اختبار الضغط الآلي لعدسة العين

Summary

نقدم طريقة آلية لتوصيف معامل المرونة الفعال لعدسة العين باستخدام اختبار الضغط.

Abstract

الخصائص الميكانيكية الحيوية لعدسة العين ضرورية لوظيفتها كعنصر بصري متغير الطاقة. تتغير هذه الخصائص بشكل كبير مع تقدم العمر في العدسة البشرية ، مما يؤدي إلى فقدان الرؤية القريبة التي تسمى طول النظر الشيخوخي. ومع ذلك ، لا تزال آليات هذه التغييرات غير معروفة. يوفر ضغط العدسة طريقة بسيطة نسبيا لتقييم الصلابة الميكانيكية الحيوية للعدسة بالمعنى النوعي ، وعندما يقترن بالتقنيات التحليلية المناسبة ، يمكن أن يساعد في تحديد الخصائص الميكانيكية الحيوية. تم إجراء مجموعة متنوعة من اختبارات ضغط العدسة حتى الآن ، بما في ذلك كل من اليدوية والآلية ، ولكن هذه الطرق تطبق بشكل غير متسق الجوانب الرئيسية للاختبارات الميكانيكية الحيوية مثل التكييف المسبق ومعدلات التحميل والوقت بين القياسات. تصف هذه الورقة اختبار ضغط العدسة المؤتمت بالكامل حيث تتم مزامنة مرحلة آلية مع كاميرا لالتقاط قوة العدسة وإزاحة وشكلها عبر بروتوكول تحميل مبرمج مسبقا. يمكن بعد ذلك حساب معامل المرونة المميز من هذه البيانات. بينما هو موضح هنا باستخدام عدسات الخنازير ، فإن النهج مناسب لضغط العدسات من أي نوع.

Introduction

العدسة هي العضو الشفاف والمرن الموجود في العين والذي يسمح لها بالتركيز على مسافات مختلفة عن طريق تغيير قوتها الانكسارية. تعرف هذه القدرة باسم الإقامة. يتم تغيير قوة الانكسار بسبب تقلص واسترخاء العضلات الهدبية. عندما تنقبض العضلة الهدبية ، تتكاثف العدسة وتتحرك للأمام ، مما يزيد من قوتها الانكسارية ^1,2. تسمح الزيادة في قوة الانكسار للعدسة بالتركيز على الأشياء القريبة. مع تقدم البشر في العمر ، تصبح العدسة أكثر صلابة وتفقد هذه القدرة على الاستيعاب تدريجيا. تعرف هذه الحالة باسم طول النظر الشيخوخي. لا تزال آلية التصلب غير معروفة ، على الأقل جزئيا بسبب الصعوبات المرتبطة بالتوصيف الميكانيكي الحيوي للعدسة.

تم استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لتقدير صلابة العدسة والخصائص الميكانيكية الحيوية. وتشمل هذه غزل العدسة^3،4،5 ، والطرق الصوتية^6،7،8 ، والطرق البصرية مثل المجهر Brillouin⁹ ، والمسافة البادئة^10،11 ، والضغط^12،13. الضغط هو الأسلوب التجريبي الأكثر سهولة حيث يمكن إجراؤه باستخدام أجهزة بسيطة (على سبيل المثال ، أغطية زجاجية^14,15) أو مرحلة آلية واحدة. لقد أوضحنا سابقا كيف يمكن تقدير الخواص الميكانيكية الحيوية للعدسة بدقة من اختبار الضغط¹⁶. هذه العملية صعبة تقنيا وتتطلب برامج متخصصة لا يمكن الوصول إليها بسهولة لباحثي العدسات المهتمين بقياسات الصلابة النسبية. لذلك ، في هذه الدراسة ، نركز على الطرق التي يمكن الوصول إليها لتقدير معامل المرونة للعدسة مع حساب حجم العدسة. معامل المرونة هو خاصية مادية جوهرية تتعلق بقابليتها للتشوه: معامل المرونة العالي يتوافق مع مادة أكثر صلابة.

