Doppler Optical Coherence Tomography af Retinal cirkulation

Medicine

Your institution must subscribe to JoVE's Medicine section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Total nethinden blodgennemstrømning måles ved Doppler optisk kohærens tomografi og semi-automatiske sortering software.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Tan, O., Wang, Y., Konduru, R. K., Zhang, X., Sadda, S. R., Huang, D. Doppler Optical Coherence Tomography of Retinal Circulation. J. Vis. Exp. (67), e3524, doi:10.3791/3524 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Noncontact retinale blodgennemstrømningen målinger udføres med en Fourier-domæne optisk kohærens tomografi (OCT) system ved hjælp af en circumpapillary dobbelt cirkulær scanning (CDCS), der scanner omkring synsnerven på 3,40 mm og 3,75 mm diameter. De dobbelte koncentriske cirkler udføres 6 gange i træk over 2 sek. Den CDCS scanning gemmes med Doppler shift information fra hvilken flow kan beregnes. Standarden kliniske protokol kræver 3 CDCS scanner lavet med OLT stråle passerer gennem superonasal kant af pupillen og 3 CDCS scanne gennem inferonal elev. Dette dobbelt-vinkel protokol sikres, at acceptable Doppler vinkel er opnået på hver nethinde gren fartøj i mindst 1 scanning. De CDCS scannede data, en 3-dimensionel volumetrisk oktober scanning af den optiske disk scanning, og et farvefoto af den optiske disk bruges sammen for at opnå retinal blod flowmåling på et øje. Vi har udviklet en blod flowmåling software kaldet "Doppler optikal kohærens tomografi af retinal omsætning "(DOCTORC). Dette halvautomatiske software anvendes til at måle total retinal blodgennemstrømning, fartøj tværsnitsareal, og den gennemsnitlige blodets hastighed. Strømmen af ​​hvert fartøj beregnes ud fra Doppler-forskydning i beholderen cross -tværsnitsareal og Doppler vinklen mellem beholderen og OLT stråle. alt retinal blodgennemstrømning måling summeres fra venerne omkring den optiske disk. Resultaterne på vores Doppler oktober læsning center viste god reproducerbarhed mellem gradere og metoder (<10% ). alt retinal blodstrømning kunne være nyttig i behandlingen af glaukom, andre retinale sygdomme, og retinale sygdomme. I glaukompatienter blev oktober retinal blodgennemstrømning måling stærkt korreleret med synsfelttab (R2> 0,57 med synsfeltet mønster afvigelse) . Doppler oktober er en ny metode til at udføre hurtige, noncontact, og reproducerbar måling af total retinal blodgennemstrømning benyttes alment tilgængelige Fourier-domænet oktober instrumentation. Denne nye teknologi kan forbedre det praktiske ved at gøre disse målinger i kliniske studier og rutinemæssig klinisk praksis.

Protocol

1. Protokol Text

  1. Patienterne bliver scannet af RTVue Fourier-domæne optisk kohærens tomografi (OCT) system (Optovue Inc., Fremont, CA, USA) under anvendelse af circumpapillary dobbelt cirkulær scanning (CDCS) og 3D synsnervepapillen scanning.
    1. The CDCS Mønstret består af to koncentriske cirkler omkring det optiske nervehoved. Den indre ring diameter er 3,40 mm og den ydre ring diameter er 3,75 mm. Dette mønster transekter alle gren retinale arterier og vener, der hidrører fra det optiske nervehoved. De dobbelte cirkler udføres 6 gange i en enkelt scanning til at dække cirka 2 hjertecyklusser. Til beregning af strømningshastighed, vil Doppler shift og Doppler estimeres på skib fundet i OLT billedet. (Figur 1a, Figur 1b)
    2. En "dobbelt vinkel" protokol bruges til at erhverve Doppler oktober scanninger. I "dual-vinkel"-protokol, der 3 scanninger opnået med OLT stråle passerer gennem superonasal del af elev og 3 scanninger gennem inferonasal por tion.
    3. Kvaliteten af ​​hver scanning evalueres for signalstyrke, motion fejl, og Doppler vinkel. Teknikeren skal igen gøre enhver scanning, der ikke gik igennem kvalitetskontrollen. I alt 6 acceptable CDCS scanninger udføres for hvert øje. Den "dual-vinkel" protokol sikres, at for hvert fartøj, mindst halvdelen af ​​scanningerne giver gode Doppler vinkler.
    4. 3D disc skannemønster er en rasterskandering omfatter en 6x6 mm område omkring den optiske disk. Det sker kun én gang og giver en detaljeret en face billede af dette område. (Figur 1b)
    5. En farvefoto af den optiske disk importeres også til at skelne arterier og vener.

