Автоматизированная компрессионная проверка окулярного хрусталика

Резюме

Представлен автоматизированный метод определения эффективного модуля упругости окулярной линзы с помощью компрессионного теста.

Аннотация

Биомеханические свойства окулярной линзы имеют важное значение для ее функционирования в качестве оптического элемента переменной мощности. Эти свойства резко меняются с возрастом в хрусталике человека, что приводит к потере зрения вблизи, называемой пресбиопией. Однако механизмы этих изменений остаются неизвестными. Сжатие хрусталика представляет собой относительно простой метод оценки биомеханической жесткости хрусталика в качественном смысле и, в сочетании с соответствующими аналитическими методами, может помочь количественно оценить биомеханические свойства. На сегодняшний день были проведены различные испытания на сжатие хрусталика, в том числе ручные и автоматические, но эти методы непоследовательно применяют ключевые аспекты биомеханических испытаний, такие как предварительное кондиционирование, скорость загрузки и время между измерениями. В этом документе описывается полностью автоматизированное испытание объектива на сжатие, в котором моторизованный столик синхронизируется с камерой для захвата силы, смещения и формы объектива в течение заранее запрограммированного протокола нагружения. Затем на основе этих данных можно рассчитать характеристический модуль упругости. Несмотря на то, что здесь мы демонстрируем на примере свиных линз, этот подход подходит для компрессии хрусталиков любого вида.

Введение

Хрусталик - это прозрачный и гибкий орган глаза, который позволяет ему фокусироваться на разных расстояниях, изменяя свою преломляющую силу. Эта способность известна как аккомодация. Преломляющая сила изменяется из-за сокращения и расслабления цилиарной мышцы. Когда цилиарная мышца сокращается, хрусталик утолщается и движется вперед, увеличивая свою преломляющую силу ^1,2. Увеличение преломляющей силы позволяет объективу фокусироваться на близлежащих объектах. С возрастом хрусталик становится более жестким, и эта способность постепенно утрачивается; Это состояние известно как пресбиопия. Механизм жесткости остается неизвестным, по крайней мере, частично из-за трудностей, связанных с биомеханической характеристикой хрусталика.

Для оценки жесткости хрусталика и биомеханических свойств используются различные методы. К ним относятся вращение линзы ^3,4,5, акустические методы ^6,7,8, оптические методы, такие как микроскопия Бриллюэна⁹, вдавливание ^10,11 и компрессия^12,13. Компрессия является наиболее доступным экспериментальным методом, так как она может быть выполнена с помощью простых приборов (например, стеклянных покровных стекол^14,15) или одной моторизованной ступени. Ранее мы показали, как биомеханические свойства хрусталика могут быть строго оценены с помощью испытания на сжатие¹⁶. Этот процесс технически сложен и требует специализированного программного обеспечения, недоступного исследователям объективов, заинтересованным в измерении относительной жесткости. Поэтому в настоящем исследовании мы сосредоточимся на доступных методах оценки модуля упругости хрусталика с учетом размера линзы. Модуль упругости — это внутреннее свойство материала, связанное с его деформируемостью: высокий модуль упругости соответствует более жесткому материалу.

Само испытание представляет собой испытание на сжатие параллельной пластины и поэтому может быть выполнено на подходящих коммерческих системах механических испытаний. Здесь был сконструирован специальный прибор, состоящий из двигателя, линейного столика, контроллера движения, тензодатчика и усилителя. Они управлялись с помощью специального программного обеспечения, которое также фиксировало время, положение и нагрузку через равные промежутки времени. Объективы свиньи не вмещают, но легкодоступны и недороги¹⁷. Для инкрементального сжатия хрусталика глаза и количественной оценки его модуля упругости был разработан следующий метод. Этот метод легко тиражируется и будет полезен при исследовании жесткости хрусталика.

протокол

Свиные глаза были получены на местной скотобойне. Никаких согласований этического комитета не требовалось.

1. Вскрытие хрусталика (рис. 1)

