Summary
אנו מציגים שיטה אוטומטית לאפיון המודולוס האלסטי היעיל של עדשת העין באמצעות בדיקת דחיסה.
Abstract
התכונות הביומכניות של עדשת העין חיוניות לתפקודה כאלמנט אופטי בעוצמה משתנה. תכונות אלה משתנות באופן דרמטי עם הגיל בעדשה האנושית, וכתוצאה מכך אובדן ראייה לקרוב הנקרא פרסביופיה. עם זאת, המנגנונים של שינויים אלה עדיין לא ידועים. דחיסת עדשה מציעה שיטה פשוטה יחסית להערכת הנוקשות הביומכנית של העדשה במובן האיכותי, ובשילוב עם טכניקות אנליטיות מתאימות, יכולה לסייע בכימות תכונות ביומכניות. מגוון בדיקות דחיסת עדשות בוצעו עד כה, כולל ידניות ואוטומטיות, אך שיטות אלה מיישמות באופן לא עקבי היבטים מרכזיים של בדיקות ביומכניות כגון התניה מוקדמת, קצבי העמסה וזמן בין מדידות. מאמר זה מתאר בדיקת דחיסת עדשה אוטומטית לחלוטין שבה שלב ממונע מסונכרן עם מצלמה כדי ללכוד את הכוח, התזוזה והצורה של העדשה לאורך פרוטוקול טעינה מתוכנת מראש. לאחר מכן ניתן לחשב מודולוס אלסטי אופייני מנתונים אלה. בעוד שהודגם כאן באמצעות עדשות חזיריות, הגישה מתאימה לדחיסת עדשות מכל מין.
Introduction
העדשה היא האיבר השקוף והגמיש שנמצא בעין המאפשר לה להתמקד במרחקים שונים על ידי שינוי כוח השבירה שלה. יכולת זו ידועה בשם לינה. כוח השבירה משתנה עקב התכווצות והרפיה של השריר הרירי. כאשר שריר הריסים מתכווץ, העדשה מתעבה ונעה קדימה, ומגדילה את כוח השבירה שלה 1,2. העלייה בכוח השבירה מאפשרת לעדשה להתמקד בעצמים קרובים. ככל שבני האדם מזדקנים, העדשה נעשית נוקשה יותר ויכולת זו להכיל אובדת בהדרגה; מצב זה ידוע בשם פרסביופיה. מנגנון ההתקשות אינו ידוע, לפחות בחלקו בשל הקשיים הכרוכים באפיון הביומכני של העדשה.
מגוון שיטות שימשו להערכת קשיחות העדשה ותכונותיה הביומכניות. אלה כוללים עדשה מסתובבת 3,4,5, שיטות אקוסטיות 6,7,8, שיטות אופטיות כגון מיקרוסקופ ברילואין9, הזחה 10,11 ודחיסה12,13. דחיסה היא הטכניקה הניסיונית הנגישה ביותר מכיוון שניתן לבצע אותה עם מכשור פשוט (למשל, כיסויי זכוכית14,15) או שלב ממונע יחיד. הראינו בעבר כיצד ניתן להעריך בקפדנות את התכונות הביומכניות של העדשה מבדיקת דחיסה16. תהליך זה מאתגר מבחינה טכנית ודורש תוכנה מיוחדת שאינה נגישה לחוקרי עדשות המעוניינים במדידות קשיחות יחסית. לכן, במחקר הנוכחי אנו מתמקדים בשיטות נגישות להערכת המודולוס האלסטי של העדשה תוך התחשבות בגודל העדשה. המודולוס האלסטי הוא תכונה מהותית של חומר הקשור לעיוותו: מודולוס אלסטי גבוה מתאים לחומר נוקשה יותר.
הבדיקה עצמה היא בדיקת דחיסת לוחות מקבילים ולכן ניתן לבצעה במערכות בדיקה מכניות מסחריות מתאימות. כאן נבנה מכשיר מותאם אישית המורכב ממנוע, במה ליניארית, בקר תנועה, תא עומס ומגבר. אלה נשלטו באמצעות תוכנה מותאמת אישית שגם רשמה זמן, מיקום ועומס בפרקי זמן קבועים. עדשות חזיר אינן מתאימות אך נגישות וזולות17. השיטה הבאה פותחה כדי לדחוס בהדרגה את עדשת העין ולכמת את המודולוס האלסטי שלה. שיטה זו ניתנת לשכפול בקלות ותהיה שימושית בחקר קשיחות העדשה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
עיני חזיר התקבלו מבית מטבחיים מקומי. לא נדרשו אישורים של ועדת אתיקה.
