Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Oküler lensin otomatik kompresyon testi

2.7K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/66040

⸱

5 Nisan 2024

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

Bu makalede

Özet

Bir kompresyon testi kullanarak bir oküler lensin etkili elastik modülünü karakterize etmek için otomatik bir yöntem sunuyoruz.

Özet

Oküler lensin biyomekanik özellikleri, değişken güçlü bir optik eleman olarak işlevi için gereklidir. Bu özellikler insan merceğinde yaşla birlikte önemli ölçüde değişir ve presbiyopi adı verilen yakın görme kaybına neden olur. Bununla birlikte, bu değişikliklerin mekanizmaları bilinmemektedir. Lens sıkıştırma, lensin biyomekanik sertliğini kalitatif anlamda değerlendirmek için nispeten basit bir yöntem sunar ve uygun analitik tekniklerle birleştirildiğinde biyomekanik özelliklerin ölçülmesine yardımcı olabilir. Bugüne kadar hem manuel hem de otomatik dahil olmak üzere çeşitli lens sıkıştırma testleri gerçekleştirilmiştir, ancak bu yöntemler ön koşullandırma, yükleme hızları ve ölçümler arasındaki süre gibi biyomekanik testlerin temel yönlerini tutarsız bir şekilde uygulamaktadır. Bu belgede, önceden programlanmış bir yükleme protokolü boyunca lensin kuvvetini, yer değiştirmesini ve şeklini yakalamak için motorlu bir tablanın bir kamera ile senkronize edildiği tam otomatik bir lens sıkıştırma testi açıklanmaktadır. Daha sonra bu verilerden karakteristik bir elastik modül hesaplanabilir. Burada domuz lensleri kullanılarak gösterilmiş olsa da, yaklaşım herhangi bir türün lenslerinin sıkıştırılması için uygundur.

Giriş

Lens, gözün içinde bulunan ve kırma gücünü değiştirerek farklı mesafelere odaklanmasını sağlayan saydam ve esnek bir organdır. Bu yetenek konaklama olarak bilinir. Siliyer kasın kasılıp gevşemesi nedeniyle kırma gücü değişir. Siliyer kas kasıldığında, lens kalınlaşır ve ileri doğru hareket ederek kırma gücünüarttırır 1,2. Kırılma gücündeki artış, lensin yakındaki nesnelere odaklanmasını sağlar. İnsanlar yaşlandıkça, lens sertleşir ve bu uyum yeteneği yavaş yavaş kaybolur; Bu durum presbiyopi olarak bilinir. Sertleşme mekanizması, en azından kısmen, lensin biyomekanik karakterizasyonu ile ilgili zorluklar nedeniyle bilinmemektedir.

Lens sertliğini ve biyomekanik özelliklerini tahmin etmek için çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Bunlar arasında lens eğirme 3,4,5, akustik yöntemler6,7,8, Brillouin mikroskobu9, girinti10,11 ve sıkıştırma12,13 gibi optik yöntemler bulunur. Sıkıştırma, basit enstrümantasyon (örneğin, cam lameller14,15) veya tek bir motorlu aşama ile gerçekleştirilebildiği için en erişilebilir deneysel tekniktir. Lensin biyomekanik özelliklerinin bir kompresyon testinden nasıl kesin olarak tahmin edilebileceğinidaha önce göstermiştik 16. Bu süreç teknik olarak zordur ve bağıl sertlik ölçümleriyle ilgilenen lens araştırmacılarının kolayca erişemeyeceği özel yazılımlar gerektirir. Bu nedenle, bu çalışmada, lens boyutunu hesaba katarken lensin elastik modülünü tahmin etmek için erişilebilir yöntemlere odaklanıyoruz. Elastik modül, deforme olabilirliği ile ilgili içsel bir malzeme özelliğidir: yüksek bir elastik modül, daha sert bir malzemeye karşılık gelir.

Testin kendisi bir paralel plaka sıkıştırma testidir ve bu nedenle uygun ticari mekanik test sistemlerinde gerçekleştirilebilir. Burada bir motor, doğrusal kademe, hareket kontrolörü, yük hücresi ve amplifikatörden oluşan özel bir enstrüman inşa edildi. Bunlar, düzenli aralıklarla zaman, konum ve yükü de kaydeden özel bir yazılım kullanılarak kontrol edildi. Pig lensler uyum sağlamaz, ancak kolay erişilebilir ve ucuzdur17. Aşağıdaki yöntem, göz merceğini artımlı olarak sıkıştırmak ve elastik modülünü ölçmek için geliştirilmiştir. Bu yöntem kolayca çoğaltılabilir ve lens sertliğinin incelenmesinde faydalı olacaktır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Domuz gözleri yerel bir mezbahadan elde edildi. Etik kurul onayı gerekmemiştir.

