Name: Zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 19 s
Description: Poznaj zautomatyzowaną metodę pomiaru sztywności soczewki gałki ocznej w badaniach biomechaniki oka. Technika ta umożliwia kontrolę szybkości obciążenia i zapewnia powtarzalne wyniki w analizie zmian związanych z wiekiem.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wspierane przez National Institutes of Health grant R01 EY035278 (MR).

Oczy świń pobrano z lokalnej rzeźni. Nie wymagano zgody komisji etycznej.
1. Disekcja soczewki (Rycina 1)
<ol>
	<li>Usuń wszystkie tkanki otaczające oczy świni oraz nadmiar ciała szklistego z twardówki, aż pozostanie tylko nerw wzrokowy. Do wykonania tego procesu użyj zakrzywionej pęsety i małych nożyczek do sekcji. Wykorzystaj nerw jako punkt mocowania do utrzymania oka podczas sekcji.</li>
	<li>Za pomocą skalpela wykonaj krótkie cięcie okrężne w obrębie limbusa, a następnie kolejne cięcie na równiku. 
	UWAGA: Krok ten jest wykonywany w tej kolejności, aby uniknąć uszkodzenia soczewki i torebki.</li>
	<li>Wprowadź mikronożyczki w miejsce cięcia w obrębie limbusa i usuń rogówkę, unosząc ją precyzyjną pęsetą z tępymi końcami, jednocześnie wycinając wzdłuż obwodu rogówki.</li>
	<li>Usuń tęczówkę, unosząc ją pęsetą z tępymi końcami i wycinając mikronożyczkami.</li>
	<li>Wprowadź nożyczki do sekcji w miejsce cięcia równikowego, a następnie wykonaj cięcie okrężne wzdłuż całego równika, aż twardówka zostanie przedzielona na pół.</li>
	<li>Po zakończeniu cięcia usuń tylną część twardówki. Ostrożnie usuń ciało szkliste za pomocą pęsety, pozostawiając minimalne resztki, aby uniknąć uszkodzenia soczewki. W razie potrzeby przetnij ciecz szklistą w płaszczyźnie czołowej, aby umożliwić oddzielenie części tylnej od soczewki i segmentu przedniego.</li>
	<li>Wykonaj cięcie południkowe przez twardówkę od przodu do tyłu za pomocą mikronożyczek.</li>
	<li>Zaczynając od nowego cięcia południkowego przez twardówkę, użyj mikronożyczek, aby odciąć więzadła od soczewki. Wykorzystując ciężar soczewki lub krawędź naczynia do sekcji, delikatnie naciągnij więzadła podczas lekkiego rozdzielania soczewki i twardówki, co umożliwi przecięcie mikronożyczkami obszaru między soczewką a ciałem rzęskowym, przez więzadła i wzdłuż obwodu soczewki. Prawidłowe wykonanie tej czynności pozwoli wyizolować soczewkę bez uszkodzenia jej torebki.</li>
	<li>Jeśli jest to wymagane, usuń torebkę, używając pęsety do przebicia torebki na równiku, a następnie zdejmij torebkę za pomocą dwóch pęset.</li>
	<li>Umieść soczewkę w soli fizjologicznej buforowanej fosforanowo (PBS). Przed testami mechanicznymi dokonaj wizualnej inspekcji soczewki pod kątem ewentualnych uszkodzeń.</li>
</ol>
2. Kompresja soczewki z/bez torebki soczewki (Rysunek 2)
UWAGA: Wszystkie poniższe kroki, z wyjątkiem kroków 2.1 i 2.4, są sterowane komputerowo.
<ol>
	<li>Należy pozyskać lub skonstruować aparat do kompresji między równoległymi płytami, wyposażony w ogniwo obciążnikowe o zakresie 50 gf i zdolnością do pomiaru przemieszczenia rzędu 1 µm.</li>
