Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Retinal Vaskulär reaktivitet som bedöms av optisk koherens Tomography Angiography

Published: March 26, 2020 doi: 10.3791/60948
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Department of Ophthalmology, USC Roski Eye Institute, 2USC Ginsberg Institute for Biomedical Therapeutics, Keck School of Medicine of the University of Southern California

Summary

Denna artikel beskriver en metod för att mäta retinal vasculature reaktivitet in vivo med försökspersoner med hjälp av en gas andning provokation teknik för att leverera vasoactive stimuli samtidigt förvärva retinal bilder.

Abstract

Den vaskulära tillförseln till näthinnan har visat sig dynamiskt anpassa sig genom vasoconstriction och vasodilatation för att tillgodose de metaboliska kraven i näthinnan. Denna process, kallad retinal vaskulär reaktivitet (RVR), medieras av neurovaskulär koppling, som är nedsatt mycket tidigt i retinal vaskulära sjukdomar såsom diabetesretinopati. Därför kan en kliniskt genomförbar metod för bedömning av vaskulär funktion vara av betydande intresse för både forskning och kliniska inställningar. Nyligen har in vivo imaging av retinal vasculature på kapillärnivå möjliggjorts av FDA godkännande av optisk koherens tomografi angiografi (OCTA), en noninvasive, minimal risk och dyeless angiografi metod med kapillär nivå upplösning. Samtidigt har fysiologiska och patologiska förändringar i RVR visats av flera utredare. Den metod som visas i detta manuskript är utformad för att undersöka RVR med OCTA utan behov av ändringar av de kliniska avbildningsprocedurerna eller enheten. Det visar realtid bildbehandling av näthinnan och retinal vasculature under exponering för hypercapnic eller hyperoxic villkor. Tentamen utförs enkelt med två anställda på under 30 min med minimalt ämnesbehedning eller risk. Denna metod kan anpassas till andra oftalmiska bildåtergivningsenheter och användningsområdena kan variera beroende på gasblandningens och patientpopulationens sammansättning. En styrka av denna metod är att det möjliggör en undersökning av retinal vaskulär funktion på kapillärnivå hos försökspersoner in vivo. Begränsningar av denna metod är till stor del de octa och andra retinal imaging metoder inklusive imaging artefakter och ett begränsat dynamiskt omfång. De resultat som erhålls från metoden är OCT och OCTA bilder av näthinnan. Dessa bilder är mottagliga för alla analyser som är möjliga på kommersiellt tillgängliga OCT eller OCTA-enheter. Den allmänna metoden kan dock anpassas till alla former av oftalmisk avbildning.

Introduction

Den metaboliska efterfrågan på näthinnan är beroende av en tillräcklig och konstant tillförsel av syre som tillhandahålls av ett välreglerat system av arterioler, kapillärer och venules1. Flera studier har visat att funktionen av större kaliber mänskliga näthinnekärl kan bedömas in vivo med olikafysiologiska 2,,3,,4,,5 och farmakologiska6,7 stimuli. Dessutom är onormal funktion i detta kärlsystem vanligt vid retinal vaskulär sjukdomar såsom diabetesretinopati där retinal vaskulär reaktivitet (RVR) har visat sig vara försvagad även i dess tidigaste steg8,9 genom både gas provokation9 och flimrande ljus experiment5,,10,11. Retinal vaskulära riskfaktorer såsom rökning har också korrelerats med nedsatt RVR12 och näthinneblodflöde13. Dessa fynd är viktiga eftersom de kliniska symptomen på retinal kärlsjukdom förekommer relativt sent i sjukdomsprocessen och bevisade tidiga kliniska markörer för sjukdomen saknar14. Således kan bedöma RVR ge användbara åtgärder för vaskulär integritet för tidig bedömning av avvikelser som kan initiera eller förvärra retinal degenerativa sjukdomar.

Tidigare RVR-experiment har vanligtvis förlitat sig på enheter som en laser blodflödesmätare9 eller fundus kameror utrustade med speciella filter15 för retinal bild förvärv. Dessa tekniker är dock optimerade för fartyg med större diameter som arterioler16 och venules15, som inte är där gas, mikronäringsämnen och molekylärt utbyte förekommer. En nyare studie kunde kvantifiera RVR av kapillärer med hjälp av adaptiv optik imaging17, men trots den förbättrade rumsliga upplösningen, dessa bilder har en mindre fältstorlek och är inte FDA godkänt för klinisk användning18.

Den senaste tidens tillkomsten av optisk kohens tomografi angiografi (OCTA) har gett en FDA godkänd, noninvasive och dyeless angiographic metod för att bedöma kapillär nivå förändringar hos mänskliga patienter och försökspersoner in vivo. OCTA är allmänt accepterat i klinisk praxis som ett effektivt verktyg för att bedöma försämring i kapillärperfusion vid retinal vaskulär sjukdomar såsom diabetesretinopati19, retinal venous ocklusioner20, vaskulit21 och många andra22. OCTA ger därför ett utmärkt tillfälle för utvärdering av kapillär nivå förändringar, som kan ha betydande rumsliga och tidsmässiga heterogenitet23 samt patologiskt förändringar, i en klinisk miljö. Vår grupp visade nyligen att OCTA kan användas för att kvantifiera lyhördheten hos näthinnekärl på kapillärnivå2 till fysiologiska förändringar i inspirerat syre, vilket är en retinal vasokonstrictive stimulans16,,24, och koldioxid, vilket är en retinal vasodilaterande stimulans3,,5.

Målet med denna artikel är att beskriva ett protokoll som gör det möjligt för läsaren att bedöma retinal vaskulär reaktivitet av de mindre arteriolerna och kapillärbädden med OCTA. Metoderna är anpassade från de som presenteras i Lu et al.25 som beskrev mätningen av cerebrovaskulär reaktivitet med magnetisk resonanstomografi. Även om de nuvarande metoderna har utvecklats och använts under OCTA imaging2,är de tillämpliga på andra retinal imaging enheter med relativt enkla och uppenbara ändringar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Denna studie godkändes av University of Southern California Institutional Review Board och följde grundsatserna i Helsingforsdeklarationen.

