Untersuchung des Akkommodationsverhaltens der Augenlinse nach Einbringung Femtosekunden-Laser-induzierter (fs-Laser) Schnittflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer Methode, mit der sich die Veränderung des Akkommodationsverhaltens der Augenlinse nach sogenannter fs-Lentotomie mit Hilfe eines Finite Elemente (FE)-Modells vorhersagen lässt. Dazu sollten individuelle FE-Modelle aus experimentellen Daten von Primatenlinsen generiert werden, mit Hilfe derer die Veränderung der Verformbarkeit der Linsen durch die Laserbehandlung simuliert werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zunächst FE-Modelle von menschlichen Linsen anhand von Literaturdaten entwickelt und das Einbringen der Laserschnitte mit Hilfe von einer Zwischenschicht simuliert. Anfangs wurde mit einem isotropen Materialverhalten für die Zwischenschicht gearbeitet. Im Laufe des Projektes wurde die sogenannte Fenstermethode etabliert um effektive Materialkennwerte für die Zwischenschicht zu ermitteln, die das natürliche Verhalten der Schnittebenen besser widerspiegelt. Im Folgenden wurde der Einfluss verschiedener Schnittgeometrien auf die Änderung der Linsendicke untersucht. Zuvor wurde die Anbindung der Zonulafasern an die Kapsel im FE-Modell verbessert. Es konnte gezeigt werden, dass die Anzahl und Geometrie der Schnitte einen Einfluss auf die Flexibilität der Linse hat. Parallel dazu wurde ein Versuchsstand zur ex vivo Simulation der Akkommodation (Linsenstretcher) aufgebaut. Ein OCT-System mit Long Range Spektrometer zur Messung der Linsenkontur (Dicke, Durchmesser, Krümmungsradien) sowie ein optischer Aufbau zur Messung der anterioren und posterioren Fokuslänge der Linse während der simulierten Akkommodation wurden integriert. Daten von nativen und laserbehandelten ex vivo Primaten (n=4) und Schweineaugen (n=5) wurden aufgenommen. Aus diesen Daten wurden individuelle FE-Modelle für jeweils 4 Zustände erstellt (nativ: ungestretcht/gestretcht, gelasert: ungestretcht/gestretcht) aus denen mit Hilfe von Iterationen die Materialkennwerte der nativen und gelaserten Linsen ermittelt wurden. Es zeigte sich, dass mit dem entwickelten Linsenstretchersystem Messdaten von Schweinelinsen generiert werden können, aus denen sich individuelle FE-Modelle ableiten lassen. Bei den Primatenlinsen, gestaltete sich die Handhabung im Stretcher aufgrund der kleineren Abmessungen und der höheren Empfindlichkeit als sehr viel schwieriger. Dementsprechend war es nicht möglich, aus den Daten der Primatenlinsen schlüssige Modelle zu entwickeln. Da außerdem nur sehr wenig Primatenlinsen insgesamt zur Verfügung standen, war es nicht möglich dieses Problem im Zeitraum des Projektes zu lösen. Ein neues Konzept eines Linsenstretchers ist zum Ende des Projektes entwickelt worden. Anhand eines Testexperimentes konnte gezeigt werden, dass die Halterung der Augenlinse im Stretcher für zukünftige Experimente (Primaten- und Humanlinsen) hier wesentlich optimiert werden konnte. Die Ergebnisse, die anhand von Schweinelinsen gewonnen werden konnten, zeigen, dass die Laserbehandlung eine signifikante Steigerung der Amplituden (gestretcht-ungestretcht) der Parameter Dicke (+140%), Durchmesser (+54%) und anteriorer Krümmungsradius (+57%) hervorruft. Außerdem zeigt sich, dass die Linsen im nahakkommodierten Zustand dicker und kugeliger und im fernakkommodierten Zustand flacher werden, die Verformbarkeit der Linsen also gesteigert wird. Die Amplitude des posterioren Radius ändert sich nicht signifikant (-10%). Die geringe Änderung des posterioren Radius führt insgesamt zu einer geringen Änderung der Brechkraft. Die Änderung der effektiven Materialkennwerte der Linsen durch die Laserbehandlung konnte mit Hilfe des Abgleiches von Modell und Messdaten quantifiziert werden. Die Abweichungen zwischen den gemessenen Dickenänderungen und den simulierten Daten können durch die fehlende Vorspannung der Kapsel bei den Simulationen verursacht werden. Des Weiteren sind größere Probenzahlen notwendig um die Simulationsdaten validieren zu können. In Zukunft sollte der direkte Einfluss der Laserbehandlung auf die optischen Eigenschaften der Linse genauer untersucht werden (GRIN) und diese in die FE-Modellierung der Linse integriert werden. Des Weiteren sollten Experimente/Modellierung anhand von akkommodierenden prespyopen Linsen durchgeführt werden (Human-, Primatenlinsen).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A FEM-study of the eye lens after inducing cuts using fs-laser; IWCMM 2012
Besdo S, Fromm M, Hahn J, Ripken T, Lubatschowski H
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Crystalline lens stretching device for simulation of accommodation; DGBMT 2012
Hahn J, Fromm M, Krüger A, Lubatschowski H, Ripken T
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Finite element study of the Accommodation behavior of the crystalline lens after fs-laser treatment; Biomed Tech 2013; 58 (Suppl. 1) 2013, de Gruyter Berlin
Besdo S, Wiegand J, Hahn J, Ripken T, Krüger, A, Fromm M, Lubatschowski H
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Optical tomographic measurement of crystalline lens shape during simulated accommodation; RGC 2013
Hahn J, Fromm M, Krüger A, Ripken T, Lubatschowski H
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Simulation of the Accommodation Behaviour of Crystalline Lenses after fs-Laser Treatment; GACM 2013
Besdo S, Wiegand J, Hahn J, Ripken T, Krüger A, Fromm M, Lubatschowski H
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The Accommodation Behaviour of the Crystalline Lens after fs-Laser Treatment: A Finite Element Study; ICMOBT 2013
Besdo S, Wiegand J, Hahn J, Ripken T, Krüger A, Fromm M, Lubatschowski H
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Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation before and after fs-laser treatment. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2015 Aug;56(9):5332-43
Hahn J, Fromm M, AL Halabi F, Besdo S, Lubatschowski H, Krüger A, Ripken T