	<li>Należy zaprogramować zmotoryzowany stół i ogniwo tak, aby przeprowadzić schemat obciążania opisany poniżej (np. Supplemental File 1).</li>
	<li>Kwadratowe pudełko o wymiarach 1 5/8 cala x 1 5/8 cala należy niemal całkowicie wypełnić PBS i umieścić je na platformie kompresyjnej.</li>
	<li>Należy opuścić górną płytę do kontaktu z dolną płytą, aby wyznaczyć dolną granicę ruchu i bezwzględną wysokość szczeliny.</li>
	<li>Górną płytę należy podnieść o ~15 mm.</li>
	<li>Należy wyśrodkować soczewkę w pudełku, dbając o to, aby płaszczyzna równikowa była pozioma.</li>
	<li>Należy opuścić górną płytę blisko górnej powierzchni soczewki, ale bez kontaktu z nią.</li>
	<li>Należy zainicjować ruch górnej płyty do kontaktu z soczewką, stosując sprzężenie zwrotne siły z progiem kontaktu wynoszącym 3 mN.</li>
	<li>Po stwierdzeniu kontaktu należy rozpocząć rejestrację danych, zapisując czas, pozycję górnej płyty względem dolnej oraz siłę z częstotliwością 500 Hz.</li>
	<li>Należy zastosować obciążenie wstępne, w którym soczewka jest kompresowana o 2,5% jej początkowej wysokości trzy razy, następnie o 5% trzy razy, a potem o 7,5% trzy razy, przy prędkości 1%/s.</li>
	<li>Po kondycjonowaniu wstępnym należy utrzymać stałą pozycję górnej płyty przez 1 min.</li>
	<li>Należy zastosować kompresję 15% przy prędkości 1%/s, a następnie odciążenie z tą samą prędkością.</li>
	<li>Ruch odciążający należy kontynuować do momentu, aż górna płyta oddali się od dolnej płyty o dodatkowe 2% grubości nieobciążonej soczewki, aby zapewnić oddzielenie soczewki od górnej płyty.</li>
</ol>
3. Wyznaczenie modułu sprężystości soczewki
<ol>
	<li>Oszacuj grubość soczewki na podstawie przerwy w urządzeniu w punkcie styku. Alternatywnie zastosuj analizę obrazu, aby zmierzyć grubość na podstawie fotografii wykonanej przed badaniem.</li>
	<li>Oblicz moduł sprężystości E wykorzystując model Hertza dla ściskania sfery między równoległymi płytami (równanie [1]; Plik uzupełniający 2). 
	<img alt="Równanie siły tarcia, tribologia; F=√(2R)/3 · E/(1-ν²) · u¹⁵; wzór matematyczny." src="/files/ftp_upload/66040/66040eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 1">     (1) 
	Gdzie R promień krzywizny w punkcie styku (przyjęty jako połowa grubości soczewki); F siła kompresji raportowana przez ogniwo odciążnikowe; <img alt="Prawo Kirchhoffa dla napięć, ΣV=0, schemat obwodu, edukacyjny, analiza pętli napięcia." src="/files/ftp_upload/66040/66040eq02.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 2"> współczynnik Poissona (przyjęty jako 0,5, co odpowiada materiałowi nieściskanialnemu); oraz u jest to ruch w dół górnego stopnia od punktu kontaktu. Należy zauważyć, że moduł sprężystości i współczynnik Poissona są właściwościami materiałowymi wskazującymi odpowiednio na sztywność wewnętrzną soczewki oraz jej względną ściśliwość. 
	UWAGA: Metoda ta pomija jakąkolwiek rolę torebki soczewki, ale uwzględnia w przybliżeniu rozmiar soczewki, co umożliwia porównanie między gatunkami.</li>
</ol>

