בדיקת דחיסה אוטומטית של עדשת העין

Summary

אנו מציגים שיטה אוטומטית לאפיון המודולוס האלסטי היעיל של עדשת העין באמצעות בדיקת דחיסה.

Abstract

התכונות הביומכניות של עדשת העין חיוניות לתפקודה כאלמנט אופטי בעוצמה משתנה. תכונות אלה משתנות באופן דרמטי עם הגיל בעדשה האנושית, וכתוצאה מכך אובדן ראייה לקרוב הנקרא פרסביופיה. עם זאת, המנגנונים של שינויים אלה עדיין לא ידועים. דחיסת עדשה מציעה שיטה פשוטה יחסית להערכת הנוקשות הביומכנית של העדשה במובן האיכותי, ובשילוב עם טכניקות אנליטיות מתאימות, יכולה לסייע בכימות תכונות ביומכניות. מגוון בדיקות דחיסת עדשות בוצעו עד כה, כולל ידניות ואוטומטיות, אך שיטות אלה מיישמות באופן לא עקבי היבטים מרכזיים של בדיקות ביומכניות כגון התניה מוקדמת, קצבי העמסה וזמן בין מדידות. מאמר זה מתאר בדיקת דחיסת עדשה אוטומטית לחלוטין שבה שלב ממונע מסונכרן עם מצלמה כדי ללכוד את הכוח, התזוזה והצורה של העדשה לאורך פרוטוקול טעינה מתוכנת מראש. לאחר מכן ניתן לחשב מודולוס אלסטי אופייני מנתונים אלה. בעוד שהודגם כאן באמצעות עדשות חזיריות, הגישה מתאימה לדחיסת עדשות מכל מין.

Introduction

העדשה היא האיבר השקוף והגמיש שנמצא בעין המאפשר לה להתמקד במרחקים שונים על ידי שינוי כוח השבירה שלה. יכולת זו ידועה בשם לינה. כוח השבירה משתנה עקב התכווצות והרפיה של השריר הרירי. כאשר שריר הריסים מתכווץ, העדשה מתעבה ונעה קדימה, ומגדילה את כוח השבירה שלה ^1,2. העלייה בכוח השבירה מאפשרת לעדשה להתמקד בעצמים קרובים. ככל שבני האדם מזדקנים, העדשה נעשית נוקשה יותר ויכולת זו להכיל אובדת בהדרגה; מצב זה ידוע בשם פרסביופיה. מנגנון ההתקשות אינו ידוע, לפחות בחלקו בשל הקשיים הכרוכים באפיון הביומכני של העדשה.

מגוון שיטות שימשו להערכת קשיחות העדשה ותכונותיה הביומכניות. אלה כוללים עדשה מסתובבת ^3,4,5, שיטות אקוסטיות ^6,7,8, שיטות אופטיות כגון מיקרוסקופ ברילואין⁹, הזחה ^10,11 ודחיסה^12,13. דחיסה היא הטכניקה הניסיונית הנגישה ביותר מכיוון שניתן לבצע אותה עם מכשור פשוט (למשל, כיסויי זכוכית^14,15) או שלב ממונע יחיד. הראינו בעבר כיצד ניתן להעריך בקפדנות את התכונות הביומכניות של העדשה מבדיקת דחיסה¹⁶. תהליך זה מאתגר מבחינה טכנית ודורש תוכנה מיוחדת שאינה נגישה לחוקרי עדשות המעוניינים במדידות קשיחות יחסית. לכן, במחקר הנוכחי אנו מתמקדים בשיטות נגישות להערכת המודולוס האלסטי של העדשה תוך התחשבות בגודל העדשה. המודולוס האלסטי הוא תכונה מהותית של חומר הקשור לעיוותו: מודולוס אלסטי גבוה מתאים לחומר נוקשה יותר.

