Dopplerowska optyczna koherentna tomografia krążenia siatkówki

Podsumowanie

Całkowity przepływ krwi w siatkówce jest pomiarowany za pomocą optycznej koherentnej tomografii Dopplera oraz oprogramowania do półautomatycznej oceny.

Streszczenie

Bezkontaktowe pomiary przepływu krwi w siatkówce są wykonywane za pomocą systemu optycznej koherentnej tomografii (OCT) w dziedzinie Fouriera, z wykorzystaniem podwójnego skanu okrężnego wokół tarczy nerwu wzrokowego (CDCS), który obejmuje skanowanie wokół głowy nerwu wzrokowego przy średnicach 3.40 mm i 3.75 mm. Podwójne okręgi koncentryczne są wykonywane 6 razy pod rząd w ciągu 2 sec. Skan CDCS jest zapisywany wraz z informacjami o przesunięciu Dopplera, na podstawie których można obliczyć przepływ. Standardowy protokół kliniczny wymaga wykonania 3 skanów CDCS z wiązką OCT przechodzącą przez górno-nosową krawędź źrenicy oraz 3 skanów CDCS przez dolno-nosową część źrenicy. Ten protokół dwukątowy zapewnia uzyskanie akceptowalnego kąta Dopplera dla każdego naczynia odgałęziającego się w siatkówce w co najmniej jednym skanie. Dane skanu CDCS, trójwymiarowy wolumetryczny skan OCT tarczy nerwu wzrokowego oraz kolorowa fotografia tarczy nerwu wzrokowego są wykorzystywane wspólnie do pomiaru przepływu krwi w siatkówce oka. Opracowaliśmy oprogramowanie do pomiaru przepływu krwi o nazwie „Doppler optical coherence tomography of retinal circulation” (DOCTORC). To półautomatyczne oprogramowanie służy do pomiaru całkowitego przepływu krwi w siatkówce, pola przekroju naczyń oraz średniej prędkości krwi. Przepływ w każdym naczyniu jest obliczany na podstawie przesunięcia Dopplera w polu przekroju naczynia oraz kąta Dopplera między naczyniem a wiązką OCT. Pomiar całkowitego przepływu krwi w siatkówce jest sumowany z żył wokół tarczy nerwu wzrokowego. Wyniki uzyskane w naszym centrum odczytu Doppler OCT wykazały dobrą powtarzalność między oceniającymi a metodami (<10%). Pomiar całkowitego przepływu krwi w siatkówce mógłby być użyteczny w leczeniu jaskry oraz innych chorób siatkówki. U pacjentów z jaskrą pomiar przepływu krwi w siatkówce za pomocą OCT był silnie skorelowany z ubytkiem w polu widzenia (R²>0.57 w odniesieniu do odchylenia wzorca pola widzenia). Doppler OCT jest nową metodą szybkiego, bezkontaktowego i powtarzalnego pomiaru całkowitego przepływu krwi w siatkówce z wykorzystaniem szeroko dostępnej aparatury OCT w dziedzinie Fouriera. Ta nowa technologia może poprawić praktyczną możliwość wykonywania tych pomiarów w badaniach klinicznych i rutynowej praktyce lekarskiej.

Protokół

1. Tekst protokołu

1. Pacjenci są badani za pomocą systemu optycznej koherentnej tomografii (OCT) w domenie Fouriera RTVue (Optovue Inc., Fremont, CA, USA) z wykorzystaniem okołopapilarnego skanowania podwójnie kolistego (CDCS) oraz skanowania 3D tarczy nerwu wzrokowego.
   1. Wzorzec CDCS składa się z dwóch koncentrycznych okręgów wokół głowy nerwu wzrokowego. Średnica wewnętrznego pierścienia wynosi 3,40 mm, a zewnętrznego 3,75 mm. Wzorzec ten przecina wszystkie odgałęziające się z głowy nerwu wzrokowego tętnice i żyły siatkówki. Podwójne okręgi są skanowane 6 razy w ramach jednego badania, aby objąć około 2 cykle pracy serca. W celu obliczenia prędkości przepływu (Flow velocity) zostanie oszacowane przesunięcie Dopplera (Doppler shift) oraz Doppler w naczyniu wykrytym na obrazie OCT. (Rycina 1a, Rycina 1b)
   2. Do pozyskania skanów Doppler OCT stosuje się protokół „podwójnego kąta” (dual angle). W protokole „podwójnego kąta” wykonuje się 3 skany z wiązką OCT przechodzącą przez górno-nosową część źrenicy oraz 3 skany przez dolno-nosową część.
   3. Jakość każdego skanu jest oceniana pod kątem siły sygnału, błędu ruchu oraz kąta Dopplera. Technik jest zobowiązany do powtórzenia każdego skanu, który nie przeszedł kontroli jakości. Dla każdego oka wykonuje się łącznie 6 akceptowalnych skanów CDCS. Protokół „podwójnego kąta” zapewnia, że dla każdego naczynia co najmniej połowa skanów zapewnia odpowiednie kąty Dopplera.
   4. Wzorzec skanowania 3D tarczy jest skanowaniem rastrowym obejmującym obszar 6x6 mm wokół tarczy nerwu wzrokowego. Jest on wykonywany tylko raz i zapewnia szczegółowy obraz en face tego obszaru. (Rycina 1b)
   5. Importowana jest również kolorowa fotografia tarczy nerwu wzrokowego, aby ułatwić rozróżnienie tętnic i żył.

