方法論記事

接眼レンズの自動圧縮試験

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DOI：

10.3791/66040

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2024年4月5日

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, The Ohio State University, 2Department of Ophthalmology & Visual Sciences, The Ohio State University

この記事について

サマリー

圧縮試験を使用して接眼レンズの有効弾性率を特徴付けるための自動化された方法を紹介します。

要約

眼球レンズの生体力学的特性は、可変パワー光学素子としての機能に不可欠です。これらの特性は、人間の水晶体の年齢とともに劇的に変化し、老眼と呼ばれる近視力の喪失をもたらします。しかし、これらの変化のメカニズムは不明のままです。レンズコンプレッションは、レンズの生体力学的剛性を定性的な意味で評価するための比較的簡単な方法を提供し、適切な分析技術と組み合わせることで、生体力学的特性の定量化に役立ちます。これまで、手動と自動の両方を含むさまざまなレンズ圧縮試験が行われてきましたが、これらの方法では、プレコンディショニング、負荷率、測定間隔など、生体力学試験の重要な側面に一貫性がありません。このホワイトペーパーでは、電動ステージをカメラと同期させ、事前にプログラムされた荷重プロトコル全体でレンズの力、変位、形状をキャプチャする、完全に自動化されたレンズ圧縮試験について説明します。次に、これらのデータから特性弾性率を計算できます。ここではブタレンズを使用して説明していますが、このアプローチはあらゆる種のレンズの圧縮に適しています。

概要

レンズは、眼にある透明で柔軟な器官であり、屈折力を変えることでさまざまな距離に焦点を合わせることができます。この能力は、アコモデーションと呼ばれます。屈折力は、毛様体筋の収縮と弛緩によって変化します。毛様体筋が収縮すると、水晶体が厚くなって前方に移動し、屈折力が増加します1,2。屈折力の増加により、レンズは近くの物体に焦点を合わせることができます。人間は年齢を重ねるにつれて、水晶体が硬くなり、この適応能力は徐々に失われます。この状態は老眼として知られています。硬化のメカニズムは、少なくとも部分的には、レンズの生体力学的特性評価に関連する困難のために、不明のままである。

レンズの剛性と生体力学的特性を推定するために、さまざまな方法が採用されています。これらには、レンズスピニング3,4,5、音響法6,7,8、ブリルアン顕微鏡法9、圧痕10,11、圧縮12,13などの光学法が含まれる。圧縮は、単純な装置(ガラスカバーガラス14、15など)または単一の電動ステージで実行できるため、最も利用しやすい実験手法です。我々は、レンズの生体力学的特性が圧縮試験16から厳密に推定され得ることを以前に示した。このプロセスは技術的に困難であり、相対剛性測定に関心のあるレンズ研究者が簡単にアクセスできない特殊なソフトウェアが必要です。そこで、本研究では、レンズサイズを考慮しながらレンズの弾性率を推定するためのアクセス可能な方法に焦点を当てます。弾性率は、その変形性に関連する固有の材料特性であり、高い弾性率はより硬い材料に対応します。

試験自体は平行平板圧縮試験であるため、適切な商用機械試験システムで実行できます。ここでは、モータ、リニアステージ、モーションコントローラ、ロードセル、アンプで構成されるカスタム計測器を構築しました。これらは、時間、位置、負荷を一定の間隔で記録するカスタムソフトウェアを使用して制御されました。豚のレンズは対応していませんが、簡単にアクセスでき、安価です17.眼水晶体を段階的に圧縮し、その弾性率を定量化するために、以下の方法が開発されました。この方法は簡単に再現でき、レンズの剛性の研究に役立ちます。

プロトコル

豚の目は地元の屠殺場から入手しました。倫理委員会の承認は必要ありませんでした。

1.レンズの解剖(図1)

  1. 視神経だけが残るまで、豚の目から周囲の組織をすべて取り除き、強膜から余分な肉を取り除きます。湾曲した鉗子と小さな解剖ハサミを使用して、このプロセスを完了します。神経をアンカーとして使用して、解剖中に目を保持します。
  2. メスを使用して、辺縁部に短い円周方向に切り込みを入れ、次に赤道に別の切り込みを入れます。
    注意: この手順は、レンズとカプセルの損傷を防ぐために、この順序で実行されます。
  3. 辺縁部の切り口にマイクロハサミを挿入し、角膜の周囲を切開しながら先端が鈍い細い鉗子で角膜を持ち上げて角膜を取り除きます。
  4. 先端が鈍い鉗子で持ち上げて虹彩を取り除き、マイクロハサミで切り取ります。
  5. 解剖ハサミを赤道切り込みに挿入し、強膜が二等分されるまで赤道全体を円周方向に切ります。
  6. カットが完了したら、強膜の後部を取り除きます。鉗子で硝子体をそっと取り除き、レンズの損傷を防ぐために最小限の残骸を残します。必要に応じて、硝子体液を冠状にカットして、後部が水晶体と前部から引き離されるようにします。
  7. マイクロハサミを使用して、強膜を前部から後部に子午線で切り込みを入れます。
  8. 強膜を通る新しい子午線の切り込みから始めて、マイクロハサミを使用して帯をレンズから切り取ります。レンズの重さまたは解剖皿の端を使用して、レンズと強膜をわずかに引き離すときに帯帯を静かに伸ばし、マイクロハサミが水晶体と毛様体の間、帯状体を通り抜け、レンズの円周の周りを切断できるようにします。これにより、正しく行えば、レンズカプセルを損傷することなくレンズを分離できます。
  9. 必要に応じて、鉗子を使用してカプセルを取り外し、赤道でカプセルを穿刺し、2つの鉗子を使用してカプセルをはがします。.
  10. レンズをリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に入れます。機械的テストの前に、レンズに損傷がないか目視検査します。

