Artykuł metodologiczny

Symulacja mechaniki akomodacji soczewek za pomocą ręcznego napinacza obiektywu

DOI:

10.3791/57162

⸱

23 lutego 2018

 ,  ,  , 
1Fischell Department of Bioengineering, University of Maryland, 2Bioniko Consulting LLC

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prezentujemy efektywną metodę badania akomodacji soczewek za pomocą ręcznego nosza do soczewek. Protokół naśladuje akomodację fizjologiczną poprzez pociągnięcie zonuli połączonych wokół torebki soczewki, rozciągając w ten sposób soczewkę.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Celem tego protokołu jest naśladowanie biomechaniki fizjologicznej akomodacji w opłacalny, praktyczny sposób. Akomodacja osiąga się poprzez skurcz ciała rzęskowego i rozluźnienie włókien zonuli, co skutkuje pogrubieniem soczewki niezbędnym do widzenia z bliska. W tym miejscu przedstawiamy nowatorską, prostą metodę, w której akomodacja jest replikowana poprzez napinanie stref połączonych z kapsułką soczewki za pomocą ręcznego napinacza soczewek (MLS). Metoda ta monitoruje rozciąganie promieniowe osiągane przez soczewkę pod wpływem stałej siły i pozwala na porównanie soczewek akomodacyjnych, które mogą być rozciągnięte, z soczewkami nieakomodacyjnymi, których nie można rozciągnąć. Co ważne, nosze łączą się bezpośrednio z zonulami, a nie z twardówką oka, wymagając w ten sposób tylko soczewki, zonuli i ciała rzęskowego, a nie całej próbki gałki rzęskowej. Różnica ta może znacznie obniżyć koszt pozyskania soczewek do zwłok dawcy o około 62% w porównaniu z pozyskaniem całego globu.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Akomodacja to proces, dzięki któremu ludzkie oko jest w stanie dynamicznie dostosować kształt swojej krystalicznej soczewki, aby widzieć obiekty z daleka lub bliskiej odległości w ostrym punkcie. Akomodacja jest procesem z natury biomechanicznym. Pod wpływem bodźca nerwowego mięśnie rzęskowe wytwarzają siłę działającą na ciało rzęskowe i włókna zonulowe, które przyczepiają się do obwodu torebki soczewki1,2. Chociaż istnieją różne teorie stojące za biomechaniką akomodacji, najszerzej akceptowaną jest hipoteza Helmholtza. Zgodnie z hipotezą soczewka jest w naturalnym stanie rozciągniętym, co odpowiada najcieńszemu kształtowi soczewki, który jest optymalny dla ostrości odległych obiektów. Aby skierować uwagę na bliższe obiekty, mięśnie rzęskowe kurczą się, a włókna strefowe są rozluźnione. Z kolei soczewka pogrubia się, zwiększając krzywizny powierzchni przedniej i tylnej. Odpowiada to wzrostowi mocy dioptrii, która jest niezbędna do widzenia z bliska, dlatego krótsza ogniskowa1.

Zdolność do adaptacji jest z czasem zagrożona przez stan zwany starczowzrocznością. Starczowzroczność, która dotyka wszystkich osób w wieku 50 lat, sprawia, że oko nie jest w stanie dynamicznie zmieniać ostrości z daleka na bliską odległość3. Aby zwalczyć starczowzroczność, obecne metody są pasywne, w tym soczewki korekcyjne i dwuogniskowe. Zwiększając zdolność do ustawiania ostrości na bliskich obiektach w kilku płaszczyznach, takie pasywne zabiegi nie są w stanie przywrócić dynamicznej zdolności ustawiania ostrości obiektywu4,5. Aby skutecznie leczyć starczowzroczność lub jej zapobiegać, istnieje ciągła potrzeba lepszego zrozumienia akomodacji.

Aby badać akomodację soczewek, opracowano szereg urządzeń symulujących to zjawisko ex vivo4,6,7,8,9. Wirujące dyski zostały po raz pierwszy wprowadzone do monitorowania rozciągania soczewki za pomocą sił odśrodkowych8. Aby wierniej odtworzyć to zjawisko, stopniowo wprowadzano i unowocześniano urządzenia do rozciągania soczewek. Używając noszy do soczewek, Manns i wsp. scharakteryzował siłę wymaganą do umieszczenia soczewki, jednocześnie korelując ją z mocą soczewki i średnicą równikową9. Obecnie uważa się, że soczewka sztywnieje z wiekiem, co skutkuje zmniejszoną zmianą kształtu soczewki w odpowiedzi na równą siłę działającą z ciała rzęskowego3,10,11,12.

