اختبار الضغط الآلي لعدسة العين
Summary
نقدم طريقة آلية لتوصيف معامل المرونة الفعال لعدسة العين باستخدام اختبار الضغط.
Abstract
الخصائص الميكانيكية الحيوية لعدسة العين ضرورية لوظيفتها كعنصر بصري متغير الطاقة. تتغير هذه الخصائص بشكل كبير مع تقدم العمر في العدسة البشرية ، مما يؤدي إلى فقدان الرؤية القريبة التي تسمى طول النظر الشيخوخي. ومع ذلك ، لا تزال آليات هذه التغييرات غير معروفة. يوفر ضغط العدسة طريقة بسيطة نسبيا لتقييم الصلابة الميكانيكية الحيوية للعدسة بالمعنى النوعي ، وعندما يقترن بالتقنيات التحليلية المناسبة ، يمكن أن يساعد في تحديد الخصائص الميكانيكية الحيوية. تم إجراء مجموعة متنوعة من اختبارات ضغط العدسة حتى الآن ، بما في ذلك كل من اليدوية والآلية ، ولكن هذه الطرق تطبق بشكل غير متسق الجوانب الرئيسية للاختبارات الميكانيكية الحيوية مثل التكييف المسبق ومعدلات التحميل والوقت بين القياسات. تصف هذه الورقة اختبار ضغط العدسة المؤتمت بالكامل حيث تتم مزامنة مرحلة آلية مع كاميرا لالتقاط قوة العدسة وإزاحة وشكلها عبر بروتوكول تحميل مبرمج مسبقا. يمكن بعد ذلك حساب معامل المرونة المميز من هذه البيانات. بينما هو موضح هنا باستخدام عدسات الخنازير ، فإن النهج مناسب لضغط العدسات من أي نوع.
Introduction
العدسة هي العضو الشفاف والمرن الموجود في العين والذي يسمح لها بالتركيز على مسافات مختلفة عن طريق تغيير قوتها الانكسارية. تعرف هذه القدرة باسم الإقامة. يتم تغيير قوة الانكسار بسبب تقلص واسترخاء العضلات الهدبية. عندما تنقبض العضلة الهدبية ، تتكاثف العدسة وتتحرك للأمام ، مما يزيد من قوتها الانكسارية 1,2. تسمح الزيادة في قوة الانكسار للعدسة بالتركيز على الأشياء القريبة. مع تقدم البشر في العمر ، تصبح العدسة أكثر صلابة وتفقد هذه القدرة على الاستيعاب تدريجيا. تعرف هذه الحالة باسم طول النظر الشيخوخي. لا تزال آلية التصلب غير معروفة ، على الأقل جزئيا بسبب الصعوبات المرتبطة بالتوصيف الميكانيكي الحيوي للعدسة.
تم استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لتقدير صلابة العدسة والخصائص الميكانيكية الحيوية. وتشمل هذه غزل العدسة3،4،5 ، والطرق الصوتية6،7،8 ، والطرق البصرية مثل المجهر Brillouin9 ، والمسافة البادئة10،11 ، والضغط12،13. الضغط هو الأسلوب التجريبي الأكثر سهولة حيث يمكن إجراؤه باستخدام أجهزة بسيطة (على سبيل المثال ، أغطية زجاجية14,15) أو مرحلة آلية واحدة. لقد أوضحنا سابقا كيف يمكن تقدير الخواص الميكانيكية الحيوية للعدسة بدقة من اختبار الضغط16. هذه العملية صعبة تقنيا وتتطلب برامج متخصصة لا يمكن الوصول إليها بسهولة لباحثي العدسات المهتمين بقياسات الصلابة النسبية. لذلك ، في هذه الدراسة ، نركز على الطرق التي يمكن الوصول إليها لتقدير معامل المرونة للعدسة مع حساب حجم العدسة. معامل المرونة هو خاصية مادية جوهرية تتعلق بقابليتها للتشوه: معامل المرونة العالي يتوافق مع مادة أكثر صلابة.
