、亚洲和欧洲模型眼部UVA与UVB波段暴露强度随时间变化均呈现双峰曲线;当SEA低于约30°时,亚洲和欧洲模型之间眼部紫外辐射暴露强度差异相对较小;当SEA约在30°至60°的范围内时,仅当旋转角度约在282°-336°以及24°-72°区间范围内两模型眼部紫外辐射暴露强度差异相对较大;当SEA约在60°至71.03°的范围内时,两模型眼部紫外辐射暴露强度差异在面向太阳的150°旋转角度范围内相对较大,此时UVA和UVB波段亚洲模型眼部紫外辐射暴露强度最大可达欧洲模型的1.87倍和1.47倍。2、对于UVA和UVB波段,当SEA高于60°时,预估环境紫外辐射暴露强度可以比实际环境紫外辐射暴露强度低22%和16%。3、亚洲模型经过眼部晶状体生物有效作用光谱加权后的生物有效光谱强度高于欧洲模型,其差值最高可达欧洲模型眼生物有效光谱强度的59%。4、亚洲和欧洲人种模型眼部光水平最大入射角分别为168°和156°;两模型3D MOOAI分别为118.93°和97.56°;两模型平均眼部光最大上入射角分别为60.16°和44.85°;两模型平均眼部光最大下入射角分别为58.77°和52.71°。5、当SEA小于30°时,亚洲和欧洲模型眼部直射光暴露模拟灰度值随旋转角度变化差异不大;当SEA为30°到60°时,两模型眼部直射光暴露模拟灰度值具有差异的旋转角度区间逐渐增大;在SEA为60°时,两模型眼部直射光暴露模拟灰度值差异陡然增大;当SEA为66°到78°范围内,亚洲模型眼部直射光暴露模拟灰度值逐渐减小直至最低值;当SEA高于78°时,两模型眼部眼部直射光暴露模拟灰度值一直保持在最低值范围内且几乎无差异。6、当SEA小于60°时,旋转角度0°到96°及264°到354°范围内两模型眼部漫散射光渲染灰度值略高于96°到264°范围内的灰度值,且该差异随SEA增加而逐渐减小;当SEA高于60°时,亚洲和欧洲模型眼部漫散射光渲染灰度值几乎无变化。7、当SEA小于30°以及SEA为30°-60°时,亚洲和欧洲模型眼部直射光、漫散射暴露与SEA、旋转角度及3D MOOAI回归方程的R~2值均大于或等于0.90;当SEA大于60°时,亚洲和欧洲模型眼部漫散射光暴露与SEA、旋转角度及3D MOOAI回归方程的R~2值略小。8、头部倾斜角度为15°时,亚洲和欧洲模型眼部紫外辐射暴露强度均低于头部倾斜角度为0°时;UVA和UVB波段,当头部倾斜角度为0°和15°时,欧洲模型眼部紫外辐射暴露强度分别在在SEA约为60°和49°时骤然下降,此时亚洲模型眼部紫外辐射暴露强度依旧较高。9、UVA和UVB波段,旋转角度正对太阳150°范围内亚洲和欧洲模型头部倾斜角0°和倾斜角15°间眼部紫外辐射暴露强度差异大于背对太阳的210°范围;UVA波段亚洲和欧洲模型不同倾斜角度间平均差异可达1.49倍和1.74倍,UVB波段平均差异可达1.41倍和1.51倍;UVA波段不同头部倾斜角下两模型间眼部紫外辐射暴露强度平均差异可达1.15倍和1.34倍,UVB波段平均差异可达1.19倍和1.27倍。10、头部倾斜角度为0°和15°时,亚洲和欧洲模型眼部直射光暴露模拟灰度值差异较大,而两模型漫研部漫散射光暴露灰度值几乎无差异结论:1、亚洲模型眼部紫外辐射高暴露风险大于欧洲模型。2、受面部解剖结构影响,亚洲和欧洲模型3D MOOAI具有差异,且3D MOOAI可影响亚洲和欧洲模型眼部紫外辐射暴露强度。3、亚洲和欧洲模型眼部光暴露差异主要受直射光影响,且SEA在60°到78°范围内,两模型眼部直射光暴露差异最大。4、头部倾斜角度为0°,亚洲和欧洲模型眼部紫外辐射暴露强度均高于头部倾斜角度为15°时,且眼部紫外辐射最大暴露状态时,头部倾斜角为0°和15°时,欧洲模型眼部紫外辐射暴露强度急剧降低的SEA分别约为60°和50°。5、头部倾斜角度为0°和15°时,UVA波段亚洲和欧洲模型间眼部紫外辐射暴露强度平均差异可达1.15倍和1.34倍;UVB波段平均差异可达1.19倍和1.27倍。6、头部倾斜角对亚洲和欧洲模型眼部直射光暴露影响较大,对漫散射光暴露影响很小。
【学位单位】：中国医科大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R776.1;R181.3
【部分图文】：

