Doppler optisk koherens tomografi av Retinal Circulation

Summary

Totalt retinal blodstrøm måles ved Doppler optisk koherens tomografi og semi-automatisert gradering programvare.

Abstract

Noncontact retinal blodstrøm målinger er utført med en Fourier domene optisk koherens tomografi (OCT) system ved hjelp av en circumpapillary dobbel sirkulær scan (CDCS) som skanner rundt synsnerven hodet på 3,40 mm og 3,75 mm diameter. De doble konsentriske sirkler er utført seks ganger på rad i løpet av 2 sek. Den CDCS scan lagres med Doppler skift informasjon som flyter kan beregnes. Standarden klinisk protokoll krever 3 CDCS skanner laget med OCT strålen passerer gjennom superonasal kanten av eleven og 3 CDCS skanne gjennom inferonal elev. Denne dobbelt-vinkel protokollen sørger for at akseptabel Doppler vinkel oppnås på hver retinal gren fartøy i minst ett scan. De CDCS skannedata, en 3-dimensjonal volumetrisk oktober scan av den optiske disken scan, og en farge fotografi av den optiske disken brukes sammen for å oppnå retinal blodstrøm måling på et øye. Vi har utviklet en blodstrøm måling programvare kalt "Doppler optikkal koherens tomografi av retinal sirkulasjon "(DOCTORC). Dette semi-automatisert programvare blir brukt til å måle total retinal blodstrøm, fartøy tverrsnittsareal, og gjennomsnittlig blod hastighet. Strømmen av hvert fartøy er beregnet fra Doppler-forskyvning i beholderen korset -tverrsnittsarealet og doppler vinkel mellom fartøyet og oktober strålen. Totalt retinal blodstrøm måling summert fra venene rundt den optiske disken. Resultatene oppnådd ved vårt Doppler oktober Reading Center viste god reproduserbarhet mellom sorteringsmaskiner og metoder (<10% ). Totalt retinal blodstrøm kan være nyttige ved behandling av glaukom, andre retinal sykdommer og retinal sykdommer. i glaukom pasienter, ble oktober retinal blodstrøm måling høyt korrelert med synsfeltet tap (R ^2> 0,57 med synsfeltet mønster avvik) . Doppler oktober er en ny metode for å utføre raske, kontaktløs, og repeterbare målinger av total retinal blodstrøm med allment tilgjengelig Fourier-domenet oktober instrumentation. Den nye teknologien kan forbedre praktiske å gjøre disse målingene i kliniske studier og rutinemessig klinisk praksis.

Protocol

1. Protokoll Tekst

1. Pasienter blir skannet av RTVue Fourier-domenet optisk koherens tomografi (OCT) system (Optovue Inc., Fremont, CA, USA) med circumpapillary dobbel sirkulær scan (CDCS) og 3D papillen scan.
   1. Den CDCS Mønsteret består av to konsentriske sirkler rundt synsnerven hodet. Innerringen diameter er 3,40 mm og den ytre ringen diameter er 3,75 mm. Dette mønsteret transects alle gren retinal arterier og vener som kommer fra synsnervehodet. Den doble sirkler er utført seks ganger i en enkelt scan for å dekke ca 2 hjertestans sykluser. For å beregne strømningshastighet, vil Doppler skift og Doppler anslås på fartøy registrert i OCT bildet. (Figur 1a, figur 1b)
   2. En "dual vinkel" protokollen brukes til å erverve Doppler oktober skanninger. I "dual-angle"-protokollen, må tre skanninger oppnådd med OCT strålen passerer gjennom superonasal delen av eleven og 3 skanninger gjennom inferonasal por sjon.
   3. Kvaliteten på hver skanning er evaluert for signalstyrke, bevegelse feil, og Doppler vinkel. Teknikeren er nødvendig å re-gjøre noe scan som ikke passerer kvalitetskontrollen. Totalt 6 akseptable CDCS skanninger utført for hvert øye. "Dual-angle" protokoll sikrer at for hvert fartøy, minst halvparten av skanner gir gode Doppler vinkler.
   4. 3D-plate skanning mønster er et raster scan dekker et 6x6 mm regionen rundt papillen. Det er bare gjort en gang og gir en detaljert en face bilde av dette området. (Figur 1b)
   5. En farge fotografi av den optiske platen er også importert å skille arterier og vener.

