KARAKAS ISTVÁN ZOLTÁN SZAKDOLGOZAT SZEMLENCSE SZÖVETEINEK BIOMECHANIKAI VIZSGÁLATA

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK KARAKAS ISTVÁN ZOLTÁN SZAKDOLGOZAT SZEMLENCSE SZÖVETEINEK BIOMECHANIKAI VIZSGÁLATA Témavezető: Dr. Kiss Zoltán adjunktus BUDAPEST, 2016

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Polimertechnika Tanszék T. épület 306. * SZAKDOLGOZAT FELADATKIÍRÁS (BSc) Gépészmérnöki alapszak (2N-AG0) Anyagtechnológia specializáció (2N-AG0-AT) A szakdolgozat készítő neve: Karakas István Zoltán ( ) A szakdolgozat címe: Feladatkiírás azonosítója: Szemlencse szöveteinek biomechanikai vizsgálata SZD-PT-2016/1-18 A szakdolgozat készítés helye:bme Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. Záróvizsga helye: Témavezető: BME Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék Dr. Kiss Zoltán adjunktus Polimertechnika Tanszék Záróvizsga tárgyak: 1. tantárgy: Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2. tantárgy: Polimerek anyagszerkezettana és technológiája 3. tantárgy vagy tantárgycsoport: Polimer kompozitok technológiája BMEGEMT AGA1 BMEGEPT AG0P BMEGEPT AGA3 Kiadás időpontja: február 15. Beadási határidő: május 23.

3 Powered by TCPDF ( A feladat részletezése: 1. Végezzen széleskörű irodalomkutatást a szem szöveteinek biomechanikai vizsgálatai kapcsán! Részletesen tanulmányozza a szemlencse és környezetének vizsgálati lehetőségeit és az itt kapott eredményeket. 2. Dolgozzon ki többfajta kísérleti elrendezést a szemlencse szöveteinek mechanikai vizsgálatára! 3. Végezze el a biomechanikai kísérleteket és értékelje ki azok eredményét! Mutassa be a tönkremenetel folyamatát! Dr. Kiss Zoltán adjunktus témavezető Dr. Bárány Tamás egyetemi docens tanszékvezető A feladatot jóváhagyom: Dr. Czigány Tibor egyetemi tanár dékán Alulírott a feladatkiírás átvételével egyidejűleg kijelentem, hogy a szakdolgozat feladat előkövetelményeit teljesítettem. Egyúttal tudomásul veszem, hogy ellenkező esetben a feladatkiírás érvényét veszíti. Budapest, február 15. Karakas István Zoltán szigorló hallgató

4 NYILATKOZATOK Elfogadási nyilatkozat Ez a szakdolgozat a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kara által a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra előírt tartalmi és formai követelménynek megfelelően készült. E szakdolgozatot a nyilvános bírálatra és nyilvános előadásra alkalmasnak tartom. A beadás időpontja: témavezető Nyilatkozat az önálló munkáról Alulírott, Karakas István Zoltán (SAKN1D), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Karának hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és sajátkezű aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és dolgozatomban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a hatályos előírásoknak megfelelően, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, 20 szigorló hallgató v

5 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani azoknak, akik lehetővé tették szakdolgozatom elkészítését. Elsősorban témavezetőmnek, Dr. Kiss Zoltánnak, akinek útmutatása nélkül nem készülhetett volna el ez a dolgozat. Továbbá Dr. Sándor Gábornak, a Semmelweis Egyetem Szemészeti Klinika orvosának és Dr. Kovács Norbert Krisztiánnak, a Polimertechnika Tanszék adjunktusának, akik orvosi, illetve gyors prototípusgyártási szaktudásukkal támogatták a munkámat. Utoljára, de nem utolsó sorban szeretném megköszönni szüleimnek, hogy biztos háttér megteremtésével lehetővé tették egyetemi tanulmányaimat. A dolgozat a K számú OTKA kutatási projekt keretén belül készült. vi

6 TARTALOMJEGYZÉK Köszönetnyilvánítás... vi Jelölések jegyzéke... viii 1. Bevezetés Szakirodalmi áttekintés... 3 A szem evolúciója, az emberi szem kialakulása... 3 Az emberi szem felépítése... 5 A szemlencse (lens) A szemlencse felépítése (4. ábra) A szemlencse működése A szem leggyakoribb betegsége, a szürkehályog és annak kezelése A műtét fejlődési lehetőségei - automatizálás Felhasznált anyagok, alkalmazott berendezések Felhasznált alapanyagok Alkalmazott eszközök és berendezések Zwick Z005 szakító berendezés és az erőmérő cella Gyors prototípusgyártás - PolyJet Mérőóra és tartozékai Kísérleti rész Próbatest előkészítése Előkisérletek Koncepció: Szimultán fejlesztés Kiegészítő tesztmérés Nagy mintaszámú mérési sorozat Összefoglalás Felhasznált források Summary Mellékletek vii

7 JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A jegyzék a dolgozatban előforduló jelölések magyar és angol nyelvű elnevezését, valamint fizikai mennyiségek esetén azok mértékegységét tartalmazza. Az egyes mennyiségek jelölése ahol lehetséges megegyezik a hazai és a nemzetközi szakirodalomban elfogadott jelölésekkel. Latin betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység d tüske átmérő mm D tárgyasztal furatátmérő mm p valószínűség - v Lyukasztási sebesség mm/perc Rövidítések Rövidítés HEMA PMMA Megnevezés hidroxil(etil-metakrilát) poli(metil-metakrilát) viii

8 ix

9 1. BEVEZETÉS Talán mindannyian egyetértünk abban, hogy a legfontosabb érzékelési képességünk a látás. Látásunk segítségével tájékozódunk, látásunkkal szerzünk információt - például olvasás segítségével -, de a látás óriási szerepet tölt be a kommunikációban is - például a gesztusok felismerésén keresztül -, illetve a látásra épít a legtöbb bennünket körülevő eszközünk, az egészen egyszerű használati tárgyaktól kezdve a számítástechnikáig. Ebből kifolyólag látásunk az az érzékelési képességünk, amelynek elvesztése a legnagyobb életminőségbeli zuhanást okozza. A látásért felelős érzékszervünk a szem, azonban nagyon érzékeny szerv. Elhelyezkedéséből fakadóan közvetlenül van kitéve minden őt érő mechanikai hatásnak, de szerkezetét illetően rendkívül törékeny, így a szemet érő komolyabb mechanikai hatások akár végleges látásvesztést is okozhatnak. Napjainkban a szemünk épségének óvása azonban sajnos nem elég, hogy a vakságot teljes bizonyossággal elkerülhessük. A szemet érintő leggyakoribb betegség, a szürkehályog minden évben nagyobb és nagyobb méreteket ölt, olyannyira, hogy mára sajnos lassan az öregedés egy olyan velejárójaként tekinthetünk rá, ami az emberek többségét utoléri életük folyamán. A kifejezetten a szemlencsét érintő, hosszútávon teljes vaksághoz vezető betegség kialakulásának pontos folyamata ugyan orvosilag még nem tisztázott teljes mértékben, de műtéti eljárással gyógyítható. Ezzel szemben egyre több ember szenved a szürkehályog által okozott vakság miatt, holott a betegség bármely szakaszában műthető, tehát a már vak betegek is visszakaphatnák a látásukat. Ennek oka, hogy a fejlődő országok csak csekély számú szakképzett szemsebésszel rendelkeznek, így a nyugati országokban alig egy órás rutinműtétnek számító beavatkozáshoz vak emberek tízmilliói nem jutnak hozzá világszerte. A dolgozat célja, a szürkehályog műtét során kritikus fontosságú szerepet betöltő lencsetok mechanikai tulajdonságainak feltérképezésére alkalmas módszer kidolgozása. A lencsetok mechanikai tulajdonságainak pontos ismerete egy lépéssel közelebb vinne bennünket a műtét részbeni, vagy teljes automatizálásához, ami megoldást tudna jelenteni az elmaradottabb egészségügyi helyzettel, vagy orvoshiánnyal küzdő országokban is, illetve segítené a szürkehályogműtétek komplikációinak redukálását. A módszer paramétereinek meghatározása előtt átfogó képet alkotok a szem felépítéséről és működéséről, különös tekintettel a szemlencsére, majd összefoglalom a szürkehályog betegséget és annak gyógyítására szolgáló műtéti eljárást és feltárom annak fejlődési lehetőségeit a lencsetok mechanikai tulajdonságainak ismeretének tükrében. Ezt követően dolgozat kísérleti részében bemutatom sertés szemlencse tokok segítségével kifejlesztett mérési eljárást, annak fejlesztési lépéseit és prezentálom a módszerrel kapott eredményeket. 2

10 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS Ebben a pontban egy átfogó képet szeretnék alkotni a látószervünkről, annak fejlődéséről, felépítéséről, az egyes rétegek működéséről, részletesen kitérve a szemlencsére, illetve annak burkára. A szem evolúciója, az emberi szem kialakulása A szem az élővilág talán legfontosabb érzékszerve, mellyel az élőlények a körülöttük lévő világot tapasztalni tudják. Működése azon alapszik, hogy a környező tárgyakról szóródó fénysugarak a szembe jutva bizonyos reakciót váltanak ki, melyet az adott élőlény értelmezni tud, és annak megfelelően reagálni képes. Ennek segítségével minden élőlény túlélési esélye hatványozottan nő, hiszen így könnyebb a veszély elkerülése, a táplálék felismerése és az irányváltoztatás is [1,2]. A szem, mint érzékszerv a legtöbb élőlényen megtalálható, az egysejtűektől a ragadozó madarakig, ennek megfelelően az evolúció során több fajtája alakult ki. A legkezdetlegesebbek a fényérzékelő sejtek, melyek leggyakrabban lokálosan dúsulva szemfoltot alkotnak az élőlényen - mint a zöld szemes ostoros esetén -, vagy szétszórtan helyezkednek el az élőlény testén és így könnyítik annak tájékozódását - földi giliszta -. Mivel a szem kezdetleges formája is rendkívül fontos érzékszerv volt, így a következő evolúciós lépés a védelmet szolgálta. A fényérzékelő sejtek besüllyedtek egy hámsejtekből vagy pigment sejtekből álló gödörbe, így védettebb helyre kerültek. Az így kialakult szerv a kehelyszem, ezzel rendelkeznek a kagylók (1. ábra a, és b, kép) [2,3]. A további fejlődés során a szemgödör tovább mélyült és lassan felvette a jól ismert gömb alakot. Az így keletkezett gömbsüvegen elhelyezkedő fényérzékelő sejtek már képesek volt a fény irányának a meghatározására is, továbbá lehetőséget biztosított, hogy a fényérzékelést felváltsa a képlátás. Ezt segítette elő az első szemlencsék megjelenése is, amelyek kezdeti formái csupán egy átlátszó hártyát jelentettek. Ezen hártya azonban képes volt lezárni, az addig még mindig nyitott szemkelyhet, így további védelmi funkciót töltött be, valamint megjelentek az első optikai feladatai is, mely első ízben a fény ártalmas tartományának kiszűrése volt (1. ábra c, és d, kép) [1]. A szem további fejlődésével leginkább a szemlencse fejlődött. Kezdetben ez csak több réteg hártyát jelentett, majd a hártyák közötti űrben megjelent az áttetsző cristallin fehérje és a szemlencse elnyerte tényleges lencse alakját, melynek kedvező optikai tulajdonságainak hála az élőlények már rosszabb fényviszonyok mellett is képesek voltak látni, mivel a szemlencse képes volt fókuszálni a fényt, illetve nőtt a látószög is (1. ábra e, kép) [1]. 3

