Bewertung des Kapillar- und anderen Gefäßbeitrags zur Makulaperfusionsdichte, gemessen mit optischer Kohärenztomographie-Angiographie

Die Netzhautzirkulation ist die Kombination aus Arteriolär-, Kapillar- und Venularfluss, deren Beitrag variieren kann, um den Sauerstoffbedarf der verschiedenen Netzhautschichten zu decken. Diese Zirkulation hängt nicht von der Regulation des autonomen Nervensystems ab und wurde traditionell mit der Fluorescein-Angiographie bewertet, einer invasiven Methode, die intravenösen Kontrast verwendet, um Netzhautgefäße abzugrenzen. Sequenzielle Aufnahmen ermöglichen die Beurteilung des arteriellen, arteriellen, venösen und venösen Kreislaufs sowie der Stellen von Kapillarschäden bei retinalen Gefäßerkrankungen1^.

Eine aktuelle Methode zur Messung der Makulazirkulation ist die optische Kohärenztomographie-Angiographie (OCTA), die Interferometrie verwendet, um Netzhautbilder zu erhalten und Kapillaren und größere Netzhautgefäße zu ^skizzieren2. Im Gegensatz zur Fluorescein-Angiographie wird die OCTA-Bildgebung nicht durch die Pigmentschattierung des Makulaxanthophylls beeinflusst, was eine überlegene Bildgebung der Makulakapillaren ^{ermöglicht3.} Weitere Vorteile von OCTA gegenüber der Fluorescein-Angiographie sind ihre Nichtinvasivität und höhere ^Auflösung4.

OCTA-Geräte messen den oberflächlichen Kapillarplexus an der Parafovea in einer 3 x 3 mm großen Abbildung, konzentrisch zum Fovealzentrum (Abbildung 1). Das Gerät misst automatisch die Gefäßlängendichte (die Länge von Kapillaren mit Zirkulation im gemessenen Bereich) und die Perfusionsdichte (der Prozentsatz der gemessenen Fläche mit Zirkulation), einschließlich der Dichte von Gefäßen, die größer als Kapillaren sind (Abbildung 2)⁵. Die Gefäßdichte hat einen wesentlichen Beitrag zur Perfusionsdichte unter physiologischen Bedingungen. Einige Geräte messen die Gefäßdichte als "skelettierte Gefäßdichte" und die Perfusionsdichte als "Gefäß- / Gefäßdichte". Unabhängig vom Gerät gibt es in der Regel eine Messung für die Länge (gemessen in mm/^mm2 oder ^mm-1) und eine weitere für den Bereich mit der Zirkulation (gemessen in %), die automatisch generiert werden.

Die Gefäßdichte kann sich bei gesunden Menschen ändern, wenn sie Dunkelheit, flimmerndem ^Licht6 oder koffeinhaltigen Getränken ausgesetzt ^sind7 aufgrund der neurovaskulären Kopplung, die den Blutfluss zwischen den oberflächlichen, mittleren und tiefen Kapillarplexus entsprechend der Netzhautschicht mit der höchsten Aktivität umverteilt. Jede Abnahme der Gefäßdichte, die durch diese Umverteilung verursacht wird, kehrt nach Beendigung des Reizes zu den Ausgangswerten zurück und stellt keinen Kapillarverlust dar, eine pathologische Veränderung, die vor dem Auftreten der Retinopathie bei Gefäßerkrankungen wie ^Diabetes8 oder arterieller Hypertonie berichtet ^wurde9.

Die Abnahme der Kapillaren konnte teilweise durch eine arteriolare Vasodilatation kompensiert werden. Die Messung nur eines Prozentsatzes oder einer durchbluteten Fläche gibt keinen Aufschluss darüber, ob eine Vasodilatation vorliegt, die auftreten kann, wenn Kapillaren eine Mindestschwelle erreichen. Die Messung der Gefäßdichte würde nicht dazu beitragen, eine erhöhte Durchblutungsfläche zu erkennen, die sich aus der Vasodilatation ergibt. Der Beitrag der Arteriolenzirkulation zur Perfusionsdichte kann indirekt unter Verwendung eines Bestimmungskoeffizienten zwischen Gefäßdichte und Perfusionsdichte geschätzt werden und definiert den Prozentsatz der Fläche mit Zirkulation, der Kapillaren oder anderen Gefäßen entspricht.

Der Grund für diese Technik ist, dass die Regressionsanalyse das Ausmaß identifizieren kann, in dem die Änderungen eines unabhängigen numerischen Werts zu Änderungen eines abhängigen numerischen Werts führen. In der Makulagefäßbildgebung mit OCTA ist die Kapillarzirkulation eine unabhängige Variable, die den Bereich mit der Zirkulation beeinflusst, da es in der ausgewerteten Region nur wenige größere Gefäße gibt. Die Parafovea hat jedoch größere Gefäße, die sich erweitern und den Prozentsatz der Fläche mit der Zirkulation ändern können, was durch die aktuellen automatisierten OCTA-Metriken nicht direkt identifiziert werden kann. Der Vorteil der Verwendung eines Bestimmungskoeffizienten besteht darin, dass er eine Beziehung zwischen zwei vorhandenen Metriken misst, um zwei weitere zu erzeugen: den Prozentsatz der Fläche mit Zirkulation, der Kapillaren entspricht, und den Prozentsatz, der anderen Schiffen entspricht. Beide Prozentsätze können direkt mit einer Pixelanzahl mit Bildgebungssoftware gemessen werden. Der Bestimmungskoeffizient kann jedoch für eine Probe mit den Zahlen berechnet werden, die die OCTA-Geräte automatisch ^{generieren10,11}.

Pathak et al. verwendeten einen Bestimmungskoeffizienten, um die fettfreie Muskel- und Fettmasse aus demografischen und anthropometrischen Messungen unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzwerks zu schätzen. Ihre Studie ergab, dass ihr Modell einen R2-Wert von 0,92 hatte, was die Variabilität eines großen Teils ihrer abhängigen Variablen ^erklärte12. O'Fee und Kollegen verwendeten einen Bestimmungskoeffizienten, um einen nicht-tödlichen Myokardinfarkt als Ersatz für die Gesamtursachen- und kardiovaskuläre Mortalität auszuschließen, weil sie einen ^R2 von 0,01 bis 0,21 fanden. Diese Ergebnisse zeigten, dass die unabhängige Variable weniger als 80% der Änderungen der abhängigen Variablen erklärte, die als Kriterium der Leihmutterschaft festgelegt wurden (^R2 = 0,8)¹³.

Der Bestimmungskoeffizient wird verwendet, um die Auswirkungen von Änderungen einer Variablen, einer Gruppe von Variablen oder eines Modells auf die Änderungen einer Ergebnisvariablen zu bewerten. Die Differenz zwischen 1 und dem ^R2-Wert stellt den Beitrag anderer Variablen zu den Änderungen der Ergebnisvariablen dar. Es ist ungewöhnlich, die Differenz einer einzelnen Variablen zuzuordnen, da normalerweise mehr als zwei zum Ergebnis beitragen. Der Anteil der Makulafläche, der zirkuliert, kann jedoch nur von der von Kapillaren bedeckten Fläche und von der von größeren Gefäßen bedeckten Fläche stammen, da sich größere Gefäße stärker ausdehnen als Kapillaren. Darüber hinaus wird angenommen, dass die reaktive Vasodilatation höchstwahrscheinlich von retinalen Arteriolen ausgeht, da eine verminderte Kapillarzirkulation die Sauerstoffversorgung verringern könnte.

Nur zwei Quellen tragen zu einem Prozentsatz der Fläche mit Zirkulation in der Makula bei: Kapillaren und Gefäße, die größer sind als sie. Der Bestimmungskoeffizient zwischen Gefäßdichte und Perfusionsdichte bestimmt den Beitrag der Kapillaren zu dem Bereich mit der Zirkulation, und die verbleibenden Änderungen (die Differenz zwischen 1 und dem ^R2-Wert ) stellen den Beitrag der einzigen anderen Variablen dar, die einen Bereich mit Zirkulation darstellt (der innerhalb größerer Netzhautgefäße). Dieser Beitrag beschreibt die Methode zur Messung dieses Beitrags bei gesunden Menschen (Gruppe 1) und wie er sich bei Patienten mit retinalen Gefäßerkrankungen verändert: arterielle Hypertonie ohne hypertensive Retinopathie (Gruppe 2) und Diabetes mellitus ohne diabetische Retinopathie (Gruppe 3).

Dieses Protokoll wurde von Sala Unos Ethikkommission für Humanforschung genehmigt. Siehe Video 1 für die Abschnitte 1 und 2 und die Materialtabelle für Einzelheiten über die in dieser Studie verwendete Ausrüstung.

