Summary
Wir stellen eine automatisierte Methode zur Charakterisierung des effektiven Elastizitätsmoduls einer Okularlinse mit Hilfe eines Kompressionstests vor.
Abstract
Die biomechanischen Eigenschaften der Okularlinse sind essentiell für ihre Funktion als optisches Element mit variabler Leistung. Diese Eigenschaften ändern sich bei der menschlichen Linse mit zunehmendem Alter dramatisch, was zu einem Verlust des Sehvermögens in der Nähe führt, der als Presbyopie bezeichnet wird. Die Mechanismen dieser Veränderungen sind jedoch noch unbekannt. Die Linsenkompression bietet eine relativ einfache Methode zur Beurteilung der biomechanischen Steifigkeit der Linse im qualitativen Sinne und kann in Verbindung mit geeigneten Analysetechniken zur Quantifizierung biomechanischer Eigenschaften beitragen. Bisher wurde eine Vielzahl von Linsenkompressionstests durchgeführt, darunter sowohl manuelle als auch automatisierte, aber diese Methoden wenden wichtige Aspekte biomechanischer Tests wie Vorkonditionierung, Belastungsraten und Zeit zwischen den Messungen inkonsistent an. In diesem Artikel wird ein vollautomatischer Linsenkompressionstest beschrieben, bei dem ein motorisierter Tisch mit einer Kamera synchronisiert wird, um die Kraft, die Verschiebung und die Form des Objektivs während eines vorprogrammierten Belastungsprotokolls zu erfassen. Aus diesen Daten kann dann ein charakteristischer Elastizitätsmodul berechnet werden. Während der Ansatz hier anhand von Schweinelinsen demonstriert wird, eignet er sich für die Kompression von Linsen jeder Spezies.
Introduction
Die Linse ist das transparente und flexible Organ des Auges, das es ihm ermöglicht, auf verschiedene Entfernungen zu fokussieren, indem es seine Brechkraft ändert. Diese Fähigkeit wird als Akkommodation bezeichnet. Die Brechkraft wird durch die Kontraktion und Entspannung des Ziliarmuskels verändert. Wenn sich der Ziliarmuskel zusammenzieht, verdickt sich die Linse und bewegt sich nach vorne, wodurch ihre Brechkraft erhöhtwird 1,2. Die Erhöhung der Brechkraft ermöglicht es dem Objektiv, Objekte in der Nähe zu fokussieren. Mit zunehmendem Alter wird die Linse steifer und diese Anpassungsfähigkeit geht allmählich verloren. Dieser Zustand wird als Presbyopie bezeichnet. Der Mechanismus der Versteifung ist nach wie vor unbekannt, was zumindest teilweise auf die Schwierigkeiten zurückzuführen ist, die mit der biomechanischen Charakterisierung der Linse verbunden sind.
Eine Vielzahl von Methoden wurde verwendet, um die Steifigkeit der Linsen und die biomechanischen Eigenschaften abzuschätzen. Dazu gehören das Drehen von Linsen 3,4,5, akustische Verfahren 6,7,8, optische Verfahren wie Brillouin-Mikroskopie9, Eindringung 10,11 und Kompression12,13. Die Kompression ist die am leichtesten zugängliche experimentelle Technik, da sie mit einfachen Instrumenten (z. B. Glasdeckgläser14,15) oder einer einzelnen motorisierten Stufe durchgeführt werden kann. Wir haben bereits gezeigt, wie die biomechanischen Eigenschaften der Linse durch einen Kompressionstest genau abgeschätzt werden können16. Dieser Prozess ist technisch anspruchsvoll und erfordert spezielle Software, die für Linsenforscher, die an Messungen der relativen Steifigkeit interessiert sind, nicht ohne weiteres zugänglich ist. Daher konzentrieren wir uns in der vorliegenden Studie auf zugängliche Methoden zur Schätzung des Elastizitätsmoduls der Linse unter Berücksichtigung der Linsengröße. Der Elastizitätsmodul ist eine intrinsische Materialeigenschaft, die mit seiner Verformbarkeit zusammenhängt: Ein hoher Elastizitätsmodul entspricht einem steiferen Material.