Obecne nosze do soczewek często wymagają skomplikowanej konfiguracji, implementującej elektronikę i programowalne tempo rozciągania, i wymagają całej gałki ocznej zwłok6,7,10,13. Wymóg ten zwiększa koszt eksperymentu do ponad 500,00 USD za oko i zmniejsza dostępność próbki. Tutaj przedstawiamy metodę replikacji akomodacji soczewki przy niskich kosztach, ponieważ tylne oko wynosi około 200,00 USD. Chociaż jest mniej wyrafinowana niż wiele używanych obecnie urządzeń, technika ta jest znacznie bardziej opłacalna i możliwa do przyjęcia bez uszczerbku dla wyników. Ta metoda jest wyśrodkowana wokół ręcznego napinacza soczewek (MLS) przedstawionego na rysunku Rysunek 1 i wykorzystuje unikalny system zaciskania na włóknach strefowych oraz metodę skręcania promieniowego w celu zwiększenia średnicy soczewki. Fizjologiczna dokładność protokołu została potwierdzona przez odkrycia Bernala i wsp., którzy badali ścieżkę, za pomocą której przednie i tylne włókna strefowe są połączone z torebką soczewki14. Korzystając z projektu niestandardowych butów, które wymagają tylko soczewki, zonuli i ciała rzęskowego, chcieliśmy zbadać biomechanikę soczewek poprzez odtworzenie akomodacji fizjologicznej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Następujące protokoły są akceptowane przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Maryland oraz Instytucjonalną Komisję Rewizyjną. Protokoły są zgodne ze standardami federalnymi, stanowymi i lokalnymi oraz wytycznymi określonymi przez Politykę Uniwersytetu Maryland w zakresie bezpieczeństwa biologicznego.

1. Sekcja próbki oka

  1. Pobrać próbkę oka z lokalnej rzeźni lub banku tkanek. Jeśli uzyskana jest cała gałka oczna, natychmiast wyjmij soczewkę, dołączone zonule i ciało szkliste.
    UWAGA: Szczegółowe informacje opisane poniżej dotyczą zarówno oczu świńskich, jak i ludzkich.
    1. Za pomocą zdezynfekowanych nożyczek chirurgicznych i kleszczy odetnij i usuń cały nadmiar tkanki otaczającej twardówkę.
    2. Mocno przytrzymaj oko na boku i za pomocą żyletki wykonaj małe nacięcie wzdłuż boku oka w odległości 3 mm od rogówki. Wykonaj nacięcie na tyle głęboko, aby dotarło do ciała szklistego wewnątrz oka.
    3. Za pomocą nożyczek ostrożnie tnij dalej wzdłuż nacięcia wokół obwodu oka. Unikaj przekłuwania soczewki. Reprezentatywny obraz jest pokazany w Rysunek 2A.
    4. Po przecięciu zewnętrznego obwodu oka usuń tylną część oka za pomocą kleszczy. Odizoluj soczewkę, strefule, ciało rzęskowe i przyczepione ciało szkliste za pomocą kleszczy. Reprezentatywny obraz jest pokazany w Rysunek 2B.
    5. Za pomocą nożyczek i kleszczyków usuń nadmiar ciała szklistego, aby soczewka mogła leżeć płasko na MLS.
      UWAGA: W przypadku przeszczepu rogówki, guzik rogówki jest używany w chirurgii, a pozostała część kuli ziemskiej jest dostępna do celów badawczych. Jednak ta częściowa kula ziemska może być nadal używana do przygotowania tkanek w konfiguracji noszy do soczewek. Jeśli uzyskuje się tylko tylną część, wykonaj tylko kroki 1.1.4–1.1.5.
  2. Zdezynfekuj cały zużyty sprzęt po rozwarstwieniu w 15% roztworze wybielacza przez 30 minut.