1. Netzhautanalyse im OCTA-Gerät

1. Wählen Sie das Menü für die Netzhautanalyse im OCTA-Gerät aus.
2. Wählen Sie eine 3 x 3 mm Netzhautkarte; Wählen Sie oberflächlich , wenn das OCTA-Gerät verschiedene Kapillarplexus misst.
3. Wählen Sie die Gefäßlängendichte (oder ihr Äquivalent, z. B. skelettierte Gefäßdichte).
4. Messen Sie die Gefäßlängendichte in ^mm-1 in einer Netzhautkarte von 3 x 3 mm.
   HINWEIS: Die Karte ist in zwei Bereiche unterteilt: Mitte (innerhalb eines 1-mm-Kreises, konzentrisch zum fovealen Zentrum) und innerer (außerhalb des 1-mm-Mittelkreises, Abbildung 3). Das Gerät misst auch eine volle Dichte (innerhalb des 3-mm-Kreises) und unterteilt den inneren Bereich in vier Felder: überlegen, minderwertig, zeitlich und nasal (Abbildung 4). Jede Region wird so spezifiziert, dass die Gefäßlängendichten automatisch gemessen werden. Die Instrumente zeigen die Werte für Mitten-, Innen- und Volldichte sowie für übergeordnete, zeitliche, untere und nasale Felder der inneren Dichte an.
5. Kehren Sie zum Menü für die Netzhautanalyse zurück.
6. Wählen Sie eine 3 x 3 mm Netzhautkarte; Wählen Sie oberflächlich , wenn das OCTA-Gerät verschiedene Kapillarplexus misst.
7. Wählen Sie die Perfusionsdichte (oder ihr Äquivalent, z. B. die Gefäßdichte).
8. Messen Sie die Perfusionsdichte in % in einer 3 x 3 mm großen Netzhautkarte.
   HINWEIS: Die Karte ist in zwei Bereiche unterteilt: Mitte (innerhalb eines 1-mm-Kreises, konzentrisch zum fovealen Zentrum) und innerer (außerhalb des 1-mm-Mittelkreises). Das Gerät misst auch eine volle Dichte (innerhalb des 3-mm-Kreises) und unterteilt den inneren Bereich in vier Felder: überlegen, minderwertig, zeitlich und nasal. Jede Region wird so spezifiziert, dass die Perfusionsdichten automatisch gemessen werden. Die Instrumente zeigen die Werte für Mitten-, Innen- und Volldichte sowie für übergeordnete, zeitliche, untere und nasale Felder der inneren Dichte an.
9. Stellen Sie sicher, dass die Dichtekarten eine Signalstärke > 7 aufweisen. Stellen Sie dann sicher, dass die Karten keine Messfehler aufweisen, die sich aus Artefakten oder Augenbewegungen ergeben.
10. Registrieren Sie die Werte der mittleren Gefäßlängendichte, der mittleren Perfusionsdichte, der inneren Gefäßlängendichte, der inneren Perfusionsdichte, der überlegenen Gefäßlängendichte, der überlegenen Perfusionsdichte, der unteren Gefäßlängendichte, der unteren Perfusionsdichte, der zeitlichen Gefäßlängendichte, der nasalen Gefäßlängendichte und der nasalen Perfusionsdichte in einer Tabelle.