Figur 1
Figur 1a. Måling total blodgennemstrømning med circumpapillary dobbelt cirkulær scanning og 3D diskscanning hjælp DOCTORC.

pha ">
  • Doppler er vinklen mellem probe stråle og normal vektor af fartøjet, og Doppler-signal er dopplerfrekvensforskydning proportional med strømningshastigheden der er parallel med aksen af ​​sonden stråle. Således strømningshastighed kan estimeres ud fra Doppler vinkel og Doppler-signal. Men både Doppler vinkel og Doppler-signal blive ustabile, når de er under støjniveauet. På den anden side, når Doppler vinkel er stort, vil The Doppler shift være ude af målelige område. Når Doppler vinkel er relevant, omkring 5-15 grader for FD-OLT-system, der anvendes i denne undersøgelse, kan strømningshastigheden korrekt anslået af Doppler shift og vinkel.
  • Figur 1
    Figur 1b.

    1. Doppler vinkel i hver beholder måles af de relative positioner af fartøjet lumina i two koncentriske cirkulære scanner. Den aksiale komponent af strømningshastigheden opnås ved Doppler shift målt fra den relative fase af hosliggende oktober aksiale scanninger. Den totale strømningshastighed er beregnet ud fra den aksiale strømning komponent og den Doppler vinkel. Strømmen i hver beholder beregnes derefter ved at integrere den totale hastighedsprofil i beholderen tværsnitsareal. Fartøjet mønster er tilpasset til en face billede af 3D diskscanning og fundus fotografi til at identificere hvert fartøj som enten en vene eller en arterie. Den samlede retinal strømning beregnes som summen strømning i de store retinale vener, dvs. Personer, personer med luminale diameter over 33 um.
    1. Alle scanninger af det samme øje eksporteres som rådata ved hjælp af RTVue software. De rå oktober billeder, herunder både Doppler og intensitet billeder, er først testet for billedkvalitet ved hjælp af "Doppler optisk kohærens tomografi af retinal cirkulation" (DOCTORC) software.
      1. Øjenbevægelser måles tilmålt ved den poolede standardafvigelse af den indre begrænsende membran og den maksimale forskel mellem to rammer, der er anslået af bulk-bevægelse.
      2. Signalstyrke (reflektans og estimering af gennemsnitlig Doppler vinkel) er også beregnet.
      3. Ifølge den gennemsnitlige øjenbevægelser og signalstyrken af ​​de gentagne scanninger bliver data klassificeret som enten "god" eller "dårlig" kvalitet. Kun kvalitetsdata er gradueret.
    2. For acceptable scanninger er en automatiseret segmentering algoritme anvendes på hvert OLT billede for fartøj detektion.
      1. En automatiseret algoritme, der svarer til fartøjer anvendes til at lokalisere den samme beholder i hver ramme. Rammerne på samme cirkel, registreres, og to gennemsnitsspor rammer af den indre ring og den ydre ring skabes. Både reflektans og Doppler billederne midles.
      2. For en oversigt, bliver detekteret fartøj projekteret som et linjestykke på en face fundus billede beregnet ud fra 3D-disk scanning.
      3. Gradere gennemgang hvert fartøj på en lille del af de midlede indre og ydre ring rammer overlejret med en cirkel, der repræsenterer den automatiserede segmentering resultat.
        1. De grader dommere, hvis placeringen, kardiameter, og skibstype (vene / arterie), som passer fartøjet på de to ringe er korrekt i henhold til OLT image, en face oktober billede og skive fotografi af samme øje.
        2. Det grader får lov til at ændre nogen af ​​de ovennævnte værdier, hvis han finder det nødvendigt. The grader også dommere kvaliteten af ​​Doppler-signalet i beholderen og giver en subjektiv tillid score for fartøjet etiketten på hver scanning.
        3. En tillid score på 0-5, tildeles automatisk til hvert fartøj baseret på Doppler signalstyrke i fartøjets området. Det er derefter manuelt korrigeret af grader baseret på styrken af ​​fartøjet Doppler signal, regelmæssighed af fartøjets grænse, aftale mellem indre og ydre ringe af fartøjets størrelse, og underskrive aftale med Doppler skift mellem indre og ydre ringe.
      4. Efter alle skibe er verificeret og korrigeret, en automatiseret algoritme anvendt til at beregne blodgennemstrømningen i hver vene med en metode tilpasset fra vores tidligere offentliggørelse. 1
        1. Doppler-signalet integreret over beholderen område og derefter gennemsnit blandt alle rammer. Derefter Doppler beregnes som det summerede Doppler-signal divideret med Doppler vinkel.
        2. For hvert fartøj, der 6 scanninger evalueres på subjektive tillid scoringer, Doppler vinkler, og variationskoefficient af Doppler vinkler. Strømmen af ​​en vene anses kun gyldig, hvis mere end 1 scan passerer kvalitetskontrollen. For fartøjer, der passerer kvalitetskontrollen bliver tilførslen gennemsnit blandt gyldige scanninger.
        3. For fartøj med ugyldige resultater bliver tilførslen estimeres ved anvendelse af fartøjet området og den gennemsnitlige strømningshastighed fra gyldige årer. Den gennemsnitlige flow hastighed beregnes som summen af ​​strømmene i de gyldige vener og dividereaf de summerede områder af disse vener. Estimatet af strømning starter fra den gennemsnitlige strømningshastighed og derefter korrigeret for afhængighed af strømningshastigheden på fartøjet område. Større skibe har en højere gennemsnitlig strømningshastighed. Således korrektionen foretages baseret på hældningen af gennemsnitlige hastighed versus kardiameter, 2,13, som vi tidligere rapporteret. 2
        4. Den beregnede strømningshastighed af gyldige vener og den anslåede strøm af ugyldige vener tilsættes at bestemme det samlede retinal blodgennemstrømning.
        5. Den samlede nethinden blodgennemstrømning resultat evalueres på basis af den gældende venøse arealprocent, øjenbevægelser, og signalstyrke.
        6. Venøs areal og det samlede arteriel areal opnås også ved tilsætning af fartøjet områder. Antages det samlede retinal blodgennemstrømning er samme i arterier og vener, er de arterielle og venøse hastigheder beregnes ved at dividere total blodgennemstrømning med arteriel område og venøs område.