2. レンズ圧縮-レンズカプセルあり/なし(図2)

メモ: 手順 2.1 と 2.4 を除くすべての手順は、コンピュータ制御です。

  1. 1μmオーダーの変位を測定できる50グラムの力容量のロードセルを備えた平行平板圧縮装置を入手または構築します。
  2. 電動ステージをプログラムし、セルに負荷をかけて、以下に説明する負荷レジメンを実行します(例: 補足ファイル1)。
  3. 1 5/8インチ x 1 5/8インチの正方形の箱にPBSをほぼ満たし、圧縮プラットフォームに置きます。
  4. 上部プレートを下降させて下部プレートに接触させ、運動の下限とギャップの絶対高さを決定します。
  5. 上部プレートを~15mm持ち上げます。
  6. 赤道面が水平になるように注意しながら、レンズをボックスの中央に配置します。
  7. 上板をレンズの上面に近づけて、接触させないようにします。
  8. 接触閾値3mNの力覚フィードバックを使用して、上部プレートをレンズに接触させるモーションを開始します。
  9. 接触、記録時間、下部プレートに対する上部プレートの位置、および500Hzでの力を決定すると、データ記録を開始します。
  10. レンズを初期高さの2.5%で3回、5%を3回、7.5%で3回、1%/sの割合で圧縮する前処理荷重を適用します。
  11. プレコンディショニング後、上部プレートの位置を1分間一定に保ちます。
  12. 1%/秒の速度で15%の圧縮を適用し、その後同じ速度でアンロードします。
  13. レンズが上部プレートから確実に付着解除されるように、上部プレートがアンロードされたレンズの厚さのさらに2%移動するまで、アンロード動作を続けます。

3. レンズ弾性率の推定

  1. 接触点での機器のギャップに基づいてレンズの厚さを推定します。または、画像解析を使用して、テスト前に撮影した写真から厚さを測定します。
  2. 平行平板間の球の圧縮についてヘルツモデルを使用して弾性率 E を計算します(式[1]; 補足ファイル2)。
    figure-protocol-1(1)
    ここで、 R は接触点での曲率半径です(レンズの厚さの半分に等しいと仮定)。 F はロードセルによって報告された圧縮力です。 figure-protocol-2 はポアソン比(非圧縮性材料に対応する0.5に等しいと仮定)であり、 u は接触点から上段の下向きのアプローチです。弾性率とポアソン比は、レンズの固有剛性とレンズの相対圧縮率をそれぞれ示す材料特性であることに注意してください。
    注:この方法では、水晶体嚢の役割は無視されますが、水晶体のサイズがほぼ考慮されるため、種間の比較が可能です。

結果

6枚のブタレンズを、まずカプセルを無傷のまま、次にカプセルを慎重に取り出した後、圧縮した。厚みの値は、カプセル化レンズで7.65±0.43mm、カプセル化解除レンズで6.69±0.29mmでした(標準偏差±平均)。典型的な荷重履歴を 図3に示します。結果として得られる力-変位曲線は、ヘルツモデルによってよく適合しました(つまり、変位に比例した力が1.5乗になりました。 図4)。これは、カプセル化されたレンズとカプセル化解除されたレンズの両方に当てはまりました。

レンズは、まず無傷のカプセルで無負荷の厚さの15%に圧縮され、次にカプセルが取り出された後に圧縮されました。初期厚さの15%による軸方向の圧縮は、レンズ縫合糸18に損傷を生じさせないことが以前に示されている。カプセル化解除により、有効弾性率が大幅に低下しました(n = 6; p = 0.0138; 図5)。

figure-results-1
図1:解剖法。 (A)外眼組織を切除する。(B)辺縁部に円周方向の切り込みを入れます。(C)赤道で円周方向のカットが行われます。(D)角膜を切除する。(E)虹彩が取り除かれます。(F)眼は赤道で二等分され、次に(G)硝子体が除去され、(H)レンズ、毛様体、および帯状動脈を含む環状リングが強膜に付着したままになります。(I)子午線カットは、(J)帯へのアクセスを与えるために強膜を通して行われ、(K)は(L)カプセル化されたレンズを残して切断されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-2
図2:圧縮試験装置。 (A)レンズ圧縮装置の概略及び(B)写真。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-3
Figure 3: カプセル化されたブタレンズの適用荷重履歴。 上: 変位履歴。下: フォース ヒストリ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-4
図4:ヘルツモデルでフィットした典型的な力-変位データ。 左:カプセル化されたブタレンズのデータ。右:カプセル化解除後の同じレンズの圧縮データ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-5
図5:カプセル化およびカプセル化解除されたブタレンズの有効弾性率の箱ひげ図。 カプセル化されたレンズの有効弾性率は、カプセル化解除されたレンズの有効弾性率よりも有意に高く(p = 0.013)、カプセルの存在がレンズの有効剛性を実質的に変化させる可能性があることを示している。データはレンズ6枚分。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