2. Berechnung der Bestimmungskoeffizienten anhand einer Tabellenkalkulation

1. Wählen Sie die auszuwertenden Variablen aus (z. B. mittlere Gefäßlängendichte und mittlere Perfusionsdichte). Wählen Sie die Werte beider Variablen für eine definierte Gruppe (z. B. Gruppe 1) aus.
2. Klicken Sie in der Symbolleiste auf Einfügen.
3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Empfohlene Diagramme im Abschnitt Grafiken . Warten Sie, bis ein Punktdiagramm als Vorschlag in einem Fenster angezeigt wird. Klicken Sie auf die Schaltfläche OK, um den Vorschlag anzunehmen.
4. Überprüfen Sie das Punktdiagramm der Daten. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Serie , um ein Optionsmenü anzuzeigen.
5. Wählen Sie die Option Trendlinie hinzufügen aus. Warten Sie, bis dem Diagramm eine lineare Trendlinie hinzugefügt wurde und dass auf der rechten Seite des Bildschirms ein Menü angezeigt wird.
6. Verschieben Sie das Menü nach unten, um die Option R-Quadrat-Wert im Diagramm anzeigen zu finden. Wählen Sie diese Option, um den R-Quadrat-Wert im Diagramm anzuzeigen. Wählen Sie den R-Quadrat-Wert aus.
7. Wählen Sie in der Symbolleiste Start und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Kopieren .
8. Bereiten Sie auf einer neuen Seite ein Diagramm mit den Bestimmungskoeffizienten vor.
9. Wählen Sie eine Zielzelle aus (z. B. den zentralen Bestimmungskoeffizienten für Gruppe 1). Klicken Sie mit der rechten Maustaste. Wählen Sie Einfügen mit Quellformatierung beibehalten aus.
10. Bereiten Sie ein neues Diagramm vor, um den Prozentsatz der Perfusionsdichteänderungen zu zeigen, die durch Änderungen der Gefäßdichte erklärt werden.
11. Wählen Sie die Zelle mit dem Bestimmungskoeffizienten im vorherigen Diagramm aus. Klicken Sie mit der rechten Maustaste. Wählen Sie Kopieren aus.
12. Wählen Sie eine Zielzelle im neuen Diagramm aus (z. B. zentriert in Gruppe 1). Klicken Sie mit der rechten Maustaste. Wählen Sie Einfügen aus.
13. Markieren Sie die Zelle mit dem eingefügten Wert. Wählen Sie dann in der Symbolleiste im Menü Zahl die Option Start- | Prozentformatvorlage aus.
14. Wählen Sie im Zahlenmenü die Option "Dezimalzahl erhöhen" und klicken Sie einmal darauf.
    HINWEIS: Die resultierende Zahl ist der Prozentsatz der Änderungen der Perfusionsdichte, der durch die Änderungen der Gefäßdichte erklärt wird.
15. Bereiten Sie eine weitere Tabelle vor, um den Prozentsatz der Perfusionsdichte zu zeigen, der durch die Veränderungen in Gefäßen erklärt wird, die größer als Kapillaren sind.
16. Wählen Sie eine Zielzelle aus (z. B. zentriert in Gruppe 1). Subtrahieren Sie das letzte Ergebnis von 1.
17. Wählen Sie diese Zelle aus. Wählen Sie in der Symbolleiste die Option Start aus.
18. Wählen Sie im Menü "Zahl" die Option "Prozentformat" aus.
19. Klicken Sie einmal auf Dezimalzahlen im Zahlenmenü erhöhen.
20. Formatieren Sie die Diagramme, um den Beitrag von Kapillaren (Gefäßdichte) und Gefäßen, die größer als Kapillaren sind, zu den Änderungen der Perfusionsdichte anzuzeigen.
21. Wiederholen Sie den Vorgang, um die Werte der inneren Gefäß-/Perfusionsdichten und der oberen, unteren, zeitlichen und nasalen Gefäß-/Perfusionsdichten in Gruppe 3 zu erhalten.

3. Vergleich der Bestimmungskoeffizienten

1. Vergleichen Sie die Bestimmungskoeffizienten in drei Gruppen: 1, gesunde Menschen; 2, Patienten mit arterieller Hypertonie ohne hypertensive Retinopathie; und 3, Patienten mit Typ-2-Diabetes mellitus ohne diabetische Retinopathie. Vergleichen Sie in Gruppe 3 auch die Bestimmungskoeffizienten zwischen Feldern: überlegen, unter, zeitlich und nasal.

4. Vergleichen Sie die prozentualen Unterschiede im Beitrag von Kapillaren und Gefäßen, die größer als Kapillaren sind, zur Perfusionsdichte, zwischen Gruppen und zwischen Feldern in Gruppe 3

Es gab 45 Probanden in Gruppe 1, 18 in Gruppe 2 und 36 in Gruppe 3. Tabelle 1 zeigt die Verteilung von Alter und Dichte nach Gruppen; Nur die Gefäß- und Perfusionsdichten in Gruppe 1 waren niedriger als in Gruppe 2. Die Bestimmungskoeffizienten der mittleren Gefäß- und Perfusionsdichten sind in Abbildung 5 dargestellt. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen.

Der Bestimmungskoeffizient zwischen dem inneren Gefäß und der Perfusionsdichte betrug 0,818 in Gruppe 1, 0,974 in Gruppe 2 und 0,836 in Gruppe 3. Der Beitrag von Gefäßen, die größer als Kapillaren sind, machte 18,2% bei gesunden Probanden, 2,6% bei Patienten mit arterieller Hypertonie und 16,4% bei Patienten mit Diabetes aus (Abbildung 6).

In Gruppe 3 betrugen die Bestimmungskoeffizienten zwischen Gefäß- und Perfusionsdichte 0,722 im oberen Feld, 0,793 im unteren Feld, 0,666 im temporalen Feld und 0,862 im Nasenfeld. Obwohl die innere Region einen Beitrag von Gefäßen hatte, die größer als Kapillaren waren und 16,4% der Perfusionsdichte ausmachten, betrug dieser Beitrag 27,8% im oberen Feld, 20,7% im unteren Feld, 33,4% im temporalen Feld und 13,8% im Nasenfeld (Abbildung 7).