Die Prüfung selbst ist eine parallele Plattendruckprüfung und kann daher auf geeigneten handelsüblichen mechanischen Prüfsystemen durchgeführt werden. Hier wurde ein kundenspezifisches Instrument konstruiert, das aus einem Motor, einem Lineartisch, einer Bewegungssteuerung, einer Wägezelle und einem Verstärker besteht. Diese wurden mit einer eigens entwickelten Software gesteuert, die in regelmäßigen Abständen auch Zeit, Position und Last aufzeichnete. Pig-Linsen bieten keine Aufnahmemöglichkeiten, sind aber leicht zugänglich und kostengünstig17. Die folgende Methode wurde entwickelt, um die Augenlinse inkrementell zu komprimieren und ihren Elastizitätsmodul zu quantifizieren. Diese Methode kann leicht repliziert werden und wird bei der Untersuchung der Linsensteifigkeit nützlich sein.
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Protocol
Die Schweineaugen wurden von einem örtlichen Schlachthof bezogen. Es waren keine Genehmigungen des Ethikausschusses erforderlich.
1. Linsendissektion (Abbildung 1)
- Entfernen Sie das gesamte umliegende Gewebe von den Schweineaugen und überschüssiges Fleisch von der Sklera, bis nur noch der Sehnerv übrig bleibt. Verwende eine gebogene Pinzette und eine kleine Präparierschere, um diesen Vorgang abzuschließen. Verwenden Sie den Nerv als Anker, um das Auge während der Sektion zu halten.
- Machen Sie mit einem Skalpell einen kurzen Umfangsschnitt am Limbus, dann einen weiteren am Äquator.
HINWEIS: Dieser Schritt wird in dieser Reihenfolge ausgeführt, um eine Beschädigung der Linse und der Kapsel zu vermeiden. - Führen Sie eine Mikroschere in den Schnitt am Limbus ein und entfernen Sie die Hornhaut, indem Sie die Hornhaut mit einer feinen stumpfen Pinzette anheben, während Sie um den Umfang der Hornhaut herum schneiden.
- Entfernen Sie die Iris, indem Sie sie mit einer stumpfen Pinzette anheben und mit einer Mikroschere abschneiden.
- Führen Sie eine Präparierschere in den parallaktischen Schnitt ein und schneiden Sie dann in Umfangsrichtung um den gesamten Äquator, bis die Sklera halbiert ist.
- Sobald der Schnitt abgeschlossen ist, entfernen Sie den hinteren Teil der Sklera. Entfernen Sie den Glaskörper vorsichtig mit einer Pinzette und lassen Sie minimale Rückstände zurück, um eine Beschädigung der Linse zu vermeiden. Falls erforderlich, schneiden Sie den Glaskörper koronal, damit sich das Seitenzahn von der Linse und dem vorderen Augenabschnitt lösen kann.
- Machen Sie mit einer Mikroschere einen meridionalen Schnitt durch die Sklera von vorne nach hinten.
- Beginnen Sie mit dem neuen meridionalen Schnitt durch die Sklera und schneiden Sie mit einer Mikroschere die Zonulen von der Linse weg. Dehnen Sie die Zonulen vorsichtig mit dem Gewicht der Linse oder dem Rand der Sezierschale, wenn Sie die Linse und die Sklera leicht auseinanderziehen, so dass die Mikroschere zwischen Linse und Ziliarkörper, durch die Zonulen und um den Umfang der Linse herum schneiden kann. Dadurch wird die Linse isoliert, ohne die Linsenkapsel zu beschädigen, wenn es richtig gemacht wird.
- Falls gewünscht, entfernen Sie die Kapsel mit einer Pinzette, um die Kapsel an ihrem Äquator zu punktieren, und ziehen Sie die Kapsel dann mit zwei Pinzetten ab.
- Legen Sie die Linse in phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS). Prüfen Sie das Objektiv vor der mechanischen Prüfung visuell auf Beschädigungen.