補足ファイル1:レンズ圧縮装置を制御するためのMATLABアプリケーション。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル2:力圧縮データから弾性率を推定するMATLAB関数。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

レンズ圧縮は、レンズの剛性を推定するための汎用性の高い方法です。上記の手順により、異なる種および異なるサイズのレンズ間の比較が可能になります。すべての変形はレンズサイズに対して正規化され、弾性率の計算はレンズサイズをほぼ考慮します。有効弾性率は、ブタレンズ4,7,11,19について以前に報告された弾性率よりもかなり高く、少なくとも部分的には、曲率半径ではなく厚さの使用によるものである:ブタレンズの極曲率半径は、厚さ20の半分よりも有意に大きい。

ここで紹介する単純な解析(ヘルツモデルの使用)には、いくつかの重要な制限があります。第1に、水晶体嚢の存在を考慮していない。カプセルの存在は、レンズ16、21の生体力学的特性を有意に変化させ得ることが示されている。したがって、この方法はカプセル化解除されたレンズに最適です。これは、カプセルの厚さや生体力学的特性が著しく異なる可能性がある場合に種を比較する場合に特に重要です。また、この方法は、レンズが機械的に均質であることを前提としています。私たちや他の人たちは、これが一般的にブタやヒトのレンズには当てはまらないことを以前に示しました4,5,6,10,11,22。したがって、有効弾性率として計算された弾性率値を考慮するのが最善であり、これはおそらくレンズ内の空間的に変化する弾性率の体積平均に関連しています。ヘルツモデルでは、レンズが線形弾性であると仮定していますが、粘弾性があることが知られています。したがって、ここで提案されている単純な解析では、レンズの粘弾性に関する情報を提供することはできません。以前の研究では、テスト前のレンズの保管方法と期間によってレンズの特性が変わる可能性があることも示されています4。したがって、すべてのブタレンズは、ラボに到着した解剖後すぐにテストされました。

力と変位の測定値の違いは、ロードセルアンプからのノイズによるものです:カプセルを取り外すと、力の測定値がかなり低くなるため、信号対雑音比が低くなります。ヘルツモデルの導出に使用される仮定には、球が均質な材料であることが含まれます。したがって、有効弾性率は、カプセルが存在する場合のレンズとそのカプセルの変形率を何らかの形で平均化しています。これは、ブタの水晶体のカプセルの厚さが~60μmであるのに対し、マウスやヒトの水晶体のカプセルの厚さは5〜15μmの範囲であるため、種間および年齢間の比較を特に困難にします。カプセルの弾性率は、種や年齢によっても変化する可能性があるが、これらの依存性は不明である。したがって、カプセルとのノイズの少ないフィット感を得ることは可能ですが、比較は本質的にカプセルの存在によって交絡されます-これがカプセルなしでテストを実行することを推奨する理由です。

最後に、曲率半径がレンズの厚さの半分であると仮定して、有効弾性率を計算しました。これは球面レンズにのみ当てはまります。ブタのレンズは著しく非球面であるため、有効弾性率は、曲率半径を代わりに使用した場合よりもかなり高くなります。この最後の仮定は、曲率半径を測定することで克服できますが、下部プレートとの接触により常に平坦である下面では複雑になる可能性があります。また、マウスレンズなどの球面レンズの場合もそれほど重要ではありません。さらに良いのは、レンズ16の機械的特性を確認するための逆有限要素解析の使用である。

開示事項

著者は、宣言すべき利益相反を持っていません。

謝辞

米国国立衛生研究所(NIH)の助成金R01 EY035278(MR)の支援を受けて。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
湾曲したミディアムポイント汎用鉗子フィッシャーブランド16-100-110
ガリルCOMライブラリガリルモーションコントロール
高精度メスハンドル フィッシャーブランド12-000-164
リニアステージMcMaster-Carr6734K4 0.125インチ
ロードセルFUTEKLSB200-FSH03869
ロードセルアンプFUTEKIAA300-FSH03931
MATLABThe Mathworks, Inc.
マイクロプローブ外科設計 22-079-740
ミニチュア自動開閉精密ハサミ エクセルタ 63042-004
モーションコントローラーガリルモーションコントロールDMC-31012
モーターガリルモーションコントロールBLM-N23-50-1000-B
ストレート止血器 ファインサイエンス NC9247203ステンレス鋼、14cm 

参考文献

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