11 1. ábra A fejlett lencsés szem kialakulásának evolúciós lépései [4] A szem evolúciójának utolsó szakaszában megjelenik a szaruhártya, illetve a szivárványhártya, melyek a szemlencse előtt helyezkednek el. Megjelenésük segítségével tovább javultak a szem fénytörési kepeségei és változtathatóvá vált a beengedni kívánt fény mennyisége is. Az élőlények látószervei általánosan nagyobbak lettek, ezen túl fejlődött a szem vérellátása is. A szemlencse mellett megjelentek izmok, melyek a rugalmas szemlencse torzítására lettek képesek, így változtatni tudták annak fókusztávolságát. Így alakult ki a mi szemünk is, a fejlett lencsés szem (1. ábra f, kép) [1,2]. A szem, mint érzékszerv annyira hasznos a túlélés szempontjából, hogy az első fényérzékelő sejtek megjelenésétől - a kutatók legpesszimistább becslései szerint is - mindössze generáció kellett a fejlett lencsés szem kialakulásáig, amely evolúciós léptékben rendkívül gyors folyamatnak számít [5]. 4

12 Az emberi szem felépítése Amikor az emberi szemről beszélünk, akkor legtöbbször a szemgolyóra (bulbus oculi) gondolunk, holott a teljes látószervünkhöz hozzátartozik még a szemideg (nervus et tractus optici) és a szem egyéb járulékos szervei, mint a szemmozgató izmok (musculi bulbi), könnykészülék és a szem védőkészüléke (palpebrae et tunica conjunctiva) [6]. A szemgolyó (oculus, bulbus oculi) a szorosan vett látószerv. Lényegében mintegy 24 mm átmérőjű, gömb alakú test, felülről lefelé kismértékben (kb. 0,5 mmrel) összelapított. [6]. Belső szerkezetét tekintve rétegelt, melyet három főbb burok és az őket kitöltő szintén több részből álló szemmag alkot (3. ábra) [6-8]. Az első réteg a szem külső rostos burka (tunica fibrosa bulbi), amely egy szintén két részre tagolódik. A nagyobb hátsó, ínszerű rész az ínhártya (sclera). Ez a réteg adja a szem fehér részét, amely az azt alkotó kollagén rostoknak köszönhető. A külső burok elülső megkülönböztetett része pedig a szaruhártya (cornea), amely egy 13 mm átmérőjű gömbsüvegként kissé kidomborodik a szemgolyóból. A szaruhártya a külső behatásoknak erősen kitett szerv, védelméért és tisztulásáért a szem védőkészülékei (szemhéjak), illetve a könnykészülékek felelősek. Ezen túl a szaruhártya az első olyan réteg a szemben, amely a látásfolyamatát elősegítő optikai tulajdonságokkal is bír, teljesen áttetsző, a szem egyik fénytörő közegeként is funkcionál, törésmutatója 1,376 (2. ábra a kép) [6-8]. A középső burok (tunica vasculosa bulbi) három részre tagolható. Hátulról előrefelé haladva az első az érhártya (choroidea). Az érhártya felelős a szemgolyó keringésének fenntartásáért, ezt jól mutatja az is, hogy az érhártya hajszálerekkel legsűrűbben szőtt réteg az emberi szervezetben. Az érhártya mentén előre haladva a középső burok következő egysége a sugártest (corpus ciliare). A sugártest egy simaizom gyűrű, amelynek elsődleges feladata, hogy a hozzá kapcsolódó lencsefüggesztő rostok (zonula ciliaris) segítségével változtatni tudja a rugalmas szemlencse alakját, így annak törőképességét, azaz a sugártest segítségével tudunk fókuszálni (ezt a folyamatot részletesebben tárgyaljuk a A szemlencse működése fejezet alatt). A középső burok elülső része a szivárványhártya (iris). A szivárványhártya egy pigmentekben rendkívül gazdag, gyűrűformájú lemez. A közepén található kör alakú nyílás a pupilla, amelynek átmérője - a fényviszonyok függvényében - erősen változó, középátmérője 4-5 mm. Tehát a szivárványhártya és annak hátsó felén elhelyezkedő pupillatágító és pupillaszűkítő izmok együttesen képesek szabályozni a szembe jutó fény mennyiségét (2. ábra b kép) [6,7,9]. 5

13 2. ábra A szem burkai, a: külső burok, b: külső és középső burok, c: külső, középső és belső burok [9] A szem belső burka az ideghártya vagy retina. Az ideghártya egy kettős falú kehely, melynek külső rétege pigmentekben gazdag hámréteg, aminek funkciója, hogy kizárja a szembe a szemlencsén kívül máshonnan érkező fényt. A belső réteg a szemgolyó belső felületének hátulsó kétharmadát fedő fotoreceptorokat (pálcikák és csapok) tartalmazó gömbhéj. Az erre a rétegre fokuszálódó fény váltja ki azt az ingert, amit a retinában található pálcikák és csapok elektrokémiai jellé alakítanak, majd a közvetlenül a retinához csatlakozó látóidegen keresztül továbbítanak az agyba, ahol megtörténik a képalkotás. Az ideghártya felületének két kitüntetett pontja is van, az egyik a sárgafolt, amelyen belül található a látógödör. Az ideghártya ezen pontja tartalmazza a legtöbb fotoreceptort, így ez a pont felelős az éleslátásért. A másik kitüntetett pont a vakfolt, vagy látóidegfő. A vakfolt azt a pontot jelenti, ahol a látóideg kilép a szemgolyóból. Ezen a ponton az ideghártya nem tartalmaz sem csapokat, sem pálcikákat, így az ide érkező fényt nem érzékeljük. A látóidegen keresztül továbbított képet azonban az agyunk kiegészíti, így jöhet létre a teljes kép, amit végül látásnak nevezünk [7,8,10]. A szem belső része, a szem magva, amelynek belső nyomásának köszönhetően tartja a szem a közel gömb alakját, ez a nyomás átlagosan 20 mmhg, ami közelítőleg Pa. A szemmag alkotói a szemcsarnokok (camera bulbi), a lencse (lens) és az üvegtest (corpus vitreum) [6,8,10]. 6

14 3. ábra Az emberi szemgolyó teljes felépítése [11] A szemcsarnokoknak a szaruhártya és a szemlencse közötti területet nevezzük, a melyet a szivárványhártya oszt ketté elülső és hátulsó szemcsarnokká. A szemcsarnokokat kitöltő víztisztaságú folyadék neve csarnokvíz (humor aquosus), melynek termeléséért a sugártest felelős. A szemcsarnokokban található csarnokvíznek a belső nyomás fenntartásán kívül más feladata is van. A szervezetünk a csarnokvízen keresztül oldja meg a szem azon részeinek anyagcseréjét, amelyet nem táplálnak erek. Ezen kívül a csarnokvíznek fontos optikai feladatai vannak. A csarnokvíz megtöri a beérkező fényt - törésmutatója 1,336 -, illetve a csarnokvíz biztosítja közvetett módon a nyomása által - az állandó távolságot a szaruhártya és a szemlencse között [6,8,10]. A szemmag nagyobbik része az üvegtest (corpus vitreum). Az üvegtest egy optikailag teljesen átlátszó kocsonyás amorf anyag. Elölről egy vékony hártya választja el a szemlencse mögött a szemcsarnokoktól és egészen az ideghártyáig tart, ahol semmi nem határolja. Összetételét tekintve több mint 98%-ban víz, funkciója pedig a szemlencse és az ideghártya közötti állandó távolság, illetve a szem alakjának biztosítása [6, 7]. 7

15 A szemlencse (lens) A szemlencse felépítése (4. ábra) A szemlencse a fejlett lencsés szem egyik legfontosabb alkotórésze, nélküle nem valósulhatna meg az éleslátás, a távolság és a térérzékelés sem. Geometriáját tekintve egy 9 mm átmérőjű bikonvex lencséről beszélhetünk, melynek elülső részének görbületi sugara nagyobb, mint a hátulsó részé. Anatómiai felépítését illetően három fő részre tagolható [6,7]. 4. ábra A szemlencse felépítése [9] A külső réteg, a lencsetok (capsula lentis) egy vékony homogén réteg, amely teljesen körbezárja a szemlencsét. Optikai szempontból teljesen átlátszó, vastagsága széles tartományban változó. A lencsetok a lencse elülső falán vastagabb, 8,2 +/- 5,5 mikrométer hátulsó falán pedig vékonyabb 6,3 +/- 2,2 mikrométer -, ezzel az emberi szervezet legvékonyabb hártyája. A legvastagabb része a szemlencse elülső és hátulsó görbületének találkozási éle mentén található, ezt a körgyűrűt nevezzük a szemlencse egyenlítőjének. Az egyenlítő menti nagyobb vastagság oka, hogy ezen a ponton csatlakoznak a szemlencséhez a lencsefüggesztő rostok, melyeknek funkcióit a következő fejezetben részletesen tárgyaljuk. A lencsetok IV. típusú kollagénből, illetve proteoglycanokból áll. Mivel a IV. típusú kollagén méhsejtszerű hatszögletes nanoszerkezetet mutat, így az ebből felépülő membrán a vastagságához képest rendkívül jól terhelhető és rugalmas lesz. Ennek a szerkezetnek köszönhető a lencsetok nagymértékű alakváltoztató képessége és rugalmassága (5. ábra és 6. ábra) [6,9,11-13]. 8