2. Linsenkompression mit/ohne Linsenkapsel (Abbildung 2)
HINWEIS: Alle Schritte hier mit Ausnahme der Schritte 2.1 und 2.4 sind computergesteuert.
- Beschaffen oder konstruieren Sie eine Parallelplatten-Kompressionsvorrichtung mit einer Kraftkapazität von 50 Gramm, die in der Lage ist, die Verschiebung in der Größenordnung von 1 μm zu messen.
- Programmieren Sie den motorisierten Tisch und laden Sie die Zelle, um das unten beschriebene Ladeverfahren durchzuführen (z. B. Ergänzungsdatei 1).
- Füllen Sie eine quadratische Schachtel von 1 5/8 Zoll x 1 5/8 Zoll fast mit PBS und legen Sie sie auf die Kompressionsplattform.
- Senken Sie die obere Platte in Kontakt mit der unteren Platte, um die untere Bewegungsgrenze und die absolute Spalthöhe zu bestimmen.
- Heben Sie die obere Platte um ~15 mm an.
- Zentrieren Sie das Objektiv in der Box und achten Sie darauf, dass die Äquatorebene horizontal ist.
- Senken Sie die obere Platte in der Nähe der Oberseite der Linse ab, aber nicht in Kontakt mit ihr.
- Initiieren Sie eine Bewegung, um die obere Platte mit der Linse in Kontakt zu bringen, indem Sie eine Kraftrückmeldung mit einer Kontaktschwelle von 3 mN verwenden.
- Beginnen Sie mit der Datenaufzeichnung nach Bestimmung des Kontakts, der Aufzeichnungszeit, der Position der oberen Platte relativ zur unteren Platte und der Kraft bei 500 Hz.
- Wenden Sie eine Vorkonditionierungsbelastung an, bei der die Linse dreimal um 2,5 %, dann dreimal um 5 % und dann dreimal um 7,5 % mit einer Rate von 1 %/s komprimiert wird.
- Halten Sie die Position der oberen Platte nach der Vorkonditionierung 1 min lang konstant.
- Wenden Sie eine Kompression von 15 % mit einer Rate von 1 %/s an, gefolgt von einer Entladung mit der gleichen Geschwindigkeit.
- Setzen Sie die Entladebewegung fort, bis sich die obere Platte um weitere 2 % der unbelasteten Linsendicke von der unteren Platte entfernt hat, um sicherzustellen, dass die Linse von der oberen Platte entfernt ist.
3. Abschätzung des Linsenmoduls
- Schätzen Sie die Dicke der Linse anhand des Spalts des Instruments an der Kontaktstelle. Alternativ können Sie die Bildanalyse verwenden, um die Dicke eines Fotos zu messen, das vor der Prüfung aufgenommen wurde.
- Berechnen Sie den Elastizitätsmodul E mit dem Hertz-Modell für die Kompression einer Kugel zwischen parallelen Platten (Gleichung [1]; Ergänzungsdatei 2).
(1)
Dabei ist R der Krümmungsradius am Kontaktpunkt (angenommen gleich der halben Linsendicke); F ist die von der Wägezelle gemeldete Druckkraft;
ist die Poissonzahl (angenommen gleich 0,5, was einem inkompressiblen Material entspricht); und u ist die Abwärtsannäherung der Oberstufe vom Berührungspunkt aus. Beachten Sie, dass der Elastizitätsmodul und die Poissonzahl Materialeigenschaften sind, die die intrinsische Steifigkeit der Linse bzw. die relative Kompressibilität der Linse angeben.
HINWEIS: Diese Methode vernachlässigt jegliche Rolle der Linsenkapsel, berücksichtigt aber annähernd die Größe der Linse, was einen Vergleich zwischen den Arten ermöglicht.
