Test di compressione automatizzato della lente oculare

Riepilogo

Presentiamo un metodo automatizzato per caratterizzare il modulo elastico effettivo di una lente oculare utilizzando un test di compressione.

Abstract

Le proprietà biomeccaniche del cristallino oculare sono essenziali per la sua funzione di elemento ottico a potenza variabile. Queste proprietà cambiano drasticamente con l'età nel cristallino umano, con conseguente perdita della visione da vicino chiamata presbiopia. Tuttavia, i meccanismi di questi cambiamenti rimangono sconosciuti. La compressione della lente offre un metodo relativamente semplice per valutare la rigidità biomeccanica della lente in senso qualitativo e, se abbinata a tecniche analitiche appropriate, può aiutare a quantificare le proprietà biomeccaniche. Fino ad oggi sono stati eseguiti diversi test di compressione delle lenti, sia manuali che automatizzati, ma questi metodi applicano in modo incoerente aspetti chiave dei test biomeccanici come il precondizionamento, le velocità di carico e il tempo tra le misurazioni. Questo documento descrive un test di compressione dell'obiettivo completamente automatizzato in cui uno stadio motorizzato è sincronizzato con una telecamera per acquisire la forza, lo spostamento e la forma dell'obiettivo attraverso un protocollo di caricamento preprogrammato. Da questi dati si può quindi calcolare un modulo elastico caratteristico. Anche se qui è stato dimostrato utilizzando lenti suine, l'approccio è appropriato per la compressione di lenti di qualsiasi specie.

Introduzione

Il cristallino è l'organo trasparente e flessibile che si trova nell'occhio che gli permette di mettere a fuoco a diverse distanze modificando il suo potere di rifrazione. Questa capacità è nota come accomodamento. Il potere refrattivo è alterato a causa della contrazione e del rilassamento del muscolo ciliare. Quando il muscolo ciliare si contrae, il cristallino si ispessisce e si sposta in avanti, aumentando il suo potere refrattivo ^1,2. L'aumento del potere di rifrazione consente all'obiettivo di mettere a fuoco gli oggetti vicini. Con l'avanzare dell'età, il cristallino diventa più rigido e questa capacità di adattarsi viene gradualmente persa; Questa condizione è nota come presbiopia. Il meccanismo di irrigidimento rimane sconosciuto, almeno in parte a causa delle difficoltà associate alla caratterizzazione biomeccanica della lente.

Una varietà di metodi sono stati impiegati per stimare la rigidità della lente e le proprietà biomeccaniche. Questi includono la rotazione della lente ^3,4,5, i metodi acustici ^6,7,8, i metodi ottici come la microscopia di Brillouin⁹, l'indentazione^10,11 e la compressione^12,13. La compressione è la tecnica sperimentale più accessibile in quanto può essere eseguita con semplice strumentazione (es. vetrini coprioggetti^14,15) o con un singolo stadio motorizzato. Abbiamo precedentemente mostrato come le proprietà biomeccaniche della lente possano essere rigorosamente stimate da un test di compressione¹⁶. Questo processo è tecnicamente impegnativo e richiede un software specializzato non facilmente accessibile ai ricercatori di lenti interessati alle misurazioni della rigidità relativa. Pertanto, nel presente studio, ci concentriamo su metodi accessibili per stimare il modulo elastico della lente tenendo conto delle dimensioni della lente. Il modulo elastico è una proprietà intrinseca del materiale legata alla sua deformabilità: ad un modulo elastico elevato corrisponde un materiale più rigido.

Il test stesso è un test di compressione su piastra parallela e può quindi essere eseguito su idonei sistemi di prova meccanici commerciali. Qui, è stato costruito uno strumento personalizzato composto da un motore, uno stadio lineare, un controller di movimento, una cella di carico e un amplificatore. Questi sono stati controllati utilizzando un software personalizzato che ha anche registrato il tempo, la posizione e il carico a intervalli regolari. Le lenti Pig non si adattano ma sono facilmente accessibili e poco costose¹⁷. Il seguente metodo è stato sviluppato per comprimere in modo incrementale il cristallino dell'occhio e quantificarne il modulo elastico. Questo metodo può essere facilmente replicato e sarà utile nello studio della rigidità della lente.

Protocollo

Gli occhi di maiale sono stati ottenuti da un mattatoio locale. Non è stata richiesta l'approvazione del comitato etico.

