Автоматизированная компрессионная проверка окулярного хрусталика
Summary
Представлен автоматизированный метод определения эффективного модуля упругости окулярной линзы с помощью компрессионного теста.
Abstract
Биомеханические свойства окулярной линзы имеют важное значение для ее функционирования в качестве оптического элемента переменной мощности. Эти свойства резко меняются с возрастом в хрусталике человека, что приводит к потере зрения вблизи, называемой пресбиопией. Однако механизмы этих изменений остаются неизвестными. Сжатие хрусталика представляет собой относительно простой метод оценки биомеханической жесткости хрусталика в качественном смысле и, в сочетании с соответствующими аналитическими методами, может помочь количественно оценить биомеханические свойства. На сегодняшний день были проведены различные испытания на сжатие хрусталика, в том числе ручные и автоматические, но эти методы непоследовательно применяют ключевые аспекты биомеханических испытаний, такие как предварительное кондиционирование, скорость загрузки и время между измерениями. В этом документе описывается полностью автоматизированное испытание объектива на сжатие, в котором моторизованный столик синхронизируется с камерой для захвата силы, смещения и формы объектива в течение заранее запрограммированного протокола нагружения. Затем на основе этих данных можно рассчитать характеристический модуль упругости. Несмотря на то, что здесь мы демонстрируем на примере свиных линз, этот подход подходит для компрессии хрусталиков любого вида.
Introduction
Хрусталик – это прозрачный и гибкий орган глаза, который позволяет ему фокусироваться на разных расстояниях, изменяя свою преломляющую силу. Эта способность известна как аккомодация. Преломляющая сила изменяется из-за сокращения и расслабления цилиарной мышцы. Когда цилиарная мышца сокращается, хрусталик утолщается и движется вперед, увеличивая свою преломляющую силу 1,2. Увеличение преломляющей силы позволяет объективу фокусироваться на близлежащих объектах. С возрастом хрусталик становится более жестким, и эта способность постепенно утрачивается; Это состояние известно как пресбиопия. Механизм жесткости остается неизвестным, по крайней мере, частично из-за трудностей, связанных с биомеханической характеристикой хрусталика.
Для оценки жесткости хрусталика и биомеханических свойств используются различные методы. К ним относятся вращение линзы 3,4,5, акустические методы 6,7,8, оптические методы, такие как микроскопия Бриллюэна9, вдавливание 10,11 и компрессия12,13. Компрессия является наиболее доступным экспериментальным методом, так как она может быть выполнена с помощью простых приборов (например, стеклянных покровных стекол14,15) или одной моторизованной ступени. Ранее мы показали, как биомеханические свойства хрусталика могут быть строго оценены с помощью испытания на сжатие16. Этот процесс технически сложен и требует специализированного программного обеспечения, недоступного исследователям объективов, заинтересованным в измерении относительной жесткости. Поэтому в настоящем исследовании мы сосредоточимся на доступных методах оценки модуля упругости хрусталика с учетом размера линзы. Модуль упругости — это внутреннее свойство материала, связанное с его деформируемостью: высокий модуль упругости соответствует более жесткому материалу.
Само испытание представляет собой испытание на сжатие параллельной пластины и поэтому может быть выполнено на подходящих коммерческих системах механических испытаний. Здесь был сконструирован специальный прибор, состоящий из двигателя, линейного столика, контроллера движения, тензодатчика и усилителя. Они управлялись с помощью специального программного обеспечения, которое также фиксировало время, положение и нагрузку через равные промежутки времени. Объективы свиньи не вмещают, но легкодоступны и недороги17. Для инкрементального сжатия хрусталика глаза и количественной оценки его модуля упругости был разработан следующий метод. Этот метод легко тиражируется и будет полезен при исследовании жесткости хрусталика.
Protocol
Representative Results
Discussion
Компрессия линзы является универсальным методом оценки жесткости линзы. Процедуры, описанные выше, позволяют сравнивать линзы разных видов и разных размеров. Все деформации нормируются по размеру линзы, а расчет модуля упругости приблизительно учитывает размер линзы. Эффективный мод…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
При поддержке гранта Национальных институтов здравоохранения 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).