1. דיסקציה של העדשה (איור 1)
- הסר את כל הרקמה שמסביב מעיני החזיר ואת הבשר העודף מהסקלרה, עד שנשאר רק עצב הראייה. השתמש במלקחיים מעוקלים ובמספריים קטנים לדיסקציה כדי להשלים תהליך זה. השתמש בעצב כעוגן כדי להחזיק את העין במהלך דיסקציה.
- באמצעות אזמל, לבצע חתך היקפי קצר בלימבוס, ואז עוד אחד בקו המשווה.
הערה: שלב זה מבוצע בסדר זה כדי למנוע נזק לעדשה ולקפסולה. - הכנס מספריים לתוך החתך בלימבוס והסר את הקרנית על ידי הרמת הקרנית עם מלקחיים קהים עדינים תוך חיתוך סביב היקף הקרנית.
- הסר את הקשתית על ידי הרמה באמצעות מלקחיים קהים וגזור עם מיקרו מספריים.
- הכנס מספריים דיסקציה לתוך חתך קו המשווה, ולאחר מכן לחתוך באופן היקפי סביב קו המשווה כולו עד לחיתוך לובן העין.
- לאחר השלמת החתך, הסר את החלק האחורי של הסקלרה. הסר את הזגוגית בעדינות עם מלקחיים, משאיר שאריות מינימליות כדי למנוע נזק לעדשה. במידת הצורך, חתכו את הזגוגית באופן קורונלי כדי לאפשר לחלק האחורי להתרחק מהעדשה ומהמקטע הקדמי.
- בצע חתך מרידיונלי דרך לובן העין מהקדמי לאחורי באמצעות מיקרומספריים.
- החל מהחתך המרידיונאלי החדש דרך הסקלרה, השתמש במיקרומספריים כדי לחתוך את הזונולים הרחק מהעדשה. בעזרת משקל העדשה או קצה צלחת הדיסקציה, מתחו בעדינות את הזונולים בעת משיכת העדשה ולובן העין מעט זה מזה, ואפשרו למיקרומספריים לחתוך בין העדשה לגוף הריסי, דרך הזונולים וסביב היקף העדשה. פעולה זו תבודד את העדשה מבלי לפגוע בכמוסת העדשה אם נעשה כראוי.
- אם תרצה, הסר את הקפסולה באמצעות מלקחיים כדי לנקב את הקפסולה בקו המשווה שלה, ולאחר מכן לקלף את הקפסולה באמצעות שני מלקחיים.
- הניחו את העדשה במי מלח חוצצי פוספט (PBS). בדוק חזותית את העדשה לאיתור נזק לפני בדיקה מכנית.
2. דחיסת עדשה עם/בלי קפסולת עדשה (איור 2)
הערה: כל השלבים כאן, למעט שלבים 2.1 ו-2.4, נשלטים על-ידי מחשב.
- להשיג או לבנות מנגנון דחיסת צלחת מקביל בעל תא עומס קיבולת כוח של 50 גרם עם היכולת למדוד תזוזה בסדר גודל של 1 מיקרומטר.
- תכנת את השלב הממונע וטען את התא לביצוע משטר ההעמסה המתואר להלן (לדוגמה, קובץ משלים 1).
- כמעט מלא קופסה מרובעת של 1 5/8 אינץ 'x 1 5/8 אינץ 'עם PBS והנח אותה על פלטפורמת הדחיסה.
- הנמיכו את הצלחת העליונה למגע עם הצלחת התחתונה כדי לקבוע את גבול התנועה התחתון ואת גובה המרווח המוחלט.
- הרם את הצלחת העליונה ב~ 15 מ"מ.
- מרכז את העדשה בקופסה, וודא שהמישור המשווני הוא אופקי.
- הורידו את הלוחית העליונה קרוב לפני השטח העליונים של העדשה, אך לא במגע איתם.
- התחל תנועה כדי להזיז את הצלחת העליונה למגע עם העדשה, באמצעות משוב כוח עם סף מגע של 3 mN.
- התחל ברישום נתונים עם קביעת מגע, זמן הקלטה, מיקום הלוח העליון ביחס ללוח התחתון וכוח ב- 500 הרץ.
- הפעילו התניה מוקדמת שבה העדשה נדחסת ב-2.5% מהגובה ההתחלתי שלה שלוש פעמים, לאחר מכן 5% שלוש פעמים, ואז 7.5% שלוש פעמים בקצב של 1% לשנייה.
- החזק את מיקום הצלחת העליונה קבוע למשך דקה אחת לאחר ההתניה מראש.
- החל דחיסה של 15% בקצב של 1% לשנייה, ולאחר מכן פריקה באותו קצב.
- המשך בתנועת הפריקה עד שהלוחית העליונה הרחיקה 2% נוספים מעובי העדשה שנפרקה מהלוחית התחתונה כדי להבטיח שהעדשה לא תידבק מהלוחית העליונה.