الاختبار نفسه هو اختبار ضغط لوحة متوازية وبالتالي يمكن إجراؤه على أنظمة اختبار ميكانيكية تجارية مناسبة. هنا ، تم إنشاء أداة مخصصة تتكون من محرك ، ومرحلة خطية ، ووحدة تحكم في الحركة ، وخلية تحميل ، ومكبر للصوت. تم التحكم فيها باستخدام برامج مخصصة تسجل أيضا الوقت والموضع والحمل على فترات منتظمة. عدسات الخنازير لا تستوعب ولكن يمكن الوصول إليها بسهولة وغير مكلفة17. تم تطوير الطريقة التالية لضغط عدسة العين بشكل تدريجي وتحديد معامل مرونتها. يمكن تكرار هذه الطريقة بسهولة وستكون مفيدة في دراسة تصلب العدسة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ضغط العدسة هو طريقة متعددة الاستخدامات لتقدير صلابة العدسة. تسمح الإجراءات الموضحة أعلاه بإجراء مقارنة بين العدسات من الأنواع المختلفة والأحجام المختلفة. يتم تطبيع جميع التشوهات مقابل حجم العدسة ، وحساب معامل المرونة يمثل تقريبا حجم العدسة. المعامل الفعال أعلى بكثير من المعامل الذي تم ا…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بدعم من منحة المعاهد الوطنية للصحة R01 EY035278 (MR).
Materials
| Curved Medium Point General Purpose Forceps | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| Galil COM Libraries | Galil Motion Control | ||
| High Precision Scalpel Handle | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| Linear Stage | McMaster-Carr | 6734K4 0.125" | |
| Load Cell | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| Load Cell Amplifier | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
| Microprobe | Surgical Design | 22-079-740 | |
| Miniature Self Opening Precision Scissors | Excelta | 63042-004 | |
| Motion Controller | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
| Motor | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
| Straight Hemastats | Fine Science | NC9247203 | stainless steel, 14cm |
Riferimenti
- Gullstrand, A. Helmholtz’s treatise on physiological optics. translated edn. The Optical Society of America. , (1924).
- Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).
- Burd, H. J., Wilde, G. S., Judge, S. J. An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens. Exp Eye Res. 92 (1), 28-39 (2011).
- Reilly, M. A., Martius, P., Kumar, S., Burd, H. J., Stachs, O. The mechanical response of the porcine lens to a spinning test. Z Med Phys. 26 (2), 127-135 (2016).
- Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
- Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O’Donnell, M. Spatially mapping the elastic properties of the lens using bubble-based acoustic radiation force. IEEE Ultrasonics Symp. 1, 613-616 (2005).
- Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O’Donnell, M. Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubble-based acoustic radiation force. Exp Eye Res. 84 (2), 332-341 (2007).
- Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. A high pulse repetition frequency ultrasound system for the ex vivo measurement of mechanical properties of crystalline lenses with laser-induced microbubbles interrogated by acoustic radiation force. Phys Med Biol. 57 (15), 4871-4884 (2012).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy. Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P. Stiffness gradient in the crystalline lens. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245 (9), 1357-1366 (2007).
- Reilly, M. A., Ravi, N. Microindentation of the young porcine ocular lens. J Biomech Eng. 131 (4), 044502 (2009).
- Gu, S., et al. Connexin 50 and AQP0 are essential in maintaining organization and integrity of lens fibers. Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (12), 4021-4032 (2019).
- Sharma, P. K., Busscher, H. J., Terwee, T., Koopmans, S. A., van Kooten, T. G. A comparative study on the viscoelastic properties of human and animal lenses. Exp Eye Res. 93 (5), 681-688 (2011).
- Cheng, C., Gokhin, D. S., Nowak, R. B., Fowler, V. M. Sequential application of glass coverslips to assess the compressive stiffness of the mouse lens: strain and morphometric analyses. J Vis Exp. (111), e53986 (2016).
- Baradia, H., Negin, N., Adrian, G. Mouse lens stiffness measurements. Exp Eye Res. 91 (2), 300-307 (2010).
- Reilly, M. A., Cleaver, A. Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test. J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009 (2017).
- Hahn, J., et al. Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation, before and after fs-laser treatment. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).
- Parreno, J., Cheng, C., Nowak, R. B., Fowler, V. M. The effects of mechanical strain on mouse eye lens capsule and cellular microstructure. Mol Biol Cell. 29 (16), 1963-1974 (2018).
- Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. The mechanical properties of ex vivo bovine and porcine crystalline lenses: age-related changes and location-dependent variations. Ultrasound Med Biol. 39 (6), 1120-1127 (2013).
- Reilly, M. A., Hamilton, P., Gavin, P., Nathan, R. Comparison of the behavior of natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher. Exp Eye Res. 88 (3), 483-494 (2009).
- Mekonnen, T., et al. The lens capsule significantly affects the viscoelastic properties of the lens as quantified by optical coherence elastography. Front Bioeng Biotechnol. 11, 1134086 (2023).
- Wilde, G. S., Burd, H. J., Judge, S. J. Shear modulus data for the human lens determined from a spinning lens test. Exp Eye Res. 97 (1), 36-48 (2012).