Biomechanical Characterization of Porcine Ocular Lens with Automated Compression

<ol><li>Gullstrand, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Helmholtz%27s+treatise+on+physiological+optics.+translated+edn%5BTitle%5D)+AND+%22The+Optical+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Helmholtz's treatise on physiological optics. translated edn.</a> The Optical Society of America. , Rochester, N.Y. (1924).</li>
<li>Helmholtz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Uber+die+akkommodation+des+auges%5BTitle%5D)+AND+%22Arch+Ophthalmol%22%5BJournal%5D)">Uber die akkommodation des auges.</a> Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).</li>
<li>Burd, H. J., Wilde, G. S., Judge, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+improved+spinning+lens+test+to+determine+the+stiffness+of+the+human+lens%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Eye+Res%22%5BJournal%5D)">An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens.</a> Exp Eye Res. 92 (1), 28-39 (2011).</li>
<li>Reilly, M. A., Martius, P., Kumar, S., Burd, H. J., Stachs, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanical+response+of+the+porcine+lens+to+a+spinning+test%5BTitle%5D)+AND+%22Z+Med+Phys%22%5BJournal%5D)">The mechanical response of the porcine lens to a spinning test.</a> Z Med Phys. 26 (2), 127-135 (2016).</li>
<li>Fisher, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+elastic+constants+of+the+human+lens%5BTitle%5D)+AND+%22J+Physiol%22%5BJournal%5D)">The elastic constants of the human lens.</a> J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).</li>
<li>Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatially+mapping+the+elastic+properties+of+the+lens+using+bubble-based+acoustic+radiation+force%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Ultrasonics+Symp%22%5BJournal%5D)">Spatially mapping the elastic properties of the lens using bubble-based acoustic radiation force.</a> IEEE Ultrasonics Symp. 1, 613-616 (2005).</li>
<li>Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+age-related+elasticity+changes+in+porcine+lenses+using+bubble-based+acoustic+radiation+force%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Eye+Res%22%5BJournal%5D)">Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubble-based acoustic radiation force.</a> Exp Eye Res. 84 (2), 332-341 (2007).</li>
<li>Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">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.</a> Phys Med Biol. 57 (15), 4871-4884 (2012).</li>
<li>Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+measurement+of+age-related+stiffening+in+the+crystalline+lens+by+Brillouin+optical+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy.</a> Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).</li>
<li>Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stiffness+gradient+in+the+crystalline+lens%5BTitle%5D)+AND+%22Graefes+Arch+Clin+Exp+Ophthalmol%22%5BJournal%5D)">Stiffness gradient in the crystalline lens.</a> Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245 (9), 1357-1366 (2007).</li>
<li>Reilly, M. A., Ravi, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microindentation+of+the+young+porcine+ocular+lens%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech+Eng%22%5BJournal%5D)">Microindentation of the young porcine ocular lens.</a> J Biomech Eng. 131 (4), 044502(2009).</li>
<li>Gu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Connexin+50+and+AQP0+are+essential+in+maintaining+organization+and+integrity+of+lens+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Invest+Ophthalmol+Vis+Sci%22%5BJournal%5D)">Connexin 50 and AQP0 are essential in maintaining organization and integrity of lens fibers.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (12), 4021-4032 (2019).</li>
<li>Sharma, P. K., Busscher, H. J., Terwee, T., Koopmans, S. A., van Kooten, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparative+study+on+the+viscoelastic+properties+of+human+and+animal+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Eye+Res%22%5BJournal%5D)">A comparative study on the viscoelastic properties of human and animal lenses.</a> Exp Eye Res. 93 (5), 681-688 (2011).</li>
<li>Cheng, C., Gokhin, D. S., Nowak, R. B., Fowler, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sequential+application+of+glass+coverslips+to+assess+the+compressive+stiffness+of+the+mouse+lens%3A+strain+and+morphometric+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Sequential application of glass coverslips to assess the compressive stiffness of the mouse lens: strain and morphometric analyses.</a> J Vis Exp. (111), e53986(2016).</li>
<li>Baradia, H., Negin, N., Adrian, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mouse+lens+stiffness+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Eye+Res%22%5BJournal%5D)">Mouse lens stiffness measurements.</a> Exp Eye Res. 91 (2), 300-307 (2010).</li>
<li>Reilly, M. A., Cleaver, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inverse+elastographic+method+for+analyzing+the+ocular+lens+compression+test%5BTitle%5D)+AND+%22J+Innov+Opt+Health+Sci%22%5BJournal%5D)">Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test.</a> J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009(2017).</li>
<li>Hahn, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+ex+vivo+porcine+lens+shape+during+simulated+accommodation%2C+before+and+after+fs-laser+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Invest+Ophthalmol+Vis+Sci%22%5BJournal%5D)">Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation, before and after fs-laser treatment.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).</li>
<li>Parreno, J., Cheng, C., Nowak, R. B., Fowler, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effects+of+mechanical+strain+on+mouse+eye+lens+capsule+and+cellular+microstructure%5BTitle%5D)+AND+%22Mol+Biol+Cell%22%5BJournal%5D)">The effects of mechanical strain on mouse eye lens capsule and cellular microstructure.</a> Mol Biol Cell. 29 (16), 1963-1974 (2018).</li>
<li>Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanical+properties+of+ex+vivo+bovine+and+porcine+crystalline+lenses%3A+age-related+changes+and+location-dependent+variations%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">The mechanical properties of ex vivo bovine and porcine crystalline lenses: age-related changes and location-dependent variations.</a> Ultrasound Med Biol. 39 (6), 1120-1127 (2013).</li>
<li>Reilly, M. A., Hamilton, P., Gavin, P., Nathan, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+behavior+of+natural+and+refilled+porcine+lenses+in+a+robotic+lens+stretcher%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Eye+Res%22%5BJournal%5D)">Comparison of the behavior of natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher.</a> Exp Eye Res. 88 (3), 483-494 (2009).</li>
<li>Mekonnen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+lens+capsule+significantly+affects+the+viscoelastic+properties+of+the+lens+as+quantified+by+optical+coherence+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Bioeng+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">The lens capsule significantly affects the viscoelastic properties of the lens as quantified by optical coherence elastography.</a> Front Bioeng Biotechnol. 11, 1134086(2023).</li>
<li>Wilde, G. S., Burd, H. J., Judge, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shear+modulus+data+for+the+human+lens+determined+from+a+spinning+lens+test%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Eye+Res%22%5BJournal%5D)">Shear modulus data for the human lens determined from a spinning lens test.</a> Exp Eye Res. 97 (1), 36-48 (2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

