Doppler Optical Coherence Tomography der retinalen Zirkulation

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Summary

Insgesamt retinalen Blutflusses wird durch Doppler optische Kohärenztomographie und halbautomatische Grading-Software gemessen.

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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).

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Abstract

Berührungslose retinalen Blutflusses Messungen werden mit einem Fourier Domain Optischen Kohärenztomographie (OCT) System mit einem circumpapillary doppelte runde Scan (CDCS), die um den Sehnerv Kopf 3,40 mm scannt und 3,75 mm Durchmesser durchgeführt. Die doppelten konzentrischen Kreisen 6 mal hintereinander über 2 sec durchgeführt. Die CDCS Scan wird mit Dopplerverschiebung Informationen aus dem Durchfluss berechnet werden gespeichert. Die klinischen Standard-Protokoll fordert 3 CDCS scannt mit der OCT-Strahl durch die superonasal Rand der Pupille und 3 CDCS durch die inferonal Schüler scannen gemacht. Diese Doppel-Winkel-Protokoll stellt sicher, dass annehmbare Doppler-Winkels auf jeder retinalen Zweiggefäß in mindestens ein Scan erhalten. Die CDCS Scan-Daten, ein 3-dimensionales Volumen OCT-Scans der Papille Scan und ein Farbfoto der Papille werden zu retinalen Blutflusses Messung an einem Auge zu erhalten verwendet. Wir haben eine Blutflussmessung Software namens "Doppler-Optik entwickelt,al Kohärenztomographie der retinalen Durchblutung "(DOCTORC). Dieses halbautomatische Software wird verwendet, um insgesamt retinalen Blutflusses Gefäß Querschnittsfläche und durchschnittlichen Blutgeschwindigkeit messen. Die Strömung von jedem Gefäß von der Doppler-Verschiebung in dem Behälter berechnet wird Kreuz -Querschnittsfläche und der Doppler-Winkel zwischen dem Gefäß und dem OCT-Strahl. insgesamt retinalen Blutflusses Messung wird von den Adern um den Papille summiert. Die Ergebnisse unserer Doppler Oktober Lesung Zentrum erhalten wird, zeigt eine gute Reproduzierbarkeit zwischen Sortierer und Methoden (<10% ). insgesamt retinalen Blutflusses könnte in der Behandlung von Glaukom, anderen Netzhauterkrankungen und Netzhauterkrankungen nützlich. In Glaukompatienten wurde Oktober retinalen Blutflusses Messung stark mit Gesichtsfeldausfällen (R 2> 0,57 mit visuellen Feldmuster Abweichung korreliert) . Doppler Oktober ist eine neue Methode, um eine schnelle, berührungslose und wiederholbare Messung der gesamten retinalen Blutflusses führen mit weithin verfügbar Fourier-Domain OCT instrumentation. Diese neue Technologie kann zur Verbesserung der Zweckmäßigkeit der Herstellung dieser Messungen in klinischen Studien und klinische Routine.