1. Installation av apparater för gas ej återakande

Figure 1
Figur 1: Diagram över apparater som inte återuppstår. Den fullständiga installationen har delats upp i tre separata enheter beroende på deras funktion och hur ofta de behandlas självständigt. Dessa inkluderar: flygkontrollenheten, enheten för icke-återaporstering och enheten för ämnes-/bildenheter Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Montering av apparater
    1. Anslut Douglas-påsen (figur 1, #1) till trevägsventilen (#3) vid en selektiv inloppsport via 35 mm innerdiameterrör (#2; se Tabell över material) med adapter (#2*). Denna kombination kommer att kallas "Aggregatet" enligt figur 1.
    2. Anslut tvåvägsventilen (#6) till armbågsfogkontakten (#7) vid den icke-rebreathing ventilens munport. Bilda anslutningen med ett gummirör (#5) försedd med en adapter (#4).
    3. Anslut armbågsleden till gastillförselslangen (#8). Denna inställning, inklusive icke-reresathing ventil (#6), in-house slangar (#5), adaptrar (#4), armbågsled (#7) och gas leverans slangar (#8) kommer att kallas "Icke-rebreathing Unit".
      OBS: Minimera mängden dött utrymme mellan motivets mun och membranet i tvåvägsventilen (#6).
    4. Anslut aggregatet vid trevägsventilens (#3) utloppsventils utloppsventil (#3) till den icke-rebreathingenheten vid inloppsporten i tvåvägsventilen (#6). Gör anslutningen med hjälp av ytterligare gummislangar (#5) och adaptrar (#4) som de som beskrivits tidigare som gör att bitarna kan föras in i varandra.
    5. Täta alla lösa anslutningar genom att linda fogarna med tätningstejp för att säkerställa en hermetisk passform.
    6. Anslut gastillförselslangen (#8) i den öppna änden till ett munstycke (#9) enligt figur 1sämnes-/bildenhetsenhet .
      OBS: Det här steget (1.1.6) kan skjutas upp tills försökspersonen är klar att påbörjas (steg 3.5).
  2. Beredning av aggregatet för gas som inte återupphärdar
    1. Isolera aggregatet genom att koppla bort den från alla interna slangar (#5) eller adaptrar (#4) om den inte redan är separerad.
    2. Se till att Douglas-påsen (#1) är tom eller töm douglaspåsen (#1) av någon luft genom att systematiskt rulla upp påsen från den distala änden mot påsens inloppsport med trevägsventilen (#3) inställd på konfiguration 1 enligt figur 1.
    3. Fyll Douglas-påsen (#1) med lämplig gasblandning.
      1. Om endast rumsluft som inte återuppstå är avsett, ställ in trevägsventilen på konfiguration 2 (visas i figur 1) och fyll inte Douglas-påsen (#1). Annars fortsätta med de steg som omfattar steg 1.2.3.
      2. Anslut aggregatet (visas i figur 1) vid trevägsventilens (#3) utloppsport (#3) till en gascylinder (som innehåller önskad luftblandning) med hjälp av lämpliga adaptrar och slangar. Använd en manschettadapter för att montera ett 1/8"-gaspåfyllningsrör på den yttre diametern på trevägsventilen (#3).
      3. Ställ in trevägsventilenheten på konfiguration 1 (enligt figur 1) så att den avsedda gasen kan flöda från lagringscylindern till Douglas-påsen (#1). Öppna gascylindern.
      4. När Douglas-påsen (#1) är fylld till den avsedda volymen (vanligtvis halvfylld), stäng gascylinderutloppet och ställ in trevägsventilen på Konfiguration 2, vilket isolerar gasen i Douglas-påsen (#1). Koppla bort aggregatet från alla slangar som används för att fylla Douglas-påsen (#1).

2. Förbereda motivet för bildbehandling

  1. När ämnet har medgivandet att delta i studien, sitt motivet bakom OCTA-bildenheten. Förklara testförfarandena för ämnet.
  2. Bekräfta försökspersonens sjukdomshistoria för att säkerställa att försökspersonen inte har några befintliga medicinska tillstånd som ökar risken för att delta i studien.
    OBS: Redan existerande kardiovaskulära eller lungsjukdomar är riskfaktorer för vilka försökspersoner kan uteslutas från att delta. Det är viktigt att ämnet förstår att de kan stoppa förfarandet när som helst av någon anledning som att känna yrsel eller några ytterligare oväntade obehag.
  3. Bestäm det öga som ska bedömas enligt testprotokollet. Endast ett öga får avbildas för att begränsa testtiden och minimera de potentiella obehagen från gasen som inte återuppstäckt.
  4. Tänk på ögondilation om motivet har en elevstorlek på cirka 2,5 mm eller mindre. Även om dilation inte är obligatoriskt, det ökar chanserna att förvärva högkvalitativa bilder. Att vidga, ingjuta en droppe vardera av 0,5% proparacain hydroklorid oftalmisk lösning, 1% tropicamid oftalmisk lösning och 2,5% fenyleefrin hydroklorid oftalmisk lösning. Full dilation bör ske inom 10–15 min.