Kompresja soczewki to wszechstronna metoda szacowania sztywności soczewki. Opisane powyżej procedury pozwalają na porównanie soczewek różnych gatunków i różnych rozmiarów. Wszystkie odkształcenia są normalizowane w zależności od rozmiaru soczewki, a obliczenie modułu sprężystości w przybliżeniu uwzględnia rozmiar soczewki. Moduł efektywny jest znacznie wyższy niż moduł zgłoszony wcześniej dla soczewkiświni 4,7,11,19, przynajmniej częściowo ze względu na zastosowanie grubości, a nie promienia krzywizny: promienie biegunowe soczewki świni są znacznie większe niż połowa grubości 20.
Przedstawiona tu prosta analiza (tj. wykorzystanie modelu Hertza) ma kilka kluczowych ograniczeń. Po pierwsze, nie uwzględnia obecności kapsułki obiektywu. Wykazano, że obecność kapsułki może znacząco zmienić właściwości biomechaniczne soczewki16,21. Dlatego tę metodę najlepiej stosować do soczewek pozbawionych kapsułki. Jest to szczególnie ważne przy porównywaniu gatunków w przypadkach, gdy kapsułka może znacząco różnić się grubością lub właściwościami biomechanicznymi. Metoda ta zakłada również, że soczewka jest jednorodna mechanicznie; My i inni wykazaliśmy wcześniej, że na ogół nie dotyczy to soczewekświńskich lub ludzkich 4,5,6,10,11,22. Dlatego najlepiej jest rozważyć wartość modułu sprężystości obliczoną jako moduł efektywny, który jest przypuszczalnie związany ze średnią objętościową modułu zmieniającego się przestrzennie w soczewce. Model Hertza zakłada, że soczewka jest liniowo elastyczna, podczas gdy wiadomo, że jest lepkosprężysta; W związku z tym proponowana tutaj prosta analiza nie jest w stanie dostarczyć informacji na temat lepkosprężystości soczewek. Wcześniejsze prace wykazały również, że metoda i czas przechowywania soczewek przed testowaniem mogą zmieniać właściwości soczewek4; W związku z tym wszystkie soczewki świń zostały przetestowane natychmiast po sekcji po przybyciu do laboratorium.
Różnica w pomiarach siły i przemieszczenia wynika z szumów ze wzmacniacza ogniwa obciążnikowego: usunięcie kapsuły sprawia, że pomiary siły są znacznie niższe, a zatem stosunek sygnału do szumu jest niższy. Do założeń przyjętych przy wyprowadzaniu modelu Hertza należy przede wszystkim to, że kula jest materiałem jednorodnym; W związku z tym efektywny moduł sprężystości w jakiś sposób uśrednia odkształcalność soczewki i jej torebki, gdy kapsułka jest obecna. To sprawia, że porównania międzygatunkowe i międzywiekowe są szczególnie trudne, ponieważ soczewka świni ma kapsułkę o grubości ~60 μm, podczas gdy soczewka myszy lub człowieka ma kapsułkę o grubości 5-15 μm. Moduł sprężystości kapsułki może się również różnić w zależności od gatunku i wieku, choć zależności te nie są znane. Tak więc, chociaż możliwe jest uzyskanie mniej głośnego dopasowania do kapsułki, porównanie jest z natury zagmatwane przez obecność kapsułki - to jest powód, dla którego zalecamy wykonanie testu bez kapsułki.
Ostatecznie obliczono efektywny moduł przy założeniu, że promień krzywizny był równy połowie grubości soczewki. Dotyczy to tylko soczewek sferycznych; Soczewka świni jest znacznie asferyczna, a więc wartości modułu efektywnego są znacznie wyższe niż w przypadku zastosowania promienia krzywizny. To ostatnie założenie można obalić, mierząc promienie krzywizny, choć może to być skomplikowane w przypadku dolnej powierzchni, która jest zawsze płaska z powodu kontaktu z dolną płytą. Jest to również mniej ważne w przypadku soczewek bardziej sferycznych, takich jak soczewki mysie. Jeszcze lepsze jest zastosowanie odwrotnej analizy elementów skończonych w celu ustalenia właściwości mechanicznych soczewki16.