1. Удалите все окружающие ткани из глаз свиньи и лишнюю плоть из склеры, пока не останется только зрительный нерв. Используйте изогнутые щипцы и небольшие ножницы для рассечения, чтобы завершить этот процесс. Используйте нерв в качестве якоря, чтобы удерживать глаз во время вскрытия.
2. С помощью скальпеля сделайте короткий разрез по окружности в лимбе, затем еще один на экваторе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг выполняется в таком порядке, чтобы не повредить хрусталик и капсулу.
3. Вставьте микроножницы в разрез в лимбе и удалите роговицу, приподняв роговицу тонкими щипцами с тупым концом, разрезая по окружности роговицы.
4. Удалите радужную оболочку, приподняв ее с помощью щипцов с тупым концом, и срежьте микроножницами.
5. Вставьте ножницы для рассечения в экваториальный разрез, затем разрежьте по окружности вокруг всего экватора, пока склера не будет разделена пополам.
6. Как только разрез будет завершен, удалите заднюю часть склеры. Аккуратно удалите стекловидное тело щипцами, оставляя минимальные остатки, чтобы не повредить хрусталик. При необходимости вырежьте стекловидное тело коронально, чтобы позволить задней части отойти от хрусталика и переднего сегмента.
7. Сделайте меридиональный надрез через склеру спереди назад с помощью микроножниц.
8. Начиная с нового меридионального разреза через склеру, с помощью микроножниц срезайте зонулы подальше от хрусталика. Используя вес хрусталика или края чашки для препарирования, осторожно растягивайте зонулы, слегка раздвигая хрусталик и склеру, позволяя микроножницам разрезать хрусталик и цилиарное тело, через зонулы и по окружности хрусталика. Это позволит изолировать хрусталик, не повредив капсулу хрусталика, если все сделано правильно.
9. При желании извлеките капсулу с помощью щипцов, чтобы проколоть капсулу на экваторе, затем отклейте капсулу с помощью двух щипцов.
10. Поместите линзу в фосфатно-солевой буфер (PBS). Перед механическим испытанием визуально осмотрите объектив на наличие повреждений.

2. Компрессия хрусталика с капсулой хрусталика или без него (рис. 2)

ПРИМЕЧАНИЕ: Все шаги здесь, за исключением шагов 2.1 и 2.4, управляются компьютером.

1. Получить или сконструировать параллельный пластинчатый компрессионный аппарат с тензодатчиком грузоподъемностью 50 грамм с возможностью измерения смещения порядка 1 мкм.
2. Запрограммируйте моторизованный столик и загрузите ячейку для выполнения режима нагружения, описанного ниже (например, Дополнительный файл 1).
3. Почти заполните квадратную коробку размером 1 5/8 дюйма x 1 5/8 дюйма PBS и поместите ее на компрессионную платформу.
4. Опустите верхнюю пластину так, чтобы она соприкасалась с нижней пластиной, чтобы определить нижний предел движения и абсолютную высоту зазора.
5. Поднимите верхнюю пластину на ~15 мм.
6. Отцентрируйте линзу в коробке, следя за тем, чтобы экваториальная плоскость была горизонтальной.
7. Опустите верхнюю пластину близко к верхней поверхности объектива, но не соприкасаясь с ней.
8. Инициируйте движение, чтобы переместить верхнюю пластину в контакт с линзой, используя силовую обратную связь с порогом контакта 3 мН.
9. Начинайте запись данных после определения контакта, времени записи, положения верхней пластины относительно нижней пластины и усилия при частоте 500 Гц.
10. Примените предварительную обусловливающую нагрузку, при которой хрусталик сжимается на 2,5% от своей первоначальной высоты три раза, затем на 5% три раза, затем на 7,5% три раза со скоростью 1%/с.
11. Удерживайте положение верхней пластины постоянным в течение 1 минуты после предварительного кондиционирования.
12. Примените 15%-ное сжатие со скоростью 1%/с с последующей разгрузкой с той же скоростью.
13. Продолжайте разгрузку до тех пор, пока верхняя пластина не пройдет еще 2% от толщины ненагруженной линзы от нижней пластины, чтобы убедиться, что линза отклеена от верхней пластины.

3. Оценка модуля линзы

1. Оцените толщину линзы на основе зазора прибора в точке контакта. В качестве альтернативы можно использовать анализ изображений для измерения толщины по фотографии, сделанной перед испытанием.
2. Вычислить модуль упругости E с использованием модели Герца для сжатия сферы между параллельными пластинами (уравнение [1]; Дополнительный файл 2).
   (1)
   где R – радиус кривизны в точке контакта (принимается равным половине толщины линзы); F — сила сжатия, сообщаемая тензодатчиком; – коэффициент Пуассона (принятый равным 0,5, соответствующий несжимаемому материалу), а u – нисходящее сближение разгонного блока с точкой контакта. Обратите внимание, что модуль упругости и коэффициент Пуассона являются свойствами материала, указывающими соответственно на собственную жесткость линзы и относительную сжимаемость линзы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот метод пренебрегает какой-либо ролью капсулы хрусталика, но приблизительно учитывает размер хрусталика, что позволяет сравнивать виды.

Результаты

Шесть свиных линз были сжаты, сначала с неповрежденной капсулой, затем после осторожного удаления капсулы. Значения толщины составляли 7,65 ± 0,43 мм для инкапсулированных линз и 6,69 ± 0,29 мм для декапсулированных линз (среднее ± стандартное отклонение). Типичная история загрузки показана на...

Обсуждение

Компрессия линзы является универсальным методом оценки жесткости линзы. Процедуры, описанные выше, позволяют сравнивать линзы разных видов и разных размеров. Все деформации нормируются по размеру линзы, а расчет модуля упругости приблизительно учитывает размер линзы. Эффективный мод...

Материалы

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