3. Gas provokation experiment och bild förvärv

  1. Skapa en profil för patienten i OCTA-maskinen.
  2. Använd handskar.
  3. Torka av OCTA-huvudet och hakstödet med en spritpinne för att desinficera förarktningen.
  4. Befria munstycket (#9) från dess sterila förpackning.
    OBS: Avstå från att röra munstycket så mycket som möjligt eftersom denna komponent gör direkt kontakt med slemslemslemslem i munnen på motivet
  5. Anslut munstycket (#9) till gastillförselslang (#8)
  6. Placera en pulsoximeter på försökspersonernas finger och börja övervaka syremättnadsnivåer och puls.
    OBS: När motivet börjar andas den önskade luftblandningen bör pulsoximetern övervakas kontinuerligt av examinator. Om ämnets syremättnad sjunker under 94 %, bör försöket stoppas som en säkerhetsåtgärd och försökspersonen observeras tills de återgår till baslinjen.
  7. Justera höjden på OCTA-inställningen så att motivet lätt kan vila hakan på hakan (#11) utan att förlänga eller böja nacken.
  8. Slinga gastillförselröret (#8) med munstycke (#9) fäst genom huvudet och hakan vila med munstycket (#9) vänd patienten. Låt slangslingan genom maskinen oppposite den sida av ögat som motivet har avbildats.
  9. För in munstycket i patientens mun. Uppmuntra ämnet att öva andning genom icke-rebreathing setup för att skapa förtrogenhet med apparaten. Se till att motivet tar djupa andetag för att underlätta gasutbyte.
  10. Placera nosklämman (#10) i ämnet för att säkerställa att de andas genom munstycket.
  11. Håll trevägsventilen på Konfiguration 2 eller ändra den till konfiguration 1 beroende på om bilder förvärvas för exponering för rumsluft eller en specifik gasblandning. För framtida referens, notera tiden som början på gasinandning.
  12. Låt motivet placera hakan på höger eller vänster del av chinrest (#11) enligt det öga som valts för bildbehandling.
  13. Se till att de flyttar huvudet framåt tills pannan är i fast kontakt med nackstödet (#11).
  14. Fånga OCTA-genomsökningen av intresse som bestäms av testprotokollet. I denna studie, tre 3 mm x 3 mm bilder centrerad på fovea fångades efter 1 min gas andning.
    1. Låt motivet hålla huvudet vänd framåt och ändå samtidigt fixera på målet i mitten av sin uppfattning
    2. I den livebild som visas i irisvyn centrerar du genomsökningen.
    3. Sätt iris i fokus genom att flytta chinrest i eller ut med hjälp av vänster-höger pilar.
    4. Kontrollera att fovealdippen är centrerad i OCT-skanningen, som bör ske som standard.
    5. Ta en bild. Skanningen varar vanligtvis i flera sekunder på en OCTA-maskin.
    6. Visa OCTA-bilden efter att genomsökningen har slutförts och se till att den är av tillräcklig kvalitet. Signalstyrkan bör vara en 7 eller bättre på en 10-gradig skala som tillhandahålls av OCTA-tillverkaren.
    7. Välj spara eller skanna ögat igen.
    8. Upprepa steg 3.14.1–3.14.7 för så många skanningar som önskas.
    9. Låt motivet luta sig tillbaka från maskinen. Ta bort nosklämman (#10) och munstycket (#9) när inga fler skanningar av ögat med denna gasblandning behövs.
  15. Låt försökspersonerna bryta 2 min innan CO2 gas provokation experiment.
  16. Fyll Douglas påsen med den första önskade luftblandningen (bestående av 5% CO2,21% syre och 74% kväve) enligt steg 1.2. Trevägsventilen kommer att vara i konfiguration 2 efter detta steg.
  17. Komplett installation av gasanpassningsapparater som inte återuppstäckt genom att ansluta aggregatet till enheten för icke-återaparering enligt figur 1 och som beskrivs i steg 1.1.4. Se till att alla skarvar är lufttäta med tätningstejp.
  18. Upprepa steg 3.9–3.14, men ställ nu in trevägsventilen till konfiguration 1 i steg 3.11.
  19. Ge försökspersonerna en 10 minuters paus efter CO2 gas provokation för att möjliggöra en återgång till baslinjen.
  20. Medan motivet är på rast, fyll Douglas väska med 100% O2 enligt steg 1,2.
  21. Upprepa steg 3.17–3.18 för att utföra experimentet under 100 % O2 gasprovokationsförhållanden.

4. Experimentell sanering

  1. Kassera de disponibla delarna av förinställningen: motivets munstycke (#9) och nosklämman (#10).
  2. Rengör huvudet och hakans vila (#11) med hjälp av en spritsudd. Torka av motivets stol, OCTA-bord och OCTA-handtag med en desinfektionstorkning för att avlägsna eventuella vandrande saliv.
  3. Koppla bort inställningarna i baskomponenterna – aggregatet och enheten för icke-återåtergivande – vid trevägsventilen (#3).
  4. Eftersom ingen luft utandning från motivet borde ha nått delar av aggregatet, töm Douglas väskan enligt steg 1.2.2 och placera på en plats för framtida hämtning. Koppla bort clean-bor röret (#2) med adapter (#2*) och trevägsventil (#3) från Douglas-väskan om så önskas för enklare förvaring. Detta avslutar att aggregatet städar upp.
  5. Ta bort gastillförselslangen (#8) från enheten för icke-återupparring genom att koppla bort den från armbågsleden (#7). Koppla bort de egna gummislangarna (#5) och slangadaptrarna (#4) från den tvåvägs icke-rebreathing ventilen (#6). Gör sedan samma sak från armbågsleden (#7) genom att ta bort tätningstejpen och lossa delarna genom att dra isär dem.
    OBS: Mer omfattande rengöring av tvåvägs icke-reresathing ventil kan underlättas genom att demontera den för att ta bort de inre membranen för ytterligare vård.
  6. Förbered ett desinfektionsbad för sanering av de återanvändbara komponenterna
    1. Fyll en behållare som är tillräckligt stor för att dränka gastillförselrören (#8) med ett lämpligt utspädt och välblandat rengöringsmedelsdesinfektionsmedel. Späd i så fall tvättmedlet med vatten till ett förhållande av 1:6425.
  7. Blötlägg gastillförselslangen (#8), tvåvägsventil (#6), armbågsled (#7), egen gummislang (#5) och slangadaptrar (#4) i det beredda desinfektionsbadet i minst 10 minuter.
  8. Ta bort alla delar efter att badet är över och skölj dem noggrant med vatten.
  9. Placera dem på en pappershandduk på en ren bänkskiva som ska lufttorkas.
  10. När lufttorkningen är klar ska du kassera pappershandduken och placera alla komponenter för förvaring.