Soczewka jest przezroczystym i elastycznym organem znajdującym się w oku, który pozwala mu skupiać się na różnych odległościach poprzez zmianę jego mocy refrakcyjnej. Ta zdolność jest znana jako akomodacja. Moc refrakcyjna ulega zmianie w wyniku skurczu i rozluźnienia mięśnia rzęskowego. Kiedy mięsień rzęskowy kurczy się, soczewka pogrubia się i przesuwa do przodu, zwiększając swoją moc refrakcyjną1,2. Wzrost mocy refrakcyjnej pozwala obiektywowi skupić się na pobliskich obiektach. Wraz z wiekiem soczewka staje się sztywniejsza i ta zdolność do adaptacji jest stopniowo tracona; Ten stan jest znany jako starczowzroczność. Mechanizm usztywnienia pozostaje nieznany, przynajmniej częściowo ze względu na trudności związane z biomechaniczną charakterystyką soczewki.
Zastosowano różne metody do oszacowania sztywności soczewek i właściwości biomechanicznych. Należą do nich obracanie obiektywów3,4,5, metody akustyczne6,7,8, metody optyczne, takie jak mikroskopia Brillouin9, indentation10,11 i kompresja12,13. Kompresja jest najbardziej dostępną techniką eksperymentalną, ponieważ można ją wykonać za pomocą prostego oprzyrządowania (np. szklane szkiełka nakrywkowe14,15) lub pojedynczego zmotoryzowanego etapu. Wcześniej pokazaliśmy, w jaki sposób właściwości biomechaniczne soczewki mogą być rygorystycznie oszacowane na podstawie testu kompresji16. Proces ten jest technicznie trudny i wymaga specjalistycznego oprogramowania, które nie jest łatwo dostępne dla badaczy obiektywów zainteresowanych pomiarami sztywności względnej. Dlatego w niniejszym badaniu skupiamy się na dostępnych metodach szacowania modułu sprężystości soczewki z uwzględnieniem rozmiaru soczewki. Moduł sprężystości jest nieodłączną właściwością materiału związaną z jego odkształcalnością: wysoki moduł sprężystości odpowiada sztywniejszemu materiałowi.
Test sam w sobie jest równoległym testem ściskania płyty i dlatego może być przeprowadzony na odpowiednich komercyjnych systemach testowania mechanicznego. W tym przypadku skonstruowano niestandardowy instrument składający się z silnika, stolika liniowego, kontrolera ruchu, ogniwa obciążnikowego i wzmacniacza. Były one kontrolowane za pomocą specjalnego oprogramowania, które rejestrowało również czas, pozycję i obciążenie w regularnych odstępach czasu. Soczewki dla świń nie mieszczą się, ale są łatwo dostępne i niedrogie17. Poniższa metoda została opracowana w celu stopniowego ściskania soczewki oka i ilościowego określania jej modułu sprężystości. Metoda ta może być łatwo powtórzona i będzie przydatna w badaniu sztywności soczewek.

<table><tbody><tr><td>Zakrzywione kleszcze ogólnego przeznaczenia ze średnim punktem</td><td>Fisherbrand</td><td>16-100-110</td><td></td></tr><tr><td>Galil Biblioteki COM</td><td>Galil Motion Control</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Precyzyjny uchwyt skalpela&nbsp;</td><td>Fisherbrand</td><td>12-000-164</td><td></td></tr><tr><td>Stolik liniowy</td><td>McMaster-Carr</td><td>6734K4 0,125-calowy</td><td></td></tr> <tr><td>czujnik wagowy</td><td>FUTEK</td><td>LSB200-FSH03869</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz ogniw obciążnikowych</td><td>FUTEK</td><td>IAA300-FSH03931</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>The Mathworks, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr>Konstrukcja chirurgiczna <td>mikrosondy</td><td>&nbsp;</td><td>22-079-740</td><td></td></tr><tr><td>Miniaturowe precyzyjne nożyczki samootwierające&nbsp;</td><td>Excelta&nbsp;</td><td>63042-004</td><td></td></tr><tr><td>Kontroler ruchu</td><td>Galil Motion Control</td><td>DMC-31012</td><td></td></tr><tr><td>Motor</td><td>Galil Motion Control</td><td>BLM-N23-50-1000-B</td><td></td></tr><tr><td>Hemastaty proste&nbsp;</td><td>Nauka piękna&nbsp;</td><td>NC9247203</td><td>ze stali nierdzewnej, 14cm&nbsp;</td></tr></tbody></table>

zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej

Automated Compression Testing of the Ocular Lens

Biomechaniczne właściwości soczewki ocznej są niezbędne do jej funkcjonowania jako elementu optycznego o zmiennej mocy. Właściwości te zmieniają się dramatycznie wraz z wiekiem ludzkiej soczewki, powodując utratę widzenia z bliska zwaną starczowzrocznością. Mechanizmy tych zmian pozostają jednak nieznane. Kompresja soczewki oferuje stosunkowo prostą metodę oceny sztywności biomechanicznej soczewki w sensie jakościowym, a w połączeniu z odpowiednimi technikami analitycznymi może pomóc w ilościowym określeniu właściwości biomechanicznych. Do tej pory przeprowadzono różne testy kompresji soczewek, w tym zarówno ręczne, jak i automatyczne, ale metody te niekonsekwentnie stosują kluczowe aspekty testów biomechanicznych, takie jak kondycjonowanie wstępne, szybkość obciążenia i czas między pomiarami. W tym artykule opisano w pełni zautomatyzowany test kompresji obiektywu, w którym zmotoryzowany stolik jest synchronizowany z kamerą w celu uchwycenia siły, przemieszczenia i kształtu soczewki w zaprogramowanym protokole ładowania. Na podstawie tych danych można następnie obliczyć charakterystyczny moduł sprężystości. Chociaż zademonstrowano to tutaj przy użyciu soczewek wieprzowych, podejście to jest odpowiednie dla kompresji soczewek dowolnego gatunku.