      2. Repræsentative resultater

      www.aigstudy.net ). 48 øjne blev scannet af "dual-vinkel"-protokol og produceret scanninger, bestået billedkvaliteten check. Ved hjælp af DOCTORC software, kan gyldige flowmålinger fås fra 83% af øjnene.

      For at vurdere reproducerbarheden af ​​DOCTORC system, blev en anden lille datasæt med 20 øjne sorteres efter 3 gradere. Dette datasæt blev også brugt til at træne og teste gradere. 2 gradere brugt semi-automatiseret DOCTORC software og 1 brugt en tidligere helt manuel software, der anvendes i tidligere udgivelser. 2,3 De samlede retinale blodstrømme (tabel 1) bestemt ved de to gradere hjælp DOCTORC software ligner hinanden og til at flyde satser fastsat af anden grader ved hjælp af den manuelle software. Kun 65% af øjnene havde gyldige resultater, fordi nogle af tHan data blev ikke baseret på dual vinkel protokol, men en enkelt vinkel protokol. 2 Det samlede vinkel protokol indeholder 5 Doppler-scanninger opnået med OLT stråle går gennem midten af pupillen. Derfor Doppler vinkel er oftere lille og derfor en større del af skibe er sædvanligvis ikke nedbrydelige.

      For alle gradere, er den inter-gradere reproducerbarhed som målt ved variationskoefficienten, ens for både glaucomatøse og normale øjne (Tabel 2). Ligeledes reproducerbarheden målingerne for de to metoder, DOCTORC og Manuel software, 1-5 er ens (Tabel 2). For tre gradere, eksisterer en god korrelation mellem total blodgennemstrømning og mønstret standardafvigelse fra synsfeltet tests (figur 2) for glaucomatøse øjne.

      DOCTORC software Manual software 3
      Tilstand Grader 1 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

      Tabel 1. Samlet Retinal Blood Flow anvendelse af 2 forskellige software.

      </ Tr>
      Variationskoefficient
      Glaukom (7 øjne)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 9,58%
      DOCTORC vs manuel metode 3
      Grader 1 8,00%
      Grader 2 9,74%
      Normal (6 øjne)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 5,99%
      DOCTORC vs manuelle metode
      Grader 1 8,87%
      Grader 2 9,98%

      Tabel 2. Reproducerbarhed af alt Retinale Blood flowmålinger.

      Figur 2
      Figur 2. Sammenhæng mellem Total Retinal blodgennemstrømning og Visual Field i Glaukom. En. Grader 1 med DOCTORC software. Synsfelttab er sammenfattet afmønster standardafvigelse (p = 0,048). b. Grader 2 under anvendelse DOCTORC software. Synsfelttab er sammenfattet af mønsteret standardafvigelsen (p = 0,032).

