نقدم طريقة آلية لتوصيف معامل المرونة الفعال لعدسة العين باستخدام اختبار الضغط.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
الخصائص الميكانيكية الحيوية لعدسة العين ضرورية لوظيفتها كعنصر بصري متغير الطاقة. تتغير هذه الخصائص بشكل كبير مع تقدم العمر في العدسة البشرية ، مما يؤدي إلى فقدان الرؤية القريبة التي تسمى طول النظر الشيخوخي. ومع ذلك ، لا تزال آليات هذه التغييرات غير معروفة. يوفر ضغط العدسة طريقة بسيطة نسبيا لتقييم الصلابة الميكانيكية الحيوية للعدسة بالمعنى النوعي ، وعندما يقترن بالتقنيات التحليلية المناسبة ، يمكن أن يساعد في تحديد الخصائص الميكانيكية الحيوية. تم إجراء مجموعة متنوعة من اختبارات ضغط العدسة حتى الآن ، بما في ذلك كل من اليدوية والآلية ، ولكن هذه الطرق تطبق بشكل غير متسق الجوانب الرئيسية للاختبارات الميكانيكية الحيوية مثل التكييف المسبق ومعدلات التحميل والوقت بين القياسات. تصف هذه الورقة اختبار ضغط العدسة المؤتمت بالكامل حيث تتم مزامنة مرحلة آلية مع كاميرا لالتقاط قوة العدسة وإزاحة وشكلها عبر بروتوكول تحميل مبرمج مسبقا. يمكن بعد ذلك حساب معامل المرونة المميز من هذه البيانات. بينما هو موضح هنا باستخدام عدسات الخنازير ، فإن النهج مناسب لضغط العدسات من أي نوع.
المقدمة
العدسة هي العضو الشفاف والمرن الموجود في العين والذي يسمح لها بالتركيز على مسافات مختلفة عن طريق تغيير قوتها الانكسارية. تعرف هذه القدرة باسم الإقامة. يتم تغيير قوة الانكسار بسبب تقلص واسترخاء العضلات الهدبية. عندما تنقبض العضلة الهدبية ، تتكاثف العدسة وتتحرك للأمام ، مما يزيد من قوتها الانكسارية 1,2. تسمح الزيادة في قوة الانكسار للعدسة بالتركيز على الأشياء القريبة. مع تقدم البشر في العمر ، تصبح العدسة أكثر صلابة وتفقد هذه القدرة على الاستيعاب تدريجيا. تعرف هذه الحالة باسم طول النظر الشيخوخي. لا تزال آلية التصلب غير معروفة ، على الأقل جزئيا بسبب الصعوبات المرتبطة بالتوصيف الميكانيكي الحيوي للعدسة.
تم استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لتقدير صلابة العدسة والخصائص الميكانيكية الحيوية. وتشمل هذه غزل العدسة3،4،5 ، والطرق الصوتية6،7،8 ، والطرق البصرية مثل المجهر Brillouin9 ، والمسافة البادئة10،11 ، والضغط12،13. الضغط هو الأسلوب التجريبي الأكثر سهولة حيث يمكن إجراؤه باستخدام أجهزة بسيطة (على سبيل المثال ، أغطية زجاجية14,15) أو مرحلة آلية واحدة. لقد أوضحنا سابقا كيف يمكن تقدير الخواص الميكانيكية الحيوية للعدسة بدقة من اختبار الضغط16. هذه العملية صعبة تقنيا وتتطلب برامج متخصصة لا يمكن الوصول إليها بسهولة لباحثي العدسات المهتمين بقياسات الصلابة النسبية. لذلك ، في هذه الدراسة ، نركز على الطرق التي يمكن الوصول إليها لتقدير معامل المرونة للعدسة مع حساب حجم العدسة. معامل المرونة هو خاصية مادية جوهرية تتعلق بقابليتها للتشوه: معامل المرونة العالي يتوافق مع مادة أكثر صلابة.
الاختبار نفسه هو اختبار ضغط لوحة متوازية وبالتالي يمكن إجراؤه على أنظمة اختبار ميكانيكية تجارية مناسبة. هنا ، تم إنشاء أداة مخصصة تتكون من محرك ، ومرحلة خطية ، ووحدة تحكم في الحركة ، وخلية تحميل ، ومكبر للصوت. تم التحكم فيها باستخدام برامج مخصصة تسجل أيضا الوقت والموضع والحمل على فترات منتظمة. عدسات الخنازير لا تستوعب ولكن يمكن الوصول إليها بسهولة وغير مكلفة17. تم تطوير الطريقة التالية لضغط عدسة العين بشكل تدريجي وتحديد معامل مرونتها. يمكن تكرار هذه الطريقة بسهولة وستكون مفيدة في دراسة تصلب العدسة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
تم الحصول على عيون الخنازير من مسلخ محلي. لم تكن هناك حاجة إلى موافقات اللجنة الأخلاقية.
1. تشريح العدسة (الشكل 1)
- قم بإزالة جميع الأنسجة المحيطة من عيون الخنازير واللحم الزائد من الصلبة ، حتى يبقى العصب البصري فقط. استخدم ملقط منحني ومقص تشريح صغير لإكمال هذه العملية. استخدم العصب كمرساة لتثبيت العين أثناء التشريح.
- باستخدام مشرط ، قم بعمل قطع محيطي قصير عند الحافة ، ثم آخر عند خط الاستواء.
ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة بهذا الترتيب لتجنب إتلاف العدسة والكبسولة. - أدخل مقصا دقيقا في الجرح عند الحافة وقم بإزالة القرنية عن طريق رفع القرنية بملقط ناعم غير حاد أثناء القطع حول محيط القرنية.
- قم بإزالة القزحية عن طريق الرفع باستخدام ملقط ذو رأس حاد وقطعها بمقص صغير.
- أدخل مقص التشريح في القطع الاستوائي ، ثم قصه محيطيا حول خط الاستواء بالكامل حتى يتم تقسيم الصلبة.
- بمجرد اكتمال القطع ، قم بإزالة الجزء الخلفي من الصلبة. قم بإزالة الجسم الزجاجي برفق بالملقط ، مع ترك الحد الأدنى من البقايا لتجنب إتلاف العدسة. إذا لزم الأمر ، قم بقطع الخلط الزجاجي إكليليا للسماح للخلف بالانسحاب بعيدا عن العدسة والجزء الأمامي.
- قم بعمل قطع خط الطول من خلال الصلبة من الأمام إلى الخلف باستخدام المقص المجهري.
- بدءا من قطع خط الطول الجديد عبر الصلبة ، استخدم المقص المجهري لقطع المناطق بعيدا عن العدسة. باستخدام وزن العدسة أو حافة طبق التشريح ، قم بتمديد المناطق برفق عند سحب العدسة والصلبة بعيدا قليلا ، مما يسمح للمقص الصغير بالقطع بين العدسة والجسم الهدبي ، من خلال المناطق ، وحول محيط العدسة. سيؤدي ذلك إلى عزل العدسة دون إتلاف كبسولة العدسة إذا تم القيام به بشكل صحيح.
- إذا رغبت في ذلك ، قم بإزالة الكبسولة باستخدام ملقط لثقب الكبسولة عند خط الاستواء ، ثم قشر الكبسولة باستخدام ملقطين.
- ضع العدسة في محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS). افحص العدسة بصريا بحثا عن أي تلف قبل الاختبار الميكانيكي.
2. ضغط العدسة مع / بدون كبسولة عدسة (الشكل 2)
ملاحظة: يتم التحكم في جميع الخطوات هنا باستثناء الخطوتين 2.1 و 2.4 بواسطة الكمبيوتر.
- الحصول على أو بناء جهاز ضغط لوحة متوازية يحتوي على خلية تحميل بسعة 50 جراما مع القدرة على قياس الإزاحة بترتيب 1 ميكرومتر.
- قم ببرمجة المرحلة الآلية وتحميل الخلية لتنفيذ نظام التحميل الموضح أدناه (على سبيل المثال ، الملف التكميلي 1).
- املأ صندوقا مربعا تقريبا بحجم 1 5/8 بوصة × 1 5/8 بوصة باستخدام PBS وضعه على منصة الضغط.
- اخفض اللوحة العلوية لتتلامس مع اللوحة السفلية لتحديد الحد الأدنى للحركة وارتفاع الفجوة المطلق.
- ارفع اللوحة العلوية بمقدار ~ 15 مم.
- ضع العدسة في المربع، مع الحرص على أن يكون المستوى الاستوائي أفقيا.
- قم بخفض اللوحة العلوية بالقرب من السطح العلوي للعدسة ولكن ليس ملامسا له.
- ابدأ الحركة لتحريك اللوحة العلوية عند ملامستها للعدسة ، باستخدام ردود فعل القوة مع حد تلامس يبلغ 3 مللي نيوتن.
- ابدأ تسجيل البيانات عند تحديد التلامس ، ووقت التسجيل ، وموضع اللوحة العلوية بالنسبة للوحة السفلية ، والقوة عند 500 هرتز.