5. EXPORT OCH ANALYS AV OCTA-data

  1. EXPORT AV OCTA-data
    1. Exportera OCTA-data genom att infoga en flyttbar medieenhet i OCTA-datorn. Hitta ämnet och skanna av intresse.
    2. Välj Exportera om du vill skapa en zip-mapp som innehåller ämnet intressedata i ett BMP-format på den flyttbara medieenheten.
  2. OCTA-dataanalys
    1. Organisera OCTA-data på en laboratoriedator med möjlighet att utföra ytterligare bildanalys och bearbetning.
    2. Använd ett anpassat skript för att undertrycka brus med en global tröskelteknik och utföra ytterligare funktionsextrahering. Binarize och skeletonize OCTA bilder.
    3. Beräkna fartygets skelettdensitet (VSD)19,26, ett dimensionslöst mått på fartygens totala linjära längd i en bild som beräknas med följande ekvation som utförs på en binäriserad skelettbild av OCTA:
      Equation 1
      där i och j refererar till pixelkoordinat(i,j), L(i,j) refererar till vita pixlar som representerar dekorrelation, X(i,j) refererar till alla pixlar, och n refererar till dimensionerna för pixelrayen, som kan antas vara n x n pixlar19,26. Nämnaren för denna ekvation representerar det totala antalet pixlar som beräknas som skrivet från den skelettförsatta bilden, men som kan ses som representerar det fysiska området för hela bilden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Utgången från detta experiment består av de manuella avläsningarna från pulsoximetern, den tidpunkt som anges för gasexponering eller OCTA-skanning och de råa OCTA-bilddata. En OCTA-bild består av OCT B-skanningar och dekorrelationssignalen som är associerad med varje B-skanning. Dataparametrarna anges av enhetens specifikationer. En svept källa laserplattform OCTA maskin med en central våglängd på 1040-1060 nm användes. Bilderna ger en tvärgående upplösning på 20 μm och optisk axiell upplösning på 6,3 μm. Oftast presenteras OCTA-uppgifterna i ett 2D-format, vilket har visats i den representativa figur 2. Många mått finns för att kvantifiera dessa data på ett sätt som möjliggör jämförelser mellan ämnen och mellan olika villkor. En representativ metrisk, kärlskeletttäthet (VSD), visas tillsammans med fullständiga näthinneangiogram i figur 2. Som kapillärerna vasoconstrict och vasodilat som svar på gasexponeringen, kapillärdensiteten förändras också. Hyperkapniska förhållanden förväntas resultera i en ökning av VSD och hyperoxiska tillstånd förväntas resultera i en minskning av VSD jämfört med rumsluftförhållanden.

Figure 2
Figur 2: Representativa resultat av kärlfallstäthet (VSD) i hyperoxiska, rumsluft och hyperkapniska förhållanden. Denna bild visar 3 mm x 3 mm OCTA angiogram och fartyg densitet resultaten av en hälsosam 76-årig kvinnlig ämne. Rad 1 visar en enda representativ horisontell OCT B-scan genom fovea med dekorrelationssignal ovanför retinal pigment epitel representeras av rött för var och en av gasandning provokation villkor-100% O2, rum luft och 5% CO2 respektive. Rad 2 består av en enda OCTA-enface-bild konstruerad av 256 OCTA B-skanningar, varav en visas i rad 1. Rad 3 består av samma OCTA-bilder i rad 2 efter bearbetning där fartygen var binariserade och skeletonized. Rad 4 består av en värmekarta som visar VSD som beräknas lokalt från bilderna i rad 3. Observera att det totala VSD och det relativa antalet lokala VSD-aktiva punkter ökar allteftersom man framskred i kolumnerna från vänster till höger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den metod som just beskrivits är det fullständiga protokollet för en gasandning provokation experiment som möjliggör mätning av ett försöksperson rvr i en kontrollerad miljö vid specifika tidpunkter utan ändringar i OCTA bildbehandling enhet och minimal obehag eller risk för ämnet. Denna inställning beskrivs på ett sätt som möjliggör enkla ändringar för att passa behoven hos forskaren. Den kan rymma ytterligare slangar för att passa olika klinikrum och vissa element såsom interna slangar eller armbågsleden kan utelämnas eller ersättas med andra komponenter. Bild 1 visar hur de viktigaste delarna av installationen – aggregatet, enheten för icke-återåterställning och enheten för ämnes-/bildenheter – samverkar med varandra i en enkel anslutning. Gasblandningar kan enkelt styras med Douglas-påsen som reservoar. Dessutom kan extra bildskärmar läggas till på flera ställen i installationen. Till exempel innehåller armbågsleden en valfri provtagningsport som kan användas för att mäta gaserna i försökspersonens utandning, såsom end tidal CO2 för mer exakt karakterisering av tillståndet för försökets andning. Styrkan hos denna icke-reresathing apparat är i sin anpassningsförmåga till både kliniken villkor och forskarens krav. Även OM OCTA-avbildning används kan andra bildframställningsmetoder möjligen implementeras med den här gasinställningen.

Ordningen för exponering för gaser under provning kan vara viktigt för att inte snedvrida reaktivitetsåtgärderna. Studier av Tayyari et al.24 har föreslagit att en vasoconstrictive tillstånd av retinal fartyg kvarstod efter ingåendet av en hyperoxic gas utmaning och kan påverka hypercapnic RVR bedömning. Andra har dock visat retinal kärl syresättning27 och retinal kärldiameter16 båda återgå till baslinjen inom 2,5 min efter upphörandet av hyperoxic andning. Gasprovokationens varaktighet är också viktig. Tidigare arbete har visat att vasoconstriction är mätbar efter 1 min hyperoxisk exponering och att nästan alla vasoconstriction har inträffat efter 4-5 min debut. Kärldiametrarna förblir då stabila med syreexponering i över minst 20 min28. När det gäller hyperkapnisk gas provokation, topp effekter på retinal kranskärlens och venous kärl diametrar observerades efter 3 min exponering för 5% koldioxid villkor4. Den föreslagna metoden är denna studie börjar bildbehandling efter 1 min gas icke-rebreathing eftersom effekten av hypercapnia på cerebral vaskulär reaktivitet har visat sig vara likvärdig vid 1 och 4 min, vilket minskar den tid som krävs för bildframställning och patientens obehag betydligt29.