16 5. ábra IV. típusú kollagén szerkezete [12] 6. ábra IV. típusú kollagén rács terheletlen, majd terhelt állapotban [12] A lencsetok alatt található a lencse mag része, amely két részre tagolódik. A külső vékony réteg a lencsehám, amely a fejlődéskori embrionális lencsehólyag maradványa. A második az ez alatt található réteg, melyet a lencserostok alkotnak. Mind a lencsehám, mind a lencserostok igen hosszú 7-10 mikrométer hosszú, 8-10 mikrométer széles és 2 mikrométer vastag, hasáb, vagy szalagszerűen megnyúlt hámsejtek alkotják. Ezek a rostok rendkívül szorosan kapcsolódnak egymáshoz, a szemlencse elülső részében egy fekvő, a hátulsó részében pedig egy álló Y formát képezve fonódnak össze, ezzel egy varratszerű vonalrendszert alkotnak. Ennek a rendszernek az eredménye a lencse teljes tartományában kialakuló úgynevezett lencsecsillag orientáció, ami nagymértékben hozzájárul a szemlencse optikai képességeihez (7. ábra). Ezen túl a lencserostokat alkotó hámsejtek a szervezet legnagyobb fehérjetartalmú (60%) sejtjei. A bennük található fehérje a cristallin. A lencserostok optikai tulajdonságait a bennük található cristallin eredményezi. Az egymás mellett található rostok cristallin tartalma közel azonos, azonban a szemlencse teljes tartományában változik, 15% és 70% koncentráció között. Ennek következtében a lencse középpontjában a lencse törésmutatója 1,50, míg a széleken 1,38. Így képes az emberi szemlencse kiküszöbölni azokat, a lencsék fénytörésénél fellépő optikai hibákat, melyeket a mesterséges lencsék nem képesek, mint például a szférikus aberráció, vagy a kromatikus aberráció [6,9,11]. 9

17 7. ábra A lencsecsillag orientáció [11] A szemlencse működése A szemlencse működése alatt a szemlencse alakváltoztatását értjük, amelynek célja az, hogy a szembe jutó, a szem optikai közegein áthaladó és megtörő fényt a lencse pontosan arra a pontra fókuszálja, ahol a fotoreceptorok a legsűrűbben helyezkednek el és így megszülessen az éleslátás. Ezt az alakváltozást azonban a szemlencse nem önállóan éri el, hanem a lencse függesztőkészülékén, illetve a sugártesten keresztül [6,14,15]. A lencse függesztőkészüléke a lencsefüggesztő rostok, más néven zonulák (fibrae zonulares), melyek a sugártestből erednek és a lencséhez egyenlítőjénél csatlakoznak (8. ábra). Nem alkotnak összefüggő szövetet, 30 és 45 mikrométer között változó vastagságú és 1,5 milliméter hosszúságú rost szálakról beszélhetünk [11,16,17]. 8. ábra Lencsefüggesztő rostok elektronmikroszkópos képe, CB: Sugártest, Z: lencsefüggesztő rostok, L: Lencse [16] 10

18 A lencsefüggesztő rostok azonban csak passzívan vesznek részt a lencse görbületének változtatásában. A tényleges mozgatást a sugártest végzi, amely egy simaizom gyűrű a szem középső burkának elülső felén. Távolra nézés esetén a sugártest ellazul, akkor a lencsefüggesztő rostok megfeszülnek. A rájuk ható erő megfeszíti a lencsetokot, ami végül azt eredményezi, hogy a szemlencse görbületi sugarai lecsökkenek, a lencse elkeskenyedik, a fókusztávolság pedig megnő. Közelre nézés esetén a folyamat fordított, a sugártest megfeszül, ennek következtében a simaizom gyűrű belső keresztmetszete csökken, a lencsefüggesztő rostok pedig ellazulnak. A feszítő hatás megszűnésével a lencsetok rugalmasságából fakadóan vissza kívánja nyerni az eredeti, gömbölyűbb formáját, ennek következtében a lencse akkomodál, azaz megvastagodik és a fókusztávolság lecsökken (9. ábra) [9,10,11,14]. 9. ábra A szemlencse működése [10] A szemlencse működési leírásából jól látszik, hogy a lencsetok elengedhetetlen résztvevője a fókuszálásnak, így az éleslátásnak. A zonulákkal ellentétben nem csak passzív, hanem aktív résztvevő. Anyagszerkezetéből fakadó rugalmasságán keresztül a lencsetok határozza meg a lencse éppen felvett alakját, mivel az általa határolt lencse mag és az azt alkotó lencserostok külső hatásra alakváltozni képesek. Azonban nem elasztikus tulajdonságúak, így önmaguktól nem képesek rendezett alakot ölteni és a terhelés megszűnése után újra visszatérni abba [6,11]. 11

19 A szem leggyakoribb betegsége, a szürkehályog és annak kezelése A szem leggyakoribb megbetegedés a szürkehályog (cataracta), amely kifejezetten a szemlencsét érinti az egyik, vagy akár mindkét szemen. A szürkehályog mára sajnos mondhatjuk, hogy népbetegség, amit az mutat legjobban, hogy a vakságok 51%-ának hátterében ez a megbetegedés áll, ez több mint 20 millió vak beteget jelent világszerte. Ezen túl a látássérült betegek 33%-a is a szürkehályoggal küzd [18,19]. 10. ábra Az egészséges és a szürkehályoggal sújtott emberi szem [10] Szürkehályog alatt a szemlencse elszürkülését értjük, aminek a hátterében a lencserostok fehérjetartalmának kicsapódása, így a fényáteresztő képesség csökkenése, idővel megszűnése áll, de a teljes folyamat végbemenetele orvosilag még nem tisztázott. A páciens a megbetegedés alatt fájdalommentes látásvesztést tapasztal. Kialakulása során tipikus tünetei a homályos látás, a színek tompulása, térérzékelés elvesztése, kettős látás kialakulása, végül vakság. Kialakulásának leggyakoribb oka az öregedés. Statisztikák alapján a 80. életévét betöltöttek több mint fele küzd szürkehályoggal. Az öregkori szürkehályog kialakulása mögött a lencserostok természetes degradációja, dehitratálódása áll. Szürkehályog kiváltó oka lehet még trauma, amely a lencsetok felszakadását eredményezi. Ekkor a csarnokvíz közvetlenül érintkezik a lencserostokkal, amik ennek hatására megduzzadnak és elfehérednek. Más, nem mechanikai külső hatások is vezethetnek szürkehályog kialakulásához, mint például nagy erejű áramütés, vagy villámcsapás, vagy sugárzások, mint például mikrohullámú sugárzás, röntgensugárzás, vagy a napból származó UV-B sugárzás, ami az afrikai szürkehályog megbetegedések kialakulásának egyik fő oka. Ezeken kívül sajnos egyes betegségek, de még gyógyszerek is okozhatnak szürkehályogot, illetve az utóbbi évek kutatásai szerint a dohányzás és alkoholfogyasztás is emeli kialakulásának kockázatát [9, 10, 11, 18, 20-22]. 12

20 A szürkehályog azonban nem maradéktalanul ugyan, de műtét segítségével gyógyítható. A műtét eljárás alapvető célja az elszürkült szemlencse eltávolítása, így a fény útjának szabaddá tétele az írisz irányába. Ez a műtéti eljárás valószínűleg az egyik legrégebben végzett orvosi beavatkozás, már az időszámításunk szerinti első századból is találtak erre utaló feljegyzéseket. A szürkehályogműtétek jelenlegi formájukat azonban csak a 40-es évektől öltötték fel, amikor Harold Ridley bemutatta az első intraokuláris lencsével végzett szürkehályog műtétet, ahol már nem a teljes lencse, csak a lencse magja, illetve a lencsetok elülső részének egy darabja kerül eltávolításra. Eddig a műtéti eljárásig a szemlencse eltávolítása után a annak fénytörő funkcióját egy külső lencsével helyettesítették, de a Ridley féle műtét lehetővé tette, hogy a kioperált szemlencse helyére egy műlencse implantátumot helyezzenek, ami közvetlenül veszi át a szemlencse funkcióját, annak eredeti tokjába ülve [18, 22, 23]. Az eljárás természetesen azóta is évről-évre kifinomultabbá vált, a legkorszerűbb műtétek során ultrahanggal zúzzák össze a beteg szemlencse belső tartományát, ezért már nincs is szükség a szem felnyitására, csupán egy néhány milliméteres bemetszésre, amin keresztül a sebészek képesek eltávolítani a régi lencse maradványait és behelyezni az új orvosi polimer lencsét. A behelyezett intraokuláris műlencse alapanyagai legtöbbször akrilátok (HEMA, PMMA), a kiváló optikai tulajdonságai miatt. Az ilyen típusú műtétek mára rutin beavatkozássá váltak, melyek komplikációmentességi aránya 98% fölötti. A műtétet altatás nélkül, helyi érzéstelenítéssel egy sebész képes elvégezni és a teljes beavatkozás 1 óránál nem vesz több időt igénybe. A beteg szempontjából is kedvező műtétnek mondható, mivel már a beavatkozást követő órákban hazamehet és a kisméretű bemetszésnek köszönhetően a lábadozási idő mindössze 2-3 nap. A szürkehályog műtét további pozitívuma, hogy mivel a betegség csak is a szemlencse rostjait érinti, amely a műtét során úgy is eltávolításra kerül, így a betegség bármely szakaszában elvégezhető az operáció, akár a vakság beálltát évekkel követően. (11. ábra) [10, 18, 22, 24, 25]. 13

21 11. ábra Korszerű szürkehályog műtét főbb lépései 10] A szürkehályog műtétek egyik problémája, hogy a beavatkozás után a beültet műlencse nem tud, vagy csak nagyon kis mértékben tud akkomodálódni, tehát a páciens látása fix fókuszú lesz. Az alkalmazott fix fókusztávolság azonban a mindennapi élet során végzett tevékenységek túlnyomó többségéhez alkalmas, egyedül a nagyon közeli tartományban van szükség a fénytörés korrigálása, amelyet a paciens egy olvasószemüveg segítségével tehet meg. Kísérleti stádiumban vannak azonban az olyan típusú intraokuláris lencsék, melyek beültetés után kapcsolódnak az eltávolított szemlencse burkához, azon keresztül a zonulákhoz és a sugártesthez, vagy is képesek az akkomodálódásra. Az ilyen típusú intraokuláris lencse implantátumok jelentenék a szürkehályog maradéktalanul gyógyíthatóságát [22, 26, 27] A műtét fejlődési lehetőségei - automatizálás A nagymértékű orvostechnikai fejlődés és a kiváló komplikációmentes műtétek aránya ellenére a szürkehályoggal küzdő betegek száma egyre nő, akiknek túlnyomó többsége meg is vakul a betegség következtében. Ennek az oka, hogy a technológia rendelkezésünkre áll ugyan, de a - nyugati országokkal ellentétben - fejlődő országokba még nem jutott el, nincs szakképzett orvos, aki elvégezze azt, vagy a lakosság nem tudja magának megengedni a műtétet. A beavatkozás legdrágább eleme a szemsebész, aki elvégzi azt, így az eljárás részleges, vagy 14