1. Lens diseksiyonu (Şekil 1)

  1. Çevredeki tüm dokuyu domuz gözlerinden ve fazla eti skleradan çıkarın, sadece optik sinir kalana kadar. Bu işlemi tamamlamak için kavisli forseps ve küçük diseksiyon makası kullanın. Diseksiyon sırasında gözü tutmak için siniri çapa olarak kullanın.
  2. Bir neşter kullanarak, limbusta kısa bir çevresel kesim yapın, ardından ekvatorda bir tane daha yapın.
    NOT: Bu adım, lense ve kapsüle zarar vermemek için bu sırayla gerçekleştirilir.
  3. Limbustaki kesiğe mikromakas sokun ve korneanın çevresini keserken korneayı ince künt uçlu forseps ile kaldırarak korneayı çıkarın.
  4. Künt uçlu forseps kullanarak kaldırarak irisi çıkarın ve mikro makasla kesin.
  5. Diseksiyon makasını ekvator kesimine sokun, ardından sklera ikiye bölünene kadar tüm ekvatorun etrafında çevresel olarak kesin.
  6. Kesim tamamlandıktan sonra, skleranın arka kısmını çıkarın. Lense zarar vermemek için vitreusu forseps ile nazikçe çıkarın ve minimum kalıntı bırakın. Gerekirse, posteriorun lensten ve ön segmentten uzaklaşmasına izin vermek için vitreus mizahını koronal olarak kesin.
  7. Mikromakas kullanarak sklerayı önden arkaya doğru meridyonel bir kesim yapın.
  8. Skleradan kesilen yeni meridyenden başlayarak, zonülleri lensten kesmek için mikro makas kullanın. Merceğin ağırlığını veya diseksiyon çanağının kenarını kullanarak, lensi ve sklerayı hafifçe ayırırken zonülleri hafifçe gerin, mikromakasın lens ile siliyer gövde arasında, zonüllerden ve lensin çevresini kesmesine izin verin. Bu, doğru yapılırsa lens kapsülüne zarar vermeden lensi izole edecektir.
  9. İstenirse, kapsülü ekvatorunda delmek için forseps kullanarak kapsülü çıkarın, ardından iki forseps kullanarak kapsülü soyun.
  10. Lensi fosfat tamponlu salin (PBS) içine yerleştirin. Mekanik testten önce lenste herhangi bir hasar olup olmadığını görsel olarak inceleyin.

2. Lens kapsülü olan/olmayan lens sıkıştırması (Şekil 2)

NOT: 2.1 ve 2.4 adımları dışındaki tüm adımlar bilgisayar kontrollüdür.

  1. 1 μm mertebesinde yer değiştirmeyi ölçme yeteneğine sahip 50 gram kuvvet kapasiteli bir yük hücresine sahip paralel bir plaka sıkıştırma aparatı elde edin veya inşa edin.
  2. Motorlu aşamayı programlayın ve aşağıda açıklanan yükleme rejimini gerçekleştirmek için hücreyi yükleyin (örneğin, Ek Dosya 1).
  3. 1 5/8 inç x 1 5/8 inçlik kare bir kutuyu PBS ile neredeyse doldurun ve sıkıştırma platformuna yerleştirin.
  4. Alt hareket sınırını ve mutlak boşluk yüksekliğini belirlemek için üst plakayı alt plaka ile temas edecek şekilde indirin.
  5. Üst plakayı ~15 mm kaldırın.
  6. Ekvator düzleminin yatay olmasına dikkat ederek lensi kutuda ortalayın.
  7. Üst plakayı lensin üst yüzeyine yakın, ancak temas etmeyecek şekilde indirin.
  8. 3 mN temas eşiği ile kuvvet geri bildirimi kullanarak üst plakayı lensle temas ettirmek için hareketi başlatın.
  9. Temas, kayıt süresi, üst plakanın alt plakaya göre konumu ve 500 Hz'de kuvvet belirlendikten sonra veri kaydına başlayın.
  10. Lensin başlangıç yüksekliğinin %2,5'i kadar üç kez, ardından üç kez %5'i, ardından %7,5'i üç kez %1/sn hızında sıkıştırıldığı bir ön koşullandırma yüklemesi uygulayın.
  11. Ön koşullandırmadan sonra üst plakanın konumunu 1 dakika sabit tutun.
  12. %1/sn hızında 'lik bir sıkıştırma uygulayın ve ardından aynı oranda boşaltın.
  13. Lensin üst plakadan ayrıldığından emin olmak için üst plaka, yüksüz lens kalınlığının %2'si kadar ek bir mesafe alt plakadan uzaklaşana kadar boşaltma hareketine devam edin.

