Automatisert kompresjonstesting av den okulære linsen
Summary
Vi presenterer en automatisert metode for å karakterisere den effektive elastiske modulen til en okulær linse ved hjelp av en kompresjonstest.
Abstract
De biomekaniske egenskapene til den okulære linsen er avgjørende for dens funksjon som et optisk element med variabel effekt. Disse egenskapene endres dramatisk med alderen i den menneskelige linsen, noe som resulterer i tap av nærsynthet kalt presbyopi. Mekanismene bak disse endringene forblir imidlertid ukjente. Linsekompresjon tilbyr en relativt enkel metode for å vurdere linsens biomekaniske stivhet i kvalitativ forstand, og når den kombineres med passende analytiske teknikker, kan den bidra til å kvantifisere biomekaniske egenskaper. En rekke linsekompresjonstester har blitt utført til dags dato, inkludert både manuelle og automatiserte, men disse metodene bruker inkonsekvent viktige aspekter ved biomekanisk testing som forkondisjonering, belastningshastigheter og tid mellom målinger. Dette papiret beskriver en helautomatisk linsekompresjonstest hvor et motorisert stadium synkroniseres med et kamera for å fange kraften, forskyvningen og formen til linsen gjennom en forhåndsprogrammert lasteprotokoll. En karakteristisk elastisk modul kan da beregnes ut fra disse dataene. Selv om det her demonstreres ved bruk av svinelinser, er tilnærmingen hensiktsmessig for komprimering av linser av alle arter.
Introduction
Linsen er det gjennomsiktige og fleksible organet som finnes i øyet som gjør det mulig å fokusere på forskjellige avstander ved å endre brytningskraften. Denne evnen er kjent som overnatting. Brytningskraften endres på grunn av sammentrekning og avslapning av ciliærmuskelen. Når ciliærmuskelen trekker seg sammen, tykner linsen og beveger seg fremover, og øker brytningskraften 1,2. Økningen i brytningskraft gjør at linsen kan fokusere på nærliggende gjenstander. Etter hvert som mennesker blir eldre, blir linsen stivere og denne evnen til å imøtekomme går gradvis tapt; Denne tilstanden er kjent som presbyopi. Mekanismen for stivning forblir ukjent, i det minste delvis på grunn av vanskelighetene forbundet med den biomekaniske karakteriseringen av linsen.
En rekke metoder har blitt brukt til å estimere linsestivhet og biomekaniske egenskaper. Disse inkluderer linsespinning 3,4,5, akustiske metoder 6,7,8, optiske metoder som Brillouin-mikroskopi9, innrykk 10,11 og kompresjon12,13. Kompresjon er den mest tilgjengelige eksperimentelle teknikken, da den kan utføres med enkel instrumentering (f.eks. glassdeksel14,15) eller et enkelt motorisert trinn. Vi har tidligere vist hvordan de biomekaniske egenskapene til linsen kan estimeres grundig fra en kompresjonstest16. Denne prosessen er teknisk utfordrende og krever spesialisert programvare som ikke er lett tilgjengelig for linseforskere som er interessert i relative stivhetsmålinger. Derfor fokuserer vi i denne studien på tilgjengelige metoder for å estimere linsens elastiske modul mens vi regner med linsestørrelse. Den elastiske modulen er en inneboende materialegenskap relatert til dens deformerbarhet: en høy elastisk modul tilsvarer et stivere materiale.
Testen i seg selv er en parallell platekompresjonstest og kan derfor utføres på egnede kommersielle mekaniske testsystemer. Her ble det konstruert et tilpasset instrument bestående av en motor, lineært stadium, bevegelseskontroller, lastcelle og forsterker. Disse ble styrt ved hjelp av tilpasset programvare som også registrerte tid, posisjon og belastning med jevne mellomrom. Griselinser tar ikke imot, men er lett tilgjengelige og rimelige17. Følgende metode ble utviklet for å gradvis komprimere øyelinsen og kvantifisere dens elastiske modul. Denne metoden kan enkelt replikeres og vil være nyttig i studiet av linsestivhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Linsekompresjon er en allsidig metode for å estimere objektivets stivhet. Prosedyrene beskrevet ovenfor tillater sammenligning mellom linser av forskjellige arter og forskjellige størrelser. Alle deformasjoner normaliseres mot linsestørrelse, og beregningen av den elastiske modulen tar omtrent hensyn til linsestørrelse. Den effektive modulen er betydelig høyere enn modulen som er rapportert tidligere for svinelinsen 4,7,11,19, i det minste delvis på grunn av bruken av tykkelse i s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Støttet av 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 |
References
- 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).