22 esetleges teljes automatizálása megoldást tudna jelenteni erre a problémára. Ezen túl az automatizálás segítené az emberi faktor kiküszöbölését is, ezzel tovább javíthatna a műtét sikerességi arányán. Az automatizálás mellett szólhat az is, hogy a műtét egyik legkritikusabb fázisa, hogy a lencsetok elülső részét sebészeti úton el kell távolítani. Ezt az orvos kézzel végzi, úgynevezett hasításos technikával (rhexis), amely során egy kisebb bemetszést követően a lencsetok elülső részén spirálszerűen - kör alakú nyílást szakít, amin keresztül a lencserostok eltávolíthatók és az új lencse behelyezhető. Ennek a módszernek az alternatívájaként jelent meg a femtoszekundumos lézeres vágás. A femtoszekundumos lézer robotkarra szerelve rendkívül pontosan vezérelhető és az azzal történő beavatkozós jól automatizálható is, a mérési eredmények azonban azt mutatják, hogy a lézer apró, másodpercenként kibocsájtott impulzusai megégetik és egyeletlenné teszik a lencsetok vágás menti élét (12. ábra). A további mérések kimutatták, hogy a lézeres eljárással vágott lencsetok mechanikailag kevésbé ellenálló, illetve elasztikus tulajdonságából is veszít, tehát kedvezőtlen eljárás a hasításos módszerrel szemben [18, 22, 28, 29]. 12. ábra Eltávolított lencsetok élének elektronmikroszkópos képe, A: Hasításos módszerrel eltávolított lencsetok, B: Femtoszekundumos lézerrel vágott lencsetok [28] A lencsetok a lézeres vágást követően mechanikai gyengülése veszélyes lehet, hiszen a műtét további szakaszában nagy terhelésnek van kitéve. Először az ultrahanggal összezúzott lencserostok eltávolításakor, majd ezt követően a szemben maradó lencsetok belső felületének polírozásakor, végül a műlencse beültetésekor is erős külső hatás éri. Továbbá a lencsetok anyagszerkezetéből fakadóan könnyen hasad, ezt használják ki az orvosok a hasításos módszer esetén. A lézeres vágás után az impulzusok helyei esetleges feszültséggyűjtő pontokként viselkedhetnek és egy kezdődő hasadás forrásai lehetnek [22, 28]. 15

23 Tehát az orvostechnika jelen állása alapján a lencsetokot érintő beavatkozások legmegfelelőbb módja a klasszikus, a lencsetok szerkezetén alapuló hasításos módszer. Így a szürkehályog műtétek automatizálásához vezető út a lencsetok mechanikai tulajdonságainak pontos feltérképezésén keresztül vezet, különös tekintettel a lencsetok szakadékonyságának meghatározására. A teljes automatizálás megvalósulása természetesen egy távoli cél, de a lencsetok mechanikai tulajdonságainak ismerete addig is nagymértékben tudna hozzájárulni az orvosok munkájához. Ugyan a komplikációval járó műtétek aránya így is nagyon kicsi, mindösszesen 2%, de ha a lencsetok mechanikai vizsgálatai esetleges összefüggéseket tudnának feltárni a paciensek kórtörténetével - korábbi betegségekkel, sérülésekkel - kapcsolatban, akkor ez az arány még alacsonyabb lehetne, hiszen az orvos már a fokozott kockázat ismeretében látna hozzá a műtéthez. Szükség van tehát egy megfelelő mérési eljárásra kifejlesztésére, amellyel feltérképezhetjük a lencsetok mechanikai tulajdonságait [18]. A lencsetok mechanikai tulajdonságainak vizsgálatához a roncsolásos vizsgálatok közé tartozó lyukasztásos módszert alkalmazom, amely során a vékony, membránszerű darabot esetünkben a lencsetokot egy sík felületre helyezzük és egy tüske segítségével kilyukasztjuk azt. A dolgozat további részeiben ezen eljáráshoz szükséges berendezések, illetve alapanyag bemutatását és az eljárás fejlesztését tárgyalom. 16

24 3. FELHASZNÁLT ANYAGOK, ALKALMAZOTT BERENDEZÉSEK Ebben a fejezetben bemutatom a kifejleszteni kívánt lyukasztásos vizsgálathoz szükséges alapanyagokat és berendezéseket, azok működésének alapját. Felhasznált alapanyagok Sertésszem: Az emberi szem, illetve az emberi lencsetok tulajdonságainak vizsgálatára nyilvánvalóan az emberi szem és annak részei lennének a legalkalmasabbak. Beszerzésük azonban komoly problémát vet fel, mivel az olyan paciensek száma, akik kutatási célokra ajánlják fel a szerveiket véges, a méréseimhez pedig egyszerre viszonylag nagyszámú mintára van szükségem, amelyekkel meg tudom határozni a mérési eljárás helyes paramétereit. Az orvosi kutatási eredmények azonban azt mutatják, hogy a lencsetok anatómiai felépítése, szerkezete, illetve a geometriai jellemzői is túlnyomó részt megegyeznek a legtöbb gerinces állatnál. Ez különösen igaz, ha az emberi szemlencse tokját a majom, vagy sertés lencsetokkal hasonlítjuk össze [13, 30]. Alapanyagul tehát sertésszemeket választottam. Összesen 50 szem került felhasználásra a kísérletek alatt a mérési paraméterek meghatározásához, melyeket több ízben szereztem be az albertirsai vágóhídról. Az állatok, melyektől a szemek származnak mind 6-7 hónapos sertések voltak, tömegük kg közé esett. Mondhatjuk, hogy biológiai szempontból az állatok azonos paraméterekkel rendelkeztek, tehát a megfelelő módszerrel közel azonos mérési eredményeket várhatunk a lencsetok mérések során. A sertésszemek szállítása a vágóhídról hűtőtáskában történt, +4 és +6 C hőmérséklettartományban és 90 percet vett igénybe. Preparálásukat és mérésüket a lehető leghamarabb végeztem el, a biológiai degradáció kiküszöbölése miatt, ugyan is hosszú távú tárolásukra, fagyasztásukra nincs lehetőség, mivel a fagyás során a szövetek víztartalmából kialakuló jégkristályok roncsolják a sejteket, ennek következtében a kiolvasztást követő mérés félrevezető eredményeket hozna. A sertésszemek preparálását a 4.1 Próbatest előkészítése pont alatt bővebben tárgyalom. 17

25 Alkalmazott eszközök és berendezések Zwick Z005 szakító berendezés és az erőmérő cella Egy test mechanikai tulajdonságainak meghatározására egyik leggyakrabban alkalmazott módszer a roncsolásos anyagvizsgálat. Ennek az egyik eszköze a szakító berendezés, amellyel többek között végezhető szakítás, hajlítás és lyukasztás is. A szakító berendezések általános feladata, hogy a benne található horizontálisan elhelyezkedő rudat - a keresztfejet adott sebességgel fel, illetve lefelé mozgassa. Ez a mozgatás történhet mechanikus úton, menetes orsók segítségével, vagy hidraulikus úton, munkahengerek segítségével. Általános esetben a mérés során a próbatest a gépállványhoz, illetve a keresztfejhez rögzített befogókban található, tehát a keresztfej mozgatásával terhelés éri. A folyamat közben a keresztfej elmozdulását rögzítjük, így a mérés végeztével tisztában leszünk a próbatest által elszenvedett alakváltozással. Ahhoz, hogy ez megvalósulhasson, a szakítógépnek képesnek kell lennie kellően nagy erőt elég gyorsan, vagy éppen elég lassan kifejtenie, továbbá a keresztfej mozgatásának pontossága és a mozgás rögzítésének precizitása is alapvető fontosságú (13. ábra) [31]. 13. ábra Szakító berendezés erőmérő cellával és befogóval 18

26 Ezt a berendezést kiegészíthetjük egy erőmérő cellával. Az erőmérő cella az azt érő terhelést elektromos jellé alakítja. Felépítését tekintve egy rugalmas alakváltozást szenvedő fém testből és az annak a felületére helyett, különböző irányban álló nyúlásmérő bélyegekből áll, melyek alakváltozás hatására változtatják a villamos ellenállásukat. Ha ezt a berendezést a keresztfej és a befogó közé szereljük, akkor információt kaphatunk arról, hogy mekkora erőhatás éri az adott próbatestet a mérés során (14. ábra) [32]. 14. ábra Erőmérő cella Az általam a lyukasztáshoz alkalmazott szakítógép egy német gyártmányú Zwick Z005 típusú univerzális számítógép vezérelt berendezés, melynek keresztfej mozgatási sebesség tartománya 0,0005 és 3000 mm/perc között van. A szakító berendezésre egy rendkívül érzékeny erőmérő cella került felszerelésre, melynek maximális terhelhetősége 20 N, érzékenysége pedig 0,00001 N. A vezérlést egy személyi számítógép, illetve a Zwick TestXpert 11.0 segédprogramon keresztül végeztem. A szakító berendezést ezen felül egy, az erőmérő cella alá felszerelt mechanikus befogóval, továbbá egyedi, a mintadarabokhoz tervezett befogókészülékkel, illetve tüskével láttam el, aminek kialakítását és további részleteit a ban részletesen tárgyalunk. 19

27 Gyors prototípusgyártás - PolyJet Napjainkban a 3D tervezőprogramok már elengedhetetlenek egy alkatrész fejlesztése során. Ezek a programok képesek egy térbeli modell megjelenítésére, szemléltetésére, sőt, bizonyos programok még egy-egy mechanikai vizsgálatot is képesek lefuttatni a modellen, de a kész alkatrészen, prototípuson végzett teszteket nem tudják teljes mértékben helyettesíteni. A prototípusgyártás a hagyományos lebontó eljárásokkal - például forgácsolással azonban igen költséges és lassú folyamat. Ezt a problémát orvosolva jelentek meg a 80-as években az úgynevezett gyors prototípusgyártó berendezések, melyek a hagyományos eljárásokkal szemben nem lebontók, hanem additívak, azaz anyag hozzáadása útján hozzák létre a mintadarabot [33]. Mára a gyors prototípusgyártó berendezéseknek több fajtája is létezik. Széles anyagválasztékkal rendelkező technológia, amit az is jól mutat, hogy ha csak alapanyag szerint csoportosítjuk őket, akkor találunk olyan eljárást, ami lapokból, olyat, ami részecskékből és olyat is, ami felvitt folyadékrétegekből állítja elő a kész darabot, de a hasonló alapanyagú eljárások között is lehet komoly technológiai eltérés. Az eljárások közös pontja a berendezések által elfogadott fájl formátum, ami nem más, mint az STL fájl. Ez a 3D modellből leképezhető fájl, ami a modell felszínét apró háromszögekre osztja és az így kapott háromszögek csúcsainak koordinátáit rögzíti x, y, z irányban -, valamint a háromszöghöz tartozó normálvektor irányát. Ennek a fájlformátumnak az előnye, hogy gyors és egyszerű módja a geometriai adatok adatfájlba való transzformálásának, hátránya viszont, hogy a háromszögekre osztás miatt megjelenik az úgynevezett húrhiba, ami a lekerekített felületek mentén jelentkezik. A húrhiba jelentése a legnagyobb távolság a valós kontúr és a generált háromszögek kontúrja között (15. ábra) [33]. 15. ábra Húrhiba jelentése, H: húrhiba [33] 20