الاختبار نفسه هو اختبار ضغط لوحة متوازية وبالتالي يمكن إجراؤه على أنظمة اختبار ميكانيكية تجارية مناسبة. هنا ، تم إنشاء أداة مخصصة تتكون من محرك ، ومرحلة خطية ، ووحدة تحكم في الحركة ، وخلية تحميل ، ومكبر للصوت. تم التحكم فيها باستخدام برامج مخصصة تسجل أيضا الوقت والموضع والحمل على فترات منتظمة. عدسات الخنازير لا تستوعب ولكن يمكن الوصول إليها بسهولة وغير مكلفة¹⁷. تم تطوير الطريقة التالية لضغط عدسة العين بشكل تدريجي وتحديد معامل مرونتها. يمكن تكرار هذه الطريقة بسهولة وستكون مفيدة في دراسة تصلب العدسة.

Protocol

تم الحصول على عيون الخنازير من مسلخ محلي. لم تكن هناك حاجة إلى موافقات اللجنة الأخلاقية.

1. تشريح العدسة (الشكل 1)

1. قم بإزالة جميع الأنسجة المحيطة من عيون الخنازير واللحم الزائد من الصلبة ، حتى يبقى العصب البصري فقط. استخدم ملقط منحني ومقص تشريح صغير لإكمال هذه العملية. استخدم العصب كمرساة لتثبيت العين أثناء التشريح.
2. باستخدام مشرط ، قم بعمل قطع محيطي قصير عند الحافة ، ثم آخر عند خط الاستواء.
   ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة بهذا الترتيب لتجنب إتلاف العدسة والكبسولة.
3. أدخل مقصا دقيقا في الجرح عند الحافة وقم بإزالة القرنية عن طريق رفع القرنية بملقط ناعم غير حاد أثناء القطع حول محيط القرنية.
4. قم بإزالة القزحية عن طريق الرفع باستخدام ملقط ذو رأس حاد وقطعها بمقص صغير.
5. أدخل مقص التشريح في القطع الاستوائي ، ثم قصه محيطيا حول خط الاستواء بالكامل حتى يتم تقسيم الصلبة.
6. بمجرد اكتمال القطع ، قم بإزالة الجزء الخلفي من الصلبة. قم بإزالة الجسم الزجاجي برفق بالملقط ، مع ترك الحد الأدنى من البقايا لتجنب إتلاف العدسة. إذا لزم الأمر ، قم بقطع الخلط الزجاجي إكليليا للسماح للخلف بالانسحاب بعيدا عن العدسة والجزء الأمامي.
7. قم بعمل قطع خط الطول من خلال الصلبة من الأمام إلى الخلف باستخدام المقص المجهري.
8. بدءا من قطع خط الطول الجديد عبر الصلبة ، استخدم المقص المجهري لقطع المناطق بعيدا عن العدسة. باستخدام وزن العدسة أو حافة طبق التشريح ، قم بتمديد المناطق برفق عند سحب العدسة والصلبة بعيدا قليلا ، مما يسمح للمقص الصغير بالقطع بين العدسة والجسم الهدبي ، من خلال المناطق ، وحول محيط العدسة. سيؤدي ذلك إلى عزل العدسة دون إتلاف كبسولة العدسة إذا تم القيام به بشكل صحيح.
9. إذا رغبت في ذلك ، قم بإزالة الكبسولة باستخدام ملقط لثقب الكبسولة عند خط الاستواء ، ثم قشر الكبسولة باستخدام ملقطين.
10. ضع العدسة في محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS). افحص العدسة بصريا بحثا عن أي تلف قبل الاختبار الميكانيكي.

2. ضغط العدسة مع / بدون كبسولة عدسة (الشكل 2)

ملاحظة: يتم التحكم في جميع الخطوات هنا باستثناء الخطوتين 2.1 و 2.4 بواسطة الكمبيوتر.