2. Próbny montaż ręcznych naciągów do obiektywów

  1. Włóż 10 mm spody butów i odpowiadające im czubki butów do dolnej płyty MLS, tak aby pozostała 5 mm szczelina między tylną ścianą wgłębienia buta a samym butem.
  2. Wyrównaj górną i dolną płytę, zatrzaskując je razem; urządzenie jest teraz w pozycji nierozciągniętej.
  3. Włóż płytki do obudowy płyty, a blokującą do otworu znajdującego się z boku dolnej płyty.
  4. Włóż pojemnik na płytę do podstawy i umieść klucz w wyrównanych wgłębieniach.
  5. Przekręć klucz zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż dotrze do blokującej, aby skurczyć buty, i przekręć z powrotem w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby przywrócić buty do pierwotnej pozycji nierozciągniętej.

3. Montaż obiektywu

  1. Włóż 10-milimetrowe spody butów do dolnej płyty w MLS tak, aby pozostała 5-milimetrowa szczelina między tylną ścianą wgłębienia buta a samym butem.
  2. Za pomocą zakrzywionych kleszczyków umieść wyciągniętą soczewkę stroną do góry na środku dolnej płyty, tak aby buty podtrzymywały soczewkę nad centralnym otworem.
  3. Zatrzaśnij odpowiednią górną część butów na miejscu, przycinając tylko zonule i ciało szkliste. Wizualnie upewnij się, że obiektyw pozostaje jak najbardziej wyśrodkowany na dolnej płycie.
  4. Powtórz kroki 2.3–2.4.

4. Pomiar soczewki

  1. Umieść system obrazowania bezpośrednio nad aparatem, aby uchwycić filmy i zdjęcia procesu rozciągania. Pamiętaj, aby dołączyć linijkę w ramce obrazu, aby dokładnie zmienić rozmiar i przeskalować obrazy w post-processingu.
    UWAGA: Do tego kroku wystarczy dowolny odpowiedni system obrazowania; Tutaj używamy 12-megapikselowego smartfona z autofokusem w odległości jednej stopy od próbki.
  2. Mocno, ale płynnie, obróć klucz w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, aby rozciągnąć obiektyw. Rysunek 3 pokazuje reprezentatywne obrazy w stanie nierozciągniętym i rozciągniętym.
  3. Po sfotografowaniu rozciągniętego obiektywu obróć klucz w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby przywrócić próbkę do stanu spoczynku.
    UWAGA: Konieczne jest, aby pomiar soczewki został wykonany w odpowiednim czasie, aby zminimalizować odwodnienie soczewki.
  4. Wyraźnie sfotografuj końcowy stan spoczynku obiektywu.

5. Analiza danych

  1. Prześlij obraz do ImageJ i użyj funkcji "punktu", aby wybrać co najmniej 40 punktów na obwodzie obiektywu, jak pokazano na Rysunek 4A. Użyj opcji "Analizuj" → "Zmierz", aby uzyskać lokalizację każdego wybranego punktu.
  2. Dopasuj (za pomocą oprogramowania, np. MATLAB) punkty lokalizacji, aby uzyskać promień i chi-kwadrat pasowania, jak pokazano na Rysunek 4B. Przekształć promień piksela i błąd w metryki za pomocą sfotografowanej linijki.
  3. Wykonaj sparowany test t z dwoma stronami, aby porównać pojedynczą soczewkę przed i po rozciągnięciu z MLS.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oczy świni, powszechna próbka do badania starczowzroczności poprzez rozciąganie soczewek4,15, (n = 10) z lokalnej rzeźni i ten protokół został wykorzystany do obserwacji zdolności akomodacji soczewek. Rysunek 5A pokazuje porównanie soczewki świni przed i po rozciąganiu za pomocą MLS. Nastąpił średni wzrost promienia obiektywu o 0,19 ± 0,07 mm po rozciągnięciu (p <0,001), co odpowiad...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opracowaliśmy nowatorską metodę, aby zapewnić dokładny i skuteczny sposób badania zdolności akomodacji soczewki poprzez wykorzystanie dwuczęściowego mechanizmu zaciskowego do sprzężenia noszy z próbką. Podczas akomodacji soczewka rozluźnia się, a średnica zmniejsza się w odpowiedzi na rozluźnienie włókien strefowych 1,2,4,19. Metoda koncentruje się na tym zjawisku poprzez zaciskanie i kontrolow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