הבדיקה עצמה היא בדיקת דחיסת לוחות מקבילים ולכן ניתן לבצעה במערכות בדיקה מכניות מסחריות מתאימות. כאן נבנה מכשיר מותאם אישית המורכב ממנוע, במה ליניארית, בקר תנועה, תא עומס ומגבר. אלה נשלטו באמצעות תוכנה מותאמת אישית שגם רשמה זמן, מיקום ועומס בפרקי זמן קבועים. עדשות חזיר אינן מתאימות אך נגישות וזולות¹⁷. השיטה הבאה פותחה כדי לדחוס בהדרגה את עדשת העין ולכמת את המודולוס האלסטי שלה. שיטה זו ניתנת לשכפול בקלות ותהיה שימושית בחקר קשיחות העדשה.

Protocol

עיני חזיר התקבלו מבית מטבחיים מקומי. לא נדרשו אישורים של ועדת אתיקה.

1. דיסקציה של העדשה (איור 1)

1. הסר את כל הרקמה שמסביב מעיני החזיר ואת הבשר העודף מהסקלרה, עד שנשאר רק עצב הראייה. השתמש במלקחיים מעוקלים ובמספריים קטנים לדיסקציה כדי להשלים תהליך זה. השתמש בעצב כעוגן כדי להחזיק את העין במהלך דיסקציה.
2. באמצעות אזמל, לבצע חתך היקפי קצר בלימבוס, ואז עוד אחד בקו המשווה.
   הערה: שלב זה מבוצע בסדר זה כדי למנוע נזק לעדשה ולקפסולה.
3. הכנס מספריים לתוך החתך בלימבוס והסר את הקרנית על ידי הרמת הקרנית עם מלקחיים קהים עדינים תוך חיתוך סביב היקף הקרנית.
4. הסר את הקשתית על ידי הרמה באמצעות מלקחיים קהים וגזור עם מיקרו מספריים.
5. הכנס מספריים דיסקציה לתוך חתך קו המשווה, ולאחר מכן לחתוך באופן היקפי סביב קו המשווה כולו עד לחיתוך לובן העין.
6. לאחר השלמת החתך, הסר את החלק האחורי של הסקלרה. הסר את הזגוגית בעדינות עם מלקחיים, משאיר שאריות מינימליות כדי למנוע נזק לעדשה. במידת הצורך, חתכו את הזגוגית באופן קורונלי כדי לאפשר לחלק האחורי להתרחק מהעדשה ומהמקטע הקדמי.
7. בצע חתך מרידיונלי דרך לובן העין מהקדמי לאחורי באמצעות מיקרומספריים.
8. החל מהחתך המרידיונאלי החדש דרך הסקלרה, השתמש במיקרומספריים כדי לחתוך את הזונולים הרחק מהעדשה. בעזרת משקל העדשה או קצה צלחת הדיסקציה, מתחו בעדינות את הזונולים בעת משיכת העדשה ולובן העין מעט זה מזה, ואפשרו למיקרומספריים לחתוך בין העדשה לגוף הריסי, דרך הזונולים וסביב היקף העדשה. פעולה זו תבודד את העדשה מבלי לפגוע בכמוסת העדשה אם נעשה כראוי.
9. אם תרצה, הסר את הקפסולה באמצעות מלקחיים כדי לנקב את הקפסולה בקו המשווה שלה, ולאחר מכן לקלף את הקפסולה באמצעות שני מלקחיים.
10. הניחו את העדשה במי מלח חוצצי פוספט (PBS). בדוק חזותית את העדשה לאיתור נזק לפני בדיקה מכנית.

2. דחיסת עדשה עם/בלי קפסולת עדשה (איור 2)

הערה: כל השלבים כאן, למעט שלבים 2.1 ו-2.4, נשלטים על-ידי מחשב.