Sześć soczewek świńskich poddano kompresji, najpierw z nienaruszoną torebką, a następnie po ostrożnym usunięciu torebki. Wartości grubości wynosiły 7,65 ± 0,43 mm dla soczewek z torebką oraz 6,69 ± 0,29 mm dla soczewek bez torebki (średnia ± odchylenie standardowe). Typowy przebieg obciążenia przedstawiono na Rysunku 3. Otrzymane krzywe siła-przemieszczenie dobrze pasowały do modelu Hertza (tzn. siła była proporcjonalna do przemieszczenia podniesionego do potęgi 1,5; Rysunek 4). Obowiązywało to zarówno w przypadku soczewek z torebką, jak i bez niej.
Soczewki były najpierw ściskane o 15% ich grubości w stanie nieobciążonym z nienaruszoną torebką, a następnie po usunięciu torebki. Wcześniej wykazano, że ściskanie osiowe o 15% grubości początkowej nie powoduje uszkodzeń szwów soczewki18. Dekapsulacja doprowadziła do znaczącego spadku efektywnego modułu sprężystości (n = 6; p = 0,0138; Rysunek 5).
<img alt="Proces sekcji oka; metoda krok po kroku z użyciem pincet w laboratoryjnym układzie eksperymentalnym." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66040/66040fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Technika sekcji. (A) Usunięcie tkanek okołogałkowych. (B) Wykonanie cięcia okrężnego na poziomie limbusa. (C) Wykonanie cięcia okrężnego na poziomie równika. (D) Usunięcie rogówki. (E) Usunięcie tęczówki. (F) Przecięcie oka na pół na poziomie równika, następnie (G) usunięcie ciała szklistego, co pozostawia (H) pierścień obrączkowy zawierający soczewkę, ciało rzęsiste i więzadła wciąż przytwierdzone do twardówki. (I) Wykonanie cięcia południkowego przez twardówkę, aby (J) uzyskać dostęp do więzadeł, (K) które zostają przecięte, pozostawiając (L) otoczoną torebką soczewkę. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/66040fig01large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat maszyny do badań rozciągania i ustawienie do analizy naprężeń materiałowych w laboratorium inżynieryjnym." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66040/66040fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Aparatura do badań ściskania. (A) Schemat i (B) zdjęcie aparatury do ściskania soczewek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/66040fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykresy przemieszczenia i obciążenia w funkcji czasu w analizie badań mechanicznych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66040/66040fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Historia przyłożonego obciążenia dla enkapsulowanej soczewki świni. Góra: Historia przemieszczenia. Dół: Historia siły. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/66040fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres porównujący dane eksperymentalne z modelem Hertza; ściskanie względem obciążenia, analiza sprężystości." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66040/66040fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Typowe dane siły i przemieszczenia dopasowane do modelu Hertza. Po lewej: dane dla enkapsulowanej soczewki świni. Po prawej: dane dotyczące ściskania tej samej soczewki po dekapsulacji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/66040fig04large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Wykres pudełkowy porównujący efektywny moduł sprężystości w próbkach z torebką i bez torebki." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66040/66040fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Wykres pudełkowy z wąsami przedstawiający efektywne moduły sprężystości soczewek świńskich z torebką i bez torebki. Efektywny moduł sprężystości soczewek z torebką był znacząco wyższy niż w przypadku soczewek bez torebki (p = 0,013), co wskazuje, że obecność torebki może w istotny sposób zmienić efektywną sztywność soczewki. Dane dotyczą sześciu soczewek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/66040fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Plik uzupełniający 1: Aplikacja MATLAB do sterowania aparaturą do kompresji soczewek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/Supplemental%20Coding%20Files%201.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 2: Funkcja MATLAB do szacowania modułu sprężystości na podstawie danych z pomiarów siły kompresji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66040/HertzModulus.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

Prezentujemy zautomatyzowaną metodę charakteryzowania efektywnego modułu sprężystości soczewki okularowej za pomocą testu kompresji.

Zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically ...