1. Dissezione della lente (Figura 1)

1. Rimuovere tutto il tessuto circostante dagli occhi del maiale e la carne in eccesso dalla sclera, fino a quando non rimane solo il nervo ottico. Usa una pinza curva e piccole forbici da dissezione per completare questo processo. Usa il nervo come ancora per tenere l'occhio durante la dissezione.
2. Usando un bisturi, fai un breve taglio circonferenziale sul limbus, poi un altro all'equatore.
   NOTA: Questo passaggio viene eseguito in questo ordine per evitare di danneggiare la lente e la capsula.
3. Inserire le microforbici nel taglio in corrispondenza del limbus e rimuovere la cornea sollevando la cornea con una pinza a punta smussata mentre si taglia intorno alla circonferenza della cornea.
4. Rimuovere l'iride sollevandola con una pinza a punta smussata e tagliarla con microforbici.
5. Inserire le forbici di dissezione nel taglio equatoriale, quindi tagliare circonferenzialmente attorno all'intero equatore fino a quando la sclera non è divisa in due.
6. Una volta completato il taglio, rimuovere la porzione posteriore della sclera. Rimuovere delicatamente il vitreo con una pinza, lasciando residui minimi per evitare di danneggiare la lente. Se necessario, tagliare l'umor vitreo coronalmente per consentire al posteriore di staccarsi dal cristallino e dal segmento anteriore.
7. Fai un taglio meridionale attraverso la sclera da anteriore a posteriore usando le microforbici.
8. Partendo dal nuovo taglio meridionale attraverso la sclera, usa le microforbici per tagliare le zonule lontano dalla lente. Usando il peso della lente o il bordo della piastra di dissezione, allungare delicatamente le zonule quando si separano leggermente la lente e la sclera, consentendo alle microforbici di tagliare tra la lente e il corpo ciliare, attraverso le zonule e intorno alla circonferenza della lente. Questo isolerà la lente senza danneggiare la capsula della lente se fatto correttamente.
9. Se lo si desidera, rimuovere la capsula utilizzando una pinza per perforare la capsula all'equatore, quindi staccare la capsula utilizzando due pinze.
10. Posizionare l'obiettivo in soluzione salina tamponata con fosfato (PBS). Ispezionare visivamente l'obiettivo per eventuali danni prima di eseguire il test meccanico.

2. Compressione dell'obiettivo con/senza capsula dell'obiettivo (Figura 2)

NOTA: Tutti i passaggi qui, ad eccezione dei passaggi 2.1 e 2.4, sono controllati da computer.

1. Ottenere o costruire un apparato di compressione a piastre parallele avente una cella di carico con capacità di forza di 50 grammi con la capacità di misurare lo spostamento dell'ordine di 1 μm.
2. Programmare lo stadio motorizzato e caricare la cella per eseguire il regime di carico descritto di seguito (ad esempio, File supplementare 1).
3. Riempi quasi una scatola quadrata di 1 5/8 pollici x 1 5/8 pollici con PBS e posizionala sulla piattaforma di compressione.
4. Abbassare la piastra superiore a contatto con la piastra inferiore per determinare il limite inferiore di movimento e l'altezza assoluta della fessura.
5. Sollevare la piastra superiore di ~15 mm.
6. Centrare la lente nella scatola, facendo attenzione che il piano equatoriale sia orizzontale.
7. Abbassare la piastra superiore vicino alla superficie superiore dell'obiettivo, ma non a contatto con essa.
8. Avviare il movimento per portare la piastra superiore a contatto con l'obiettivo, utilizzando il force feedback con una soglia di contatto di 3 mN.
9. Iniziare la registrazione dei dati dopo la determinazione del contatto, del tempo di registrazione, della posizione della piastra superiore rispetto alla piastra inferiore e della forza a 500 Hz.
10. Applicare un carico di precondizionamento in cui l'obiettivo viene compresso del 2,5% della sua altezza iniziale tre volte, poi del 5% tre volte, quindi del 7,5% tre volte a una velocità dell'1%/s.
11. Mantenere costante la posizione della piastra superiore per 1 minuto dopo il precondizionamento.
12. Applicare una compressione del 15% a una velocità dell'1%/s, seguita dallo scarico alla stessa velocità.
13. Continuare il movimento di scarico fino a quando la piastra superiore non si è allontanata di un ulteriore 2% dello spessore della lente scarica dalla piastra inferiore per assicurarsi che la lente sia staccata dalla piastra superiore.

3. Stima del modulo della lente

1. Stimare lo spessore della lente in base alla distanza dello strumento nel punto di contatto. In alternativa, utilizzare l'analisi dell'immagine per misurare lo spessore di una fotografia scattata prima del test.
2. Calcolare il modulo elastico E utilizzando il modello di Hertz per la compressione di una sfera tra piastre parallele (equazione [1]; Supplemento 2).
   (1)
   Dove R è il raggio di curvatura nel punto di contatto (assunto pari alla metà dello spessore della lente); F è la forza di compressione riportata dalla cella di carico; è il rapporto di Poisson (assunto pari a 0,5 corrispondente ad un materiale incomprimibile); e u è l'avvicinamento verso il basso dello stadio superiore dal punto di contatto. Si noti che il modulo elastico e il rapporto di Poisson sono proprietà del materiale che indicano rispettivamente la rigidità intrinseca della lente e la relativa comprimibilità della lente.
   NOTA: Questo metodo trascura qualsiasi ruolo della capsula del cristallino, ma tiene conto approssimativamente delle dimensioni del cristallino, consentendo il confronto tra le specie.

Risultati

Sei lenti suine sono state compresse, prima con la capsula intatta, poi dopo un'attenta rimozione della capsula. I valori di spessore erano di 7,65 ± 0,43 mm per le lenti incapsulate e di 6,69 ± 0,29 mm per le lenti decapsulate (media ± deviazione standard). Una tipica cronologia di caricamento è illustrata nella Figura 3. Le curve forza-spostamento risultanti erano ben adattate dal modello di Hertz (cioè, avevano una forza proporzionale allo spostamento elevato alla potenza di 1,5;

Discussione

La compressione delle lenti è un metodo versatile per stimare la rigidità delle lenti. Le procedure sopra descritte consentono il confronto tra lenti di specie diverse e dimensioni diverse. Tutte le deformazioni sono normalizzate rispetto alle dimensioni dell'obiettivo e il calcolo del modulo elastico tiene conto approssimativamente delle dimensioni dell'obiettivo. Il modulo effettivo è considerevolmente superiore al modulo riportato in precedenza per la lente suina 4,7,11,19, almeno...

Materiali

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