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Medicine

Trabéculum Réponse à élévation de la pression dans la vie Oeil humain

Published: June 20, 2015 doi: 10.3791/52611
Automatic Translation
1,2, 2, 1, 1,2, 1, 1,2,3, 1,4, 1,2,3
1Department of Ophthalmology, UPMC Eye Center, Eye and Ear Institute, Ophthalmology and Visual Science Research Center, University of Pittsburgh School of Medicine, 2Department of Bioengineering, Swanson School of Engineering, University of Pittsburgh, 3The McGowan Institute for Regenerative Medicine, University of Pittsburgh School of Medicine, 4Deptartment of Biostatistics, Graduate School of Public Health, University of Pittsburgh

Summary

Maillage (TM) la migration trabéculaire dans l'espace du canal de Schlemm peut être induite par élévation de la pression aiguë par Sphygmomanomètre oculaire, et observé par domaine spectral tomographie par cohérence optique. L'objectif de cette méthode est de quantifier la réponse morphométrique de la sortie voies vivant à l'élévation de la pression aiguë dans les tissus vivants in situ.

Abstract

Les caractéristiques mécaniques du trabéculum (TM) sont liés à la résistance à l'écoulement et de la pression intraoculaire (PIO) régulation. Le raisonnement derrière cette technique est l'observation directe de la réponse mécanique de la MC à l'élévation de la PIO aiguë. Avant la numérisation, la PIO est mesurée au départ et pendant élévation de la PIO. Le limbe est balayée par domaine spectral tomographie par cohérence optique au départ et pendant élévation de la PIO (Sphygmomanomètre oculaire (ODM) appliqué à 30 g vigueur). Scans sont traitées pour améliorer la visualisation de la voie de l'humour écoulement aqueux en utilisant ImageJ. Les sites d'intérêt vasculaires sont utilisés pour identifier les emplacements correspondants dans la ligne de base et la PIO volumes de balayage en élévation. Schlemm canal (SC) de surface de section transversale (SC-CSA) et durée de la SC d'avant en arrière le long de ses longues axe sont mesurés manuellement à 10 endroits dans un segment de 1 mm de SC. Mean intérieure à distance de la paroi extérieure (de courte longueur d'axe) est calculé comme le domaine de la SC divisé par sagrande longueur de l'axe. Pour examiner la contribution des tissus adjacents à l'effet des élévations de la PIO, les mesures sont répétées avec et sans relaxation des muscles lisses avec instillation de tropicamide. TM migration dans SC est combattue par TM rigidité, mais est renforcée par le soutien de son attachement à muscle lisse adjacent à l'intérieur du corps ciliaire. Cette technique est la première à mesurer la réponse vie humaine de TM à l'élévation de la pression in situ dans des conditions physiologiques au sein de l'œil humain.

Introduction

Le glaucome est la deuxième cause mondiale de cécité irréversible 1. Une pression intraoculaire élevée (PIO) est un facteur de risque causal majeur pour la présence et la progression du glaucome 2-7.   IOP est régie par l'équilibre entre la formation et l'écoulement de l'humeur aqueuse 8. Les emplacements de plus grande résistance à l'écoulement sont juxtacanicular le tissu et la paroi intérieure du canal de Schlemm (CS), l'interface entre SC et le réseau trabéculaire (TM) 11.9. Bien TM rigidité peut contribuer à la prévention de la SC effondrement face à la PIO, Overby et al. 12 récemment démontré que l'expression du gène dans le glaucome est altéré, entraînant une augmentation de raidissement SC endothéliale, empêchant la formation de pores, conduisant à élévation de la PIO dans glaucomateux 13. TM morphologie et la rigidité en corrélation avec les sorties installation 14,15, soulignant til besoin de mesurer ses caractéristiques biomécaniques.