AB posiada udziały w Bioniko Consulting LLC.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Ręczne nosze do soczewekBionikoMLSRóżne gatunki zwierząt będą wymagały różnych rozmiarów butów
Próbki oczu świńGeorge G. Ruppersberger; rzeźniaNie dotyczyUzyskano całe gałki oczne
Próbki ludzkiego okaNarodowa Wymiana Badań nad ChorobamiNie dotyczyZamówiono tylne słupy bez rogówki
Nożyczki preparacyjne (5 1/2 '' Prosty)Electro Microsopy Sciences72960
Kleszczyki do tkanek (4 1/2 '')Electron Microsopy Sciences72960
iPhone 6sAppleN/ABędzie działał każdy system obrazowania o rozdzielczości ~0,1 mm
Hipochoryta soduCloroxClorox Regular-BleachKażdy środek dezynfekujący będzie działał

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Von Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthal. 1, 1-74 (1855).
  2. Schachar, R. A., Black, T. D., Kash, R. L., Cudmore, D. P., Schanzlin, D. J. The mechanism of accommodation and presbyopia in the primate. Ann Ophthalmol. 27, 58-67 (1995).
  3. Glasser, A., Campbell, C. W. Presbyopia and the optical changes in the human crystalline lens with age. Vision Res. 38 (2), 209-229 (1998).
  4. Reilly, M. A., Hamilton, P. D., Perry, G., Ravi, N. Comparison of the behavior and natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher. Exp Eye Res. 88, 483-494 (2009).
  5. Langenbucher, A., Huber, S., Nguyen, N. X., Seitz, B., Gusek-Schneider, G. C., Küchle, M. Measurement of accommodation after implantation of an accommodating posterior chamber intraocular lens. J Cataract Refract Surg. 29 (4), 677-685 (2003).
  6. Ehrmann, K., Ho, A., Parel, J. Biomechanical analysis of the accommodative apparatus in primates. Clin Exp Optom. 91 (4), 411(2008).
  7. Pinilla Cortés, L., et al. Experimental Protocols for Ex Vivo Lens Stretching Tests to Investigate the Biomechanics of the Human Accommodation Apparatus. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (5), 2926(2015).
  8. Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
  9. Eppig, T., et al. Biomechanical eye model and measurement setup for investigating accommodating intraocular lenses. Z Med Ohys. 23 (2), 144-152 (2013).
  10. Manns, F., Parel,, et al. Response of Human and Monkey Lenses in a Lens Stretcher. Invest Ophthalmol Vis Sci. 48 (7), 3260(2007).
  11. 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).
  12. Besner, S., Scarcelli, G., Pineda, R., Yun, S. -H. In Vivo Brillouin Analysis of the Aging Crystalline Lens. Invest Ophthalmol Vis Sci. 57 (13), 5093(2016).
  13. Cortes, L., et al. Experimental Protocols for Ex Vivo Lens Stretching Tests to Investigate the Biomechanics of the Human Accommodation Apparatus. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (5), 2926-2932 (2015).
  14. Bernal, A., Parel, J. -M., Manns, F. Evidence for Posterior Zonular Fiber Attachment on the Anterior Hyaloid Membrane. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47 (11), 4708(2006).
  15. Kammel, R., Ackermann, R., Mai, T., Damm, C., Nolte, S. Pig Lenses in a Lens Stretcher. Optom Vis Sci. 89 (6), 908-915 (2012).
  16. 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).
  17. D'Antin, J. C., Cortes, L. P., Montenegro, G. A., Barraquer, R. I., Michael, R. Evaluation of a portable manual stretching device to simulate accommodation. Acta Ophthalmol. 93 (255), (2015).
  18. Pierscionek, B. Age-related response of human lenses to stretching forces. Exp Eye Res. 60 (3), 325-332 (1995).
  19. Marussich, L., et al. Measurement of Crystalline Lens Volume During Accommodation in a Lens Stretcher. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (8), 4239(2015).
  20. Martinez-Enriquez, E., Pérez-Merino, P., Velasco-Ocana, M., Marcos, S. OCT-based full crystalline lens shape change during accommodation in vivo. Biomed Opt Exp. 8 (2), 918-933 (2017).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Biomechanika okaprotok rozci gania soczewkipomiar napi cia wi zade ekanaliza promienia soczewkipr bki oczu wielastyczno ludzkiej soczewkibadania nad presbiopiwgl d biomechaniczny

Powiązane artykuły