28 A gyors prototípusgyártó berendezések további közös pontja, hogy a darabot egymáshoz illesztett horizontális síkszeletekből építik fel. Tehát ezek az eljárások nem folyamatos gyártástechnológiák, több lépcsős eljárásokról beszélünk. A berendezés egyidejűleg csak egy sík réteget nyomtat ki, majd annak megszilárdulását követően viszi fel arra a következő réteget és így tovább, amíg el nem éri a munkadarab legfelső síkját. A rétegeket alkotó alapanyag, a rétegek építési ideje, továbbá a rétegvastagság a gyors prototípusgyártás legfontosabb paraméterei [33]. A PolyJet eljárás egy viszonylag új keletű gyors prototípusgyártó technológia, melyet az Object Geometries cég fejlesztett ki. Alapanyaga folyékony halmazállapotú műgyanta. Az eljárás során a mozgó nyomtatófejek mikrométer vastagságú műgyanta réteget visznek fel, amelyek a szintén a nyomtatófejben található UV lámpa fényének hatására szilárdulnak meg. Ezt követően a munkatér lesüllyed, a nyomtatófejek újabb réteget visznek fel, ami ismét megszilárdul és így tovább. A nyomtatófejek kopásából, vagy más hibából fakadó egyenetlenségek kiküszöbölését a simítópenge végzi, amely az éppen legyártott réteg felett elhaladva elsimítja azt. A PolyJet eljárás a legtöbb gyors prototípusgyártó eljárás előnyét ötvözi, gyorsabb, pontosabb és olcsóbb, mint a legtöbb hasonló technológia, a teljes modell pontossága akár +/- 0,005 mm is lehet, így jóval kisebb húrhibával dolgozik, mint a hasonló eljárások, ami a lyukasztótüske esetében különösen fontos lesz. Egyetlen hátránya, hogy a támaszanyagot - amely a még félkész, esetleg levegőben lógó alkatrész térbeli fixálásáért felelős a nyomtatás alatt a gép szintén külön nyomtatófejből rétegenként viszi fel, így az alapanyag igényes és növeli a darab elkészülési idejét is. A támaszanyag vízben oldható, a darab elkészülte után mosással eltávolítható (16. ábra) [33]. 16. ábra PolyJet eljárás [33] 21

29 A PolyJet technológiát a szakító berendezés egyedi befogóinak és a lyukasztást végző tüske legyártásához alkalmaztam. A felhasznált berendezés egy Object Geometries által gyártott Alaris 30 típusú PolyJet gyors prototípusgyártó berendezés volt. A berendezés által gyártott darab rétegvastagsága 0,028 mm, építési sebessége 6 mm/óra. A gyártási folyamat közben használt alapanyagok FullCure 835 modell anyag és FullCure 705 támaszanyag (17. ábra). 17. ábra Alaris 30 típusú 3D nyomtató [34] Mérőóra és tartozékai A mérőóra, vagy indikátoróra egy hosszmérésre alkalmas méréstechnikai berendezés. A mérőcsúcs, vagy más néven a mérőóra tapintója érintkezik a mérendő felülettel, amely a mérőcsapon keresztül egy fogaskerekes áttételen át, egy rugós karhoz, majd azon keresztül egy mutatóhoz kapcsolódik. A mutató jelzi a tapintó jelenlegi pozícióját az eredetileg felvett 0 ponthoz képest. Ezért ha a mérőóra alatt elhelyezett próbatestet mozgatjuk, a mérőóra kiválóan alkalmas lesz a felületi egyenetlenségek, vagy forgástestek szimmetriai hibáinak a kimutatására. Mára a mutatós kijelzésű mérőórákat felváltották a digitális kijelzésűek, melyek még nagyobb leolvasási pontosságot biztosítanak (18. ábra) [32, 35]. 22

30 18. ábra Klasszikus mérőóra a) elölnézeti képe b) belső szerkezete [35] A mérőóra mérési pontossága nagyban függ a mérési körülményektől, legfőképpen a tapintó, illetve a mérőcsap és a mérendő darab felülete közötti merőlegességtől. A merőlegesség biztosítása érdekében a mérőórához állványt, illetve mérősíkot alkalmazunk. A mérőóra állvány egy mágneses talppal ellátott rudakból és rögzíthető csuklókból álló készülék, mely tartalmaz egy szintén rögzíthető kengyelt is a mérőóra befogásához. A csuklók és rudak megfelelő beállításával elérhető, hogy a mérőcsap pontosan merőleges legyen a mérendő felületre. Azt, hogy a mérendő darab egy teljesen sík felületen helyezkedjen el, egy mérősík segítségével érjük el. A mérősík egy legtöbbször fémből esetleg kerámiából - készült pontosan síkba köszörült felület, amelyre a mérőóra állvány mágneses talpa felerősíthető [32]. 23

31 19. ábra Mérőórából, mérőóra állványból és mérősíkból álló mérési elrendezés A mérőórából, annak állványából és a mérősíkból álló mérési elrendezés alkalmas a mérősík és a mérőóra tapintója közötti távolság pontos meghatározására. Tehát ha a fenti elrendezésbe egy síkszerű testet helyezünk, akkor megállapíthatjuk annak pontos vastagságát (19. ábra). Az általam használt mérőóra MarCator 1080 típusú digitális mérőóra, melynek mérési tartománya 0 és 10 mm között van, érzékenysége pedig 0,005 mm Segédkészülékei egy MOM gyártmányú mérőóra állvány és egy Kalibergyár által gyártott mérősík voltak. A mérősík felosztottsága miatt azonban a mintadarabok nem helyezhetők közvetlenül a mérősíkra, ezért egy további közbülső elemet alkalmaztam. A közbülső elem egy a mikroszkópi képalkotásnál alkalmazott síküveg tárgylap volt, melynek felületi minősége megfelelő ahhoz, hogy ne befolyásolja a mérési eredményeket. Ezzel a mérési elrendezéssel a lencsetok vastagságmérését végeztem, mint kiegészítő mérés. 24

32 4. KÍSÉRLETI RÉSZ Ebben a fejezetben tárgyaljuk a mérési eljárást, annak fejlesztésének szakaszait és eredményeit. Próbatest előkészítése A próbatest előkészítése alatt a lencsetok előkészítését, a lyukasztásra való alkalmassá tételét értem. Ezt a szem preparálásával értem el, melynek lépései a következők: 1. lépés: A vágóhídról beszerzett sertésszemet szaruhártyával fölfelé a polipropilén anyagú munkaasztalra helyeztem, majd alsó részét pillanatragasztó segítségével a látóideg kilépési pontja körül rögzítettem (20. ábra). A rögzítés ezen módja több szempontból is előnyös a mechanikai úton történő rögzítéssel szemben. Egyrészt a pillanatragasztó a szövetek nedvességtartalmának köszönhetően szinte azonnal megköt és rögzíti a szemgolyót a munkaasztalhoz. A rögzítés nem jár a szemet érő mechanikai terheléssel, ami esetleg a belső szerkezetét károsítaná, valamint a ragasztásos módszer a szem hozzáférhetőségén, preparálhatóságán sem ront. 20. ábra A szem rögzítése 25

33 2. lépés: A rögzítést követően egy horgas csipesszel megfogtam az ínhártyát, majd egy szike segítségével bemetszést ejtettem az ínhártya és a szaruhártya határán, úgy, hogy a szike teljes mértékben átvágja a szem külső rostos burkát, tehát a szike hegye az elülső szemcsarnokba kerüljön (21. ábra). A megfelelő vágási szöget a bemetszésen keresztül kiszivárgó csarnokvíz jelzi, ennek hiánya arra utalhat, hogy a bemetszés szöge túl nagy és a szike hegye éppen a szaruhártya hámrétegei között található, ekkor új bemetszés szükséges. A túl kicsi bemetszési szög esetén a szike kivághatja a mérni kívánt lencsetokot, tönkretéve azt. Erre a szemlencse felületén megjelenő hólyagszerű dudor hívhatja fel a figyelmet, ez esetben a minta értéktelenné vált. 21. ábra Bemetszés a külső burkon 3. lépés: A horgas csipesszel átfogtam a szaruhártya bemetszés fölötti részébe, majd egy olló segítségével folytattam a szikével megkezdett bemetszést. Az ollóval végig az ínhártya és a szaruhártya határa mentén haladtam, miközben a horgas csipesz segítségével enyhe húzást fejtettem ki a szaruhártya már levált részére, ezzel feszesen tartottam azt (22. ábra). A lépés végeztével a szaruhártya eltávolításra került a szemgolyó elülső részéről és felszínre került a szivárványhártya és a szemlencse. 26

34 22. ábra Szaruhártya eltávolítása 4. lépés: Ekkor az általunk mérni kívánt réteg, a lencsetok már éppen a legfelső réteg, de még körgyűrű szerűen rajta fekszik a szivárványhártya, ami akadályozza a tok hozzáférhetőségét. A szürkehályog műtétek esetében a szivárványhártya természetesen nem kerülhet eltávolításra, ott az orvosok pupillatágító hatású szereket alkalmaznak a beavatkozás során, úgy férnek hozzá a lencsetok szükséges átmérőjéhez. Esetünkben erre nincs mód, tehát a szivárványhártyát is el kell távolítanunk. Ezt az imént alkalmazottnál kisebb méretű horgas csipesz és egy kisebb méretű olló segítségével tettem. A csipesszel nagyon óvatosan felemeltem a szivárványhártyát a lencsetoktól és az olló segítségével az előző lépéshez hasonlóan körkörösen haladva eltávolítottam azt (23. ábra). Eltávolítását több fogásból javaslom, mivel a szivárványhártya a szaruhártyával ellentétben egy kifejezetten vékony és képlékeny szövet, így túlzott húzása könnyen szakadáshoz, ami pedig az vágóeszközök esetleges megcsúszásához vezethet, ami pedig könnyen tönkreteheti a szivárványhártya alatt elhelyezkedő lencsetokot. 27

35 23. ábra Szivárványhártya eltávolítása 5. lépés: A szivárványhártya eltávolítását követően a szemgolyóból legelső rétege már a lencsetok lesz, hiszen a szemlencse előtt elhelyezkedő összes réteget eltávolítottuk. Ekkor azonban teljesen átlátszó, víz tisztaságú rétegek követik egymást, úgy, mint a lencsetok, a lencserostok, majd a mögöttük található üvegtest. Ahhoz, hogy a lencsetokot el tudjuk különíteni az alatta lévő átlátszó szövetektől meg kell különböztetnünk. Erre a célra tripánkék oldatot használtam, amely a lencsetokot jól látható kék árnyalatúra színezi, de annak tulajdonságaink nem változtat. Néhány csepp oldatot egy fecskendő segítségével a lencsetokra juttattam, fél percre hatni hagytam, majd fiziológiás sóoldattal lemostam a felületéről (24. ábra). 24. ábra Lencsetok megfestése 28