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Blood flow abnormiteter forekommer i glaukom og vaskulære sygdomme i nethinden såsom diabetisk retinopati. 6-10 volumetrisk måling af retinal blodgennemstrømning giver værdifuld information om sygdommen processen. 4-6,11,12 DOCTORC giver en praktisk måde at vurdere den samlede retinal blodgennemstrømningen baseret på målinger i de enkelte fartøjer bestemt ved Doppler oktober ved hjælp af dobbelt cirkel skannemønster. 1-5

    Den gennemsnitlige totale retinal blodstrømning målt ved Doppler oktober i normale øjne er 47-49 gl / min, sammenlignes med litteraturværdier af 34-65 ul / min opnået ved anvendelse af laser-doppler teknik. 13,14 Doppler oktober målinger udført med nyere semi- automatiseret DOCTORC software aftalt nøje med resultaterne af manuelle målinger, som vi tidligere offentliggjorte. 1-5 Forskellen mellem DOCTORC målinger og manuelle målinger i de enkelte tilfælde, målt ved CV, svarer til inter-graDer forskelle. Dette indikerer, at forskellen hovedsagelig var forbundet med subjektiv del af voteringen, og ikke forskellen mellem softwaren. Med den manuelle metode og DOCTORC måler vi kun vener med diameter større end 33 um. Vener med diameter mindre end 33 um var normalt ikke påvises med DOCTORC. Disse vener udgør kun en meget lille del af den samlede venøs areal (0,2%), og de ​​bidrager endnu mindre total retinal blodgennemstrømning, fordi strømningshastigheden på disse fartøjer er mindre end i større fartøj. 2 Forskellen mellem herunder og bortset fra meget små fartøjer ikke er væsentlig for bestemmelse af det totale retinal blodgennemstrømning. Den høje korrelation mellem visuelle feltforsøg og samlede retinale blod strømme enig med vores tidligere resultat, hvilket indikerer en tæt sammenhæng mellem perfusion og visuel funktion. Glaukom øjne også har væsentligt lavere blodgennemstrømning end normale grupper, som er enig med andre undersøgelser. 15-17 </ Sup> Således total retinal blodgennemstrømning bestemmes ved DOCTORC vil være nyttigt ved diagnose og overvågning af udviklingen af ​​glaukom. Ud over blod strømningsmålinger, også DOCTORC giver fartøjets område og fartøjets hastighedsmålinger, som også kan være nyttige i klinikken.

    Andre teknikker er også tilgængelige for måling retinal blodgennemstrømning, men hver har nogle begrænsninger. Laser Doppler teknikker brug for mange målinger over en lang session som den tester kun én beholder ad gangen. Ultralyd farve Doppler kun evaluerer hastighed i større retrobulbære skibe, og det kan ikke bestemme volumetrisk blodgennemstrømning. Ultralyd Doppler resultaterne varierer med operatør og emnet anatomi. Variabiliteten gør det problematisk at sammenligne resultater mellem fag og forskningscentre. 18 Disse instrumenter er også dyre og fås kun i store forskningscentre. Andre teknikker, såsom fluorescein og indocyaningrøn angiografi kræver intravenøs innjection, og de ikke giver kvantitative resultater. Fourier domæne (eller spektral domæne) OLT populær i oftalmologi og kun software opgradering kræves for at aktivere Doppler blodgennemstrømningen måling i disse udstyr. Vores Doppler oktober metode er den eneste måde at måle blodgennemstrømning med klinisk tilgængelige FD-okt instrumenter. Forekomsten og relativt lave omkostninger ved denne instrumentering muliggøre store multicenter studier af retinal blodgennemstrømning i sundhed og sygdom.

    Der er flere begrænsninger for den aktuelle version af DOCTORC. Voteringen er stadig ikke fuldt automatiseret, og at klassificeringen tid det ene øje er op til 30 min. Denne klassificering tid er acceptabelt til store kliniske studier, men ikke hurtigt nok til daglig klinisk brug. Direkte arteriel flowmåling er ikke tilgængelig for DOCTORC fordi den høje strømningshastighed i arterie ligger uden for måleområdet af den valgte oktober system med hastighed på 26.000 a-scans/sec. Hurtigere oktober systemer would muliggøre måling af det arterielle flow. Omkring 17% af scannede øjne gav ikke gyldig blodgennemstrømning måling på grund af dårlige Doppler vinkler på de store skibe.