(1)
ist die Poissonzahl (angenommen gleich 0,5, was einem inkompressiblen Material entspricht); und u ist die Abwärtsannäherung der Oberstufe vom Berührungspunkt aus. Beachten Sie, dass der Elastizitätsmodul und die Poissonzahl Materialeigenschaften sind, die die intrinsische Steifigkeit der Linse bzw. die relative Kompressibilität der Linse angeben.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sechs Schweinelinsen wurden komprimiert, zunächst mit intakter Kapsel, dann nach vorsichtiger Entfernung der Kapsel. Die Dickenwerte betrugen 7,65 ± 0,43 mm für verkapselte Linsen und 6,69 ± 0,29 mm für entkapselte Linsen (Mittelwert ± Standardabweichung). Ein typischer Ladeverlauf ist in Abbildung 3 dargestellt. Die resultierenden Kraft-Weg-Kurven wurden durch das Hertz-Modell gut angepasst (d. h. sie hatten eine Kraft, die proportional zur Verschiebung war, potenziert auf 1,5; Abbildung 4). Dies galt sowohl für die verkapselten als auch für die entkapselten Linsen.
Die Linsen wurden zunächst mit einer intakten Kapsel um 15 % ihrer unbelasteten Dicke komprimiert, dann nach dem Entfernen der Kapsel. Es wurde bereits gezeigt, dass eine axiale Kompression um 15 % der ursprünglichen Dicke keine Schäden an den Linsennähten18 verursacht. Die Entkapselung führte zu einer signifikanten Abnahme des effektiven Elastizitätsmoduls (n = 6; p = 0,0138; Abbildung 5).
Abbildung 1: Dissektionstechnik. (A) Das extraokuläre Gewebe wird entfernt. (B) Am Limbus wird ein umlaufender Schnitt vorgenommen. (C) Am Äquator wird ein Umfangsschnitt vorgenommen. (D) Die Hornhaut wird entfernt. (E) Die Iris wird entfernt. (F) Das Auge wird am Äquator halbiert, dann wird (G) der Glaskörper entfernt, so dass (H) ein ringförmiger Ring übrig bleibt, der die Linse, den Ziliarkörper und die Zonula enthält, die noch an der Sklera befestigt sind. (I) Ein meridionaler Schnitt wird durch die Sklera gemacht, um (J) Zugang zu den Zonula zu erhalten, (K) die weggeschnitten werden, wobei (L) die eingekapselte Linse übrig bleibt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Druckprüfgerät. (A) Schematische Darstellung und (B) Foto der Kompressionsvorrichtung des Objektivs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Angewandte Belastungshistorie für eine verkapselte Schweinelinse. Oben: Verdrängungsgeschichte. Unten: Verlauf erzwingen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Typische Kraft-Weg-Daten mit dem Hertz-Modell. Links: Daten für eine verkapselte Schweinelinse. Rechts: Kompressionsdaten für das gleiche Objektiv nach der Entkapselung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Box- und Whisker-Plot der effektiven Elastizitätsmodule der eingekapselten und entkapselten Schweinelinse. Der effektive Modul der verkapselten Linsen war signifikant höher als der der entkapselten Linsen (p = 0,013), was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein der Kapsel die effektive Steifigkeit der Linse erheblich verändern kann. Die Daten beziehen sich auf sechs Objektive. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Datei 1: MATLAB-Anwendung zur Steuerung des Objektivkompressionsgeräts. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Datei 2: MATLAB-Funktion zur Schätzung des Elastizitätsmoduls aus Kraftkompressionsdaten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Die Linsenkompression ist eine vielseitige Methode zur Abschätzung der Linsensteifigkeit. Die oben beschriebenen Verfahren ermöglichen den Vergleich zwischen Linsen verschiedener Arten und unterschiedlicher Größen. Alle Verformungen werden gegen die Linsengröße normiert, und die Berechnung des Elastizitätsmoduls berücksichtigt näherungsweise die Linsengröße. Der effektive Modul ist erheblich höher als der Modul, der zuvor für die porcineLinse 4,7,11,19 berichtet wurde, was zumindest teilweise auf die Verwendung der Dicke und nicht auf den Krümmungsradius zurückzuführen ist: Die polaren Krümmungsradien der porcinen Linse sind deutlich größer als die Hälfte der Dicke20.