在本研究中，我们建立了由 FaceGen Modeller 软件[版本 Demo 3.14]提供的三维（Three-dimensional，3D）亚洲和欧洲人种头部光学模型，在中国阜新地区对紫外辐射暴露强度进行监测，以探讨面部形态差异对亚洲和高加索人种眼部紫外辐射暴露强度差异的影响。2 材料与方法2.1 监测仪器及设备2.1.1 亚洲和欧洲人种 3D 面部解剖结构模型构建亚洲和欧洲人种平均面部结构特征模型由FaceGenModeller [versionDemo 3.1软件提供。Thoma, P[19]，Oosterhof[20]，Matheson[21]以及 Huang[22]等人使用该软件创建面部刺激，用这种工具产生的刺激也用于临床研究，例如，在涉及自闭症谱系障碍患者的研究[23]。

表 1.1 亚洲人种模型和欧洲人种模型面部解剖结构参数亚洲人种模型 积 (mm-2) 272.85 积 (mm-2) 207.74 积 (mm-2) 163.65 x (mm) 27.70 n (mm) 35.20 角 (°) 74.00 C 区位置见图 1.1，A 区代表眉间部分；B区代表内侧眉弓建建的亚洲和欧洲人种3D面部解剖结构模型经3D打模型[25]中，作为两人种眼部紫外辐射暴露监测光学模

头部倾斜角为 0°。 两台由计算机控制的双通道微型光纤光谱仪放置于中间架子上，用于测量眼睛和环境紫外线强度。每台光谱仪有两个探头，一台光谱仪的两个探头水平放置于亚洲和欧洲模型左眼位置用于眼部紫外辐射暴露强度监测，探头最前端与角膜顶位置相齐；另一台光谱仪的一个探头被放置于亚洲模型头部的顶点，确保接收面水平，用于监测环境紫外辐射暴露强度。2.1.3 监测仪器监测过程中使用的光纤光谱仪和余弦校正器如图 1.3 所示。我们用于测量紫外光谱辐照度的光纤光谱仪（AvaSpec-ULS2048XL-2-USB2，荷兰）是高紫外和近红外敏感背反薄电荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）光谱仪。该光谱仪基于 75 mm焦距对称 Czerny-Turner 光学平台，采用背照式 2048 像元 CCD 线阵探测器，波长范围为 200nm 至 1160nm，具有 14x500 微米的大型单片像素。杂散光小于0.5％，灵敏度为 460,000counts/μw/ms，紫外量子效率为 60％，信噪比为 525dB。该光谱仪配有16位AD转换卡和USB 3.0高速接口，每个频谱的传输速度为2.44ms。
【参考文献】

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1 王道光;毕宏生;郭大东;;紫外线辐射致白内障发生的研究现状[J];国际眼科杂志;2011年12期

2 乔玉成;;进化·退化:人类体质的演变及其成因分析——体质人类学视角[J];体育科学;2011年06期

3 海向军;何烨;马卫红;戴玉景;;藏族青年头面部特征与美容学[J];解剖学杂志;2007年01期

4 杨朝忠;王勇;殷晓棠;林月葵;黄玉敏;;中国老年性白内障研讨分析[J];眼科新进展;1991年02期

本文编号：2847774