36 6. lépés: A lemosott festék gézlapokkal és vattával való felitatását a lencsetok eltávolítása követte. A lencsetok hasadásra hajlamosságára való tekintettel itt már nem tudtam a vágási folyamatot csipesszel támogatni, ezt a lépést kizárólag egy olló használatával végeztem. Először az olló egyik élét átszúrtam a lencsetokon és egy határozott vágást ejtettem a lencse pereme mentén. A lencsetok gyűrődésének, szakadásának elkerülése érdekében a vágás után eltávolítottam az ollót a szemtől, majd egy új fogást követően, az olló élét a már meglévő vágásba helyeztem, ismét vágtam, majd ismét eltávolítottam az ollót és így tovább, amíg körbe nem értem a teljes kerület mentén (25. ábra). A folyamat rendkívül kényes, hiszen az ollót nem lehet megtámasztani az alatta lévő szöveteken, mivel a lencserostokra gyakorolt külső hatás hirtelen belső nyomásemelkedést okozhat a szemlencsében, ami legtöbbször a lencsetok szakadásához vezet, de akár a teljes szemlencse kifordulását is okozhatja. 25. ábra Lencsetokon ejtett első bemetszés 29

37 7. lépés: Ezt követően a lencsetokot egy kisméretű csipesszel óvatosan leemeltem a lencserostokról, majd közvetlenül áthelyeztem egy fiziológiás sóoldattal töltött fiolába, ami jól közelíti a szemben a lencsetokkal érintkező csarnokvíz összetételét, így a lencsetokot nem fenyegette kiszáradás (26. ábra). A fiolákat +4 és +6 C közötti hőmérsékleten tároltam a mérések megkezdéséig. 26. ábra Mérésre készen álló lencsetok fiolában A lencsetok elasztikus tulajdonságát jól mutatja, hogy a fiolában azonnal összeugrott, szélei felkunkorodtak, de mérésre alkalmas kiterített pozícióban gyűrődés mentes korong alakot vesz fel (27. ábra). 27. ábra Lencsetok kiterített állapotban 30

38 Előkisérletek Az előkísérletek során a mérési eljárás paramétereinek meghatározása volt a cél. Az eljárás fejlesztése úgynevezett szimultán fejlesztéssel történt, ami azt jelenti, hogy a tervezőprogramban Autodesk Inventor - megalkotott modell prototípusa 3D nyomtatással el is készült, majd az azzal történő tesztmérések eredményei tükrében fejlesztésnek vetettem alá az alkatrészeket, a fejlesztett prototípus ismét kinyomtatásra került és ismét tesztméréseket végeztem vele. A folyamatot addig ismételtem, míg el nem értem a kívánt eredményt Koncepció: A lyukasztásos módszer alapkoncepciója, hogy a lyukasztani kívánt darabot esetünkben a lencsetokot - egy furattal ellátott tárgyasztalra helyezzük, majd egy függőlegesen lefelé mozgó, a tárgyasztal furatával egytengelyű tüske terhelni kezdi azt. A terhelés hatására a lyukasztani kívánt darab a tárgyasztal furatának kerülete, illetve a tüske hegye mentén megfeszül, majd a tüske további állandó sebességű benyomódása során folytonossági hiba jelenik meg a mintadarab anyagában, tehát átlyukad. A mérés során a tüske mozgatását, illetve a ráható erő mérését a ban tárgyalt szakítógép segítségével végeztem, a tárgyasztalt és a tüskét pedig a ban bemutatott gyors prototípusgyártó berendezés segítségével készítettem el. A koncepció alapvető paraméterei a tárgyasztalon található furat átmérője, amelyet D-vel jelölök, a lyukasztó tüske átmérője, melyet d-vel jelölök, illetve a lyukasztó tüske mozgási sebessége, amit ezentúl lyukasztási sebességnek nevezek majd és v-vel jelölöm. Ezen kívül fontos paraméter a lyukasztó tüske hegyének geometriája is, hiszen az határozza meg, hogy a lyukasztani kívánt darabot mekkora felületen éri a terhelés. Annak elkerülése érdekében, hogy a tüske geometriáján található valamilyen él lokálisan túl nagy nyomást gyakoroljon a lencsetokra, esetleg kivágja azt és így befolyásolja a mérést, a tüske hegyének félgömbformát választottam, melynek átmérője mindbe esetben megegyezik majd a tüske átmérőjével. A lyukasztani kívánt lencsetok tulajdonságainak ismeretében a koncepciót kiegészítettem még egy, a mintadarab rögzítését szolgáló, szintén furattal ellátott fedlappal, ami a lencsetok mérés közbeni elmozdulását hivatott meggátolni. A teljes koncepció működésének sematikus ábrája a 28. ábrán látható. 31

39 28. ábra Lyukasztás koncepció sematikus ábra Szimultán fejlesztés Lyukasztási elrendezés- első verzió (29. ábra) Az első verzió megvalósításakor a fő célkitűzés a koncepcióban vázolt alkatrészek szakítógéphez való csatlakoztatásának megoldása, a d és D méret kezdeti értékének felvétele, majd az első tesztmérés volt. A mérési elrendezés szakítógéphez csatlakoztatni kívánt része a tárgyasztal és a tüske, előbbit a gépállványhoz, utóbbit pedig a keresztfejhez kellett csatlakoztatnom. Az alkatrészeknek a rögzíthetőségen kívül a központosítás lehetőségét is biztosítanom kellett, hiszen a tárgyasztalon található furat és a keresztfejhez erősített tüske középvonalának a mérés során egybe kell esnie. A tüske rögzítését egy kisméretű - eredetileg szálak befogására alkalmazott - befogófejjel kívántam megvalósítani. Ez a befogófej azonban csak egy tengely mentén ad lehetőséget a tüske pozícionálására, tehát a teljes központosítás megoldását a tárgyasztal rögzítési módján keresztül kellett kiviteleznem. A tárgyasztalt a szakító berendezés gépállványán található furatokhoz kívántam rögzíteni két csavar segítségével. Ezen rögzítési megoldás lehetőséget adott, hogy a tárgyasztal rögzítő furatait a szükségesnél enyhén nagyobbra tervezzem, így a furat és a csavar közötti játék lehetőséget biztosított, hogy a csavarok teljes meghúzásáig a tárgyasztal kismértékben pozícionálható maradjon, így a tüskével központosítható legyen. 32

40 A d és D méreteket első ízben 0,9 és 1 mm nagyságúra vettem fel. Ezt a sertésszemekből kinyert lencsetok geometriai tulajdonságai indokolták, amely egy 4-6 mm átmérőjű, igen vékony korongszerű hártya. Lyukasztásos vizsgálata esetén a tüske méretének kellően kicsinek kell lennie ahhoz, hogy a lyukasztani kívánt terület homogénnek legyen tekinthető és ne befolyásolja azt a minta teljes geometriai kiterjedése. Ugyanakkor a lyukasztó tüskének kellően nagynak kell lennie ahhoz, hogy a tüske hegyén található félgömb ne penetrálja a lencsetokot, így az ne az őt érő szúró hatás, hanem a felületére érkező terhelés következtében szakadjon. A felvett d és D méretek előzetes becslések alapján mindkét feltételt kielégítik, de a mérési paraméterek pontos kalibrációja a későbbiekben igényelheti a d/d arány változtatását. Azért, hogy a jövőbeli prototípusok gyártási folyamatát meggyorsítsam, a mérési elrendezés első verziójában két részre osztottam a tárgyasztalt és a lyukasztótüskét is. Mind a két alkatrészt úgy terveztem meg, hogy a szigorúan vett befogó rész - amely közvetlenül kapcsolódik a szakítógéphez és a központosításért felelős kiegészül egy cserélhető inserttel, ami a mérési elrendezés d és D méretének meghatározásáért felelős. Ennek segítségével a tárgyasztal furatának, vagy a tüske átmérőjének változtatásához csak egy jóval kisebb méretű alkatrész legyártása szükséges, valamint a könnyen eltávolítható tárgyasztal-insert a könnyebb mintacserét is segíti majd. A tüske-insert rögzítését egy hernyócsavar segítségével, míg a tárgyasztal-insertjét a tárgyasztalban kialakított négyzetes furat és az insert alsó felére tervezett négyzetes csap illeszkedésével terveztem meg. A koncepcióban bemutatott fedlap tervezése során szintén vezetőfuratokat, illetve vezetőcsapokat alkalmaztam, amik akadályozzák a fedlap tárgyasztalinserthez képesti elmozdulását. 33

41 29. ábra Mérési elrendezés első verzió modell, fentről lefelé haladva: tüskebefogó, tüske-insert, fedlap, tárgyasztal-insert, tárgyasztal Tesztmérés első verzió A tesztmérés során a mérési elrendezés alkatrészeinek prototípusait a tervek alapján a szakítógéphez rögzítettem, a lencsetokot a tárgyasztal-insertre helyeztem, majd lezártam a fedlappal. A lyukasztási sebesség 5 mm/perc volt. A mérés során az első észrevételem az volt, hogy a tüske két részre osztása nem bizonyult jó konstrukciónak, mivel a túl kisméretű tüske-insert nehezen központosítható a tárgyasztal-insert furatával. Ennek oka, hogy a tüskebefogón található furat pontatlansága hibát visz az elrendezésbe. Ez a hiba, ilyen kisméretű alkatrészek esetén a teljes mérési elrendezés pontatlanságához vezet. A szakítógép kisméretű szálszakító befogója azonban alkalmas volt csupán a tüske-insert rögzítésére, annak befogója nélkül, így a tüskebefogót (29. ábra legfelső elem) kihagytam a mérési elrendezésből. A tüske kettéosztásával szemben a tárgyasztal kettéosztása jól működő konstrukciónak bizonyult. A könnyen cserélhető insertnek köszönhetően a mintacsere gyorsan történt - a központosság megszűnése nélkül -, továbbá a jövőbeni módosítások esetén a tárgyasztal alsó felének új kinyomtatására sem lesz szükség. 34