Abbildung 1: Verteilung einer optischen Kohärenztomographie 3 x 3 mm Dichtekarte des rechten Auges. Die Karte ist in der Fovea zentriert und misst 3 mm im Durchmesser; Die mittleren Metriken entsprechen einem Bereich von 1 mm Durchmesser. Die inneren Metriken entsprechen dem Ring zwischen den zentralen 1 mm und den 3 mm Durchmesserkreisen. Die vollständigen Metriken entsprechen dem gesamten Gebiet innerhalb der Grenzen der Karte. Der innere Ring ist in Felder unterteilt: superior, temporal, inferior und nasal; Die Karte für das linke Auge wechselt die Positionen des Schläfen- und Nasenfeldes. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Eine 3 x 3 mm große optische Kohärenztomographie-Angiographie-Dichtekarte des oberflächlichen Makulakapillarplexus. Das Gerät verwendet die Darstellung der Netzhautgefäße, um die Gefäßlängendichte in mm-1 und die Perfusionsdichte in % zu messen. Die Dichte der Gefäßlänge entspricht der Summe der Länge von Schiffen mit Zirkulation innerhalb der Grenzen der Karte; Die Perfusionsdichte entspricht der prozentualen Fläche der Makula mit Zirkulation. Die breiteren Gefäße entsprechen Arteriolen und Venolen, die größer als Kapillaren sind und einen höheren Beitrag zur Perfusionsdichte haben. Die vertikalen magentafarbenen und horizontalen Linien sind Referenzen des Scans, der zum Zentrieren der Karte verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Karten der Schiffslängendichte. Das OCT-Gerät umreißt den Bereich mit Zirkulation (Bild oben links), die Netzhautstruktur (unteres linkes Bild), die Netzhautoberfläche (Bild oben rechts) und generiert die Metriken automatisch (Bild unten rechts). Karten von (A) einem gesunden Individuum und (B) einem Diabetiker ohne Retinopathie. Die Gefäße auf Höhe des oberflächlichen Kapillarplexus sind in den oberen linken Bildern weiß dargestellt; Es gibt eine größere Anzahl von Gefäßen in A als in B, ein Unterschied, der als Verringerung aller Dichten, insbesondere der Zentrumsdichte, bestätigt wird. Interna = innere Dichte; completa = volle Dichte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Karte der Gefäßlängendichte bei einem Diabetiker ohne Retinopathie, analysiert nach Feld. Das obere linke Bild umreißt den Bereich mit Zirkulation; das linke untere Bild zeigt die Netzhautstruktur; das Bild oben rechts zeigt die Netzhautoberfläche; Das Bild unten rechts zeigt die automatisch generierten Metriken. Die Abbildung entspricht dem linken Auge und zeigt die automatischen Messungen für die oberen, temporalen, unteren und nasalen Felder der inneren Dichte im oberen linken Bild. Abkürzungen: S = superior; T = zeitlich; I = minderwertig; N = nasal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Vergleich der Bestimmungskoeffizienten zwischen Mittelgefäß (mm-1) und Perfusionsdichte (%) in den drei Gruppen. Es gibt nur wenige Kapillaren im mittleren Bereich und fast keine Gefäße, die größer als Kapillaren sind, was die leichten Unterschiede zwischen den Gruppen erklärt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Vergleich der Bestimmungskoeffizienten zwischen inneren Gefäß- (mm-1) und Perfusionsdichten (%) in den drei Gruppen. Der Beitrag von Gefäßen, die größer als Kapillaren sind, zur Perfusionsdichte war bei Patienten mit arterieller Hypertonie geringer und änderte sich bei Patienten mit Diabetes im Vergleich zu gesunden Probanden nicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 7: Vergleich des Bestimmungskoeffizienten zwischen Gefäß (mm-1) und Perfusionsdichte (%) nach Feld, in Gruppe 3. Der Beitrag von Gefäßen, die größer als Kapillaren waren, war im zeitlichen Feld größer, das 20 Prozentpunkte höher war als der des Nasenfeldes. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Vergleich der Variablenverteilung nach Gruppen (Mittelwert ± Standardfehler). * Einweganalyse der Varianz.

Video 1: Berechnung und Vergleich von Bestimmungskoeffizienten zwischen Variablen unter Verwendung einer Tabellenkalkulation. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte offenlegen müssen.