Genom att använda ett munstycke med en nosklämma kan denna inställning förbättra dessa experiment med hjälp av en gasmask. Tidigare studier inducera hyperoxiska tillstånd med hjälp av ett munstycke noterade en genomsnittlig ökning av blod syrekoncentrationen av retinal arterioler på 2%15 jämfört med en 5% ökning30 när du använder en mask. Men genom att lägga till en näsa klipp, denna metod bör minska risken för försökspersoner att inspirera någon mängd luft genom näsan som kan ha inträffat i denna tidigare studie. Risken för fel i installationen måste balanseras med patientens komfort och de ytterligare komplikationerna av att bära en ansiktsmask när du använder ett omodifierat OCTA-system. Dessa inkluderar att göra plats för masken på OCTA31 och potentialen för gasutbyte och blandning i det stora utrymmet som upptas av masken själv32. En oro för munstycket setup är risken för förvärrade vasoconstrictive effekter på RVR på grund av förändringar i det partiella trycket av CO2 (PCO2) under induktion av hyperoxia33. Andningsapparaten kan modifieras för att kontrollera denna störande effekt genom att upprätthålla ett konstant deltryck av koldioxid med en sekventiell rebreathing krets33,34.

Under testningen kan patienterna känna andfåddhet när de andas genom rörkretsen trots att de syrebrister väl. Denna känsla är potentiellt på grund av den ökade motståndskraften mot gasflödet när andas genom slangar. Flera åtgärder kan vidtas för att säkerställa att motivet inte blir förvirrad eller orolig. För det första är det viktigt att minimera längden på det döda utrymmet mellan motivets mun och den tvåvägs icke-rebreathing ventilen för att minimera rebreathing av gas. Även med ett mycket kort segment, ämnen kan fortfarande "känna" som andning är svårare. Därför är det viktigt att låta motivet andas genom gasen icke-reresathing apparaten innan inledandet av någon datainsamling för att bekanta motivet med installationen. Examinator bör påminna ämnet att andas långsamt och djupt, hålla ett vakande öga på pulsen oximetri avläsningar och informera föremålet för dess resultat för tillförsikt. Se också till att motivet kan sitta bekvämt och vila huvudet enkelt på OCTA nackstödet medan munstycket sätts in. Detta innebär att styra munstycket röret genom och runt OCTA chinrest så att motivet inte behöver bita ner med kraft för att hålla den i munnen. Påminn ämnet att behålla blicken på fixeringsmålet och begränsa åtgärder som resulterar i ögon- eller huvudrörelser, inklusive samtal, eftersom dessa kan introducera rörelseartefakter i OCTA-skanningarna. Försökspersonen bör uppmuntras att dra sig ur försöket om obehaget från att delta i studien går utöver det lägsta minimivärdet.

Hyperkapni och hyperoxi förväntas inte ha någon signifikant effekt på det genomsnittliga arteriella trycket vid omfattningen och varaktigheten av gasvariationer som ses i denna studie, särskilt hos hemodynamically normala försökspersoner35,36. Mätning av blodtryck under gasandningsprovokationer kan dock vara användbar om själva mätproceduren inte förvirrar studien eller ökar ämnesångesten under testningen. Om de föredragna stimuli för bedömning av RVR är att öka genomsnittligt arteriellt tryck, alternativa metoder såsom handgrepp test37,,38,,39 eller kall pressor test40, som mer direkt och effektivt kan öka ett försöks blodtryck, kan övervägas.

OCTA möjliggör god intrabesökt och intervisit reproducerbarhet hos både friska patienter och de med retinopati med de flesta variationskoefficienter för kärltäthet mindre än 6%41,42. I en patientpopulation av intresse, såsom diabetiker patienter, intersession koefficienten för variabilitet för fartyg densitet förblev under 6% även med ett intervall på en månad43. Således kan denna metod användas för att följa de längsgående förändringarna i RVR. Under longitudinella uppföljningar, dock, Det kommer att vara viktigt att hålla reda på de potentiella confounders till retinal vaskulär reaktivitet bedömning såsom kaffeintag44. Det kan också finnas ett behov av att vara känslig för dygnsvariationer som kan påverka reaktiviteten beroende på vilket tillstånd och näthinneskikt som studeras45,,46,47.

Trots metodens breda tillämplighet måste några faktorer beaktas vid patientrekrytering. Även om detta icke-rebreathing förfarande inte använder en hypoxisk gas blandning, den ökade motståndskraften mot andning genom röret kan innebära ytterligare risker för dem som redan med obstruktiv lungsjukdomar inklusive astma och kronisk obstruktiv lungsjukdom. För försökspersoner, inklusive personer med hjärtproblem, där andfåddhet redan är ett problem, bör deras deltagande i studien få ytterligare granskning. När det gäller vanligare kärlsjukdomar inklusive högt blodtryck och diabetes, gas utmaning tester har utförts med liknande gas kompositioner i dessa patientpopulationer i flera studier8,9,48, och på senare tid med den beskrivna metoden2, och det har inte förekommit några rapporter om biverkningar i dessa dokument.