Próbujemy zrozumieć, w jaki sposób ludzie tracą widzenie z bliska wraz z wiekiem. Wiemy, że nie jest to częściowo spowodowane zmianą sztywności soczewek, ale nadal nie wiemy, dlaczego soczewki sztywnieją wraz z wiekiem. Obecne metody eksperymentalne opierają się na prymitywnych metodach ładowania soczewki, takich jak umieszczanie szkiełek nakrywkowych mikroskopu na soczewce.Metody te są żmudne i brakuje im odpowiedniej kontroli szybkości ładowania. Ustaliliśmy, że kształt soczewki jest głównym czynnikiem powodującym starczowzroczność i wiemy, że kształt jest przede wszystkim napędzany przez parametry biomechaniczne. Protokół ten oferuje całkowicie obiektywną, powtarzalną metodę pomiaru sztywności soczewki.Automatyzacja pozwala nam kontrolować szybkość obciążenia, co jest kluczowym parametrem przy charakteryzowaniu materiału lepkosprężystego, takiego jak soczewka. Mamy teraz obiektywny, powtarzalny protokół pomiaru właściwości biomechanicznych soczewek. Pozwoli nam to na rygorystyczne scharakteryzowanie, w jaki sposób soczewka sztywnieje z wiekiem, a także jak określone białka modyfikują właściwości biomechaniczne soczewki.Na początek umieść lokalne oko świni na szalce Petriego. Usuń tkankę obwodową z oczu świni. Następnie użyj zakrzywionych kleszczy i małych nożyczek preparacyjnych, aby usunąć nadmiar mięsa z twardówki, aż nerw wzrokowy będzie widoczny.Następnie za pomocą skalpela wykonaj skrót na rąbku. Wykonaj kolejne cięcie na równiku. Teraz włóż parę mikronożyczek do nacięcia na rąbku i użyj pary cienkich kleszczyków z końcówką, aby podnieść rogówkę.Przeciąć na obwodzie rogówki, aby ją usunąć. Za pomocą kleszczyków z końcówką podnieś tęczówkę i przytnij ją mikronożyczkami, aby ją wyciąć. Teraz włóż nożyczki do preparowania w nacięcie na równiku i przetnij na obwodzie, aby przeciąć twardówkę na pół.Usuń tylną część twardówki. Następnie delikatnie usuń ciało szkliste za pomocą kleszczy. W razie potrzeby przeciąć ciało szkliste koronalnie, aby umożliwić odsunięcie się od soczewki tylnej.Użyj mikronożyczek, aby wykonać Meridiano przecięcie twardówki od przedniego końca do tylnego końca. Zaczynając od nacięcia, delikatnie rozciągnij zonule, jednocześnie rozsuwając soczewkę i twardówkę, a następnie przetnij między soczewką a ciałem rzęskowym przez zonule i wokół obwodu soczewki, aby odizolować soczewkę. W razie potrzeby należy użyć kleszczyków, aby przebić kapsułkę na równiku i oderwać ją, aby usunąć kapsułkę.Umieść soczewkę w roztworze PBS i sprawdź wzrokowo soczewkę pod kątem uszkodzeń przed dalszymi testami. Na początek skonstruuj równoległy aparat do ściskania płytek z komórką ładującą o nośności 50 gramów, wystarczającą do zmierzenia przemieszczenia jednego rzędu mikrometrów. Po zaprogramowaniu zmotoryzowanego etapu załaduj ogniwo, aby wykonać schemat ładowania.Teraz napełnij kwadratowe pudełko roztworem PBS i umieść je na platformie kompresyjnej. Aby określić dolną granicę ruchu i bezwzględną wysokość szczeliny, opuść górną blachę, aż zetknie się z dolną płytą. Następnie podnieś górną płytę o około 15 milimetrów.Teraz umieść izolowaną soczewkę okularową dla ubogich znaków centralnie w pudełku. Opuść górną płytę, aż znajdzie się blisko górnej powierzchni obiektywu. Zainicjuj ruch, aby przesunąć górną płytkę w kontakt z soczewką.Rozpocznij rejestrację danych po określeniu kontaktu, czasu zapisu, położenia górnej płyty względem dolnej płyty i siły na poziomie 500 herców. Następnie zastosuj obciążenie kondycjonujące wstępnie, w którym soczewka jest stopniowo ściskana o 2,5%, a następnie o 5% i 7,5% jej początkowej wysokości, przy czym każde z nich następuje trzykrotnie z szybkością 1% na sekundę. Utrzymuj stałą pozycję górnej płyty przez minutę po kondycjonowaniu wstępnym.Następnie zastosuj 15% kompresję z szybkością 1% na sekundę przed rozładowaniem z tą samą szybkością. Kontynuuj rozładowywanie, aż górna płyta przesunie się o dodatkowe 2% grubości nieobciążonej soczewki od dolnej płyty. Aby oszacować moduł soczewki, oszacuj grubość soczewki na podstawie szczeliny instrumentu w punkcie kontaktu.Alternatywnie zmierz grubość na podstawie zdjęcia wykonanego przed badaniem. Oblicz moduł sprężystości przy użyciu modelu Hertza do ściskania kuli między równoległymi płytami. Krzywe wymuszonego przemieszczenia zarówno soczewek w obudowie, jak i bez kapsułki były dobrze dopasowane przez model Hertz.Dekapsulacja spowodowała znaczne zmniejszenie efektywnego modułu sprężystości.

automated-compression-testing-of-the-ocular-lens

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Protokół Object From Motion (OFM) i Time-Limited stereo są czułymi narzędziami do identyfikacji deficytów dynamicznych funkcji wzrokowych jednoocznych i obuocznych, które są wyjątkowo dotknięte u pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego. Ponadto testy te mogą być wykorzystywane jako ilościowe nieinwazyjne narzędzia do oceny stopnia mielinizacji wzdłuż szlaków wzrokowych.