- قم بتطبيق تحميل التكييف المسبق حيث يتم ضغط العدسة بنسبة 2.5٪ من ارتفاعها الأولي ثلاث مرات ، ثم 5٪ ثلاث مرات ، ثم 7.5٪ ثلاث مرات بمعدل 1٪ / ثانية.
- امسك موضع اللوحة العلوية ثابتا لمدة 1 دقيقة بعد التكييف المسبق.
- قم بتطبيق ضغط بنسبة 15٪ بمعدل 1٪ / ثانية ، متبوعا بالتفريغ بنفس المعدل.
- استمر في حركة التفريغ حتى تنتقل اللوحة العلوية بنسبة 2٪ إضافية من سمك العدسة التي تم تفريغها بعيدا عن اللوحة السفلية لضمان فك التصاق العدسة من اللوحة العلوية.
3. تقدير معامل العدسة
- قم بتقدير سمك العدسة بناء على فجوة الجهاز عند نقطة التلامس. بدلا من ذلك ، استخدم تحليل الصورة لقياس سمك الصورة التي تم التقاطها قبل الاختبار.
- احسب معامل المرونة E باستخدام نموذج هيرتز لضغط كرة بين ألواح متوازية (المعادلة [1] ؛ الملف التكميلي 2).
(1)
حيث R هو نصف قطر الانحناء عند نقطة التلامس (يفترض أنه يساوي نصف سمك العدسة) ؛ F هي قوة الضغط التي أبلغت عنها خلية الحمل ؛
هي نسبة بواسون (يفترض أنها تساوي 0.5 المقابلة لمادة غير قابلة للانضغاط) ؛ و u هو النهج الهابط للمرحلة العليا من نقطة الاتصال. لاحظ أن معامل المرونة ونسبة بواسون هما خواص مادية تشير على التوالي إلى الصلابة الجوهرية للعدسة والانضغاطية النسبية للعدسة.
ملاحظة: تهمل هذه الطريقة أي دور لكبسولة العدسة ولكنها تأخذ في الاعتبار تقريبا حجم العدسة ، مما يسمح بالمقارنة بين الأنواع.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
تم ضغط ست عدسات خنزير ، أولا مع سلامة الكبسولة ، ثم بعد إزالة الكبسولة بعناية. كانت قيم السمك 7.65 ± 0.43 مم للعدسات المغلفة و 6.69 ± 0.29 مم للعدسات المفككة (متوسط ± الانحراف المعياري). يظهر سجل تحميل نموذجي في الشكل 3. كانت منحنيات إزاحة القوة الناتجة مناسبة تماما لنموذج هيرتز (أي أن لها قوة تتناسب مع الإزاحة المرفوعة إلى قوة 1.5 ؛ الشكل 4). كان هذا صحيحا بالنسبة لكل من العدسات المغلفة والمفككة.
تم ضغط العدسات أولا بنسبة 15٪ من سمكه...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
ضغط العدسة هو طريقة متعددة الاستخدامات لتقدير صلابة العدسة. تسمح الإجراءات الموضحة أعلاه بإجراء مقارنة بين العدسات من الأنواع المختلفة والأحجام المختلفة. يتم تطبيع جميع التشوهات مقابل حجم العدسة ، وحساب معامل المرونة يمثل تقريبا حجم العدسة. المعامل الفعال أعلى بكثير من المعامل الذي تم الإبلاغ عنه سابقا لعدسة الخنازير4،7،11،19 ، على الأقل جزئيا بسبب استخدام السماكة بدلا من نصف قطر الانحناء: نصف ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.
شكر وتقدير
بدعم من منحة المعاهد الوطنية للصحة R01 EY035278 (MR).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| ملقط منحني متوسط النقطة للأغراض العامة | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| مكتبات Galil COM | الحركة | ||
| مقبض مشرط عالي الدقة | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| المرحلة الخطية | McMaster-Carr | 6734K4 0.125 " | |
| خلية التحميل | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| مضخم خلية الحمل | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks، Inc. | ||
| التصميم الجراحي للمسبار المجهري | 22-079-740 | ||
| مقص دقيق ذاتي الفتح مصغر ؛ | Excelta | 63042-004 | |
| تحكم الحركة | جليل التحكم في الحركة | DMC-31012 | |
| محرك | الجليل التحكم | في الحركة BLM-N23-50-1000-B | |
| ثني دماني مستقيم | العلوم الجميلة | NC9247203 | الفولاذ المقاوم للصدأ ، 14 سم & nbsp ؛ |
المراجع
- 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. 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).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