Figur 1a. Måle total blod flyt med circumpapillary dobbel sirkulær skanning og 3D disk skanning ved hjelp DOCTORC.

pha ">

Doppler vinkel er vinkelen mellom sonde bjelke og normal vektor av fartøyet, og av doppler-signalet er Doppler frekvens skift proporsjonal med strømningshastigheten komponenten parallelt med aksen av sonden strålen. Dermed strømningshastighet kan estimeres fra Doppler vinkel og doppler-signalet. Men både doppler vinkel og doppler-signalet bli upålitelige når de er under støynivået. På den annen side, når Doppler vinkel er stor, vil Doppler-forskyvning være ute av målbar rekkevidde. Når Doppler vinkelen er riktig, ca 5-15 grader for FD-OCT-systemet som brukes i denne studien, kan strømningshastigheten være riktig anslått av Doppler skift og vinkel.

Figur 1b.

2. Doppler vinkel i hvert fartøy er målt ved de relative posisjoner av fartøyet Lumina i two konsentrisk sirkulære skanner. Den aksiale komponenten av strømningshastigheten er innhentet av Doppler-forskyvning målt fra den relative fase av tilstøtende oktober aksiale skanninger. Den totale strømningshastighet beregnes fra den aksielle strømning komponenten og doppler vinkel. Strømmen i hver kar blir deretter beregnet ved å integrere den samlede hastighet profil over fartøy tverrsnittsareal. Skipet mønsteret stemmer overens med den en face bilde av 3D diskskanning og fundus fotografi for å identifisere hvert fartøy som enten en blodåre eller en arterie. Den totale retinal flyt beregnes ved å summere flyt i de store retinale vener, dvs.., De med luminal diameter over 33 mikrometer.

2. Alle skanninger av det samme øyet blir eksportert som rådata ved hjelp av RTVue programvare. Rå oktober bilder, inkludert både Doppler og intensitet bilder, blir først testet for bildekvalitet med "Doppler optisk koherens tomografi av retinal sirkulasjon" (DOCTORC) programvare.
   1. Øyebevegelser er tiltakfigurert av sammenslåtte standardavviket indre begrensende membranen og maksimale forskjellen mellom to rammer som er estimert av bulk bevegelse.
   2. Signalstyrke (refleksjon og estimering av gjennomsnittlig Doppler vinkel) er også beregnet.
   3. Ifølge den gjennomsnittlige øyebevegelser og signalstyrken gjentatte skanninger, blir dataene klassifisert som enten "god" eller "dårlig" kvalitet. Bare data av god kvalitet er gradert.
3. For akseptable skanner, er en automatisert segmentering algoritme brukt på hver oktober bilde for fartøy deteksjon.
   1. En automatisert algoritme som samsvarer fartøyer brukes til å finne det samme fartøyet i hver ramme. Rammene på samme sirkel er registrert, og to gjennomsnittsverdier rammer av den indre ring og den ytre ring er opprettet. Både refleksjon og doppler bildene gjennomsnitt.
   2. For en oversikt, blir oppdaget skipet anslått som et linjesegment på en face fundus image beregnet fra 3D-plate scan.
   3. Sorteringsmaskiner anmeldelsen hvert fartøy på en liten del av de gjennomsnittlig indre og ytre ring rammer overtrukket med en sirkel som representerer den automatiserte segmentering resultatet.
      1. Måleren dommere hvis plasseringen, kardiameteren og skipstype (vene / arterie) matchende fartøyet på de to ringer er riktig i forhold til den oktober bildet, en face oktober bilde, og plate fotografi av det samme øyet.
      2. Måleren er lov til å endre noen av verdiene ovenfor hvis han mener det er nødvendig. Måleren også dommere kvaliteten på doppler-signalet i karet og gir en subjektiv tillit score for skipet etiketten på hver skanning.
      3. En score på tillit 0-5 automatisk gitt til hvert fartøy basert på doppler signalstyrke i skipet området. Den blir deretter manuelt korrigert av sorterer basert på styrken av fartøyet doppler-signalet, regulariteten av fartøy grense mellom indre og ytre ringer av fartøyets størrelse, og signere avtale Doppler skift mellom indre og ytre ringene.
   4. Etter at alle fartøy er verifisert og korrigert, er en automatisert algoritme benyttet til å beregne blodtilførselen hver blodåre med en metode tilpasset fra vår forrige publisering. ^En
      1. Av doppler-signalet blir integrert over fartøyet området og så gjennomsnittsberegnet blant alle rammer. Deretter Doppler flow beregnes som oppsummerte doppler-signalet dividert med doppler vinkel.
      2. For hvert skip, er 6 skanninger vurderes på subjektive tillit score, Doppler vinkler, og variasjonskoeffisienten av Doppler vinkler. Flyten i en blodåre anses gyldig bare hvis mer enn ett scan passerer kvalitetskontrollen. For fartøy som passerer kvalitetskontrollen, flyten i gjennomsnitt blant gyldige skanninger.
      3. For fartøy med ugyldige resultater vil oljestrømmen estimeres med fartøyet området og den gjennomsnittlige strømningshastighet fra gyldige årer. Den gjennomsnittlige strømningshastighet beregnes ved å summere strømmene i de gyldige årer og delendeav de summerte områdene av disse årer. Estimatet av flyten starter fra den gjennomsnittlige strømningshastighet og deretter korrigert for avhengigheten av strømningshastigheten på fartøy-området. Større skip har en høyere gjennomsnittlig strømningshastighet. Således korreksjonen gjøres basert på skråningen av gjennomsnittlig hastighet versus kardiameteren, 2,13, som vi tidligere har rapportert. ²
      4. Den beregnede flyten av gyldige årer og estimert flyt av ugyldige årer tilsettes for å bestemme den totale retinal blodstrøm.
      5. Den totale retinal blodstrøm resultatet er vurdert basert på det gyldige venøs området prosentpoeng, øyebevegelser, og signalstyrke.
      6. Venøs området og totalt arteriell området er også oppnådd ved å legge beholderveggene områdene. Forutsatt totale retinal blodstrømmen er samme i arterier og vener, kan de arterielle og venøse hastighetene beregnet ved å dividere totale blodstrøm med arteriell område og venøs området.