Die hier vorgestellte einfache Analyse (d.h. die Verwendung des Hertz-Modells) hat mehrere wichtige Einschränkungen. Erstens wird das Vorhandensein der Linsenkapsel nicht berücksichtigt. Es wurde gezeigt, dass das Vorhandensein der Kapsel die biomechanischen Eigenschaften der Linse16,21 signifikant verändern kann. Daher wird diese Methode am besten auf entkapselte Linsen angewendet. Dies ist besonders wichtig beim Vergleich von Spezies in Fällen, in denen die Kapsel deutlich unterschiedliche Dicken oder biomechanische Eigenschaften aufweisen kann. Auch bei dieser Methode wird davon ausgegangen, dass die Linse mechanisch homogen ist. Wir und andere haben bereits gezeigt, dass dies bei Schweine- oder Menschenlinsen im Allgemeinen nicht der Fall ist 4,5,6,10,11,22. Daher ist es am besten, den Elastizitätsmodulwert als effektiven Modul zu betrachten, der vermutlich mit dem volumetrischen Mittel des räumlich variierenden Moduls innerhalb der Linse zusammenhängt. Das Hertz-Modell geht davon aus, dass die Linse linear elastisch ist, während bekannt ist, dass sie viskoelastisch ist. Daher ist die hier vorgeschlagene einfache Analyse nicht in der Lage, Informationen über die Viskoelastizität der Linse zu liefern. Frühere Arbeiten haben auch gezeigt, dass die Methode und die Dauer der Linsenlagerung vor dem Test die Linseneigenschaften verändern können4; Alle porcinen Linsen wurden daher unmittelbar nach der Sektion bei der Ankunft im Labor getestet.
Der Unterschied bei den Kraft-Weg-Messungen ist auf das Rauschen des Wägezellenverstärkers zurückzuführen: Durch das Entfernen der Kapsel werden die Kraftmessungen erheblich geringer, und damit ist das Signal-Rausch-Verhältnis geringer. Zu den Annahmen, die bei der Herleitung des Hertz-Modells verwendet wurden, gehört, dass die Kugel ein homogenes Material ist; Daher mittelt der effektive Elastizitätsmodul in gewisser Weise die Verformbarkeit der Linse und ihrer Kapsel, wenn die Kapsel vorhanden ist. Dies macht Vergleiche zwischen Spezies und Alter besonders schwierig, da eine Schweinelinse eine ~60 μm dicke Kapsel hat, während eine Maus- oder menschliche Linse eine Kapsel im Bereich von 5-15 μm Dicke hat. Der Elastizitätsmodul der Kapsel kann auch je nach Art und Alter variieren, obwohl diese Abhängigkeiten unbekannt sind. Während es also möglich ist, eine weniger laute Passform mit der Kapsel zu erzielen, wird der Vergleich durch das Vorhandensein der Kapsel von Natur aus verfälscht - aus diesem Grund empfehlen wir, den Test ohne die Kapsel durchzuführen.
Schließlich wurde der effektive Modul unter der Annahme berechnet, dass der Krümmungsradius halb so dick ist wie die Linse. Dies gilt nur für eine sphärische Linse; Die Schweinelinse ist deutlich asphärisch, so dass die effektiven Modulwerte deutlich höher sind, als wenn stattdessen der Krümmungsradius verwendet würde. Diese letzte Annahme kann durch die Messung der Krümmungsradien überwunden werden, obwohl dies für die untere Oberfläche, die aufgrund des Kontakts mit der unteren Platte immer flach ist, kompliziert sein kann. Es ist auch weniger wichtig für sphärischere Linsen wie z.B. Mauslinsen. Noch besser ist die Verwendung der inversen Finite-Elemente-Analyse zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Linse16.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu deklarieren.
Acknowledgments
Gefördert durch das National Institutes of Health Grant R01 EY035278 (MR).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | stainless steel, 14cm |
References
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