Rycina 1a. Pomiar całkowitego przepływu krwi za pomocą okołopapilarnego podwójnego skanowania kołowego oraz 3D skanowania dyskowego przy użyciu DOCTORC.

1. Kąt Dopplera to kąt pomiędzy wiązką sondy a wektorem normalnym do naczynia, a sygnał Dopplera to przesunięcie częstotliwości Dopplera proporcjonalne do składowej prędkości przepływu równoległej do osi wiązki sondy. W związku z tym prędkość przepływu można oszacować na podstawie kąta Dopplera i sygnału Dopplera. Jednakże zarówno kąt Dopplera, jak i sygnał Dopplera stają się niewiarygodne, gdy znajdują się poniżej poziomu szumów. Z drugiej strony, gdy kąt Dopplera jest zbyt duży, przesunięcie Dopplera wykracza poza zakres mierzalny. Przy odpowiednim kącie Dopplera, wynoszącym około 5-15 stopni dla systemu FD-OCT zastosowanego w niniejszym badaniu, prędkość przepływu może zostać prawidłowo oszacowana na podstawie przesunięcia i kąta Dopplera.

Rysunek 1b.

2. Kąt Dopplera w każdym naczyniu jest mierzony na podstawie względnego położenia światła naczynia w dwóch koncentrycznych skanach okrężnych. Axialną składową prędkości przepływu uzyskuje się z przesunięcia Dopplera mierzonego z względnej fazy sąsiednich axialnych skanów OCT. Całkowitą prędkość przepływu oblicza się z axialnej składowej przepływu oraz kąta Dopplera. Przepływ w każdym naczyniu jest następnie obliczany poprzez całkowanie profilu całkowitej prędkości po przekroju poprzecznym naczynia. Wzorzec naczyń jest dopasowywany do obrazu en face z 3D skanu tarczy oraz fotografii dna oka, aby zidentyfikować każde naczynie jako żyłę lub tętnicę. Całkowity przepływ siatkówkowy jest obliczany poprzez sumowanie przepływu w głównych żyłach siatkówkowych, t.j. tych o średnicy światła powyżej 33 μm.