   2. Representant Resultater

   www.aigstudy.net ). 48 øyne ble skannet av "dual-angle" protokollen og produsert skanninger som passerte bildekvalitet sjekk. Bruke DOCTORC programvare, kan gyldige strømningsmålinger fås fra 83% av øynene.

   Å evaluere reproduserbarhet DOCTORC systemet, ble en annen liten datasett med 20 øyne gradert av 3 sorteringsmaskiner. Dette datasettet ble også brukt til å trene og teste klassinger. 2 sorteringsmaskiner brukte semi-automatisert DOCTORC programvare og en brukte en tidligere helt manuell programvare anvendes i tidligere publikasjoner. ^2,3 Totale retinal blod flyter (tabell 1) bestemmes av de to ekstraundervisning DOCTORC programvare er lik hverandre, og for å strømme satser fastsatt av andre grader med manuell programvare. Bare 65% av øynene hadde gyldige resultater fordi noen av than data ble ikke basert på dual vinkel protokollen, men enkelt vinkel protokollen. ² Enkelt vinkel Protokollen inkluderer 5 Doppler skanninger oppnådd med oktober strålen passerer gjennom sentrum av eleven. Derfor Doppler vinkelen er oftere liten og derfor en større del av fartøy er vanligvis ikke gradable.

   For alle sorteringsmaskiner, er det inter-grader reproduserbarhet, målt ved variasjonskoeffisienten, lik for både glaucomatous og normal øyne (tabell 2). Likeledes Reproduserbarheten målinger for de to metodene, DOCTORC og manuell programvare, ^1-5 er lik (tabell 2). For tre klassinger, er det en god korrelasjon mellom total blodstrøm og mønsteret standardavvik fra visuelle felttester (figur 2) for glaucomatous øyne.

   	DOCTORC programvare Manual programvare 3
   Tilstand	Grader en	Grader 2
   Normal	47,0 ± 9,1	48,7 ± 7,2	48,0 ± 6,5
   Glaukom	36,5 ± 5,5	36,7 ± 5,9	34,9 ± 5,1

   Tabell 1. Totalt Retinal Blood Flow med to forskjellige programvare.

   </ Tr>

   	Variasjonskoeffisient
   Glaukom (7 øyne)
   Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC)	9,58%
   DOCTORC vs manuell metode 3
   Grader en	8,00%
   Grader 2	9,74%
   Normal (6 øyne)
   Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC)	5,99%
   DOCTORC vs manuell metode
   Grader en	8,87%
   Grader 2	9,98%

   Tabell 2. Reproduserbarhet av totalt Retinal Blood Flow Mål.

   
   Figur 2. Sammenheng mellom Total Retinal Blood Flow og synsfelt i glaukom. En. Grader en bruker DOCTORC programvare. Visuelle feltet tap er summert avmønster standardavvik (p = 0,048). b.. Grader 2 bruker DOCTORC programvare. Visuelle feltet tap er oppsummert av mønsteret standardavvik (p = 0,032).