Atomic mesures microscopie à force de la TM montrent rigidité élevée dans les yeux donnés par les patients atteints de glaucome (81 kPa) par rapport aux yeux des bailleurs de fonds sans le glaucome (4,0 kPa) 16, mais ces mesures ont été effectuées ex vivo des tissus disséqués. Le TM postérieure est ancré dans le muscle ciliaire par les tendons antérieures des cellules musculaires longitudinales qui insèrent dans la TM et lamellé cribiform extérieure 17. Muscle ciliaire (CM) peut augmenter l'activité TM tiraillements, imitant la rigidité élevée TM 17. La capacité d'observer des modifications dans la résistance à l'effondrement SC induite par des perturbations du muscle lisse a été démontré dans un modèle animal 18. Nous avons démontré la capacité de l'image non-invasive du système humour écoulement aqueux primaire à vivre yeux humains distale et y compris en utilisant SC spectrale cohérence optique de domaine de positons (OCT) <sup> 19-21. En utilisant cette technique, nous avons démontré la capacité de quantifier la réponse morphométrique de la MC et SC à PIO aigu avec sus 22.

L'objectif global de la méthode décrite ici est de quantifier la réponse morphométrique de la sortie voies vivant à l'élévation de la PIO aiguë dans les tissus vivants in situ. Cette technique présente l'avantage d'examiner le TM dans des conditions physiologiques, qui comprend à la fois les contributions de l'activité contractile de la fibre au sein de la TM et TM CM de rigidité par rapport à des mesures effectuées publiées dans les tissus disséqués. Le raisonnement derrière l'application de cette technique à l'observation de la réponse TM mécanique est qu'il nous fournit des informations autrement indisponibles sur le comportement mécanique de la TM, dont nous savons maintenant être directement lié à la résistance à l'écoulement et de la réglementation de la PIO 13. Pour discerner la contribution des tissus contractiles à la rigidité globale, une petite cohort a été examinée de sujets avec et sans suppression de l'activité du muscle lisse par l'administration de tropicamide.

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Protocol

Déclaration éthique: approbation a été obtenue du Conseil de l'Université de Pittsburgh School of Medicine Institutional Review avant le début de recrutement des sujets. Tous les sujets prévus le consentement éclairé avant la participation à l'étude.

1. Acquisition de données

  1. élévation de la pression
    1. Prendre des mesures de référence (PIO et les PTOM mesures) par instillation d'une baisse de 0,5% proparacaïne dans l'œil. Attendre 3 minutes pour l'efficacité.
    2. Appuyez doucement sur la sclérotique temporelle avec le Sphygmomanomètre oculaire, 30 g dans la cohorte 1, et 5, puis 10 g dans la cohorte 2. Puis prendre les PIO (PTOM) et les mesures souhaitées comme suit
      1. Les mesures de la PIO
        1. Mesurer PIO initiale. Élever la pression comme décrit dans la section 1.1.
        2. Dans la cohorte 1 instiller une goutte de 0,5% proparacaïne, permettre à 3 min de l'efficacité, et d'appliquer 30 g de la pression à la sclérotique. Alors que la pression est appliquée, de mesurer la PIO en utilisant la manufa tonomètre suivanteles instructions cturer.
        3. Dans la cohorte 2, instiller une goutte de 0,5% proparacaïne, permettre à 3 min de l'efficacité, et d'appliquer 5 g de pression scléral utilisant un Sphygmomanomètre oculaire. Mesurer IOP pendant l'élévation de pression en utilisant les instructions du fabricant tonomètre suivante.
          1. Attendez 5 min après la mesure de 5 g.
          2. Appliquer 10 g de pression par scléral Sphygmomanomètre oculaire, et de mesurer la PIO lors de l'élévation de la pression en utilisant le tonomètre suivant les instructions du fabricant. Enregistrez la PIO et l'état (par exemple, la ligne de base ou 10 g) dans le dossier d'étude.
      2. Numérisation octobre
        1. Seat l'objet au scanner PTOM. Entrez les données démographiques des patients pour de nouveaux sujets ou de rappeler les données démographiques de la base de données PTOM pour être sujets préalablement numérisés.
        2. Sélectionnez le segment antérieur protocole 512 x 128 de balayage. Centrer l'œil dans la fenêtre d'image vidéo. Diminuer la distance entre le scanneret les yeux jusqu'à ce que l'image de la cornée transversale apparaît dans la fenêtre de numérisation
        3. Utilisation des commandes verbales positionner le limbe temporal par rapport au centre de la fenêtre de balayage en dirigeant le regard du patient dans la direction nasale
        4. Acquérir la numérisation de base, et d'examiner le scan de qualité. Si elle est acceptable, sauver, et si pas acceptable, répéter cette étape.
          1. Accepter scans si il n'y a pas clignote, et l'angle est visualisé dans tout le volume sans dérive du bord de l'image ou de retournement au sommet.
        5. Instiller une goutte de 0,5% proparacaïne, permettre à 3 min de l'efficacité, et répétez les étapes 1.3.2 à travers 1.3.5.
        6. Pour la cohorte 1, appliquer 30 g de pression par Sphygmomanomètre oculaire scléral, et d'acquérir de l'analyse alors que la pression est appliquée. Retirer la pression et revoir l'analyse de la qualité. Si elle est acceptable, sauver, et si pas acceptable, répéter cette étape.
        7. Pour la cohorte 2, appliquer 5 g de pression par scléral ophthalmodynamometer, et d'acquérir de l'analyse alors que la pression est appliquée. Retirer la pression et revoir l'analyse de la qualité. Si elle est acceptable, sauver, et si pas acceptable, répéter cette étape.
        8. Attendez 5 min permettant l'œil à se remettre de la pression 5 g perturbation.
        9. Pour la cohorte 2, appliquer 10 g de pression par Sphygmomanomètre oculaire scléral, et d'acquérir de l'analyse alors que la pression est appliquée. Retirer la pression et revoir l'analyse de la qualité. Si elle est acceptable, sauver, et si pas acceptable, répéter cette étape.
        10. Noter le temps de balayage, la condition (c.-à-base ou 10 g) et l'emplacement dans le dossier d'étude.