1. להשיג או לבנות מנגנון דחיסת צלחת מקביל בעל תא עומס קיבולת כוח של 50 גרם עם היכולת למדוד תזוזה בסדר גודל של 1 מיקרומטר.
2. תכנת את השלב הממונע וטען את התא לביצוע משטר ההעמסה המתואר להלן (לדוגמה, קובץ משלים 1).
3. כמעט מלא קופסה מרובעת של 1 5/8 אינץ 'x 1 5/8 אינץ 'עם PBS והנח אותה על פלטפורמת הדחיסה.
4. הנמיכו את הצלחת העליונה למגע עם הצלחת התחתונה כדי לקבוע את גבול התנועה התחתון ואת גובה המרווח המוחלט.
5. הרם את הצלחת העליונה ב~ 15 מ"מ.
6. מרכז את העדשה בקופסה, וודא שהמישור המשווני הוא אופקי.
7. הורידו את הלוחית העליונה קרוב לפני השטח העליונים של העדשה, אך לא במגע איתם.
8. התחל תנועה כדי להזיז את הצלחת העליונה למגע עם העדשה, באמצעות משוב כוח עם סף מגע של 3 mN.
9. התחל ברישום נתונים עם קביעת מגע, זמן הקלטה, מיקום הלוח העליון ביחס ללוח התחתון וכוח ב- 500 הרץ.
10. הפעילו התניה מוקדמת שבה העדשה נדחסת ב-2.5% מהגובה ההתחלתי שלה שלוש פעמים, לאחר מכן 5% שלוש פעמים, ואז 7.5% שלוש פעמים בקצב של 1% לשנייה.
11. החזק את מיקום הצלחת העליונה קבוע למשך דקה אחת לאחר ההתניה מראש.
12. החל דחיסה של 15% בקצב של 1% לשנייה, ולאחר מכן פריקה באותו קצב.
13. המשך בתנועת הפריקה עד שהלוחית העליונה הרחיקה 2% נוספים מעובי העדשה שנפרקה מהלוחית התחתונה כדי להבטיח שהעדשה לא תידבק מהלוחית העליונה.

3. הערכת מודולוס העדשה

1. הערך את עובי העדשה בהתבסס על מרווח המכשיר בנקודת המגע. לחלופין, השתמש בניתוח תמונה כדי למדוד את העובי של תמונה שצולמה לפני הבדיקה.
2. חישוב המודולוס האלסטי E באמצעות מודל הרץ לדחיסת כדור בין לוחות מקבילים (משוואה [1]; קובץ משלים 2).
   (1)
   כאשר R הוא רדיוס העקמומיות בנקודת המגע (בהנחה שהוא שווה למחצית מעובי העדשה); F הוא כוח הדחיסה המדווח על ידי תא העומס; הוא יחס פואסון (בהנחה שהוא שווה ל-0.5 המתאים לחומר בלתי דחיס); ו-u הוא הגישה כלפי מטה של השלב העליון מנקודת המגע. שימו לב שהמודולוס האלסטי והיחס של פואסון הם תכונות חומריות המצביעות בהתאמה על הקשיחות הפנימית של העדשה ועל הדחיסות היחסית של העדשה.
   הערה: שיטה זו מזניחה כל תפקיד של קפסולת העדשה אך לוקחת בחשבון בקירוב את גודל העדשה, ומאפשרת השוואה בין מינים.

תוצאות

שש עדשות חזיריות נדחסו, תחילה עם הקפסולה שלמה, ולאחר מכן לאחר הסרה זהירה של הקפסולה. ערכי העובי היו 7.65 ±-0.43 מ"מ עבור עדשות עטופות ו-6.69 ±-0.29 מ"מ עבור עדשות ללא כיסוי (סטיית תקן ממוצעת ±). היסטוריית טעינה טיפוסית מוצגת באיור 3. עקומות תזוזת הכוח שהתקבלו הותאמו היטב על ידי מודל הרץ ...

Discussion

דחיסת עדשה היא שיטה רב-תכליתית להערכת קשיחות העדשה. ההליכים המתוארים לעיל מאפשרים השוואה בין עדשות ממינים שונים ובגדלים שונים. כל העיוותים מנורמלים כנגד גודל העדשה, וחישוב המודולוס האלסטי לוקח בחשבון בקירוב את גודל העדשה. המודולוס האפקטיבי גבוה משמעותית מהמודולוס שדווח בעבר עבור עדשת הח...

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