Även om OCTA-bilder innehåller viktig information om näthinnans funktion och många parametrar kan beräknas för att kvantifiera morfologin hos kapillärbädden49,50,som med många andra bildtekniker, finns begränsningar vid tolkningen av OCTA-skanningar. Avbildningsfel, inklusive förskjutningsartefakter, rörelseartefakter och projektionsartefakter50, kan påverka bildkvaliteten. OCTA förlitar sig på flödet för att upptäcka signal utan att visualisera endotel eller kärlvägg. Som ett resultat, OCTA mått innebär index som är representativa för de inneboende vaskulära egenskaper men kanske inte perfekt representationer av mikrovaskulaturen. Jämförelser med histologi har visat att den verkliga tätheten av retinal vaskulatur kan vara större än bedömas med OCTA51. Dessutom kan tidsmässiga förändringar i flödet inom mikrovessels under 10–15 μm orsaka variation i OCTA-bildintensitet mellan skanningar23. Detta misstänks bero på flöden under en minsta detekterbar hastighet.

Sammanfattningsvis innebär bekvämligheten med gasutbytesinställningen, den låga kostnaden för materialen och möjligheten för metoden att tillämpas på en mängd olika oftalmiska bildenheter att den kommer att förbli relevant för näthinneavbildning, särskilt med OCTA-system. Genom att stimulera både ett positivt och negativt RVR-svar kan denna inställning också användas för att undersöka fysiologi med retinal kärlsjukdom samt oktasystemens gränser genom att visualisera de fartyg som undviker detektion med hjälp av den nuvarande tekniken men är uppenbara med ytterligare stimulering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Carl Zeiss Meditec har tillhandahållit bidragsfinansiering, utrustning och ekonomiskt stöd till AHK i samband med ämnet för denna artikel.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av NIH K08EY027006, R01EY030564, UH3NS100614, Forskningsanslag från Carl Zeiss Meditec Inc (Dublin, CA) och Obegränsad avdelning finansiering från forskning för att förhindra blindhet (New York, NY).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
5% CO2 gas [5% CO2, 21% O2, 74% N2] (Compressed) Institution Dependent (Praxair)
Bacdown Disinfectant Detergent Decon Labs 8001 https://deconlabs.com/products/disinfectant-bdd/
Clean-Bor Tubes (35 mm Inner Diameter) Vacumed 1011-108 http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&skuid=1197
Cuff adapter for Douglas bag filling Vacumed 22254 http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343
Douglas bag (200 L capacity) Harvard Apparatus 500942 https://www.harvardapparatus.com/douglas-bag.html
Elbow Joint (Inner Diameter 19 mm/Outer Diameter 22 mm), Modified in House
Fingertip Pulse Oximeter (Pro-Series) CMS CMS 500DL https://www.walmart.com/ip/Pro-Series-CMS-500DL-Fingertip-Pulse-Oximeter-Blood-Oxygen-Saturation-Monitor-with-silicon-cover-batteries-and-lanyard/479049154
Gas Delivery Tube (22 mm Inner Diameter) Modified in House
Gas filling tube (1/8" for compressed gas)
Hydrogen Peroxide Cleaner Disinfectant Wipes Clorox Healthcare 30824 https://www.cloroxpro.com/products/clorox-healthcare/hydrogen-peroxide-cleaner-disinfectants/?gclid=EAIaIQobChMIk-KG4vi15QIVcRh9Ch0NNwLPEAAYASAAEgJIa_D_BwE&gclsrc=aw.ds
Lubricant Eye Drops Refresh Refresh Plus https://www.refreshbrand.com/Products/refresh-plus
Manual Directional Control Valves: Three-Way T-Shape Stopcock Type (Inner Diameter 28.6 mm, Outer Diameter 35 mm) Hans Rudolph 2100C Series www.rudolphkc.com
Medical O2 (Compressed) Institution Dependent
Mouth piece (Silicone, Model #9061) Hans Rudolph 602076 www.rudolphkc.com
OCTA Imaging Device (PLEX Elite 9000) Carl Zeiss Meditec, Dublin, CA, USA https://www.zeiss.com/meditec/int/product-portfolio/optical-coherence-tomography-devices/plex-elite-9000-swept-source-oct.html
Phenylephrine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP 2.5% Paragon Bioteck, Inc NDC 42702-102-15 https://paragonbioteck.com/products/diagnostics/phenylephrine-hydrochloride-ophthalmic-solution-usp-2-5/
Plastic Nose Clip Sterile Foam CS100 Sklar Sterile 96-2951 https://www.sklarcorp.com/disposables/plastic/plastic-nose-clip-sterile-foam-box-of-100.html
Proparacaine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP .5% Bausch + Lomb NDC 24208-730-06 https://www.bausch.com/ecp/our-products/rx-pharmaceuticals/generics
Regulator (tank dependent- 5% CO2: Fisherbrand Mulitstage Gas Cylinder Regulators) Genstar Technologies Company 10575150 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575150?keyword=true
Regulator (tank dependent- Oxygen: Fisherbrand Multistage Gas Cylinder Regulators) Genstar Technologies Company 10575145 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575145?keyword=true
Rubber Tubing (Inner diameter 19 mm, Outer diameter 27 mm), Made in House
Sealing tape- Parafilm Wrap (2" Wide) Cole Parmer PM992 https://www.coleparmer.com/i/parafilm-pm992-wrap-2-wide-250-ft-roll/0672050?PubID=VV&persist=True&ip=no&gclid=EAIaIQobChMInY3vqomz5QIVfyCtBh1VSg64EAAYASAAEgJ9n_D_BwE
Sterile Alcohol Prep Pads Medline MDS090670 https://www.medline.com/product/Sterile-Alcohol-Prep-Pads/Swab-Pads/Z05-PF03816
Tropicamide Ophthalmic Solution, USP 1% Akorn NDC 17478-102-12 http://www.akorn.com/prod_detail.php?ndc=17478-102-12
Tubing Adapter, Made in House
Two-way non-rebreathing valve (2600 Series- Inner Diameter 28.6 mm, Outer Diameter 35 mm) Hans Rudolph 2600 Series, UM-112078 www.rudolphkc.com

