Oküler lensin otomatik kompresyon testi

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 gücünü^{arttırır 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 yöntemler^6,7,8, Brillouin mikroskobu⁹, girinti^10,11 ve sıkıştırma^12,13 gibi optik yöntemler bulunur. Sıkıştırma, basit enstrümantasyon (örneğin, cam lameller^14,15) veya tek bir motorlu aşama ile gerçekleştirilebildiği için en erişilebilir deneysel tekniktir. Lensin biyomekanik özelliklerinin bir kompresyon testinden nasıl kesin olarak tahmin edilebileceğini^{daha 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.

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 %15'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).
   (1)
   R, temas noktasındaki eğrilik yarıçapıdır (lens kalınlığının yarısına eşit olduğu varsayılır); F, yük hücresi tarafından bildirilen sıkıştırma kuvvetidir; 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.

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 oran...

Tartışmalar

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 i?...

Malzemeler

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