Protocol

Ein. Protokoll Text

  1. Patienten werden von RTVue Fourier-Domain-optische Kohärenztomographie (OCT)-System (Optovue Inc., Fremont, CA, USA) mit dem circumpapillary Doppel-kreisförmige Scan (CDCS) und die 3D-Papille Scan gescannt.
    1. Die CDCS Muster besteht aus zwei konzentrischen Kreisen um den Sehnerv Kopf. Der innere Ringdurchmesser beträgt 3,40 mm und der äußere Ring einen Durchmesser von 3,75 mm. Dieses Muster durchschneidet alle Niederlassungen retinalen Arterien und Venen, die aus dem Sehnervenkopf. Die Doppel-Kreisen werden 6-mal in einem einzigen Scan etwa 2 Herzzyklen decken durchgeführt. Um Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen, wird Dopplerverschiebung und Doppler auf Schiff in der OCT-Bild erkannt geschätzt werden. (Abbildung 1a, 1b)
    2. A "dual angle"-Protokoll wird verwendet, um Doppler OCT-Scans zu erwerben. In der "dual-Winkel"-Protokoll, werden drei Scans mit dem OCT-Strahl durch den superonasal Abschnitt der Pupille und 3 Scans durch den inferonasal por erhaltene tion.
    3. Die Qualität jeder Abtastung für die Signalstärke, Bewegungsfehler und Doppler-Winkels ausgewertet. Der Techniker ist erforderlich, um re-do eine Scan, die nicht bestanden haben, die Qualität überprüfen. Insgesamt 6 annehmbaren CDCS Scans werden für jedes Auge durchgeführt. Die "Zwei-Winkel"-Protokoll stellt sicher, dass für jedes Schiff, mindestens die Hälfte der Abtastungen gute Doppler Winkeln bereitzustellen.
    4. Die 3D-Disc-Scan-Muster ist ein Raster-Scan-Abdeckung ein 6x6 mm Region um die Papille. Es wird nur einmal gemacht und bietet eine detaillierte en face Bild von diesem Bereich. (Abbildung 1b)
    5. Ein Farbfoto der Papille wird auch importiert zur Unterscheidung Arterien und Venen.

Abbildung 1
Abbildung 1a. Messung insgesamt Blutfluss mit der circumpapillary Doppel-kreisförmige Scan und die 3D-Disk Scan mit DOCTORC.

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  • Der Doppler-Winkel ist der Winkel zwischen Sondenstrahls und Normalenvektor des Schiffs sowie der Doppler-Signals ist die Doppler-Frequenzverschiebung proportional zur Strömungsgeschwindigkeit Komponente parallel zur Achse der Sonde Strahls. So Strömungsgeschwindigkeit von Doppler-Winkel-und Doppler-Signals abgeschätzt werden. Jedoch werden sowohl Doppler-Winkels und Dopplersignals unzuverlässig, wenn sie unterhalb der Geräuschpegel sind. Auf der anderen Seite wird, wenn Dopplerwinkel groß ist, wird der Doppler-Verschiebung ist aus der messbare Bereich. Wenn der Doppler-Winkel angebracht ist, ungefähr 5-15 Grad für die FD-OCT-System in dieser Studie verwendet wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit korrekt durch Doppler-Verschiebung und Winkel geschätzt werden.
  • Abbildung 1
    Abbildung 1b.

