방법 논문

접안 수정체의 자동 압축 검사

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DOI:

10.3791/66040

⸱

2024년 4월 5일

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

이 논문에서

요약

우리는 압축 시험을 사용하여 접안렌즈의 유효 탄성 계수를 특성화하기 위한 자동화된 방법을 제시합니다.

초록

접안렌즈의 생체역학적 특성은 가변 동력 광학 요소로서의 기능에 필수적입니다. 이러한 특성은 인간의 수정체에서 나이가 들면서 극적으로 변하여 노안이라고 하는 근거리 시력 상실을 초래합니다. 그러나 이러한 변화의 메커니즘은 아직 알려지지 않았습니다. 렌즈 압축은 렌즈의 생체역학적 강성을 정성적으로 평가하기 위한 비교적 간단한 방법을 제공하며, 적절한 분석 기법과 결합하면 생체역학적 특성을 정량화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재까지 수동 및 자동 렌즈 압축 테스트를 포함한 다양한 렌즈 압축 테스트가 수행되었지만, 이러한 방법은 사전 컨디셔닝, 로딩 속도 및 측정 간격과 같은 생체 역학 테스트의 주요 측면을 일관되게 적용하지 않습니다. 이 백서에서는 전동 스테이지를 카메라와 동기화하여 사전 프로그래밍된 로딩 프로토콜 전반에 걸쳐 렌즈의 힘, 변위 및 모양을 캡처하는 완전 자동화된 렌즈 압축 테스트에 대해 설명합니다. 그런 다음 이러한 데이터로부터 특성 탄성 계수를 계산할 수 있습니다. 여기서는 돼지 렌즈를 사용하여 시연했지만, 이 접근법은 모든 종의 렌즈를 압축하는 데 적합합니다.

서론

수정체는 눈에서 발견되는 투명하고 유연한 기관으로, 굴절력을 변화시켜 다른 거리에 초점을 맞출 수 있습니다. 이 능력을 적응이라고 합니다. 굴절력은 섬모 근육의 수축과 이완으로 인해 변경됩니다. 수정체가 수축하면 수정체가 두꺼워지고 앞으로 이동하여 굴절력이 증가합니다 1,2. 굴절력이 증가하면 렌즈가 가까운 물체에 초점을 맞출 수 있습니다. 인간이 나이가 들어감에 따라 수정체는 더 뻣뻣해지고 이러한 수용 능력은 점차 상실됩니다. 이러한 상태를 노안이라고 합니다. 경화 메커니즘은 적어도 부분적으로는 렌즈의 생체역학적 특성화와 관련된 어려움 때문에 알려지지 않았습니다.

렌즈 강성과 생체역학적 특성을 추정하기 위해 다양한 방법이 사용되었습니다. 여기에는 렌즈 회전 3,4,5, 음향 방법 6,7,8, Brillouin 현미경9, 압흔10,11 및 압축12,13과 같은 광학 방법이 포함됩니다. 압축은 간단한 기기(예: 유리 커버슬립14,15) 또는 단일 전동 스테이지로 수행할 수 있으므로 가장 접근하기 쉬운 실험 기술입니다. 우리는 이전에 렌즈의 생체역학적 특성이 압축 시험(16)으로부터 어떻게 엄격하게 추정될 수 있는지를 보여주었다. 이 과정은 기술적으로 까다로우며, 상대 강성 측정에 관심이 있는 렌즈 연구자들이 쉽게 접근할 수 없는 특수 소프트웨어가 필요합니다. 따라서 본 연구에서는 렌즈 크기를 고려하면서 렌즈의 탄성률을 추정하기 위한 접근 가능한 방법에 중점을 둡니다. 탄성 계수는 변형성과 관련된 고유한 재료 특성입니다: 높은 탄성 계수는 더 단단한 재료에 해당합니다.

시험 자체는 평행 판 압축 시험이므로 적합한 상용 기계 시험 시스템에서 수행할 수 있습니다. 여기에서 맞춤형 계측기는 모터, 선형 스테이지, 모션 컨트롤러, 로드 셀 및 증폭기로 구성되었습니다. 이들은 시간, 위치 및 하중을 일정한 간격으로 기록하는 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 제어되었습니다. 돼지 렌즈는 수용하지 못하지만 쉽게 접근할 수 있고 저렴합니다17. 다음 방법은 눈 수정체를 점진적으로 압축하고 탄성 계수를 정량화하기 위해 개발되었습니다. 이 방법은 쉽게 복제할 수 있으며 수정체 강성 연구에 유용합니다.

프로토콜

돼지 눈은 지역 도살장에서 얻었습니다. 윤리위원회의 승인은 필요하지 않았다.

1. 수정체 해부(그림 1)

  1. 시신경만 남을 때까지 돼지 눈에서 주변 조직을 모두 제거하고 공막에서 여분의 살을 제거합니다. 구부러진 집게와 작은 해부 가위를 사용하여 이 과정을 완료하십시오. 신경을 닻으로 사용하여 해부 중에 눈을 고정합니다.
  2. 메스를 사용하여 림버스에서 짧은 원주 절단을 한 다음 적도에서 또 다른 절단을 합니다.
    알림: 이 단계는 렌즈와 캡슐의 손상을 방지하기 위해 이 순서로 수행됩니다.
  3. 가장자리 절개 부위에 미세가위를 삽입하고 끝이 가늘고 뭉툭한 집게로 각막을 들어 올려 각막 둘레를 절개합니다.
  4. 끝이 뭉툭한 집게를 사용하여 들어 올려 홍채를 제거하고 마이크로 가위로 잘라냅니다.
  5. 적도 절단부에 해부 가위를 삽입한 다음 공막이 이등분될 때까지 전체 적도 주위를 원주종으로 자릅니다.
  6. 절단이 완료되면 공막의 뒤쪽 부분을 제거합니다. 렌즈가 손상되지 않도록 최소한의 잔여물을 남기고 집게로 유리체를 부드럽게 제거합니다. 필요한 경우 유리체액을 관상으로 절단하여 후체액이 수정체와 전방부에서 멀어지도록 합니다.
  7. 마이크로 가위를 사용하여 공막을 앞쪽에서 뒤쪽으로 경락을 절단합니다.
  8. 공막을 통과하는 새로운 자오선 절단부에서 시작하여 미세 가위를 사용하여 렌즈에서 구역을 잘라냅니다. 렌즈의 무게나 해부 접시의 가장자리를 사용하여 수정체와 공막을 약간 벌릴 때 조눌을 부드럽게 늘려 미세가위가 수정체와 섬체체 사이, 조립을 통과하고 수정체 둘레를 절단할 수 있도록 합니다. 이렇게 하면 올바르게 수행될 경우 렌즈 캡슐을 손상시키지 않고 렌즈를 격리할 수 있습니다.
  9. 원하는 경우 집게를 사용하여 캡슐을 꺼내 적도에서 캡슐에 구멍을 뚫은 다음 두 개의 집게를 사용하여 캡슐을 벗겨냅니다.
  10. 렌즈를 인산염 완충 식염수(PBS)에 넣습니다. 기계적 테스트 전에 렌즈에 손상이 있는지 육안으로 검사하십시오.

2. 렌즈 캡슐 유무에 관계없이 렌즈 압축(그림 2)

참고: 2.1단계와 2.4단계를 제외한 모든 단계는 컴퓨터로 제어됩니다.

  1. 약 1 μm의 변위를 측정할 수 있는 50 그램 하중 용량의 로드셀을 갖는 평행 플레이트 압축 장치를 얻거나 구축합니다.
  2. 전동 스테이지를 프로그래밍하고 셀을 로드하여 아래에 설명된 로딩 방식을 수행합니다(예: 보충 파일 1).
  3. 1 5/8인치 x 1 5/8인치의 정사각형 상자를 PBS로 거의 채우고 압축 플랫폼에 놓습니다.
  4. 상부 플레이트를 하부 플레이트와 접촉하도록 내려 동작의 하한과 절대 간격 높이를 결정합니다.
  5. 상판을 ~15mm 올립니다.
  6. 렌즈를 상자 중앙에 놓고 적도 평면이 수평이 되도록 주의합니다.
  7. 상판을 렌즈의 상부 표면에 가깝게 내리되 접촉하지 않도록 합니다.
  8. 접촉 임계값이 3mN인 힘 피드백을 사용하여 상판을 렌즈와 접촉하도록 이동하는 동작을 시작합니다.
  9. 접촉, 기록 시간, 하부 플레이트에 대한 상부 플레이트의 위치 및 500Hz에서의 힘이 결정되면 데이터 기록을 시작합니다.
  10. 렌즈를 초기 높이의 2.5%로 세 번 압축한 다음 5%를 세 번 압축한 다음 7.5%를 1%/s의 속도로 세 번 압축하는 사전 컨디셔닝 로딩을 적용합니다.
  11. 프리컨디셔닝 후 1분 동안 상판의 위치를 일정하게 유지합니다.
  12. 1%/s의 속도로 15% 압축을 적용한 다음 동일한 속도로 언로딩합니다.
  13. 상부 플레이트가 하부 플레이트에서 언로드된 렌즈 두께의 2%를 추가로 이동하여 렌즈가 상부 플레이트에서 접착되지 않도록 할 때까지 언로딩 동작을 계속합니다.

3. 렌즈 계수 추정

  1. 접촉점에서 기기의 간격을 기준으로 렌즈의 두께를 추정합니다. 또는 이미지 분석을 사용하여 테스트 전에 촬영한 사진에서 두께를 측정합니다.
  2. 평행 판 사이의 구 압축에 대한 Hertz 모델을 사용하여 탄성 계수 E 를 계산합니다(방정식 [1]; 보충 파일 2).
    figure-protocol-1(1)
    여기서 R 은 접촉점에서의 곡률 반경(렌즈 두께의 절반과 같다고 가정)입니다. F 는 로드셀에 의해 보고된 압축력입니다. figure-protocol-2 는 푸아송 비율(비압축성 재료에 해당하는 0.5로 가정)이고, u 는 접점에서 상부 단계의 하향 접근입니다. 탄성률(elastic modulus)과 포아송비(Poisson's ratio)는 각각 렌즈의 고유 강성과 렌즈의 상대적 압축률을 나타내는 재료 특성입니다.
    참고: 이 방법은 렌즈 캡슐의 역할을 무시하지만 렌즈의 크기를 대략적으로 고려하여 종 간 비교가 가능합니다.

결과

6개의 돼지 렌즈를 먼저 캡슐이 손상되지 않은 상태로 압축한 다음 캡슐을 조심스럽게 제거한 후 압축했습니다. 두께 값은 encapsulated lens의 경우 7.65 ± 0.43 mm, decapsulated lens의 경우 6.69 ± 0.29 mm였습니다(평균 ± 표준 편차). 일반적인 로딩 기록은 그림 3에 나와 있습니다. 결과 힘-변위 곡선은 Hertz 모델에 의해 잘 맞았습니다(즉, 1.5의 거듭제곱으로 올려진 변위에 비례하는 힘을 가짐; 그림 4). 이는 encapsulated lens와 decapsulated lens 모두에 해당됩니다.

렌즈는 먼저 온전한 캡슐로 언로드 두께의 15%만큼 압축한 다음 캡슐을 제거한 후 압축했습니다. 초기 두께의 15%에 의한 축방향 압축은 렌즈 봉합사(18)에 손상을 일으키지 않는 것으로 이전에 나타났다. 역캡슐화는 유효 탄성률의 현저한 감소를 초래했다(n=6; p=0.0138; 그림 5).

figure-results-1
그림 1: 해부 기법. (A) 외안 조직을 제거합니다. (B) 림버스(limbus)에서 원주 절단이 이루어집니다. (C) 적도에서 원주 절단이 이루어집니다. (D) 각막을 제거합니다. (E) 홍채가 제거됩니다. (F) 눈은 적도에서 이등분된 다음 (G) 유리체를 제거하고 (H) 수정체, 섬모체 및 공막에 여전히 부착된 구역을 포함하는 환형 고리를 남깁니다. (I) 공막을 통해 자오선 절단이 이루어져 (J) 구역에 접근할 수 있도록 하고, (K) 캡슐화된 수정체(L)를 남기고 절단됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-2
그림 2: 압축 시험 장치. (A) 렌즈 압축 장치의 개략도 및 (B) 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: encapsulated porcine lens에 적용된 loading history. 위: 변위 이력. 하단: 포스 히스토리. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-4
그림 4: Hertz 모델에 맞는 일반적인 힘-변위 데이터. 왼쪽: encapsulated porcine lens의 데이터. 오른쪽: decapsulation 후 동일한 렌즈에 대한 compression 데이터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-5
그림 5: encapsulated 및 decapsulated porcine lens의 유효 탄성 계수에 대한 Box and whisker plot. encapsulated lenses의 유효 탄성률은 decapsulated lenses의 유효 탄성률보다 현저히 높았으며(p=0.013), 이는 캡슐의 존재가 렌즈의 유효 강성을 실질적으로 변화시킬 수 있음을 나타냅니다. 데이터는 6개의 렌즈에 대한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 렌즈 압축 장치를 제어하기 위한 MATLAB 응용 프로그램. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 2: 힘 압축 데이터에서 탄성 계수를 추정하는 MATLAB 함수. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

렌즈 압축은 렌즈 강성을 추정하기 위한 다양한 방법입니다. 위에서 설명한 절차를 통해 다양한 종과 크기의 렌즈를 비교할 수 있습니다. 모든 변형은 렌즈 크기에 대해 정규화되며, 탄성 계수의 계산은 대략 렌즈 크기를 고려합니다. 유효 탄성률은 porcine lens(4,7,11,19)에 대해 이전에 보고된 탄성률보다 상당히 높은데, 이는 적어도 부분적으로는 곡률 반경이 아닌 두께를 사용하기 때문이다: porcine lens의 극성 곡률 반경은 두께(20)의 절반보다 훨씬 크다.

여기에 제시된 간단한 분석(즉, Hertz 모델 사용)에는 몇 가지 주요 제한 사항이 있습니다. 첫째, 렌즈 캡슐의 존재를 설명하지 않습니다. 캡슐의 존재는 렌즈(16,21)의 생체역학적 특성을 현저하게 변화시킬 수 있음이 밝혀졌다. 따라서 이 방법은 decapsulated lens에 가장 적합합니다. 이는 캡슐의 두께나 생체역학적 특성이 현저히 다를 수 있는 경우 종을 비교할 때 특히 중요합니다. 이 방법은 또한 렌즈가 기계적으로 균질하다고 가정합니다. 우리와 다른 연구자들은 돼지 렌즈나 사람의 수정체 4,5,6,10,11,22에서는 일반적으로 그렇지 않다는 것을 보여주었다. 따라서, 유효 탄성률(effective modulus)로 계산된 탄성률(elastic linus) 값을 고려하는 것이 가장 좋으며, 이는 아마도 렌즈 내에서 공간적으로 변하는 탄성률의 체적 평균과 관련이 있을 것이다. Hertz 모델은 렌즈가 선형 탄성이 있다고 가정하는 반면 점탄성은 있는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 여기에서 제안하는 간단한 분석은 렌즈 점탄성에 관한 정보를 제공할 수 없습니다. 이전 연구에서는 테스트 전 렌즈 보관 방법과 기간이 렌즈 특성을 변화시킬 수 있음을 보여주었습니다4; 따라서 모든 돼지 렌즈는 실험실에 도착하자마자 해부 직후 테스트되었습니다.

힘-변위 측정의 차이는 로드셀 증폭기의 노이즈에 기인합니다: 캡슐을 제거하면 힘 측정이 상당히 낮아지고, 따라서 신호 대 노이즈 비율이 낮아집니다. Hertz 모델을 도출하는 데 사용되는 가정은 구가 균질한 재료라는 것을 포함합니다. 그러므로, 유효 탄성 계수는 캡슐이 존재할 때 렌즈와 그 캡슐의 변형성을 평균화하는 것입니다. 돼지 수정체는 ~60μm 두께의 캡슐을 가지고 있는 반면, 생쥐나 인간 수정체는 5-15μm 두께의 캡슐을 가지고 있기 때문에 종간 및 연령간 비교가 특히 어렵습니다. 캡슐의 탄성 계수는 종과 나이에 따라 달라질 수 있지만 이러한 종속성은 알려져 있지 않습니다. 따라서 캡슐에 덜 시끄러운 핏을 얻을 수 있지만 캡슐의 존재로 인해 비교가 본질적으로 혼란스러우므로 캡슐 없이 테스트를 수행하는 것이 좋습니다.

마지막으로, 유효 탄성률은 곡률 반경이 렌즈 두께의 절반이라고 가정하여 계산되었습니다. 이것은 구면 렌즈에만 해당됩니다. porcine lens는 상당히 비구면이므로 유효 모듈러스 값은 곡률 반경을 대신 사용하는 경우보다 상당히 높습니다. 이 마지막 가정은 곡률 반경을 측정하여 극복할 수 있지만, 하부 플레이트와의 접촉으로 인해 항상 평평한 하부 표면의 경우 복잡할 수 있습니다. 또한 murine lens와 같은 구면 렌즈의 경우 덜 중요합니다. 더 나은 방법은 렌즈(16)의 기계적 특성을 확인하기 위해 역 유한 요소 분석을 사용하는 것이다.

공개 사항

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

미국 국립보건원(National Institutes of Health) 보조금 R01 EY035278(MR)의 지원을 받습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
곡선형 중간 포인트 일반 목적 펜치Fisherbrand16-100-110
Galil COM 라이브러리Galil 모션 컨트롤
고정밀 메스 핸들 Fisherbrand12-000-164
선형 스테이지McMaster-Carr6734K4 0.125"
로드 셀FUTEKLSB200-FSH03869
로드 셀 증폭기FUTEKIAA300-FSH03931
MATLABThe Mathworks, Inc.
마이크로프로브수술 디자인 22-079-740
미니어처 자체 개방 정밀 가위 엑셀타 63042-004
모션 컨트롤러Galil 모션 컨트롤DMC-31012
모터Galil 모션 컨트롤BLM-N23-50-1000-B
직선 헤마스탯 파인 사이언스 NC9247203스테인리스 스틸, 14cm 

참고문헌

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