Automatiseret kompressionstest af den okulære linse
Summary
Vi præsenterer en automatiseret metode til karakterisering af det effektive elastiske modul af en okulær linse ved hjælp af en kompressionstest.
Abstract
Den okulære linses biomekaniske egenskaber er afgørende for dens funktion som et optisk element med variabel effekt. Disse egenskaber ændrer sig dramatisk med alderen i den menneskelige linse, hvilket resulterer i et tab af nærsyn kaldet presbyopi. Mekanismerne bag disse ændringer forbliver imidlertid ukendte. Linsekomprimering tilbyder en relativt enkel metode til vurdering af linsens biomekaniske stivhed i kvalitativ forstand og kan, når den kombineres med passende analytiske teknikker, hjælpe med at kvantificere biomekaniske egenskaber. En række objektivkomprimeringstest er blevet udført til dato, herunder både manuelle og automatiserede, men disse metoder anvender inkonsekvent nøgleaspekter af biomekanisk test såsom forkonditionering, belastningshastigheder og tid mellem målinger. Dette papir beskriver en fuldautomatisk linsekomprimeringstest, hvor et motoriseret trin synkroniseres med et kamera for at fange objektivets kraft, forskydning og form gennem en forprogrammeret belastningsprotokol. Et karakteristisk elastisk modul kan derefter beregnes ud fra disse data. Mens demonstreret her ved hjælp af svinelinser, er fremgangsmåden passende til komprimering af linser af enhver art.
Introduction
Linsen er det gennemsigtige og fleksible organ, der findes i øjet, der gør det muligt at fokusere på forskellige afstande ved at ændre dets brydningskraft. Denne evne er kendt som indkvartering. Brydningskraften ændres på grund af sammentrækning og afslapning af ciliarymusklen. Når ciliarmusklen trækker sig sammen, bliver linsen tykkere og bevæger sig fremad, hvilket øger dens brydningskraft 1,2. Stigningen i brydningskraft gør det muligt for linsen at fokusere på nærliggende genstande. Når mennesker bliver ældre, bliver linsen stivere, og denne evne til at rumme går gradvist tabt; Denne tilstand er kendt som presbyopi. Afstivningsmekanismen forbliver ukendt, i det mindste delvis på grund af vanskelighederne forbundet med den biomekaniske karakterisering af linsen.
En række forskellige metoder er blevet anvendt til at estimere linsestivhed og biomekaniske egenskaber. Disse omfatter linsespinding 3,4,5, akustiske metoder 6,7,8, optiske metoder såsom Brillouin-mikroskopi9, indrykning 10,11 og kompression12,13. Kompression er den mest tilgængelige eksperimentelle teknik, da den kan udføres med simpel instrumentering (f.eks. Glasdæksler14,15) eller et enkelt motoriseret trin. Vi har tidligere vist, hvordan linsens biomekaniske egenskaber kan vurderes nøje ud fra en kompressionstest16. Denne proces er teknisk udfordrende og kræver specialiseret software, der ikke er let tilgængelig for linseforskere, der er interesseret i målinger af relativ stivhed. Derfor fokuserer vi i denne undersøgelse på tilgængelige metoder til estimering af objektivets elastiske modul, mens vi tager højde for linsestørrelse. Det elastiske modul er en iboende materialeegenskab relateret til dets deformerbarhed: et højt elastisk modul svarer til et stivere materiale.
Selve testen er en parallel pladekompressionstest og kan derfor udføres på egnede kommercielle mekaniske testsystemer. Her blev et brugerdefineret instrument konstrueret bestående af en motor, lineært trin, bevægelsescontroller, vejecelle og forstærker. Disse blev styret ved hjælp af brugerdefineret software, som også registrerede tid, position og belastning med jævne mellemrum. Piglinser rummer ikke, men er let tilgængelige og billige17. Følgende metode blev udviklet til trinvis komprimering af øjenlinsen og kvantificering af dens elastiske modul. Denne metode kan let replikeres og vil være nyttig i undersøgelsen af linsestivhed.
Protocol
Representative Results
Discussion
Linsekomprimering er en alsidig metode til estimering af objektivstivhed. De ovenfor beskrevne procedurer tillader sammenligning mellem linser af forskellige arter og forskellige størrelser. Alle deformationer normaliseres mod linsestørrelse, og beregningen af det elastiske modul tegner sig omtrent for linsestørrelsen. Det effektive modul er betydeligt højere end det modul, der tidligere er rapporteret for svinelinsen 4,7,11,19, i det mindste delvis på grund af brugen af tykkelse s…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Støttet af National Institutes of Health grant 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 |
Referências
- 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).