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Country, M. W. Retinal metabolism: A comparative look at energetics in the retina. Brain Research. 1672, 50-57 (2017).
  2. Ashimatey, B. S., Green, K. M., Chu, Z., Wang, R. K., Kashani, A. H. Impaired Retinal Vascular Reactivity in Diabetic Retinopathy as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 60 (7), 2468 (2019).
  3. Hickam, J. B. M. D., Frayser, R. P. D. Studies of the Retinal Circulation in Man: Observations on Vessel Diameter, Arteriovenous Oxygen Difference, and Mean Circulation Time. Circulation. 33 (2), 302-316 (1966).
  4. Dorner, G. T., Garhoefer, G., Zawinka, C., Kiss, B., Schmetterer, L. Response of Retinal Blood Flow to CO2 -Breathing in Humans. European Journal of Ophthalmology. 12 (6), 459-466 (2002).
  5. Linsenmeier, R. A., Zhang, H. F. Retinal oxygen: from animals to humans. Progress in Retinal and Eye Research. 58, 115-151 (2017).
  6. Eliakim, M., Mor, I., Michaelson, I. C. Assessment of pharmacologic effects on the retinal circulation of hypertensive subjects by a quantitative method. Microvascular Research. 4 (4), 374-383 (1972).
  7. Gilmore, E. D., et al. Retinal arteriolar hemodynamic response to an acute hyperglycemic provocation in early and sight-threatening diabetic retinopathy. Microvascular Research. 73 (3), 191-197 (2007).
  8. Hickam, J. B., Sieker, H. O. Retinal Vascular Reactivity in Patients with Diabetes Mellitus and with Atherosclerosis. Circulation. 22 (2), 243-246 (1960).
  9. Gilmore, E. D., et al. Retinal Arteriolar Diameter, Blood Velocity, and Blood Flow Response to an Isocapnic Hyperoxic Provocation in Early Sight-Threatening Diabetic Retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (4), 1744 (2007).
  10. Garhofer, G. Reduced response of retinal vessel diameters to flicker stimulation in patients with diabetes. British Journal of Ophthalmology. 88 (7), 887-891 (2004).
  11. Felder, A. E., Wanek, J., Blair, N. P., Shahidi, M. Inner Retinal Oxygen Extraction Fraction in Response to Light Flicker Stimulation in Humans. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 56 (11), 6633-6637 (2015).
  12. Rose, K., Flanagan, J. G., Patel, S. R., Cheng, R., Hudson, C. Retinal Blood Flow and Vascular Reactivity in Chronic Smokers. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (7), 4266 (2014).
  13. Omae, T., Nagaoka, T., Yoshida, A. Effects of Habitual Cigarette Smoking on Retinal Circulation in Patients With Type 2 Diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (3), 1345 (2016).
  14. Pusparajah, P., Lee, L. H., Abdul Kadir, K. Molecular Markers of Diabetic Retinopathy: Potential Screening Tool of the Future. Frontiers in Physiology. 7, (2016).
  15. Hammer, M., Vilser, W., Riemer, T., Schweitzer, D. Retinal vessel oximetry-calibration, compensation for vessel diameter and fundus pigmentation, and reproducibility. Journal of Biomedical Optics. 13 (5), 054015 (2008).
  16. Gilmore, E. D., Hudson, C., Preiss, D., Fisher, J. Retinal arteriolar diameter, blood velocity, and blood flow response to an isocapnic hyperoxic provocation. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 288 (6), 2912-2917 (2005).
  17. Duan, A., Bedggood, P. A., Metha, A. B., Bui, B. V. Reactivity in the human retinal microvasculature measured during acute gas breathing provocations. Scientific Reports. 7 (1), 2113 (2017).
  18. Burns, S. A., Elsner, A. E., Sapoznik, K. A., Warner, R. L., Gast, T. J. Adaptive optics imaging of the human retina. Progress in Retinal and Eye Research. 68, 1-30 (2019).
  19. Kim, A. Y., Chu, Z., Shahidzadeh, A., Wang, R. K., Puliafito, C. A., Kashani, A. H. Quantifying Microvascular Density and Morphology in Diabetic Retinopathy Using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography Angiography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (9), (2016).
  20. Koulisis, N., et al. Quantitative microvascular analysis of retinal venous occlusions by spectral domain optical coherence tomography angiography. PLOS ONE. 12 (4), 0176404 (2017).
  21. Kim, A. Y., et al. Quantifying Retinal Microvascular Changes in Uveitis Using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography Angiography. American Journal of Ophthalmology. 171, 101-112 (2016).
  22. Kashani, A. H., et al. Optical coherence tomography angiography: A comprehensive review of current methods and clinical applications. Progress in Retinal and Eye Research. 60, 66-100 (2017).
  23. Yu, D. Y., et al. Retinal capillary perfusion: Spatial and temporal heterogeneity. Progress in Retinal and Eye Research. 70, 23-54 (2019).
  24. Tayyari, F., et al. The Relationship between Retinal Vascular Reactivity and Arteriolar Diameter in Response to Metabolic Provocation. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 50 (10), 4814 (2009).
  25. Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U., Cheng, Y., Marshall, O., Ge, Y. MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges. Journal of Visualized Experiments. (94), e52306 (2014).
  26. Reif, R., Qin, J., An, L., Zhi, Z., Dziennis, S., Wang, R. Quantifying Optical Microangiography Images Obtained from a Spectral Domain Optical Coherence Tomography System. International Journal of Biomedical Imaging. 2012, 1-11 (2012).
  27. Olafsdottir, O. B., Eliasdottir, T. S., Kristjansdottir, J. V., Hardarson, S. H., Stefánsson, E. Retinal Vessel Oxygen Saturation during 100% Oxygen Breathing in Healthy Individuals. PLOS ONE. 10 (6), 0128780 (2015).