42 Az első tesztmérés által feltárt legnagyobb probléma a gyűrődés volt. A gyűrődés során a tüske csak maga előtt tolta a lencsetokot és begyűrte azt a tárgyasztal-insert furatába (30. ábra). A jelenség oka a lencsetok megcsúszásából fakadt, mivel az a terhelés hatására el tudott csúszni a tárgyasztal és a fedlap rétegei között, így a mérés nem vezetett lyukasztáshoz. A minta kezdeti kerülete A kerülete a gyűrődést követően 30. ábra A furatba gyűrődött lencsetok Lyukasztási elrendezés második verzió (32. ábra) A második verzió tervezésekor az első verzió tesztmérésének tapasztalatait használtam fel. Fő célkitűzés a lyukasztótüske befogásának újratervezése és a lencsetok rögzítési problémájának megoldása volt. A tüske újratervezése során a cél egy könnyen befogható és a tárgyasztal furatával jól központosítható tüske megalkotása volt. Ehhez a tüske két részre osztását megszüntettem és a hátsó felére egy könnyen befogható hasábszerű tömböt terveztem, ami lépcsőzetesen vékonyodik el a tüske hegyének irányába. Az elülső, lyukasztásban aktívan résztvevő szakasz geometriai tulajdonságain nem változtattam. A lencsetok rögzítésének megoldását a fedlap újratervezésével kívántam megoldani. Ezen alkatrész tervezésekor a legnagyobb problémát az jelentette, hogy az igen vékony és szakadásra hajlamos hártyát a lyukasztás helyétől viszonylag távol kellett tudnom rögzíteni anélkül, hogy a hártya megsérülne a befogásban. Erre a célra a fedlap leszorítását és a fedlap geometriájának leszorító bordával való kiegészítését találtam célszerűnek. A borda egy a lyukasztás tengelyére koncentrikusan elhelyezkedő körgyűrű, amely 0,2 mm magasságban emelkedik ki a fedlap alsó síkjából (31. ábra). A fedlap és a tárgyasztal összeszorításakor a kitüremkedő borda lokálisan nagyobb nyomást gyakorol a tárgyasztal és a fedlap között található mintadarabra, így odaszorítja azt a tárgyasztalhoz. Azért, hogy a borda élei a leszorításkor ne vágják ki a lencsetokot tüske hegyéhez hasonlóan - félkör profilt alkalmaztam. A leszorító erőt rugóacélból készült kapcsok biztosították. A kapcsok elhelyezése érdekében a tárgyasztal-insert is kismértékben 35

43 áttervezésre került, két kisméretű furatra volt szükség. Így a leszorító kapcsok a tárgyasztal-insert furatába kapaszkodva leszorították a fedlap tetejét, ami a borda segítségével erővel zárta a lencsetokot. 31. ábra Fedlap második verzió modell, alulsó nézet 32. ábra Mérési elrendezés második verzió modell, fentről lefelé haladva: tüske, fedlap, tárgyasztal-insert, tárgyasztal 36

44 Tesztmérés második verzió 33. ábra Második verzió prototípusai: A rögzítő kapcsokkal ellátott tárgyasztal-insert és fedlap, valamint a lyukasztótüske Az alkatrészek szakítógéphez való rögzítése során kiderült, hogy a lyukasztótüske új geometriája jó konstrukciónak bizonyult, gyors és pontos központosítást biztosított. A lencsetok rögzítési megoldása azonban ebben a verzióban sem vált be. A leszorító erő és a borda bevezetése ellenére is képes volt a lencsetok a fedlap és a tárgyasztal-insert közötti elcsúszásra, így a tüske továbbra is a tárgyasztal-isnert furatába gyűrte a minta középső tartományát. További észrevételem azomban, hogy egyes minták eltávolítását követően folytonossági hibát észleltem a minta tárgyasztal-insert furatába gyűrődött részén, tehát bizonyos minták lyukadtak. Azt azonban nehéz megállapítani, hogy a lyukadás az egyes minták esetében a mérés során, vagy a mérést követően, a begyűrődött rész furatból való eltávolításakor keletkezett. Lyukasztási elrendezés harmadik verzió (32. ábra) A második verzió tesztmérései alapján a problémát továbbra is a lencsetok mérés közbeni rögzítése jelentette. Ennek megoldása érdekében mind a tárgyasztalinsertet, mind a fedlapot radikálisabb fejlesztésnek vetettem alá, melynek célja a nagyobb leszorító erő és az alakkal zárás lehetőségének megvalósítása volt. 37

45 A nagyobb leszorító erő átadásához nagyobb felületre volt szükségem, így mind a tárgyasztal-insertet, mind a fedlapot bővítettem két szárnyszerűen elhelyezkedő felülettel. Ezek a szárnyak lehetőséget biztosítanak, hogy a kapcsok nagyobb felületen adják le a bennük tárolt rugalmas energiát. Ezen kívül a nagyobb felület révén akár több kapocs egyidejű, vagy esetleg más típusú kapocs felhelyezése is lehetségessé vált. A szárnyak elhelyezésén kívül újrapozícionáltam a fedlap vezetőfuratait és a tárgyasztal-insert vezetőcsapjait is, hogy azok ne akadályozzák a kapcsok felhelyezését és a leszorítást. A vezetőcsapok szélekre helyezésével a leszorító kapcsok esetleges lecsúszását is meggátolhatom. A fedlapon található borda is újratervezésre került. Az egy darab bordát felváltotta két darab, 3,75 mm és 5,75 mm átmérőjű, koncentrikusan elhelyezkedő, félkör profilú borda, melyek 0,1 mm-re emelkedtek ki. Továbbá a tárgyasztal-insert furata körül a bordák negatívjainak megfelelő süllyesztékeket helyeztem el. A mérés során fedlapon található borda a lencsetokot a tárgyasztal-insert süllyesztékeibe szorítja majd, aminek köszönhetően a lencsetok már nem csak erővel, de alakkal is rögzítésre kerül majd. 32. ábra Mérési elrendezés harmadik verzió modell, fentről lefelé haladva: tüske, fedlap, tárgyasztal-insert, tárgyasztal 38

46 Tesztmérés harmadik verzió A mérési elrendezés harmadik verziója alkalmas volt a lyukasztásra. A megcsúszás és gyűrődés már nem volt megfigyelhető a mintadarabokon. A tesztmérés azonban feltárt egy új problémát, ami a tüske és a tárgyasztal-insert furata közötti súrlódás volt. A lyukasztáskor a lencsetok vastagsága ugyan is elegendő volt ahhoz, hogy a 3D nyomtatással készült tüske és furat felületi egyenetlenségei közötti rést kitöltse. Ennek következtében a mérés során a szakítógép által kirajzolt görbe a szakadás pillanatában nem jelzett terhelés esést, hanem egyre növekvő erőt érzékelt, ahogy a tüske a kilyukadt lencsetok egy darabját a furat falához préselte (33. ábra). A jelenséget jól prezentálta, hogy a mérés végeztével a tüske képes volt kiemelni a teljes tárgyasztal-insertet annak alsó feléből (34. ábra). 33. ábra A mérési elrendezés harmadik verziójának tesztmérése közben született mérési diagram 39

47 34. ábra A lyukasztótüskéhez tapadt tárgyasztal-insert Lyukasztási elrendezés negyedik verzió A harmadik verzió tesztméréséből kiderült, hogy a kezdetben megválasztott d és D méret nem bizonyult megfelelőnek, holott a tüske és a furat közötti 0,1 mm átmérőkülönbség jóval a mérendő lencsetok mikrométeres vastagsága fölött van. Ebből arra következtettem, hogy a prototípusok gyártási eljárásának sajátossága - a rétegenkénti felépítés - túl nagy felületi érdességhez vezet, ami ilyen kisméretű alkatrészek esetén azok súrlódását okozza. A súrlódás megszüntetése érdekében csökkentenem kellett a d/d arányt. A probléma megoldása érdekében egy tized milliméterenként emelkedő méretsorozatú furattal ellátott tárgyasztal-inserteket és szintén tizedmilliméterenként csökkenő átmérőjű tüskéket terveztem. Előzetes becslések alapján a legnagyobb furatátmérő 1,2 mm volt. E méret fölött a mintáról tárgyasztalra kerülő nedvesség felületi feszültsége úgymond beszívná a mintát, ami a tárgyasztal-insert furatába rogyna. Ekkor a lyukasztani kívánt hártya a lyukasztás környezetében nem lett volna sík, ami befolyásolhatta volna a mérési eredményeket. A tüske legkisebb átmérőjének a 3D nyomtatási technológia szabott határt. Előzetes becslés alapján 0,7 mm-nek vettem fel a legkisebb tüskeátmérőt, mivel a 0,7 mm sugarú félgömb hegyet a nyomtató még elő tudja állítani a húrhibából származó élek túlzott megjelenése nélkül. A negyedik verzióban tehát a mérési elrendezés semmilyen egyéb geometriai tulajdonságán nem változtattam, csupán a tárgyasztal-insertből készült egy 1,1 és egy 1,2 mm furatátmérőjű, illetve a tüskéből készült egy 0,7 és egy 0,8 mm átmérőjű prototípus is. 40

48 Tesztmérés negyedik verzió Ezen tesztmérés alkalmával a meglévő tárgyasztal-insert és lyukasztótüske prototípusok párosításával kerestem a helyes d/d arányt. A tesztmérések azt mutatták, hogy a súrlódás jelensége mindaddig megfigyelhető volt, amíg a furat és a tüske közötti átmérő különbség el nem érte a 0,4 mm-t. A meglévő prototípusokból tehát csak az 1,2 mm furat és 0,8 mm tüske átmérőjű és az 1,1 mm furat és 0,7 mm tüske átmérőjű párosítások voltak erre alkalmasak. További problémát jelentett, hogy a 0,7 mm átmérőjű tüske a 3D nyomtató gyárthatósági képességeinek határait feszegette. Ezt az is jól mutatja, hogy a tüske elülső elvékonyodott részén több alkalommal fordult elő törés, holott a tüskét rendkívül kis erők terhelték. A mérés során készült görbék alapján viszont jól látható, hogy a 0,8 és a 0,7 mm átmérőjű tüskével szerelt mérési elrendezések eredményei gyakorlatilag megegyeznek, így a 0,7 mm átmérőjű tüske használatának mellőzése mellett döntöttem (35. ábra). A 0,8 mm-es tüskével szerelt elrendezés görbéje A 0,7 mm-es tüskével szerelt elrendezés görbéje 35. ábra A negyedik tesztmérés eredményei A tesztmérések során még egy változtatást eszközöltem, ami a leszorító kapcsokat érintette. A kapcsok sorjázatlan élei ugyanis gyakran kivágták a gumikesztyűt a mérések során, ezért felváltottam őket a hasonló leszorító erőt biztosító 9 mm-es Binder csipeszekkel. 41