    1. Der Doppler-Winkel in jedem Behälter wird durch die relativen Positionen des Schiffes Lumina im t gemessenewo konzentrischen kreisförmigen scannt. Die axiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit durch die Doppler-Verschiebung von der relativen Phase der benachbarten Oktober axialen Scans gemessen erhalten. Die Gesamtmenge Strömungsgeschwindigkeit ist aus der Axialfluß-Komponente und der Doppler-Winkel berechnet. Die Strömung in jedem Gefäß wird dann durch Integrieren des gesamten Geschwindigkeitsprofils über Gefäßes Querschnittsfläche berechnet. Das Schiff Muster wird der en face Bild der 3D-Festplatte scannen und Fundus Foto, um jedes Schiff entweder als eine Vene oder einer Arterie zu identifizieren abgestimmt. Die gesamte Netzhaut Strömung wird durch Summierung Strömung in den großen Netzhautvenen, dh., Jener mit luminalen Durchmesser über 33 um berechnet.
    1. Alle Scans des gleichen Auges als Rohdaten mit dem RTVue Software exportiert. Die rohen OCT-Bilder, darunter sowohl Doppler und Intensität Bilder werden zunächst für die Bildqualität getestet "Doppler optische Kohärenztomographie der retinalen Zirkulation" (DOCTORC) Software.
      1. Augenbewegungen sind Maßnahmenured durch die gepoolte Standardabweichung der inneren Grenzmembran und der maximalen Differenz zwischen zwei Rahmen, die nach dem Masse-Bewegung geschätzt wird.
      2. Signalstärke (Reflexion und Einschätzung der durchschnittliche Doppler-Winkel) werden ebenfalls berechnet.
      3. Nach dem durchschnittlichen Augenbewegung und Signalstärke der wiederholten Scans werden die Daten entweder als "gut" oder "schlecht" in der Qualität eingestuft. Nur Daten von guter Qualität werden benotet.
    2. Für akzeptable Scans wird ein automatisiertes Segmentierungsalgorithmus jedem Oktober für Schiffsortungssystem angewendet.
      1. Ein automatisiertes Algorithmus, Schiffe entspricht, wird verwendet, um den gleichen Behälter in jedem Rahmen zu lokalisieren. Die Rahmen auf dem gleichen Kreis registriert sind, und zwei gemittelten Frames des inneren Rings und äußeren Rings erzeugt. Sowohl Reflexionsvermögen und Doppler-Bilder gemittelt werden.
      2. Für einen Überblick, wird die erkannte Schiff als Liniensegment auf den en face Fundusbild aus dem 3D-Disc-Scan ermittelt projiziert.
      3. Grader Beitrag jedes Schiff auf einen kleinen Teil der gemittelten Innen-und Außenring Frames mit einem Kreis, der die automatische Segmentierung Ergebnis stellt überlagert.
        1. Die Grader beurteilt, ob die Lage, Gefäßdurchmesser und Schiffstypen (Vene / Arterie) passend zum Schiff auf den beiden Ringen korrekt sind nach dem OCT-Bild, en face OCT-Bild, und Disc-Aufnahme des gleichen Auges.
        2. Der Grader ist erlaubt einem der oben genannten Werte ändern, wenn er es für erforderlich hält. Der Sortierer auch Richter der Qualität des Doppler-Signals in dem Gefäß und gibt eine subjektive Konfidenzmaß für das Schiff Etikett auf jede Abtastung.
        3. Ein Konfidenzmaß von 0-5 wird automatisch auf jedem Behälter auf Doppler Signalstärke in dem Gefäß Bereich beruhten. Es wird dann manuell durch den Grader auf die Stärke des Schiffes Doppler-Signal, Regelmäßigkeit des Schiffes Grenze zwischen Innen-und Außenring des Schiffes Größe basiert korrigiert, und unterzeichnen Vereinbarung DopKopplers Verschiebung zwischen inneren und äußeren Ringen.
      4. Nachdem alle Schiffe überprüft und korrigiert werden, wird eine automatisierte Algorithmus angewendet, um den Blutfluss von jeder Vene mit einem Verfahren aus unserer früheren Veröffentlichung angepaßt zu berechnen. 1
        1. Das Dopplersignal wird über das Gefäß Bereich integriert und dann gemittelt zwischen allen Frames. Dann wird der Doppler als summiert Dopplersignal durch den Doppler-Winkels dividiert.
        2. Für jedes Schiff, werden 6 Scans auf subjektiven Konfidenzgrade, Doppler Winkel und Variationskoeffizient der Doppler Winkeln ausgewertet. Der Ablauf einer Vene wird nur als gültig betrachtet, wenn mehr als 1 Scan übergibt die Qualitätskontrolle. Für Schiffe, die die Qualität Prüfung bestehen, wird der Fluss zwischen den gültigen Scans gemittelt.
        3. Für Gefäß mit ungültigen Ergebnissen wird die Strömung unter Verwendung der Behälter an und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit von gültigen Venen. Die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit wird durch die Summe der Ströme in den gültigen Venen und Quotient ausdurch den summierten Gebieten der genannten Adern. Die Schätzung der Strömung geht von der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit und wird dann für die Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von der Behältergröße Bereich korrigiert. Größere Schiffe haben einen höheren mittleren Strömungsgeschwindigkeit. So ist die Korrektur basierend auf der Steigung der durchschnittlichen Geschwindigkeit über Gefäßdurchmesser, 2,13 hergestellt, dass wir früher berichtet. 2
        4. Die berechnete Strömung gültige Venen und die geschätzte Strömung von ungültigen Venen werden zugesetzt, um die Gesamtmenge retinalen Blutflusses zu bestimmen.
        5. Die Gesamtmenge retinalen Blutflusses Ergebnis wird auf der Basis der gültigen venösen Flächenprozentsatz, Augenbewegungen, und Signalstärke ausgewertet.
        6. Venösen Bereich und insgesamt arteriellen Bereich werden auch durch die Addition der Behälter Bereichen erhalten. Angenommen, die insgesamt retinalen Blutflusses ist in Arterien und Venen gleichen, werden die arteriellen und venösen Geschwindigkeiten durch Division der Gesamtzahl Blutflusses mit arteriellen und venösen Bereich Fläche errechnet.