2. Wszystkie skany tego samego oka są eksportowane jako surowe dane przy użyciu oprogramowania RTVue. Surowe obrazy OCT, obejmujące zarówno obrazy Dopplera, jak i obrazy intensywności, są najpierw testowane pod kątem jakości obrazu za pomocą oprogramowania „Doppler optical coherence tomography of retinal circulation” (DOCTORC).
   1. Ruchy oka są mierzone za pomocą połączonego odchylenia standardowego wewnętrznej błony ograniczającej oraz maksymalnej różnicy między dwiema klatkami, która jest szacowana na podstawie ruchu masowego.
   2. Obliczana jest również siła sygnału (odbicie i szacowanie średniego kąta Dopplera).
   3. Na podstawie średniego ruchu oka i siły sygnału z powtórzonych skanów dane są klasyfikowane jako o jakości „dobrej” lub „słabej”. Do oceny kwalifikują się jedynie dane dobrej jakości.
3. W przypadku akceptowalnych skanów do każdego obrazu OCT stosowany jest zautomatyzowany algorytm segmentacji w celu wykrycia naczyń.
   1. Do zlokalizowania tego samego naczynia w każdej klatce używa się zautomatyzowanego algorytmu dopasowującego naczynia. Klatki znajdujące się na tym samym okręgu są rejestrowane, a następnie tworzone są dwie uśrednione klatki dla pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego. Uśredniane są zarówno obrazy odbicia, jak i obrazy Dopplera.
   2. W celu uzyskania ogólnego widoku wykryte naczynie jest rzutowane jako odcinek linii na obraz dna oka en face obliczony z trójwymiarowego skanu tarczy.
4. Oceniający analizują każde naczynie na niewielkim fragmencie uśrednionych klatek pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego, na które nałożono okrąg reprezentujący wynik zautomatyzowanej segmentacji.
   1. Oceniający ocenia, czy lokalizacja, średnica naczynia i typ naczynia (żyła/tętnica) dopasowane do naczynia na dwóch pierścieniach są poprawne zgodnie z obrazem OCT, obrazem OCT en face i zdjęciem tarczy tego samego oka.
   2. Oceniający może zmienić dowolną z powyższych wartości, jeśli uzna to za konieczne. Oceniający ocenia również jakość sygnału Dopplera w naczyniu i nadaje subiektywną ocenę pewności dla etykiety naczynia w każdym skanie.
   3. Każdemu naczyniu automatycznie przypisywana jest ocena pewności w zakresie 0-5 na podstawie siły sygnału Dopplera w obszarze naczynia. Jest ona następnie korygowana ręcznie przez oceniającego na podstawie siły sygnału Dopplera naczynia, regularności granicy naczynia, zgodności rozmiaru naczynia między pierścieniem wewnętrznym a zewnętrznym oraz zgodności znaku przesunięcia Dopplera między pierścieniami wewnętrznym a zewnętrznym.
5. Po zweryfikowaniu i skorygowaniu wszystkich naczyń stosowany jest zautomatyzowany algorytm do obliczenia przepływu krwi w każdej żyle metodą zaadaptowaną z naszej poprzedniej publikacji.¹
   1. Sygnał Dopplera jest integrowany w obszarze naczynia, a następnie uśredniany we wszystkich klatkach. Następnie przepływ Dopplera jest obliczany jako suma sygnału Dopplera podzielona przez kąt Dopplera.
   2. Dla każdego naczynia ocenianych jest 6 skanów pod kątem subiektywnych ocen pewności, kątów Dopplera i współczynnika zmienności kątów Dopplera. Przepływ w żyle jest uznawany za prawidłowy tylko wtedy, gdy więcej niż 1 skan przejdzie kontrolę jakości. Dla naczyń, które przeszły kontrolę jakości, przepływ jest uśredniany spośród prawidłowych skanów.
   3. Dla naczyń z nieprawidłowymi wynikami przepływ jest szacowany przy użyciu powierzchni naczynia i średniej prędkości przepływu z prawidłowych żył. Średnią prędkość przepływu oblicza się poprzez zsumowanie przepływów w prawidłowych żyłach i podzielenie przez zsumowane powierzchnie tych żył. Szacowanie przepływu rozpoczyna się od średniej prędkości przepływu, a następnie jest korygowane o zależność prędkości przepływu od powierzchni naczynia. Większe naczynia mają wyższą średnią prędkość przepływu. Zatem korekta jest dokonywana na podstawie nachylenia średniej prędkości w stosunku do średnicy naczynia, wynoszącego 2,13, co zgłosiliśmy wcześniej.²
   4. Obliczony przepływ w prawidłowych żyłach i szacowany przepływ w nieprawidłowych żyłach są sumowane w celu określenia całkowitego przepływu krwi w siatkówce.
   5. Wynik całkowitego przepływu krwi w siatkówce jest oceniany na podstawie procentowego udziału prawidłowej powierzchni żylnej, ruchu oka i siły sygnału.
   6. Powierzchnię żylną i całkowitą powierzchnię tętniczą uzyskuje się również poprzez dodanie powierzchni naczyń. Zakładając, że całkowity przepływ krwi w siatkówce jest taki sam w tętnicach i żyłach, prędkości tętnicze i żylne są obliczane poprzez podzielenie całkowitego przepływu krwi przez powierzchnię tętniczą i powierzchnię żylną.