49 Kiegészítő tesztmérés A lyukasztási elrendezés negyedik tesztméréseinek alkalmával kiegészítő mérésként a ban bemutatott berendezéssel vastagság mérést végeztem. Melynek célja a lencsetok vastagságának meghatározása és a lyukasztás vastagságra gyakorolt hatásának vizsgálata volt. A mérés elvégzéséhez a mintadarabok vastagságát a tárgyasztalra helyezés előtt, illetve a lyukasztás végrehajtása után is meg kellett határoznom, az eljárás azonban több problémába is ütközött. A mérést végző mérőóra tapintójának erős rugója ugyanis esetenként kiszakította a lencsetokot, így az mérésre már alkalmatlanná vált. Azonban a tapintó cseréje sem jelentett volna megoldást minden problémára, mivel a vastagságmérés során az üveglapra helyezett lencsetok gyorsan kiszáradt, ami szintén alkalmatlanná tette a további mérésekre. Mivel a vastagságmérés a minta további felhasználását lehetetlenné tette, csupán 3 érintetlen lencsetok vastagságát mértem meg, mintánként 3 pontban és az ebből született átlagos vastagság értékéhez hasonlítottam a már lyukasztáson átesett lencsetokok vastagságát. A kapott eredményeket a 1. táblázat tartalmazza. A mérési adatokból jól látszik, hogy mind az ép, mind a már lyukasztáson átesett lencsetokok mérése esetén nagy szórás figyelhető meg. Ez jellemző mind az átlagokra, mind az egy mintán végzett mérések során kapott eredményekre is. Ennek oka, hogy a mérési elrendezés nem elég pontos a lencsetok vastagságának néhány mikronos tartományában, amit jól mutat az is, hogy a mért érték több esetben is nulla volt. A kiegészítő tesztmérés tapasztalatai alapján megállapítom, hogy a lencsetokok mechanikus úton történő vastagság meghatározása a rendelkezésemre álló mérési elrendezéssel nem lehetséges. A mérési elrendezés fejlesztése, vagy más esetleg optikai mérési módszer szükséges. 42

50 Ép lencsetokok vastagságmérései 1. ép minta vastagsága [mm] 2. ép minta vastagsága [mm] 3. ép minta vastagsága [mm] 1. mérés 0,010 0,015 0, mérés 0,005 0,015 0, mérés 0,005 0,005 0,005 Átlag 0,007 0,012 0,010 Szórás 0,0029 0,0058 0,0050 Lyukasztáson átesett lencsetokok vastagságmérései 1. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 2. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 3. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 4. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 1. mérés 0,005 0,000 0,015 0, mérés 0,015 0,010 0,000 0, mérés 0,005 0,005 0,005 0,005 Átlag 0,008 0,005 0,007 0,008 Szórás 0,0058 0,0050 0,0076 0, lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 6. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 7. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 8. lyukasztáson átesett minta vastagsága [mm] 1. mérés 0,015 0,000 0,000 0, mérés 0,010 0,000 0,010 0, mérés 0,010 0,005 0,000 0,000 Átlag 0,012 0,002 0,003 0,003 Szórás 0,0029 0,0029 0,0058 0, táblázat Lencsetok vastagságmérés eredményei 43

51 Nagy mintaszámú mérési sorozat A mérési elrendezés negyedik verziója kielégítette a vele szemben támasztott követelményeket, így alkalmassá vált a nagyobb mintadarabszámú kísérlet elvégzésére. Ezen kísérlet célja a mérési eljárás megismételhetőségének bizonyítása és a nagy mintadarabszámú mérés eredményeinek kiértékelése. A mérési elrendezés főbb paraméterei az előkísérletek alapján következők: D = 1,2 mm d = 0,8 mm v = 5 mm/perc A prototípus geometriai paramétereit a mellékletben található alkatrészrajzok tartalmazzák (A4SD , A4SD , A4SD és A4SD rajszámú mellékeltek). A kísérlet során 14, közvetlenül a mérést megelőzően preparált lencsetokot használtam fel. A kísérlet pontos lépései az alábbiak: 1. lépés: A szakító berendezést előkészítettem a lyukasztáshoz, csatlakoztattam a 20 N maximális terhelhetőségű erőmérő cellát, valamint a tüske befogásához alkalmazott szálszakító befogót. A tárgyasztalt és a tüskét a szakító berendezéshez rögzítettem, majd a tárgyasztal-insert furata segítségével központosítottam azt (36. ábra). 44

52 36. ábra A szakító berendezéshez rögzített prototípusok 2. lépés: Ezt követően kivettem egy lencsetokot a tároló fiolából és vatta segítségével óvatosan kiterítettem a tárgyasztal-insert középső részére (37. ábra). 3. lépés: 37. ábra A tárgyasztal-insertre helyezett mintadarab A tárgyasztal-insertre ráhelyeztem a fedlapot és rögzítettem a Binder csipeszek segítségével. A tárgyasztal-insertet annak foglalatába helyeztem, a lyukasztótüskével a furat fölé álltam és elindítottam a mérést (38. ábra). 45

53 38. ábra A mérési elrendezés lyukasztás közben 4. lépés: A mérés lefutását követően kiemeltem a tüskét, eltávolítottam a csipeszeket és a fedlapot, így láthatóvá válik a mintadarab és az annak felületén keletkezett lyuk (39. ábra). Ezzel párhuzamosan a szakító berendezést vezérlő számítógép képernyőjén kirajzolódott az erőkeresztfej elmozdulás diagram. 39. ábra A mintadarab a mérést követően A minta eltávolítását követően megtisztítottam a tárgyasztalt és a fedlapot, majd új minta mérésébe kezdtem. 46

54 Erő [N] A mérési eredmények kiértékelése: A kísérlet eredménye keppen a már említett erő-keresztfej elmozdulás diagram született. A diagramon a szakító berendezés keresztfejének elmozdulása függvényében látjuk a tüskét érő terhelést, melyet az erőmérő cella segítségével rögzítettünk. Az összehasonlíthatóság érdekében a szakító berendezésből kinyert görbéket az Excel program segítségével egy diagramba rendeztem. A kiértékelés során az első észrevételem az volt, hogy a kapott görbék jellegre megegyeznek ugyan a negyedik tesztmérés során azonos mérési paraméterek mellett végzett mérések görbéivel, de a kezdeti szakaszuk kismértékben eltér. A nagy mintadarabszámú mérési sorozat görbéi esetén megfigyelhető egy nagyobb meredekségű kezdeti tartomány, a keresztfej elmozdulás első 0,2 mm-én (40. ábra). Ez a kezdeti szakasz az utolsó tesztmérés alkalmával nem volt megfigyelhető (35. ábra). A két mérés közötti egyedüli különbség a lencsetokok preparálást követő tárolási ideje volt. A tárolási idő a negyedik tesztmérés alkalmával 120 óra, a nagy mintadarabszámú kísérlet esetén pedig csupán 48 óra volt. Ennek tükrében kijelenthető, hogy a lencsetok biomechanikai tulajdonságait - a fiziológiás sóoldatban történő hűtött tárolás ellenére is erősen befolyásolja a preparálás és a mechanikai vizsgálat között eltelt idő. Valószínűsíthetően szintén a rövidebb tárolási időnek köszönhetően a nagyobb mintaszámú mérés alkalmával készült görbéken megfigyelhető enyhe hullámzás. A lineárisan jól közelíthető görbe kilengéseit valószínűleg a lencsetokot alkotó kollagén rácsszerkezetének lyukasztás közbeni tönkrementele okozza, amely során a rácsszerkezetet alkotó bizonyos szálkötegek a terhelés hatására elszakadnak és az addig azokra eső terhelést más szálak veszik fel helyettük. A nagy mintaszámú kísérlet során keletkezett erő keresztfej elmozdulás diagramokat a 41. ábra foglalja össze. 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Lencsetok lyukasztási görbe kezdeti tartománya 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Keresztfej elmozdulás [mm] 40. ábra A nagyobb meredekségű kezdeti szakasz három kiemelt görbén szemléltetve 47

55 41. ábra A nagy mintaszámú mérési sorozat eredményei 48

56 Darabszám A 41. ábrán jól látszik, hogy a görbék jellegre megegyeznek ugyan, de a lencsetokok szakadási pillanatában mért keresztfej elmozdulás és a mért szakadási erő értékei között is vannak kiugró értékek. Mivel a lencsetokok azonos tulajdonságú élőlényektől származnak, így, a mérési eljárás akkor tekinthető hitelesnek, ha az azonos tulajdonságúnak tekinthető mintákon mért értékek eloszlása illeszkedik a normáleloszláshoz. Ennek feltárása érdekében a továbbiakban a mérési eredmények kiértékeléséhez statisztikai módszereket alkalmazok. Mind a szakadás pillanatában mért keresztfej elmozdulás, mind a mért szakadási erő értékeket kigyűjtöttem és vizsgáltam azok gyakoriságát. A kigyűjtött adatok minimum és maximum értékei közötti szakaszt először négy egyenlő tartományra osztottam, a tartományokat az y tengelyen egymás mellé helyeztem, majd a függőleges tengelyen megjelenítettem az egyes tartományokba eső gyakoriságot (42. és 43. ábra). 7 6 Szakadás pillanatában mért keresztfej elmozdulások gyakoriságainak eloszlása ,581 mm Keresztfej elmozdulás tartományai 1,240 mm - 1,812 mm 1,812 mm - 2,384 mm 2,384 mm - 2,956 mm 2,956 mm -3,528 mm 42. ábra A szakadás pillanatában mért keresztfej elmozdulások gyakoriságai 49

57 Darabszám Szakadási erők gyakoriságainak eloszlása ,0859 N 0,2983 N - 0,3842 N 0,3842 N - 0,4701 N 0,4701 N - 0,5561 N 0,5561 N - 0,6420 N 0 Erő tartományai 43. ábra A szakadás pillanatában mért erők gyakorisága Az ábrákból jól látszik, hogy az értékek gyakorisága a középső tartományokban domináns, a szélső tartományokban található kiugróan alacsony, illetve kiugróan magas értékek gyakoriságához képest, ezzel normál eloszlást sejtet. Ahhoz, hogy a mért értékek eloszlásának normális eloszlással való összefüggését kimutathassam a STATISTICA program segítségével Shapiro-Wilk statisztikai tesztet alkalmaztam, p 0,05 szignifikancia küszöbérték mellett, melynek hipotézise, hogy az általam vizsgált adatsorok normális eloszlásúak. A teszt sem a keresztfej elmozdulások eloszlása, sem a szakadási erők eloszlása terén nem mutatott ki statisztikailag szignifikáns különbséget, tehát a nullhipotézis igaznak bizonyult, a mérési eredmények normális eloszlást követnek, így a mérési eljárás hitelesnek tekinthető (44. és 45. ábra). A mérési eljárás segítségével a sertés szemlencse tokjának szakadásra való hajlamosságát jellemző adatok a következők: Maximális tüske benyomódás a szakadás pillanatáig: A szakadás pillanatában mért erő: 2,1 +/- 1,1 mm 0,45 +/- 0,17 N A mérés során született kiugró értékeket fakadhatnak a biológiai minták tulajdonságainak természetes diverzitásából, a mintát az előkészítés során ért behatásból, illetve a mérési elrendezés gyártástechnológiájából fakadó nagy felületi érdességből is. 50

58 44. ábra A szakadás pillanatában mért keresztfej elmozdulás eloszlásának vizsgálata Shapiro-Wilk próba 45. ábra A szakadás pillanatában mért erő eloszlásának vizsgálata Shapiro-Wilk próba 51