我们提出了一种利用压缩试验自动表征眼晶状体有效弹性模量的方法。
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本文内容
摘要
摘要
晶状体的生物力学特性对其作为可变屈光力光学元件的功能至关重要。这些特性在人眼晶状体中会随年龄显著变化，导致一种称为老视的近视力丧失。然而，这些变化的具体机制仍不清楚。晶状体压缩测试提供了一种相对简单的方法，可定性评估晶状体的生物力学刚度，若结合适当的分析技术，还可用于量化其生物力学特性。迄今为止已开展多种晶状体压缩实验，包括手动和自动方法，但这些方法在生物力学测试的关键要素（如预加载处理、加载速率以及测量间隔时间）的应用上存在不一致。本文介绍一种完全自动化的晶状体压缩测试方法，其中电动载物台与相机同步，以在预设的加载程序过程中连续记录晶状体的力、位移和形态。随后可基于这些数据计算出特征弹性模量。尽管本研究以猪晶状体为例进行演示，但该方法适用于任何物种晶状体的压缩测试。
引言
晶状体是眼睛中一种透明且富有弹性的器官，可通过改变其屈光力来实现对不同距离物体的聚焦，这种能力称为调节。屈光力的改变源于睫状肌的收缩与舒张。当睫状肌收缩时，晶状体增厚并向前移动，从而增加其屈光力1,2。屈光力的增加使晶状体能够聚焦于近处物体。随着人类年龄增长，晶状体会逐渐变硬，调节能力也随之逐渐丧失；这一状况被称为老视。晶状体硬化的确切机制尚不明确，部分原因在于晶状体生物力学特性表征存在技术困难。
已有多种方法被用于评估晶状体的刚度及其生物力学特性。这些方法包括晶状体旋转3,4,5、声学方法6,7,8、光学方法（如布里渊显微镜技术）9、压痕法10,11以及压缩法12,
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方案
猪眼取自当地屠宰场。无需伦理委员会批准。
1. 晶状体解剖（图1）
- 去除猪眼周围的所有组织以及巩膜上的多余肌肉，直至仅留下视神经。使用弯头镊子和小型解剖剪完成此操作。在解剖过程中，可利用视神经作为固定点来握住眼球。
- 使用手术刀在角膜缘处做一个短的环形切口，然后在赤道部再做另一个环形切口。
注意：此步骤按此顺序进行，以避免损伤晶状体及其囊膜。 - 将显微剪插入角膜缘切口，用精细的钝头镊子提起角膜，同时沿角膜周缘剪切，将其完整移除。
- 用钝头镊子提起虹膜，并用显微剪将其剪除。
- 将解剖剪插入赤道部切口，沿整个赤道部做环形剪切，直至将巩膜完全分为两半。
- 完成切口后，移除巩膜的后部。用镊子轻柔地去除玻璃体，仅保留少量残留物，以避免损伤晶状体。如有需要，可冠状面剪切玻璃体，以便后部组织从晶状体和眼前段分离。
- 使用显微剪从眼前段至后段方向，沿子午线方向穿过巩膜做一切口。
- 从巩膜新的子午线切口开始，用显微剪将悬韧带从晶状体上剪断。在轻微拉开晶状体与巩膜时，利用晶状体自身重量或解剖皿边缘轻柔拉伸悬韧带，使显微剪可在晶状体与睫状体之间、穿过悬韧带，并沿晶状体周缘进行剪切。若操作正确，此步骤可在不损伤晶状体....
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结果
对六个猪晶状体进行了压缩测试，首先在囊膜完整的情况下进行，然后在仔细去除囊膜后再次进行。囊膜完整晶状体的厚度为 7.65 ± 0.43 mm，去囊膜晶状体的厚度为 6.69 ± 0.29 mm（均值 ± 标准差）。典型的加载过程如图3所示。所得的力-位移曲线与赫兹模型拟合良好（即力与位移的1.5次方成正比；图4）。该结果在囊膜完整和去囊膜晶状体中均成立。
首先对囊膜完整的晶状体施加相当于其无负载厚度15%的轴向压缩，随后在去除囊膜后再次进行相同程度的压缩。先前研究表明，对初始厚度进行15%的轴向压缩不会对晶状体缝合结构造成损伤18。去囊膜导致有效弹性模量显著降低（n = 6；p = 0.0138；图5）。
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讨论
透镜压缩是一种用于评估透镜刚度的多功能方法。上述描述的实验步骤可用于比较不同物种及不同尺寸透镜之间的力学特性。所有形变均相对于透镜尺寸进行了归一化处理，且弹性模量的计算在近似程度上已考虑了透镜尺寸的影响。有效模量明显高于此前报道的猪眼透镜模量4,7,11,19，部分原因在于本研究采用的是透镜厚度而非曲率半径作为参数：猪眼透镜的极向曲率半径显著大于其厚度的一半20。
本文所介绍的简单分析方法（即赫兹模型的应用）存在若干关键局限性。首先，该方法未考虑晶状体囊膜的存在。已有研究表明，囊膜的存在可能显著改变晶状体的生物力学特性16,21。因此，该方法最适合应用于去囊膜的晶状.......
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披露
作者声明无任何利益冲突。
致谢
由美国国立卫生研究院资助项目 R01 EY035278（MR）支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 弯曲中型尖头通用镊子 | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| Galil COM 库 | Galil Motion Control | ||
| 高精度手术刀柄 | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| 直线位移平台 | McMaster-Carr | 6734K4 0.125" | |
| 测力传感器 | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| 测力传感器放大器 | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
| 微探针 | Surgical Design | 22-079-740 | |
| 微型自开式精密剪刀 | Excelta | 63042-004 | |
| 运动控制器 | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
| 电机 | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
| 直型止血钳 | Fine Science | NC9247203 | 不锈钢，14 cm |
参考文献
- 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.
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重印与许可