3. הערכת מודולוס העדשה
- הערך את עובי העדשה בהתבסס על מרווח המכשיר בנקודת המגע. לחלופין, השתמש בניתוח תמונה כדי למדוד את העובי של תמונה שצולמה לפני הבדיקה.
- חישוב המודולוס האלסטי E באמצעות מודל הרץ לדחיסת כדור בין לוחות מקבילים (משוואה [1]; קובץ משלים 2).
(1)
כאשר R הוא רדיוס העקמומיות בנקודת המגע (בהנחה שהוא שווה למחצית מעובי העדשה); F הוא כוח הדחיסה המדווח על ידי תא העומס;
הוא יחס פואסון (בהנחה שהוא שווה ל-0.5 המתאים לחומר בלתי דחיס); ו-u הוא הגישה כלפי מטה של השלב העליון מנקודת המגע. שימו לב שהמודולוס האלסטי והיחס של פואסון הם תכונות חומריות המצביעות בהתאמה על הקשיחות הפנימית של העדשה ועל הדחיסות היחסית של העדשה.
הערה: שיטה זו מזניחה כל תפקיד של קפסולת העדשה אך לוקחת בחשבון בקירוב את גודל העדשה, ומאפשרת השוואה בין מינים.
(1)
הוא יחס פואסון (בהנחה שהוא שווה ל-0.5 המתאים לחומר בלתי דחיס); ו-u הוא הגישה כלפי מטה של השלב העליון מנקודת המגע. שימו לב שהמודולוס האלסטי והיחס של פואסון הם תכונות חומריות המצביעות בהתאמה על הקשיחות הפנימית של העדשה ועל הדחיסות היחסית של העדשה.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
שש עדשות חזיריות נדחסו, תחילה עם הקפסולה שלמה, ולאחר מכן לאחר הסרה זהירה של הקפסולה. ערכי העובי היו 7.65 ±-0.43 מ"מ עבור עדשות עטופות ו-6.69 ±-0.29 מ"מ עבור עדשות ללא כיסוי (סטיית תקן ממוצעת ±). היסטוריית טעינה טיפוסית מוצגת באיור 3. עקומות תזוזת הכוח שהתקבלו הותאמו היטב על ידי מודל הרץ (כלומר, היה להן כוח פרופורציונלי לתזוזה שהועלתה בחזקה של 1.5; איור 4). זה היה נכון גם לגבי העדשות העטופות וגם לגבי העדשות המכוסות.
העדשות נדחסו תחילה ב-15% מעוביין הפרוק באמצעות קפסולה שלמה, ולאחר מכן לאחר הסרת הקפסולה. דחיסה צירית של 15% מהעובי ההתחלתי הוכחה בעבר כלא גורמת נזק לתפרי העדשה18. דקפסולציה הביאה לירידה משמעותית במודולוס האלסטי היעיל (n = 6; p = 0.0138; איור 5).
איור 1: טכניקת דיסקציה. (A) הרקמות החוץ-עיניות מוסרות. (B) חתך היקפי נעשה בלימבוס. (C) חיתוך היקפי נעשה בקו המשווה. (D) הקרנית מוסרת. (ה) הקשתית מוסרת. (F) העין נחתכת בקו המשווה, ואז (G) הזגוגית מוסרת, ומשאירה (H) טבעת טבעתית המכילה את העדשה, הגוף הריסי והזונולים שעדיין מחוברים לסקלרה. (I) חתך מרידיונלי נעשה דרך לובן העין כדי (J) לתת גישה לזונולים, (K) שנחתכים ומשאירים את (L) העדשה העטופה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מנגנון בדיקת דחיסה. (A) סכמטי ו-(B) צילום של מנגנון דחיסת העדשה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: היסטוריית העמסה מיושמת עבור עדשה חזירית עטופה בכמוסות. למעלה: היסטוריית עקירה. למטה: כוח היסטוריה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: נתוני תזוזת כוח אופייניים המצוידים במודל הרץ. משמאל: נתונים עבור עדשה חזירית עטופה בכמוסות. מימין: נתוני דחיסה עבור אותה עדשה לאחר עריפת ראש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תרשים קופסה ושפם של עדשת חזיר עטופה ומכוסה מודולי אלסטי יעיל. המודולוס האפקטיבי של עדשות הקפסולה היה גבוה משמעותית מזה של עדשות הקפסולה (p = 0.013), מה שמצביע על כך שנוכחות הקפסולה יכולה לשנות באופן משמעותי את הנוקשות האפקטיבית של העדשה. הנתונים מתייחסים לשש עדשות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
קובץ משלים 1: יישום MATLAB לשליטה במנגנון דחיסת העדשה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: הפונקציה MATLAB להערכת המודולוס האלסטי מנתוני דחיסת כוח. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
דחיסת עדשה היא שיטה רב-תכליתית להערכת קשיחות העדשה. ההליכים המתוארים לעיל מאפשרים השוואה בין עדשות ממינים שונים ובגדלים שונים. כל העיוותים מנורמלים כנגד גודל העדשה, וחישוב המודולוס האלסטי לוקח בחשבון בקירוב את גודל העדשה. המודולוס האפקטיבי גבוה משמעותית מהמודולוס שדווח בעבר עבור עדשת החזיר 4,7,11,19, לפחות בחלקו בשל השימוש בעובי ולא ברדיוס העקמומיות: רדיוסי העקמומיות הקוטביים של העדשה החזירית גדולים משמעותית ממחצית העובי 20.
לניתוח הפשוט (כלומר, השימוש במודל הרץ) המוצג כאן יש כמה מגבלות מרכזיות. ראשית, זה לא לוקח בחשבון את נוכחותה של קפסולת העדשה. הוכח כי נוכחות הקפסולה עשויה לשנות באופן משמעותי את התכונות הביומכניות של העדשה16,21. לכן, שיטה זו מיושמת בצורה הטובה ביותר על עדשות decapsulated. זה חשוב במיוחד כאשר משווים מינים במקרים שבהם הקפסולה עשויה להיות בעלת עוביים שונים באופן משמעותי או תכונות ביומכניות. שיטה זו גם מניחה שהעדשה הומוגנית מבחינה מכנית; אנו ואחרים הראינו בעבר כי זה בדרך כלל לא המקרה עבור עדשות חזיריות או אנושיות 4,5,6,10,11,22. לכן, עדיף לשקול את ערך המודולוס האלסטי המחושב כמודולוס יעיל, הקשור ככל הנראה לממוצע הנפחי של המודולוס המשתנה מרחבית בתוך העדשה. מודל הרץ מניח שהעדשה היא אלסטית ליניארית, בעוד שהיא ידועה כויסקו-אלסטית; לפיכך, הניתוח הפשוט המוצע כאן אינו מסוגל לספק מידע לגבי צמיגות העדשה. עבודות קודמות הראו גם כי השיטה ומשך אחסון העדשה לפני הבדיקה יכולים לשנות את תכונות העדשה4; לפיכך, כל עדשות החזיר נבדקו מיד לאחר הדיסקציה עם הגעתן למעבדה.
ההבדל במדידות תזוזת הכוח נובע מרעש ממגבר תא העומס: הסרת הקפסולה הופכת את מדידות הכוח לנמוכות משמעותית, ולכן יחס האות לרעש נמוך יותר. ההנחות המשמשות לגזירת מודל הרץ כוללות באופן חשוב שהכדור הוא חומר הומוגני; לכן, המודולוס האלסטי היעיל הוא איכשהו ממוצע העיוות של העדשה והקפסולה שלה כאשר הקפסולה קיימת. זה הופך את ההשוואות בין המינים ובין הגילאים לקשות במיוחד מכיוון שלעדשה חזירית יש קפסולה בעובי ~60 מיקרומטר, בעוד שלעכבר או לעדשה אנושית יש קפסולה בטווח של 5-15 מיקרומטר. המודולוס האלסטי של הקפסולה עשוי להשתנות גם עם המינים והגיל, אם כי תלות זו אינה ידועה. לכן, בעוד שניתן לקבל התאמה פחות רועשת עם הקפסולה, ההשוואה מבולבלת מטבעה על ידי נוכחות הקפסולה - זו הסיבה שאנו ממליצים לבצע את הבדיקה ללא הקפסולה.
לבסוף, מודולוס יעיל חושב בהנחה כי רדיוס העקמומיות היה מחצית מעובי העדשה. זה נכון רק לגבי עדשה כדורית; העדשה החזירית היא אספרית באופן משמעותי ולכן ערכי המודולוס האפקטיביים גבוהים משמעותית ממה שהיו אם רדיוס העקמומיות היה משמש במקום. ניתן להתגבר על הנחה אחרונה זו על ידי מדידת רדיוסי העקמומיות, אם כי זה יכול להיות מסובך עבור המשטח התחתון שהוא תמיד שטוח עקב מגע עם הלוח התחתון. זה גם פחות חשוב עבור עדשות כדוריות יותר כגון עדשות murine. טוב עוד יותר הוא השימוש בניתוח אלמנטים סופיים הופכיים כדי לברר את התכונות המכניות של העדשה16.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר.
Acknowledgments
נתמך על ידי מענק R01 EY035278 של המכונים הלאומיים לבריאות (MR).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , Rochester, N.Y. (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.
- 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.
- 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).