Discussion

Blodstrøm unormalt oppstår i glaukom og vaskulære sykdommer i netthinnen som diabetisk retinopati. ^6-10 volumetrisk måling av retinal blodstrøm gir verdifull informasjon om sykdommen prosessen. ^4-6,11,12 DOCTORC gir en praktisk måte å beregne total retinal blodstrømmen basert på målinger i enkelte fartøy fastsettes av Doppler oktober ved hjelp av dobbel sirkel scan mønster. ^1-5

Gjennomsnittlig total retinal blodstrøm målt ved Doppler oktober i normale øyne er 47-49 ul / min, kan sammenlignes med litteratur verdier av 34-65 ul / min oppnås ved hjelp av laser Doppler teknikker. ^13,14 Doppler oktober målinger gjort med den nyere semi- automatisert DOCTORC programvare avtalt tett med resultatene av manuelle målinger som vi publiserte tidligere. ^1-5 Forskjellen mellom DOCTORC målinger og manuelle målinger i enkeltsaker, målt ved CV, ligner inter-grader forskjellene. Dette indikerer at forskjellen var primært forbundet med subjektive parti av gradering prosessen, og ikke forskjellen mellom programvare. Med den manuelle metoden og DOCTORC, måler vi bare årer med diameter større enn 33 mikrometer. Vener med diameter mindre enn 33 mikrometer var vanligvis ikke oppdages ved hjelp DOCTORC. Disse årer utgjør bare en svært liten del av det totale areal venøs (0,2%), og bidrar de enda mindre til total retinal blodstrømmen fordi flyten hastigheten i disse fartøyene er mindre enn i større fartøy. ² Således, forskjellen mellom inkludert og eksklusiv svært små fartøy er ikke signifikant for bestemmelse av total retinal blodstrøm. Den høye korrelasjonen mellom visuelle felttester og totalt retinal blod strømmer enig med vår forrige resultat, noe som indikerer en nær kobling mellom perfusjon og visuell funksjon. Glaukom øyne har også betydelig lavere blodstrøm enn normalt grupper, som er enig med andre studier. ^{15-17 <}/ Sup> Således totale retinal blodstrøm bestemmes av DOCTORC vil være nyttig i diagnostisering og overvåking av progresjon av glaukom. I tillegg til blod strømningsmålinger, gir DOCTORC også fartøy området og fartøy velocity målinger, som også kan være nyttige i klinikken.

Andre teknikker er også tilgjengelig for å måle retinal blodstrøm, men hver har noen begrensninger. Laser Doppler teknikker må mange målinger over en lang økt som det tester bare ett fartøy gangen. Ultralyd fargedoppler evaluerer bare hastighet i større retrobulbar fartøy, og det kan ikke bestemme volumetrisk blodstrøm. Ultralyd Doppler resultatene varierer med operatør og underlagt anatomi. Denne variasjonen er det problematisk å sammenligne resultatene mellom fag og studiesteder. ¹⁸ Disse instrumentene er også dyrt og kun tilgjengelig i store forskningssentre. Andre teknikker slik som fluorescein og indocyanine grønn angiografi krever intravenøs jegnjection, og de gir ikke kvantitative resultater. Fourier domene (eller spektral domene) OKT er populær i oftalmologi og bare programvareoppgradering er nødvendig for å muliggjøre Doppler blodstrøm måling i disse utstyr. Vår Doppler oktober metoden er den eneste måten å måle blodstrømmen med klinisk tilgjengelige FD-okt instrumenter. Utbredelsen og relativt lave kostnaden for dette instrumentering muliggjør store multisenter studier av retinal blodstrøm i helse og sykdom.

Det er flere begrensninger for den gjeldende versjonen av DOCTORC. Sensureringen er fortsatt ikke fullt automatisert, og gradering tid på ett øye er opp til 30 min. Dette gradering tid er akseptabelt for storskala kliniske studier, men ikke raskt nok for daglig klinisk bruk. Direkte arteriell strømningsmåling er ikke tilgjengelig for DOCTORC fordi høy strømningshastighet i arterie er utenfor måleområdet for valgt oktober system med hastighet på 26.000 a-scans/sec. Raskere oktober systemer would aktiverer måling av arterielle flyt. Ca 17% av øynene skannet ikke gi gyldig blodstrøm måling skyldes dårlig Doppler vinkler på store skip.

Oppsummert kan vi tilby en praktisk metode for å måle total retinal blodstrømmen med en kommersielt tilgjengelig Fourier-domenet oktober instrument. Den vil ha brede programmer for synsnerven og retinal sykdommer, slik som glaukom, diabetisk retinopati, og non-arterittisk iskemisk optikusnevropati.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
RTVue Fourier Domain optical coherence tomography	Optovue	N/A	Version 6.1.0.21 or higher Installed with blood flow double ring scan pattern