2. Traitement des données

  1. Branchez un périphérique de stockage USB de grande capacité dans les PTOM. Sélectionnez "Exporter" dans le menu Enregistrements sur les PTOM. Désigner un emplacement de fichier pour les fichiers exportés sur le lecteur USB. Dé-sélectionnez l'option ".zip". Entrez le nom du patient pour scans à exporter, et sélectionnez les scans pour être exportés. Initier l'exportation.
  2. Lorsque l'exportation est terminée, démontez la clé USB et le retirer de l'OPO. Branchez la clé USB de grande capacité contenant les images exportées dans le poste de travail de traitement d'image.
  3. Lancez le programme de traitement d'image dans ce cas ImageJ.
  4. Importer les données d'image brute; sélectionnez «Fichier -> Importer -> Raw" dans le menu fichier. Sélectionnez le fichier avec terminant par "_cube_raw.img" être traitée à partir du lecteur USB.
  5. Enregistrez le fichier importé en utilisant un nouveau nom, de sorte que les données d'image d'origine est conservée inchangée (http://www.ori.dhhs.gov/education/products/RIandImages).
  6. Entrez les paramètres d'importation comme suit, le type de l'image: 8 bits, Largeur: 512, Hauteur: 1024, Offset: 0; Nombre d'images: 128.
  7. Sélectionnez "Plugins -> R nregistrement -> StackReg" dans le menu des plugins. Et puis sélectionnez le "corps rigide"Option. Ensuite, sélectionnez "Fichier -> Enregistrer sous -> TIFF" pour sauver la pile alignée.
  8. Sélectionnez «Processus -> Filtres -> 3D moyenne" à partir du menu de processus. Entrez les paramètres X = 1, Y = 1 et Z = 1 que les options de filtre. Répéter deux fois cette étape.
  9. Sélectionnez "Fichier -> Enregistrer sous -> TIFF" pour sauvegarder la pile moyenne. Faites tourner la molette de la souris pour passer à l'image 1 de l'empilement actif.
  10. Sélectionnez «Processus -> améliorer le contraste local (CLAHE)" dans le menu de traitement. Utilisez la taille de bloc de paramètres: 31, d'histogrammes: 256, Pente maximale: 5, Mask: aucun, et cochez l'option "rapide". Utilisez la touche flèche droite pour passer à l'écran suivant.
  11. Déplacez à l'image 2 de la pile active et répéter la Process-> améliorer le contraste local (CLAHE). Répétez jusqu'à ce que tous les cadres ont eu un meilleur contraste.
  12. Sélectionnez "Fichier -> Enregistrer sous -> TIFF"; pour sauver la pile de contraste amélioré. Ensuite, sélectionnez "Image -> Réglages -> Taille" dans le menu Image. Désactivez l'option "Contraindre Aspect Ratio", puis entrez Largeur: 2048 et la hauteur: 1 024 valeurs.
  13. Sélectionnez "Image -> Transform -> Retourner verticalement" dans le menu Image. Ensuite, sélectionnez "Analyse -> Set Scale" dans le menu Analyser. Saisissez la distance en pixels: 2048, distance connue: 4000, et Pixel Aspect Ratio: 1, et cliquez sur OK. Sélectionnez "Fichier -> Enregistrer sous -> TIFF" pour enregistrer le 1 calibré: 1 ratio d'aspect pile.
  14. Lentement tourner la molette de la souris pour examiner visuellement les scans d'identifier un navire qui traverse distinctif pour servir de point de référence dans les scans. Notez le numéro de l'image et le numéro de référence de trame dans la feuille de calcul d'analyse.
  15. Appuyez sur la flèche gauche clés 15 fois pour aller à la première image de mesure. Sélectionnez l'option "SelectionsR Freehand21; outil de la barre d'outils.
  16. Placez la souris dans le centre de SC et appuyez sur la flèche vers le haut. Répétez cette étape jusqu'à SC remplit l'écran.
  17. Manuellement le segment SC en encerclant la frontière avec la souris. Maintenez la touche de contrôle (Ctrl) et appuyez sur D pour le cadre de l'image actuelle. Maintenez la touche Ctrl enfoncée et appuyez sur M. Transcrire la mesure de SC superficie de la section et le numéro de cadre de mesure de la feuille de calcul d'analyse. Dé-sélectionnez la zone délimitée. Appuyez sur la flèche droite du clavier 3 fois. Répétez cette étape jusqu'à ce que SC a été mesurée en 10 images.
  18. Appuyez sur la flèche gauche clés 30 fois pour revenir à la première image de mesure.
  19. Sélectionnez l'outil segment de droite de la barre d'outils.
  20. Tracez une ligne droite à partir de l'axe antéro-postérieur le plus à la plupart des endroits sur-SC. Maintenez la touche de commande et appuyez sur D pour la trame courante seulement. Maintenez la touche de commande et appuyez sur la longueur M. Transcrire SC et le numéro de cadre à la feuille de calcul d'analyse. Dé-sélectionnez la zone délimitée. Appuyez sur la flèche de droite3 fois. Répétez cette étape jusqu'à ce que la longueur SC a été mesurée dans les mêmes 10 images que la zone transversale SC.
  21. Insérez longueur = SC-CSA / axiale l'équation SC-IOWD dans le tableur d'analyse pour calculer la moyenne SC-paroi intérieure de la distance de paroi extérieure (SC-IOWD) en divisant les mesures de surface par les mesures de longueur.
  22. Appuyez sur la flèche gauche clés 30 fois pour revenir à la première image de mesure.
  23. Sélectionnez l'outil segment de droite de la barre d'outils.
  24. Tracez une ligne droite à partir de l'axe antéro-plus sur SC à la frontière du trabéculum et la chambre antérieure. Assurez-vous que la ligne est perpendiculaire à la frontière. Maintenez la touche Ctrl et appuyez sur D, puis M.
  25. Tracez une ligne à partir de la plus postérieur emplacement de SC et de la frontière de la MC et la chambre antérieure. Veiller à ce que la ligne perpendiculaire à la frontière. Hold Control et appuyez sur D, puis M.
  26. Tracez une ligne du centre de SC et de la frontière de la MC et la chambre antérieure. Veiller à ce que le line perpendiculaire à la frontière. Maintenez la touche de commande et appuyez sur D pour la trame courante seulement.
  27. Transcrire les trois mesures d'épaisseur TM et numéro de trame à la feuille de calcul d'analyse. Pour ce faire, appuyez sur la flèche droite du clavier 3 fois. Répétez cette étape jusqu'à ce que l'épaisseur TM a été mesurée dans les mêmes 10 images que la zone transversale SC.

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Representative Results

Grâce à ces techniques d'acquisition de données et d'analyse de l'image, on obtient les effets de petits et grands changements dans la PIO sur les paramètres morphologiques des sorties des voies telles que SC aire transversale (Figure 1). Nous pouvons voir que des niveaux élevés d'augmentation de la PIO produisent un effondrement observable de SC, représentée par une grande réduction de la superficie de section transversale. L'œil semble être en mesure d'accueillir de petites augmentations de la PIO, comme en témoigne l'absence de changement dans SC-CSA (Figure 1). Ces résultats montrent que la technique est capable de quantifier la réponse morphométrique de la voie d'éjection à un défi IOP aiguë. Aucune autre famille de technologies ou techniques fournit à la fois des informations visuelles et quantitatives sur la biomécanique des voies d'écoulement.