1. الحصول على أو بناء جهاز ضغط لوحة متوازية يحتوي على خلية تحميل بسعة 50 جراما مع القدرة على قياس الإزاحة بترتيب 1 ميكرومتر.
2. قم ببرمجة المرحلة الآلية وتحميل الخلية لتنفيذ نظام التحميل الموضح أدناه (على سبيل المثال ، الملف التكميلي 1).
3. املأ صندوقا مربعا تقريبا بحجم 1 5/8 بوصة × 1 5/8 بوصة باستخدام PBS وضعه على منصة الضغط.
4. اخفض اللوحة العلوية لتتلامس مع اللوحة السفلية لتحديد الحد الأدنى للحركة وارتفاع الفجوة المطلق.
5. ارفع اللوحة العلوية بمقدار ~ 15 مم.
6. ضع العدسة في المربع، مع الحرص على أن يكون المستوى الاستوائي أفقيا.
7. قم بخفض اللوحة العلوية بالقرب من السطح العلوي للعدسة ولكن ليس ملامسا له.
8. ابدأ الحركة لتحريك اللوحة العلوية عند ملامستها للعدسة ، باستخدام ردود فعل القوة مع حد تلامس يبلغ 3 مللي نيوتن.
9. ابدأ تسجيل البيانات عند تحديد التلامس ، ووقت التسجيل ، وموضع اللوحة العلوية بالنسبة للوحة السفلية ، والقوة عند 500 هرتز.
10. قم بتطبيق تحميل التكييف المسبق حيث يتم ضغط العدسة بنسبة 2.5٪ من ارتفاعها الأولي ثلاث مرات ، ثم 5٪ ثلاث مرات ، ثم 7.5٪ ثلاث مرات بمعدل 1٪ / ثانية.
11. امسك موضع اللوحة العلوية ثابتا لمدة 1 دقيقة بعد التكييف المسبق.
12. قم بتطبيق ضغط بنسبة 15٪ بمعدل 1٪ / ثانية ، متبوعا بالتفريغ بنفس المعدل.
13. استمر في حركة التفريغ حتى تنتقل اللوحة العلوية بنسبة 2٪ إضافية من سمك العدسة التي تم تفريغها بعيدا عن اللوحة السفلية لضمان فك التصاق العدسة من اللوحة العلوية.

3. تقدير معامل العدسة

1. قم بتقدير سمك العدسة بناء على فجوة الجهاز عند نقطة التلامس. بدلا من ذلك ، استخدم تحليل الصورة لقياس سمك الصورة التي تم التقاطها قبل الاختبار.
2. احسب معامل المرونة E باستخدام نموذج هيرتز لضغط كرة بين ألواح متوازية (المعادلة [1] ؛ الملف التكميلي 2).
   (1)
   حيث R هو نصف قطر الانحناء عند نقطة التلامس (يفترض أنه يساوي نصف سمك العدسة) ؛ F هي قوة الضغط التي أبلغت عنها خلية الحمل ؛ هي نسبة بواسون (يفترض أنها تساوي 0.5 المقابلة لمادة غير قابلة للانضغاط) ؛ و u هو النهج الهابط للمرحلة العليا من نقطة الاتصال. لاحظ أن معامل المرونة ونسبة بواسون هما خواص مادية تشير على التوالي إلى الصلابة الجوهرية للعدسة والانضغاطية النسبية للعدسة.
   ملاحظة: تهمل هذه الطريقة أي دور لكبسولة العدسة ولكنها تأخذ في الاعتبار تقريبا حجم العدسة ، مما يسمح بالمقارنة بين الأنواع.

النتائج

تم ضغط ست عدسات خنزير ، أولا مع سلامة الكبسولة ، ثم بعد إزالة الكبسولة بعناية. كانت قيم السمك 7.65 ± 0.43 مم للعدسات المغلفة و 6.69 ± 0.29 مم للعدسات المفككة (متوسط ± الانحراف المعياري). يظهر سجل تحميل نموذجي في الشكل 3. كانت منحنيات إزاحة القوة الناتجة مناسبة تماما لنموذج هيرتز (أي أن...

Discussion

ضغط العدسة هو طريقة متعددة الاستخدامات لتقدير صلابة العدسة. تسمح الإجراءات الموضحة أعلاه بإجراء مقارنة بين العدسات من الأنواع المختلفة والأحجام المختلفة. يتم تطبيع جميع التشوهات مقابل حجم العدسة ، وحساب معامل المرونة يمثل تقريبا حجم العدسة. المعامل الفعال أعلى بكثير من المعامل الذي تم ا...

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