  28. Kiss, B., et al. Retinal Blood Flow during Hyperoxia in Humans Revisited: Concerted Results Using Different Measurement Techniques. Microvascular Research. 64 (1), 75-85 (2002).
  29. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia BOLD MRI. NMR in biomedicine. 22 (7), 779-786 (2009).
  30. Hardarson, S. H., et al. Automatic Retinal Oximetry. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (11), 5011 (2006).
  31. Sousa, D. C., Leal, I., Moreira, S., Dionísio, P., Abegão Pinto, L., Marques-Neves, C. Hypoxia challenge test and retinal circulation changes - a study using ocular coherence tomography angiography. Acta Ophthalmologica. 96 (3), 315-319 (2018).
  32. Slessarev, M., Somogyi, R., Preiss, D., Vesely, A., Sasano, H., Fisher, J. A. Efficiency of oxygen administration: Sequential gas delivery versus "flow into a cone" methods. Critical Care Medicine. 34 (3), 829-834 (2006).
  33. Gilmore, E. D., Hudson, C., Venkataraman, S. T., Preiss, D., Fisher, J. Comparison of Different Hyperoxic Paradigms to Induce Vasoconstriction: Implications for the Investigation of Retinal Vascular Reactivity. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (9), 3207 (2004).
  34. Shahidi, A. M., Patel, S. R., Huang, D., Tan, O., Flanagan, J. G., Hudson, C. Assessment of total retinal blood flow using Doppler Fourier Domain Optical Coherence Tomography during systemic hypercapnia and hypocapnia. Physiological Reports. 2 (7), 12046 (2014).
  35. Maleki, N., et al. The Effect of Hypercarbia and Hyperoxia on the Total Blood Flow to the Retina as Assessed by Magnetic Resonance Imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (9), 6867 (2011).
  36. Smit, B., Smulders, Y. M., vander Wouden, J. C., Oudemans-van Straaten, H. M., Spoelstra-de Man, A. M. E. Hemodynamic effects of acute hyperoxia: systematic review and meta-analysis. Critical Care. 22 (1), 45 (2018).
  37. Piccolino, F. P., Cagini, C., Fruttini, D., Nicolò, M., Eandi, C. M., Tito, S. Retinal Vascular Reactivity in Central Serous Chorioretinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (11), 4425 (2018).
  38. Sousa, D. C., et al. A Protocol to Evaluate Retinal Vascular Response Using Optical Coherence Tomography Angiography. Frontiers in Neuroscience. 13, 566 (2019).
  39. Robinson, F., Riva, C. E., Grunwald, J. E., Petrig, B. L., Sinclair, S. H. Retinal Blood Flow Autoregulation in Response to on Acute Increase in Blood Pressure. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 27 (5), 5 (1986).
  40. Gherghel, D., Hosking, S. L., Cunliffe, I. A. Abnormal Systemic and Ocular Vascular Response to Temperature Provocation in Primary Open-Angle Glaucoma Patients: A Case for Autonomic Failure. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (10), 3546 (2004).
  41. You, Q., et al. Reproducibility of vessel density measurement with Optical Coherence Tomography Angiography in eyes with and without retinopathy. Retina. 37 (8), 1475-1482 (2017).
  42. Lei, J., et al. Repeatability and Reproducibility of Superficial Macular Retinal Vessel Density Measurements Using Optical Coherence Tomography Angiography En Face Images. JAMA Ophthalmology. 135 (10), 1092 (2017).
  43. Czakó, C., et al. Intrasession and Between-Visit Variability of Retinal Vessel Density Values Measured with OCT Angiography in Diabetic Patients. Scientific Reports. 8 (1), 10598 (2018).
  44. Field, A. S., Laurienti, P. J., Yen, Y. F., Burdette, J. H., Moody, D. M. Dietary Caffeine Consumption and Withdrawal: Confounding Variables in Quantitative Cerebral Perfusion Studies. Radiology. 227 (1), 129-135 (2003).
  45. Baek, S. U., et al. Diurnal change of retinal vessel density and mean ocular perfusion pressure in patients with open-angle glaucoma. PLOS ONE. 14 (4), 0215684 (2019).
  46. Müller, V. C., Storp, J. J., Kerschke, L., Nelis, P., Eter, N., Alnawaiseh, M. Diurnal variations in flow density measured using optical coherence tomography angiography and the impact of heart rate, mean arterial pressure and intraocular pressure on flow density in primary open-angle glaucoma patients. Acta Ophthalmologica. 97 (6), (2019).
  47. Sarwar, S., et al. Diurnal variation of choriocapillaris vessel flow density in normal subjects measured using optical coherence tomography angiography. International Journal of Retina and Vitreous. 4 (1), 37 (2018).
  48. Liu, P., De Vis, J. B., Lu, H. Cerebrovascular reactivity (CVR) MRI with CO2 challenge: A technical review. NeuroImage. 187, 104-115 (2019).
  49. Ting, D. S. W., et al. Optical Coherence Tomographic Angiography in Type 2 Diabetes and Diabetic Retinopathy. JAMA Ophthalmology. 135 (4), 306 (2017).
  50. Spaide, R. F., Fujimoto, J. G., Waheed, N. K., Sadda, S. R., Staurenghi, G. Optical coherence tomography angiography. Progress in retinal and eye research. 64, 1-55 (2018).
  51. An, D., et al. Quantitative comparisons between optical coherence tomography angiography and matched histology in the human eye. Experimental Eye Research. 170, 13-19 (2018).

Tags

Neurovetenskap Nummer 157 OCTA Vaskulär reaktivitet Näthinnan Hyperkapni Hyperoxia Människor Näthinnekärl/patologi tomografi optisk koherens
Retinal Vaskulär reaktivitet som bedöms av optisk koherens Tomography Angiography
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kushner-Lenhoff, S., Ashimatey, B.… More

Kushner-Lenhoff, S., Ashimatey, B. S., Kashani, A. H. Retinal Vascular Reactivity as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography. J. Vis. Exp. (157), e60948, doi:10.3791/60948 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter