Oküler lensin otomatik kompresyon testi
Summary
Bir kompresyon testi kullanarak bir oküler lensin etkili elastik modülünü karakterize etmek için otomatik bir yöntem sunuyoruz.
Abstract
Oküler lensin biyomekanik özellikleri, değişken güçlü bir optik eleman olarak işlevi için gereklidir. Bu özellikler insan merceğinde yaşla birlikte önemli ölçüde değişir ve presbiyopi adı verilen yakın görme kaybına neden olur. Bununla birlikte, bu değişikliklerin mekanizmaları bilinmemektedir. Lens sıkıştırma, lensin biyomekanik sertliğini kalitatif anlamda değerlendirmek için nispeten basit bir yöntem sunar ve uygun analitik tekniklerle birleştirildiğinde biyomekanik özelliklerin ölçülmesine yardımcı olabilir. Bugüne kadar hem manuel hem de otomatik dahil olmak üzere çeşitli lens sıkıştırma testleri gerçekleştirilmiştir, ancak bu yöntemler ön koşullandırma, yükleme hızları ve ölçümler arasındaki süre gibi biyomekanik testlerin temel yönlerini tutarsız bir şekilde uygulamaktadır. Bu belgede, önceden programlanmış bir yükleme protokolü boyunca lensin kuvvetini, yer değiştirmesini ve şeklini yakalamak için motorlu bir tablanın bir kamera ile senkronize edildiği tam otomatik bir lens sıkıştırma testi açıklanmaktadır. Daha sonra bu verilerden karakteristik bir elastik modül hesaplanabilir. Burada domuz lensleri kullanılarak gösterilmiş olsa da, yaklaşım herhangi bir türün lenslerinin sıkıştırılması için uygundur.
Introduction
Lens, gözün içinde bulunan ve kırma gücünü değiştirerek farklı mesafelere odaklanmasını sağlayan saydam ve esnek bir organdır. Bu yetenek konaklama olarak bilinir. Siliyer kasın kasılıp gevşemesi nedeniyle kırma gücü değişir. Siliyer kas kasıldığında, lens kalınlaşır ve ileri doğru hareket ederek kırma gücünüarttırır 1,2. Kırılma gücündeki artış, lensin yakındaki nesnelere odaklanmasını sağlar. İnsanlar yaşlandıkça, lens sertleşir ve bu uyum yeteneği yavaş yavaş kaybolur; Bu durum presbiyopi olarak bilinir. Sertleşme mekanizması, en azından kısmen, lensin biyomekanik karakterizasyonu ile ilgili zorluklar nedeniyle bilinmemektedir.
Lens sertliğini ve biyomekanik özelliklerini tahmin etmek için çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Bunlar arasında lens eğirme 3,4,5, akustik yöntemler6,7,8, Brillouin mikroskobu9, girinti10,11 ve sıkıştırma12,13 gibi optik yöntemler bulunur. Sıkıştırma, basit enstrümantasyon (örneğin, cam lameller14,15) veya tek bir motorlu aşama ile gerçekleştirilebildiği için en erişilebilir deneysel tekniktir. Lensin biyomekanik özelliklerinin bir kompresyon testinden nasıl kesin olarak tahmin edilebileceğinidaha önce göstermiştik 16. Bu süreç teknik olarak zordur ve bağıl sertlik ölçümleriyle ilgilenen lens araştırmacılarının kolayca erişemeyeceği özel yazılımlar gerektirir. Bu nedenle, bu çalışmada, lens boyutunu hesaba katarken lensin elastik modülünü tahmin etmek için erişilebilir yöntemlere odaklanıyoruz. Elastik modül, deforme olabilirliği ile ilgili içsel bir malzeme özelliğidir: yüksek bir elastik modül, daha sert bir malzemeye karşılık gelir.
Testin kendisi bir paralel plaka sıkıştırma testidir ve bu nedenle uygun ticari mekanik test sistemlerinde gerçekleştirilebilir. Burada bir motor, doğrusal kademe, hareket kontrolörü, yük hücresi ve amplifikatörden oluşan özel bir enstrüman inşa edildi. Bunlar, düzenli aralıklarla zaman, konum ve yükü de kaydeden özel bir yazılım kullanılarak kontrol edildi. Pig lensler uyum sağlamaz, ancak kolay erişilebilir ve ucuzdur17. Aşağıdaki yöntem, göz merceğini artımlı olarak sıkıştırmak ve elastik modülünü ölçmek için geliştirilmiştir. Bu yöntem kolayca çoğaltılabilir ve lens sertliğinin incelenmesinde faydalı olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lens sıkıştırma, lens sertliğini tahmin etmek için çok yönlü bir yöntemdir. Yukarıda açıklanan prosedürler, farklı türlerdeki ve farklı boyutlardaki lensler arasında karşılaştırmaya izin verir. Tüm deformasyonlar lens boyutuna göre normalleştirilir ve elastik modülün hesaplanması yaklaşık olarak lens boyutunu hesaba katar. Etkili modül, domuz merceği 4,7,11,19 i?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ulusal Sağlık Enstitüleri hibesi R01 EY035278 (MR) tarafından desteklenmektedir.
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).
