Geautomatiseerde compressietests van de oculaire lens
Summary
We presenteren een geautomatiseerde methode voor het karakteriseren van de effectieve elastische modulus van een oculaire lens met behulp van een compressietest.
Abstract
De biomechanische eigenschappen van de oculaire lens zijn essentieel voor zijn functie als optisch element met variabel vermogen. Deze eigenschappen veranderen dramatisch met de leeftijd in de menselijke lens, wat resulteert in een verlies van dichtbij zien, presbyopie genaamd. De mechanismen van deze veranderingen blijven echter onbekend. Lenscompressie biedt een relatief eenvoudige methode om de biomechanische stijfheid van de lens in kwalitatieve zin te beoordelen en kan, in combinatie met geschikte analytische technieken, helpen bij het kwantificeren van biomechanische eigenschappen. Tot nu toe zijn er verschillende lenscompressietests uitgevoerd, zowel handmatig als geautomatiseerd, maar deze methoden passen inconsistent belangrijke aspecten van biomechanische tests toe, zoals preconditionering, belastingssnelheden en tijd tussen metingen. Dit artikel beschrijft een volledig geautomatiseerde lenscompressietest waarbij een gemotoriseerde tafel wordt gesynchroniseerd met een camera om de kracht, verplaatsing en vorm van de lens vast te leggen via een voorgeprogrammeerd laadprotocol. Op basis van deze gegevens kan vervolgens een karakteristieke elasticiteitsmodulus worden berekend. Hoewel hier gedemonstreerd met behulp van varkenslenzen, is de aanpak geschikt voor de compressie van lenzen van elke soort.
Introduction
De lens is het transparante en flexibele orgaan in het oog waarmee het op verschillende afstanden kan scherpstellen door het brekingsvermogen te veranderen. Dit vermogen staat bekend als accommodatie. Het brekingsvermogen verandert door de samentrekking en ontspanning van de ciliaire spier. Wanneer de ciliaire spier samentrekt, wordt de lens dikker en beweegt naar voren, waardoor het brekingsvermogen toeneemt 1,2. Door de toename van het brekingsvermogen kan de lens scherpstellen op objecten in de buurt. Naarmate mensen ouder worden, wordt de lens stijver en gaat dit vermogen om zich aan te passen geleidelijk verloren; Deze aandoening staat bekend als presbyopie. Het mechanisme van verstijving blijft onbekend, althans gedeeltelijk vanwege de moeilijkheden die gepaard gaan met de biomechanische karakterisering van de lens.
Er zijn verschillende methoden gebruikt om de stijfheid en biomechanische eigenschappen van brillenglazen te schatten. Deze omvatten lensrotatie 3,4,5, akoestische methoden 6,7,8, optische methoden zoals Brillouin-microscopie9, inkeping10,11 en compressie12,13. Compressie is de meest toegankelijke experimentele techniek omdat het kan worden uitgevoerd met eenvoudige instrumentatie (bijv. glazen dekglaasjes14,15) of een enkele gemotoriseerde trap. We hebben eerder laten zien hoe de biomechanische eigenschappen van de lens rigoureus kunnen worden geschat op basis van een compressietest16. Dit proces is technisch uitdagend en vereist gespecialiseerde software die niet gemakkelijk toegankelijk is voor lensonderzoekers die geïnteresseerd zijn in relatieve stijfheidsmetingen. Daarom richten we ons in de huidige studie op toegankelijke methoden voor het schatten van de elastische modulus van de lens, rekening houdend met de lensgrootte. De elasticiteitsmodulus is een intrinsieke materiaaleigenschap die verband houdt met de vervormbaarheid: een hoge elasticiteitsmodulus komt overeen met een stijver materiaal.
De test zelf is een parallelle plaatcompressietest en kan daarom worden uitgevoerd op geschikte commerciële mechanische testsystemen. Hier werd een op maat gemaakt instrument geconstrueerd dat bestond uit een motor, lineaire trap, bewegingscontroller, loadcel en versterker. Deze werden bestuurd met behulp van aangepaste software die ook tijd, positie en belasting met regelmatige tussenpozen registreerde. De lenzen van het varken zijn niet geschikt, maar zijn gemakkelijk toegankelijk en goedkoop17. De volgende methode is ontwikkeld om de ooglens stapsgewijs samen te drukken en de elastische modulus te kwantificeren. Deze methode kan gemakkelijk worden gerepliceerd en zal nuttig zijn bij het bestuderen van lensstijfheid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lenscompressie is een veelzijdige methode voor het schatten van de stijfheid van de lens. De hierboven beschreven procedures maken het mogelijk om lenzen van verschillende soorten en verschillende maten te vergelijken. Alle vervormingen worden genormaliseerd ten opzichte van de lensgrootte en de berekening van de elastische modulus houdt ongeveer rekening met de lensgrootte. De effectieve modulus is aanzienlijk hoger dan de eerder gerapporteerde modulus voor de varkenslens 4,7,11,19, al…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ondersteund door National Institutes of Health-subsidie 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).
