نقدم طريقة آلية لتوصيف معامل المرونة الفعال لعدسة العين باستخدام اختبار الضغط.
نقدم طريقة آلية لتوصيف معامل المرونة الفعال لعدسة العين باستخدام اختبار الضغط.
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.
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.
تم الحصول على عيون الخنازير من مسلخ محلي. لم تكن هناك حاجة إلى موافقات اللجنة الأخلاقية.
1. تشريح العدسة (الشكل 1)
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.
3. تقدير معامل العدسة
(1)
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.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 سمكها الفارغ بكبسولة سليمة ، ثم بعد إزالة الكبسولة. ثبت سابقا أن الضغط المحوري بنسبة 15٪ من السماكة الأولية لا يسبب تلفا لخيوط العدسة18. أدى إزالة الكبسولة إلى انخفاض كبير في معامل المرونة الفعال (n = 6 ؛ p = 0.0138 ؛ الشكل 5).

الشكل 1: تقنية التشريح. أ: تزال الأنسجة خارج العين. (ب) يقطع الحافة المحيطية. (ج) يقطع المحيط عند خط الاستواء. د: تزال القرنية. ه: تزال القزحية. (F) تنقسم العين إلى قسمين عند خط الاستواء، ثم (G) تتم إزالة الجسم الزجاجي، تاركة (H) حلقة حلقية تحتوي على العدسة والجسم الهدبي والمناطق التي لا تزال متصلة بالصلبة. (I) يتم إجراء قطع خط الطول من خلال الصلبة إلى (J) إتاحة الوصول إلى المناطق ، (K) التي يتم قطعها تاركة (L) العدسة المغلفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: جهاز اختبار الانضغاط. أ: صورة تخطيطية، و(ب) صورة لجهاز ضغط العدسة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: تاريخ التحميل التطبيقي لعدسة خنزير مغلفة. أعلى: تاريخ النزوح. أسفل: تاريخ القوة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: بيانات إزاحة القوة النموذجية المزودة بنموذج هرتز. على اليسار: بيانات لعدسة خنزير مغلفة. على اليمين: بيانات الضغط لنفس العدسة بعد إزالة الكبسولة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: مخطط صندوقي وشارب لعدسة خنزير مغلفة ومفككة لوحدات مرنة فعالة. كان المعامل الفعال للعدسات المغلفة أعلى بكثير من العدسات المفككة (p = 0.013) ، مما يشير إلى أن وجود الكبسولة يمكن أن يغير بشكل كبير الصلابة الفعالة للعدسة. البيانات هي لست عدسات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الملف التكميلي 1: تطبيق MATLAB للتحكم في جهاز ضغط العدسة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 2: وظيفة MATLAB لتقدير معامل المرونة من بيانات ضغط القوة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
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 قطر الانحناء القطبي لعدسة الخنازير أكبر بكثير من نصف سمك20.
التحليل البسيط (أي استخدام نموذج هيرتز) المقدم هنا له العديد من القيود الرئيسية. أولا ، لا يفسر وجود كبسولة العدسة. لقد ثبت أن وجود الكبسولة قد يغير بشكل كبير الخصائص الميكانيكية الحيوية للعدسة16,21. لذلك ، من الأفضل تطبيق هذه الطريقة على العدسات المفككة. هذا مهم بشكل خاص عند مقارنة الأنواع في الحالات التي قد يكون فيها للكبسولة سماكات مختلفة بشكل كبير أو خصائص ميكانيكية حيوية. تفترض هذه الطريقة أيضا أن العدسة متجانسة ميكانيكيا ؛ لقد أظهرنا نحن وآخرون سابقا أن هذا ليس هو الحال بشكل عام بالنسبة للعدسات الخنازير أو البشرية4،5،6،10،11،22. وبالتالي ، من الأفضل اعتبار قيمة معامل المرونة المحسوبة كمعامل فعال ، والذي يفترض أنه مرتبط بالمتوسط الحجمي للمعامل المتغير مكانيا داخل العدسة. يفترض نموذج هيرتز أن العدسة مرنة خطيا ، في حين أنه من المعروف أنها مرنة لزجة. وبالتالي ، فإن التحليل البسيط المقترح هنا غير قادر على توفير معلومات تتعلق بمرونة لزوجة العدسة. وقد أظهرت الأعمال السابقة أيضا أن طريقة ومدة تخزين العدسة قبل الاختبار يمكن أن تغير خصائص العدسة4 ؛ لذلك تم اختبار جميع عدسات الخنازير فور تشريحها عند وصولها إلى المختبر.
يرجع الاختلاف في قياسات إزاحة القوة إلى الضوضاء الصادرة عن مضخم خلية الحمل: إزالة الكبسولة تجعل قياسات القوة أقل بكثير ، وبالتالي فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء أقل. تتضمن الافتراضات المستخدمة في اشتقاق نموذج هيرتز بشكل مهم أن الكرة مادة متجانسة. ومن ثم، فإن معامل المرونة الفعال يحدد بطريقة ما متوسط قابلية تشوه العدسة وكبسولتها عند وجود الكبسولة. هذا يجعل المقارنات بين الأنواع وبين الأعمار صعبة بشكل خاص لأن عدسة الخنازير تحتوي على كبسولة ~ 60 ميكرومتر ، في حين أن الفأر أو العدسة البشرية لديها كبسولة في نطاق سمك 5-15 ميكرومتر. قد يختلف معامل مرونة الكبسولة أيضا باختلاف الأنواع والعمر ، على الرغم من أن هذه التبعيات غير معروفة. وبالتالي ، في حين أنه من الممكن الحصول على ملاءمة أقل ضوضاء مع الكبسولة ، فإن المقارنة مربكة بطبيعتها بسبب وجود الكبسولة - وهذا هو السبب في أننا نوصي بإجراء الاختبار بدون الكبسولة.
وأخيرا، حسب معامل الفعالية بافتراض أن نصف قطر التكور يساوي نصف سمك العدسة. هذا صحيح فقط بالنسبة للعدسة الكروية. عدسة الخنازير لا كروية بشكل كبير ، وبالتالي فإن قيم المعامل الفعالة أعلى بكثير مما ستكون عليه إذا تم استخدام نصف قطر الانحناء بدلا من ذلك. يمكن التغلب على هذا الافتراض الأخير عن طريق قياس نصف قطر الانحناء ، على الرغم من أن هذا يمكن أن يكون معقدا بالنسبة للسطح السفلي الذي يكون دائما مسطحا بسبب ملامسته للوحة السفلية. كما أنه أقل أهمية بالنسبة للعدسات الكروية مثل عدسات الفئران. والأفضل من ذلك هو استخدام تحليل العناصر المحدودة العكسية للتأكد من الخواص الميكانيكية للعدسة16.
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.
بدعم من منحة المعاهد الوطنية للصحة R01 EY035278 (MR).
| 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 ؛ |
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن