We presenteren een geautomatiseerde methode voor het karakteriseren van de effectieve elastische modulus van een oculaire lens met behulp van een compressietest.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Geautomatiseerde compressietests van de oculaire lens
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De biomechanische eigenschappen van de oculaire lens zijn essentieel voor zijn functie als optisch element met variabel vermogen. Deze eigenschappen veranderen dramatisch met de leeftijd in de menselijke lens, wat resulteert in een verlies van dichtbij zien, presbyopie genaamd. De mechanismen van deze veranderingen blijven echter onbekend. Lenscompressie biedt een relatief eenvoudige methode om de biomechanische stijfheid van de lens in kwalitatieve zin te beoordelen en kan, in combinatie met geschikte analytische technieken, helpen bij het kwantificeren van biomechanische eigenschappen. Tot nu toe zijn er verschillende lenscompressietests uitgevoerd, zowel handmatig als geautomatiseerd, maar deze methoden passen inconsistent belangrijke aspecten van biomechanische tests toe, zoals preconditionering, belastingssnelheden en tijd tussen metingen. Dit artikel beschrijft een volledig geautomatiseerde lenscompressietest waarbij een gemotoriseerde tafel wordt gesynchroniseerd met een camera om de kracht, verplaatsing en vorm van de lens vast te leggen via een voorgeprogrammeerd laadprotocol. Op basis van deze gegevens kan vervolgens een karakteristieke elasticiteitsmodulus worden berekend. Hoewel hier gedemonstreerd met behulp van varkenslenzen, is de aanpak geschikt voor de compressie van lenzen van elke soort.
Inleiding
De lens is het transparante en flexibele orgaan in het oog waarmee het op verschillende afstanden kan scherpstellen door het brekingsvermogen te veranderen. Dit vermogen staat bekend als accommodatie. Het brekingsvermogen verandert door de samentrekking en ontspanning van de ciliaire spier. Wanneer de ciliaire spier samentrekt, wordt de lens dikker en beweegt naar voren, waardoor het brekingsvermogen toeneemt 1,2. Door de toename van het brekingsvermogen kan de lens scherpstellen op objecten in de buurt. Naarmate mensen ouder worden, wordt de lens stijver en gaat dit vermogen om zich aan te passen geleidelijk verloren; Deze aandoening staat bekend als presbyopie. Het mechanisme van verstijving blijft onbekend, althans gedeeltelijk vanwege de moeilijkheden die gepaard gaan met de biomechanische karakterisering van de lens.
Er zijn verschillende methoden gebruikt om de stijfheid en biomechanische eigenschappen van brillenglazen te schatten. Deze omvatten lensrotatie 3,4,5, akoestische methoden 6,7,8, optische methoden zoals Brillouin-microscopie9, inkeping10,11 en compressie12,13. Compressie is de meest toegankelijke experimentele techniek omdat het kan worden uitgevoerd met eenvoudige instrumentatie (bijv. glazen dekglaasjes14,15) of een enkele gemotoriseerde trap. We hebben eerder laten zien hoe de biomechanische eigenschappen van de lens rigoureus kunnen worden geschat op basis van een compressietest16. Dit proces is technisch uitdagend en vereist gespecialiseerde software die niet gemakkelijk toegankelijk is voor lensonderzoekers die geïnteresseerd zijn in relatieve stijfheidsmetingen. Daarom richten we ons in de huidige studie op toegankelijke methoden voor het schatten van de elastische modulus van de lens, rekening houdend met de lensgrootte. De elasticiteitsmodulus is een intrinsieke materiaaleigenschap die verband houdt met de vervormbaarheid: een hoge elasticiteitsmodulus komt overeen met een stijver materiaal.
De test zelf is een parallelle plaatcompressietest en kan daarom worden uitgevoerd op geschikte commerciële mechanische testsystemen. Hier werd een op maat gemaakt instrument geconstrueerd dat bestond uit een motor, lineaire trap, bewegingscontroller, loadcel en versterker. Deze werden bestuurd met behulp van aangepaste software die ook tijd, positie en belasting met regelmatige tussenpozen registreerde. De lenzen van het varken zijn niet geschikt, maar zijn gemakkelijk toegankelijk en goedkoop17. De volgende methode is ontwikkeld om de ooglens stapsgewijs samen te drukken en de elastische modulus te kwantificeren. Deze methode kan gemakkelijk worden gerepliceerd en zal nuttig zijn bij het bestuderen van lensstijfheid.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Varkensogen werden verkregen van een plaatselijk slachthuis. Er waren geen goedkeuringen van ethische commissies vereist.
1. Lensdissectie (Figuur 1)
- Verwijder al het omringende weefsel uit de varkensogen en overtollig vlees uit de sclera, totdat alleen de oogzenuw overblijft. Gebruik een gebogen pincet en een kleine dissectieschaar om dit proces te voltooien. Gebruik de zenuw als anker om het oog vast te houden tijdens dissectie.
- Maak met een scalpel een korte omtreksnede bij de limbus en vervolgens een andere bij de evenaar.
NOTITIE: Deze stap wordt in deze volgorde uitgevoerd om beschadiging van de lens en de capsule te voorkomen. - Steek een microschaar in de snee bij de limbus en verwijder het hoornvlies door het hoornvlies op te tillen met een fijne tang met stompe punt terwijl u rond de omtrek van het hoornvlies knipt.
- Verwijder de iris door deze op te tillen met een stompe pincet en knip weg met een microschaar.
- Steek een dissectieschaar in de equatoriale snede en knip vervolgens in de omtrek rond de hele evenaar totdat de sclera in tweeën is gedeeld.
- Zodra de snede is voltooid, verwijdert u het achterste deel van de sclera. Verwijder het glasvocht voorzichtig met een pincet en laat minimale restanten achter om beschadiging van de lens te voorkomen. Snijd indien nodig het glasvocht coronaal door zodat het achterste deel zich kan terugtrekken van de lens en het voorste segment.
- Maak een meridionale snede door de sclera van anterieur naar posterieur met behulp van een microschaar.
- Begin bij de nieuwe meridionale snede door de sclera en gebruik een microschaar om de zonules weg te knippen van de lens. Gebruik het gewicht van de lens of de rand van de dissectieschotel om de zonules voorzichtig uit te rekken wanneer u de lens en de sclera iets uit elkaar trekt, zodat de microschaar tussen de lens en het corpus ciliare, door de zonules en rond de omtrek van de lens kan snijden. Dit isoleert de lens zonder het lenskapsel te beschadigen als het correct wordt gedaan.
- Verwijder desgewenst de capsule met een pincet om de capsule op de evenaar te doorboren en trek de capsule vervolgens weg met een pincet.
- Plaats de lens in fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS). Inspecteer de lens visueel op eventuele schade voorafgaand aan mechanische tests.
2. Lenscompressie met/zonder lenscapsule (Afbeelding 2)
OPMERKING: Alle stappen hier, met uitzondering van de stappen 2.1 en 2.4, zijn computergestuurd.
- Verkrijg of bouw een parallel plaatcompressieapparaat met een loadcel met een krachtcapaciteit van 50 gram en de mogelijkheid om de verplaatsing in de orde van grootte van 1 μm te meten.
- Programmeer de gemotoriseerde tafel en laad de cel om het hieronder beschreven laadregime uit te voeren (bijv. Aanvullend bestand 1).
- Vul bijna een vierkante doos van 1 5/8 inch x 1 5/8 inch met PBS en plaats deze op het compressieplatform.
- Laat de bovenste plaat in contact met de onderste plaat zakken om de ondergrens van de beweging en de absolute spleethoogte te bepalen.
- Verhoog de bovenste plaat met ~15 mm.
- Centreer de lens in de doos en zorg ervoor dat het equatoriale vlak horizontaal is.
- Laat de bovenste plaat dicht bij, maar niet in contact met, het bovenoppervlak van de lens zakken.
- Start een beweging om de bovenste plaat in contact te brengen met de lens, met behulp van force feedback met een contactdrempel van 3 mN.
- Begin met het registreren van de gegevens na het bepalen van het contact, de registratietijd, de positie van de bovenste plaat ten opzichte van de onderste plaat en de kracht bij 500 Hz.
- Pas een preconditioneringsbelasting toe waarbij de lens drie keer wordt samengedrukt met 2,5% van de oorspronkelijke hoogte, vervolgens drie keer 5% en vervolgens drie keer 7,5% met een snelheid van 1%/s.
- Houd de positie van de bovenste plaat constant gedurende 1 minuut na het voorconditioneren.
- Pas een compressie van 15% toe met een snelheid van 1%/s, gevolgd door lossen met dezelfde snelheid.
- Ga door met de ontlaadbeweging totdat de bovenste plaat nog eens 2% van de onbelaste lensdikte van de bodemplaat heeft afgelegd om ervoor te zorgen dat de lens van de bovenste plaat is losgemaakt.
3. Schatting van de lensmodulus
- Schat de dikte van de lens op basis van de opening van het instrument op het contactpunt. U kunt ook beeldanalyse gebruiken om de dikte te meten van een foto die vóór het testen is gemaakt.
- Bereken de elasticiteitsmodulus E met behulp van het Hertz-model voor compressie van een bol tussen evenwijdige platen (vergelijking [1]; Aanvullend dossier 2).
(1)
Waarbij R de kromtestraal op het contactpunt is (verondersteld gelijk te zijn aan de helft van de lensdikte); F is de compressiekracht die door de loadcel wordt gerapporteerd;
is de Poisson-verhouding (verondersteld gelijk aan 0,5 overeen te komen met een onsamendrukbaar materiaal); en u is de neerwaartse benadering van de bovenste trap vanaf het contactpunt. Merk op dat de elasticiteitsmodulus en de Poisson-verhouding materiaaleigenschappen zijn die respectievelijk de intrinsieke stijfheid van de lens en de relatieve samendrukbaarheid van de lens aangeven.
OPMERKING: Deze methode negeert elke rol van het lenskapsel, maar houdt bij benadering rekening met de grootte van de lens, waardoor vergelijking tussen soorten mogelijk is.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Zes varkenslenzen werden gecomprimeerd, eerst met de capsule intact en vervolgens na zorgvuldige verwijdering van de capsule. De diktewaarden waren 7,65 ± 0,43 mm voor ingekapselde lenzen en 6,69 ± 0,29 mm voor gedecapsuleerde lenzen (gemiddelde ± standaarddeviatie). Een typische laadgeschiedenis wordt weergegeven in figuur 3. De resulterende kracht-verplaatsingscurven werden goed gepast door het Hertz-model (d.w.z. ze hadden een kracht die evenredig was met de verplaatsing die werd verhoogd...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Lenscompressie is een veelzijdige methode voor het schatten van de stijfheid van de lens. De hierboven beschreven procedures maken het mogelijk om lenzen van verschillende soorten en verschillende maten te vergelijken. Alle vervormingen worden genormaliseerd ten opzichte van de lensgrootte en de berekening van de elastische modulus houdt ongeveer rekening met de lensgrootte. De effectieve modulus is aanzienlijk hoger dan de eerder gerapporteerde modulus voor de varkenslens 4,7,11,19, al...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
Dankbetuigingen
Ondersteund door National Institutes of Health-subsidie R01 EY035278 (MR).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Curved Medium Point General Purpose Forceps | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| Galil COM Libraries | Galil Motion Control | ||
| High Precision Scalpel Handle | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| Linear Stage | McMaster-Carr | 6734K4 0.125" | |
| Load Cell | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| Load Cell Amplifier | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
| Microprobe | Surgical Design | 22-079-740 | |
| Miniature Self Opening Precision Scissors | Excelta | 63042-004 | |
| Motion Controller | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
| Motor | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
| Straight Hemastats | Fine Science | NC9247203 | roestvrij staal, 14cm |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