2. Reprezentatywne wyniki

Oczy zdrowe oraz z jaskrą wybrano z badania Advanced Imaging for Glaucoma Study (AIGS, www.aigstudy.net). 48 oczu zostało poddanych skanowaniu zgodnie z protokołem „podwójnego kąta” (dual-angle), a uzyskane skany przeszły kontrolę jakości obrazu. Przy użyciu oprogramowania DOCTORC prawidłowe pomiary przepływu udało się uzyskać w 83% oczu.

Aby ocenić powtarzalność systemu DOCTORC, trzej oceniający przeprowadzili analizę innego niewielkiego zbioru danych obejmującego 20 oczu. Zbiór ten został wykorzystany również do przeszkolenia i przetestowania oceniających. Dwóch oceniających korzystało z półautomatycznego oprogramowania DOCTORC, a jeden z wcześniejszego, całkowicie manualnego oprogramowania stosowanego w poprzednich publikacjach.^2,3 Całkowite przepływy krwi w siatkówce (Tabela 1) ustalone przez dwóch oceniających przy użyciu oprogramowania DOCTORC są do siebie zbliżone oraz zbliżone do wartości przepływów ustalonych przez trzeciego oceniającego z wykorzystaniem oprogramowania manualnego. Tylko 65% oczu uzyskało poprawne wyniki, ponieważ część danych nie opierała się na protokole dwukątnym, lecz na protokole jednokątnym.² Protokół jednokątny obejmuje 5 skanów Dopplera uzyskanych przy wiązce OCT przechodzącej przez środek źrenicy. W związku z tym kąt Dopplera jest częściej niewielki, co zazwyczaj sprawia, że większa część naczyń nie nadaje się do oceny.

W przypadku wszystkich oceniających powtarzalność międzyoceniająca, mierzona współczynnikiem zmienności, jest podobna zarówno dla oczu z jaskrą, jak i oczu prawidłowych (Tabela 2). Analogicznie, pomiary powtarzalności dla dwóch metod, DOCTORC oraz oprogramowania Manual,^1-5 są zbliżone (Tabela 2). Dla trzech oceniających w przypadku oczu z jaskrą istnieje dobra korelacja pomiędzy całkowitym przepływem krwi a odchyleniem standardowym wzorca z testów pola widzenia (Rysunek 2).

	Podręcznik oprogramowania DOCTORC3
Warunek	Oceniający 1	Stopień 2
Normalny	47.0±9.1	48.7±7.2	48.0±6.5
Jaskra	36.5±5.5	36.7±5.9	34.9±5.1

Tabela 1. Całkowity przepływ krwi w siatkówce z wykorzystaniem dwóch różnych programów komputerowych.

	Współczynnik zmienności
Jaskra (7 oczu)
Oceniający 1 vs. Oceniający 2 (DOCTORC)	9.58%
DOCTORC w porównaniu z metodą manualną3
Oceniający 1	8.00%
Stopień 2	9.74%
Normalna (6 oczu)
Oceniający 1 vs. Oceniający 2 (DOCTORC)	5.99%
DOCTORC w porównaniu z metodą manualną
Oceniający 1	8.87%
Stopień 2	9.98%

Tabela 2. Powtarzalność pomiarów całkowitego przepływu krwi w siatkówce.

Rycina 2. Korelacja między całkowitym przepływem krwi w siatkówce a polem widzenia w jaskrze. a. Oceniający 1 korzystający z oprogramowania DOCTORC. Utrata pola widzenia jest podsumowana przez odchylenie standardowe wzorca (p=0,048). b. Oceniający 2 korzystający z oprogramowania DOCTORC. Utrata pola widzenia jest podsumowana przez odchylenie standardowe wzorca (p=0,032).

Dyskusja

Nieprawidłowości przepływu krwi występują w jaskrze oraz w chorobach naczyniowych siatkówki, takich jak retinopatia cukrzycowa.^6-10 Wolumetryczny pomiar przepływu krwi w siatkówce dostarcza cennych informacji o procesie chorobowym.^4-6,11,12 Metoda DOCTORC zapewnia praktyczny sposób szacowania całkowitego przepływu krwi w siatkówce na podstawie pomiarów w poszczególnych naczyniach, wykonanych za pomocą Doppler OCT z wykorzystaniem wzorca skanowania podwójnego okręgu.^1-5

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Optyczna tomografia koherentna w domenie częstotliwości RTVue	Optovue	N/A	Wersja 6.1.0.21 lub nowsza Zainstalowana z wzorcem skanowania podwójnego pierścienia przepływu krwi