Dynamiczne testy wzrokowe w celu identyfikacji i ilościowego określenia uszkodzeń wzrokowych i naprawy po demielinizacji u pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego

Obecne modele in vitro do oceny soczewek kontaktowych (CL) i innych zastosowań związanych z oczami są poważnie ograniczone. Prezentowana platforma okularowa symuluje fizjologiczny przepływ łez, objętość łez, ekspozycję na powietrze oraz zużycie mechaniczne. System ten jest bardzo wszechstronny i może być stosowany do różnych analiz in vitro z CL.

Opracowanie platformy ocznej in vitro do badania soczewek kontaktowych

Związany z wiekiem wzrost sztywności soczewek oka jest związany ze starczowzrocznością. Protokół ten opisuje prostą i ekonomiczną metodę pomiaru sztywności soczewek myszy. Soczewki myszy, podobnie jak soczewki ludzkie, z wiekiem stają się sztywniejsze. Ta metoda jest precyzyjna i może być dostosowana do soczewek większych zwierząt.

Sekwencyjne zastosowanie szkiełek nakrywkowych do oceny sztywności na ściskanie soczewki myszy: odkształcenia i analizy morfometryczne

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.

Symulacja mechaniki akomodacji soczewek za pomocą ręcznego napinacza obiektywu

Przedstawiamy protokół korzystania z aplikacji na smartfony do wykonywania testu Hirschberga do pomiaru jawnej i przerywanej niewspółosiowości oka (zeza) w warunkach krótko- i dalekiej fiksacji.

Korzystanie ze zautomatyzowanej aplikacji testowej Hirschberga do oceny wyrównania oka

Tutaj opisujemy użycie optycznej koherentnej tomografii spektralnej (SD-OCT) do wizualizacji struktur siatkówki i oka in vivo w modelach zwyrodnienia siatkówki, jaskry, retinopatii cukrzycowej i krótkowzroczności.

Strukturalne oceny in vivo chorób oczu w modelach gryzoni przy użyciu optycznej koherentnej tomografii

Urazy oczu na otwartej kuli mogą pozostać nieleczone przez wiele dni w scenariuszach związanych z obszarami wiejskimi lub wojskowymi, powodując ślepotę. Potrzebne są środki terapeutyczne, aby zminimalizować utratę wzroku. W tym miejscu szczegółowo opisujemy model uszkodzenia w kształcie otwartej kuli narządowej. Dzięki temu modelowi można właściwie ocenić potencjalne terapie stabilizujące te urazy.

Platforma hodowli narządów w przednim segmencie do śledzenia urazów na otwartej kuli i wyników terapeutycznych

Obecne badania demonstrują metodę dokładnego badania dynamicznej ostrości wzroku (DVA) u osób krótkowzrocznych z korekcją okularów. Dalsza analiza wykazała, że im bliżej stanu refrakcji do emmetropii, tym lepsza jest lornetka DVA z korekcją okularów zarówno przy 40, jak i 80 stopniach na sekundę.

Obuoczna dynamiczna ostrość wzroku u pacjentów z krótkowzrocznością skorygowaną okularami

Model podwójnej recyrkulacji ludzkiego łożyska ex vivo może być wykorzystany do zbadania transferu ksenobiotyków i nanocząsteczek przez ludzkie łożysko. W tym protokole wideo opisujemy sprzęt i techniki wymagane do pomyślnego przeprowadzenia perfuzji łożyska.

Oznaczanie szybkości transportu ksenobiotyków i nanomateriałów przez łożysko przy użyciu modelu perfuzji łożyska człowieka ex vivo

Celem tego protokołu jest stworzenie trójwymiarowego odpowiednika skóry o pełnej grubości, który przypomina naturalną skórę. Dzięki specjalnie skonstruowanemu zautomatyzowanemu urządzeniu do nawijania można generować precyzyjne i powtarzalne rany przy zachowaniu bezpłodności.

Generowanie trójwymiarowego ekwiwalentu skóry o pełnej grubości i automatycznego nawijania

Poznaj zautomatyzowaną metodę pomiaru sztywności soczewki gałki ocznej w badaniach biomechaniki oka. Technika ta umożliwia kontrolę szybkości obciążenia i zapewnia powtarzalne wyniki w analizie zmian związanych z wiekiem.

Zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej

Przeglądaj więcej filmów