3. Lens modülünün tahmini

  1. Cihazın temas noktasındaki boşluğuna bağlı olarak merceğin kalınlığını tahmin edin. Alternatif olarak, testten önce çekilen bir fotoğrafın kalınlığını ölçmek için görüntü analizini kullanın.
  2. Paralel plakalar arasında bir kürenin sıkıştırılması için Hertz modelini kullanarak elastik modül E'yi hesaplayın (denklem [1]; Ek Dosya 2).
    figure-protocol-1(1)
    R, temas noktasındaki eğrilik yarıçapıdır (lens kalınlığının yarısına eşit olduğu varsayılır); F, yük hücresi tarafından bildirilen sıkıştırma kuvvetidir; figure-protocol-2 Poisson oranıdır (sıkıştırılamaz bir malzemeye karşılık gelen 0.5'e eşit olduğu varsayılır); ve u, üst aşamanın temas noktasından aşağı doğru yaklaşımıdır. Elastik modülün ve Poisson oranının, sırasıyla merceğin içsel sertliğini ve merceğin bağıl sıkıştırılabilirliğini gösteren malzeme özellikleri olduğuna dikkat edin.
    NOT: Bu yöntem, lens kapsülünün herhangi bir rolünü ihmal eder, ancak lenslerin boyutunu yaklaşık olarak hesaba katarak türler arasında karşılaştırmaya izin verir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Altı domuz merceği, önce kapsül bozulmadan, daha sonra kapsülün dikkatlice çıkarılmasından sonra sıkıştırıldı. Kalınlık değerleri kapsüllü lensler için 7.65 ± 0.43 mm ve kapsüllü lensler için 6.69 ± 0.29 mm idi (ortalama ± standart sapma). Tipik bir yükleme geçmişi Şekil 3'te gösterilmektedir. Ortaya çıkan kuvvet-yer değiştirme eğrileri, Hertz modeli tarafından iyi bir şekilde yerleştirildi (yani, 1.5'in kuvvetine yükseltilen yer değiştirmeyle orantılı bir kuvvete sahiptiler;

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Lens sıkıştırma, lens sertliğini tahmin etmek için çok yönlü bir yöntemdir. Yukarıda açıklanan prosedürler, farklı türlerdeki ve farklı boyutlardaki lensler arasında karşılaştırmaya izin verir. Tüm deformasyonlar lens boyutuna göre normalleştirilir ve elastik modülün hesaplanması yaklaşık olarak lens boyutunu hesaba katar. Etkili modül, domuz merceği 4,7,11,19 için daha önce bildirilen modülden...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların beyan edecek herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Ulusal Sağlık Enstitüleri hibesi R01 EY035278 (MR) tarafından desteklenmektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Kavisli Orta Nokta Genel Amaçlı ForsepsFisherbrand16-100-110
Galil COM KitaplıklarıGalil Hareket Kontrolü
Yüksek Hassasiyetli Neşter Sapı Fisherbrand12-000-164
Doğrusal KademeliMcMaster-Carr6734K4 0.125 "
Yük HücresiFUTEKLSB200-FSH03869
Yük Hücresi AmplifikatörüFUTEKIAA300-FSH03931
MATLABThe Mathworks, Inc.
Mikroprob Cerrahi Tasarım 22-079-740
Minyatür Kendiliğinden Açılan Hassas Makas Excelta 63042-004
Hareket Kontrol CihazıGalil Hareket KontrolüDMC-31012
MotorGalil Hareket KontrolüBLM-N23-50-1000-B
Düz Hemastatlar Güzel Bilimler NC9247203paslanmaz çelik, 14cm 

Kaynaklar

  1. Gullstrand, A. Helmholtz's treatise on physiological optics. translated edn. The Optical Society of America. , Rochester, N.Y. (1924).
  2. Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P. Stiffness gradient in the crystalline lens. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245 (9), 1357-1366 (2007).
  11. Reilly, M. A., Ravi, N. Microindentation of the young porcine ocular lens. J Biomech Eng. 131 (4), 044502(2009).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Baradia, H., Negin, N., Adrian, G. Mouse lens stiffness measurements. Exp Eye Res. 91 (2), 300-307 (2010).
  16. Reilly, M. A., Cleaver, A. Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test. J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009(2017).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Oküler Lens KompresyonuLensin Biyomekanik ÖzellikleriElastisite ModülüLens SertliğiPresbiyopi MekanizmalarıParalel Plaka KompresyonuViskoelastik MateryalLens İzolasyonuHertz Modeli
Oküler lensin otomatik kompresyon testi
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.