    Sammenfattende giver vi en praktisk metode til måling af total retinal blodgennemstrømning med en kommercielt tilgængelig Fourier-domæne oktober instrument. Det vil have brede applikationer til synsnerven og retinale sygdomme, såsom glaucom, diabetisk retinopati og non-arteritis iskæmisk optisk neuropati.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Dr. Huang modtager gavebistand, patent royalty, aktieoptioner, rejser støtte og foredragshonorar fra Optovue, Inc., Dr. Tan og Dr. Wang modtager patent royalty og tilskud fra Optovue, Inc., Dr. Koduru og Dr. Sadda modtaget tilskud fra Optovue.

    Acknowledgments

    Denne undersøgelse er støttet af NIH tilskud RO1 013.516 og en gavebistand Optovue.

    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

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Wang, Y., Bower, B. A., Izatt, J. A., Tan, O., Huang, D. Retinal blood flow measurement by circumpapillary Fourier domain Doppler optical coherence tomography. J. Biomed. Opt. 13, 064003 (2008).
    2. Wang, Y. Pilot study of optical coherence tomography measurement of retinal blood flow in retinal and optic nerve diseases. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 52, 840-845 (2011).
    3. Wang, Y. Measurement of total blood flow in the normal human retina using Doppler Fourier-domain optical coherence tomography. Br. J. Ophthalmol. 93, 634-637 (2009).
    4. Wang, Y., Bower, B. A., Izatt, J. A., Tan, O., Huang, D. In vivo total retinal blood flow measurement by Fourier domain Doppler optical coherence tomography. J. Biomed. Opt. 12, 041215 (2007).
    5. Wang, Y., Fawzi, A., Tan, O., Gil-Flamer, J., Huang, D. Retinal blood flow detection in diabetic patients by Doppler Fourier domain optical coherence tomography. Opt. Express. 17, 4061-4073 (2009).
    6. Berisha, F., Feke, G. T., Hirose, T., McMeel, J. W., Pasquale, L. R. Retinal blood flow and nerve fiber layer measurements in early-stage open-angle glaucoma. Am. J. Ophthalmol. 146, 466-472 (2008).
    7. Cuypers, M. H., Kasanardjo, J. S., Polak, B. C. Retinal blood flow changes in diabetic retinopathy measured with the Heidelberg scanning laser Doppler flowmeter. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 238, 935-941 (2000).
    8. Hafez, A. S., Bizzarro, R. L., Lesk, M. R. Evaluation of optic nerve head and peripapillary retinal blood flow in glaucoma patients, ocular hypertensives, and normal subjects. Am. J. Ophthalmol. 136, 1022-1031 (2003).
    9. Klaver, C. C., Wolfs, R. C., Vingerling, J. R., Hofman, A., de Jong, P. T. Age-specific prevalence and causes of blindness and visual impairment in an older population: the Rotterdam Study. Arch. Ophthalmol. 116, 653-658 (1998).
    10. Logan, J. F., Rankin, S. J., Jackson, A. J. Retinal blood flow measurements and neuroretinal rim damage in glaucoma. Br. J. Ophthalmol. 88, 1049-1054 (2004).
    11. Chung, H. S., Harris, A., Kagemann, L., Martin, B. Peripapillary retinal blood flow in normal tension glaucoma. Br. J. Ophthalmol. 83, 466-469 (1999).
    12. Deokule, S., Vizzeri, G., Boehm, A., Bowd, C., Weinreb, R. N. Association of visual field severity and parapapillary retinal blood flow in open-angle glaucoma. J. Glaucoma. 19, 293-298 (2010).
    13. Riva, C. E., Grunwald, J. E., Sinclair, S. H., Petrig, B. L. Blood velocity and volumetric flow rate in human retinal vessels. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 26, 1124-1132 (1985).
    14. Garcia, J. P., Garcia, P. T., Rosen, R. B. Retinal blood flow in the normal human eye using the canon laser blood flowmeter. Ophthalmic Res. 34, 295-299 (2002).
    15. Flammer, J. The impact of ocular blood flow in glaucoma. Prog. Retin. Eye Res. 21, 359-393 (2002).
    16. Mitchell, P. Retinal vessel diameter and open-angle glaucoma: the Blue Mountains Eye Study. Ophthalmology. 112, 245-250 (2005).
    17. Nicolela, M. T., Hnik, P., Drance, S. M. Scanning laser Doppler flowmeter study of retinal and optic disk blood flow in glaucomatous patients. Am. J. Ophthalmol. 122, 775-783 (1996).
    18. Goebel, W. Color Doppler imaging: a new technique to assess orbital blood flow in patients with diabetic retinopathy. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 36, 864-870 (1995).

    Comments

    0 Comments


      Post a Question / Comment / Request

      You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

      Usage Statistics