Tout au long de l'étude, aucune modification significative de l'épaisseur TM a été observée. En réponse à une augmentation de la PIO 23 mmHg, SC intérieure à distance de la paroi extérieure a été réduite de 5,03 um. Without et à la suppression de l'activité du muscle lisse, une augmentation de 6 mmHg de la PIO causés SC intérieure à distance de la paroi extérieure de diminuer de 0,18 um et 2,34 um respectivement. En outre, la ligne de base SC-CSA a chuté de 4,597 ± 2,503 um 2 à 3,588 ± 1,198 pm 2 (moyenne ± écart-type) avec suppression de l'activité du muscle lisse. Ensemble, avec l'insertion des tendons antérieurs du muscle ciliaire qui insérer dans le TM lamellé et cribiform externe 17, ce qui implique un système de contrôle pour maintenir la perméabilité SC impliquant le muscle lisse. Une étude plus approfondie est mérité.

Figure 1
Figure 1. La zone du canal de Schlemm fonction de la pression intraoculaire dans les yeux vivants. Le canal de Schlemm (SC) zones transversales de deux cohortes de sujets sont fournis. Les barres d'erreur présente une erreur type intraocular pression (PIO) sur l'axe des X, et la zone SC sur l'axe des ordonnées.

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Discussion

La présente technique exploite observation non invasive de la réponse mécanique des tissus mous à quantifier SC effondrement. Les travaux futurs en utilisant les yeux de cadavres humains est nécessaire pour calibrer des détournements de tissus rigidité des tissus réelle après la dissection. Mais, ces études subiront les mêmes limites des modèles d'écoulement précédents; précisément, que les contributions de muscle vivant à la tension des tissus ne seront pas présents. En outre étalonnage dans un modèle d'oeil de mammifère vivant peut permettre l'étalonnage de l'imagerie et de mesures directes de la raideur de la TM.

Il existe plusieurs limites à la technique. Il n'a pas encore été démontré sur d'autres plateformes PTOM. La littérature suggère que les mêmes structures peuvent être visualisées sur d'autres appareils PTOM cependant sensibilité aux changements associés à une élévation de la PIO aiguë sur ces appareils n'a pas encore été démontré dans les yeux humains. Le présent dispositif a été utilisé par commodité, car aucun optiques supplémentaires sontrequis pour le balayage du segment antérieur. Le plus grand défi de ce travail est l'identification de SC dans les scans. Il est impossible d'identifier avec certitude SC dans une seule tranche. Interrogation du volume est nécessaire d'abord de localiser la zone de tissu contenant SC. Son identité est ensuite confirmée par l'observation du canal collecteur Ostie, et l'interconnexion des différents segments de la SC qui apparaissent tranche à trancher. Dans notre expérience, SC présentera entre de 0 à 4 ouvertures dans le limbe qui peuvent fusionner en simples de grandes ouvertures à proximité d'un orifice de canal collecteur, ou réduire à une section pincée de fermeture complète.

La plus grande importance de cette technique de percée est qu'il n'y a pas d'autre option pour l'évaluation de la rigidité TM in situ. La morphologie et la rigidité du TM en corrélation avec les sorties installation 14,15, soulignant la nécessité de mesurer les caractéristiques biomécaniques de voie de sortie. A l'avenir,ces mesures peuvent fournir des indications actuellement pas disponible dans la gestion du glaucome.

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Disclosures

Dr Schuman a reçu des redevances de la propriété intellectuelle sous licence par le Massachusetts Institute of Technology et du Massachusetts Eye and Ear Infirmary à Zeiss, Inc.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Spectral Domain OCT Zeiss Cirrus
Imaging Workstation Apple iMac
Ophthalmodynamometer Baillairt Matalene Ophthalmodynamometer, Surgical instruments CO., Inc. New York, NY
Image Processing Program rsb.info.nih.gov/ij ImageJ, FIJI

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References

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