Automatiserad kompressionstestning av den okulära linsen
Summary
Vi presenterar en automatiserad metod för att karakterisera den effektiva elasticitetsmodulen hos en okulär lins med hjälp av ett kompressionstest.
Abstract
De biomekaniska egenskaperna hos okulärlinsen är avgörande för dess funktion som ett optiskt element med variabel effekt. Dessa egenskaper förändras dramatiskt med åldern i den mänskliga linsen, vilket resulterar i en förlust av närseende som kallas presbyopi. Mekanismerna bakom dessa förändringar är dock fortfarande okända. Linskompression erbjuder en relativt enkel metod för att bedöma linsens biomekaniska styvhet i kvalitativ mening och kan, i kombination med lämpliga analystekniker, hjälpa till att kvantifiera biomekaniska egenskaper. En mängd olika linskompressionstester har utförts hittills, inklusive både manuella och automatiserade, men dessa metoder tillämpar inkonsekvent viktiga aspekter av biomekanisk testning såsom förkonditionering, laddningshastigheter och tid mellan mätningar. Detta dokument beskriver ett helautomatiskt linskompressionstest där ett motoriserat steg synkroniseras med en kamera för att fånga linsens kraft, förskjutning och form genom ett förprogrammerat laddningsprotokoll. En karakteristisk elasticitetsmodul kan sedan beräknas från dessa data. Även om metoden här demonstreras med hjälp av svinlinser, är den lämplig för komprimering av linser av alla arter.
Introduction
Linsen är det genomskinliga och flexibla organ som finns i ögat och som gör att det kan fokusera på olika avstånd genom att ändra dess brytningskraft. Denna förmåga kallas ackommodation. Brytningskraften förändras på grund av sammandragning och avslappning av ciliarmuskeln. När ciliarmuskeln drar ihop sig förtjockas linsen och rör sig framåt, vilket ökar dess brytningskraft 1,2. Ökningen av brytningseffekten gör att linsen kan fokusera på närliggande föremål. När människor åldras blir linsen styvare och denna förmåga att anpassa sig går gradvis förlorad; Detta tillstånd är känt som presbyopi. Mekanismen för förstyvning är fortfarande okänd, åtminstone delvis på grund av svårigheterna i samband med den biomekaniska karakteriseringen av linsen.
En mängd olika metoder har använts för att uppskatta linsstyvhet och biomekaniska egenskaper. Dessa inkluderar linsspinning 3,4,5, akustiska metoder 6,7,8, optiska metoder som Brillouinmikroskopi9, intryckning10,11 och kompression12,13. Kompression är den mest tillgängliga experimentella tekniken eftersom den kan utföras med enkel instrumentering (t.ex. glastäcken14,15) eller ett enda motoriserat steg. Vi har tidigare visat hur linsens biomekaniska egenskaper kan uppskattas noggrant från ett kompressionstest16. Denna process är tekniskt utmanande och kräver specialiserad programvara som inte är lättillgänglig för linsforskare som är intresserade av mätningar av relativ styvhet. Därför fokuserar vi i denna studie på tillgängliga metoder för att uppskatta linsens elasticitetsmodul samtidigt som vi tar hänsyn till linsstorleken. Elasticitetsmodulen är en inneboende materialegenskap relaterad till dess deformerbarhet: en hög elasticitetsmodul motsvarar ett styvare material.
Själva testet är ett parallellt plattkompressionstest och kan därför utföras på lämpliga kommersiella mekaniska testsystem. Här konstruerades ett skräddarsytt instrument bestående av en motor, linjärt steg, rörelsekontroller, lastcell och förstärkare. Dessa styrdes med hjälp av anpassad programvara som också registrerade tid, position och belastning med jämna mellanrum. Grislinser passar inte men är lättillgängliga och billiga17. Följande metod utvecklades för att stegvis komprimera ögonlinsen och kvantifiera dess elasticitetsmodul. Denna metod kan enkelt replikeras och kommer att vara användbar vid studier av linsstyvhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Linskomprimering är en mångsidig metod för att uppskatta linsstyvhet. De procedurer som beskrivs ovan gör det möjligt att jämföra glas av olika arter och olika storlekar. Alla deformationer normaliseras mot linsstorleken, och beräkningen av elasticitetsmodulen tar ungefär hänsyn till linsstorleken. Den effektiva modulen är betydligt högre än den modul som tidigare rapporterats för svinlinsen 4,7,11,19, åtminstone delvis på grund av användningen av tjocklek snarare än k…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Med stöd av National Institutes of Health anslag 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).