      2. Repräsentative Ergebnisse

      www.aigstudy.net ). 48 Augen wurden durch den "dual-Winkel"-Protokoll und produzierte Scans, die die Bildqualität Prüfung bestanden gescannt. Verwendung der DOCTORC Software konnten gültige Durchflussmessungen von 83% der Augen erzielt werden.

      Um die Reproduzierbarkeit der DOCTORC zu evaluieren, wurde ein weiterer kleiner Datensatz mit 20 Augen von 3 Grader benotet. Dieser Datensatz wurde auch verwendet, um zu trainieren und zu testen Grader. Grader 2 nutzten die halbautomatische DOCTORC Software und 1 verwendet eine frühere vollkommen manuell Software in früheren Veröffentlichungen beschäftigt. 2,3 Die gesamten retinalen Blutflusses (Tabelle 1) von den beiden Sortiermaschinen unter Verwendung DOCTORC Software bestimmt sind ähnlich zueinander und zu fließen Preise von den anderen Grader mit der manuellen Software bestimmt. Nur 65% der Augen hatten valide Ergebnisse, weil einige von ter Daten wurden nicht auf Zweiwinkel Protokoll basieren, aber einzigen Winkel Protokoll. 2 Das Protokoll umfasst Winkel 5 Doppler-Scans mit dem OCT-Strahl durch die Mitte der Pupille erzielt. Deshalb ist die Doppler-Winkels ist oft klein und daher eine größere Menge von Behältern sind in der Regel nicht abbaubar.

      Für alle Grader, ist die inter-grader Reproduzierbarkeit, wie durch den Variationskoeffizienten gemessen, ähnlich für beide glaukomatöse und normale Augen (Tabelle 2). Ebenso sind die Reproduzierbarkeit Messungen für die beiden Methoden, DOCTORC und das Handbuch Software, 1-5 ähnlich (Tabelle 2). Für drei Grader, besteht eine gute Korrelation zwischen den gesamten Blutfluss und das Muster Standardabweichung vom Gesichtsfeld Tests (Abbildung 2) für glaukomatösen Augen.

      DOCTORC Software Handbuch Software 3
      Bedingung 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

      Tabelle 1. Insgesamt retinalen Blutflusses mit 2 Verschiedene Software.

      </ Tr>
      Variationskoeffizient
      Glaukom (7 Augen)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 9,58%
      DOCTORC vs manuelle Methode 3
      Grader 1 8,00%
      Grader 2 9,74%
      Normale (6 Augen)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 5,99%
      DOCTORC vs manuelle Methode
      Grader 1 8,87%
      Grader 2 9,98%

      Tabelle 2. Reproduzierbarkeit von insgesamt retinalen Blutflusses Messungen.

      Abbildung 2
      Abbildung 2. Korrelation zwischen Total retinalen Blutflusses und Visual Field in Glaukom. Ein. Grader 1 mit DOCTORC Software. Gesichtsfeldausfälle durch zusammengefasstMuster Standardabweichung (p = 0,048). b. Grader 2 mit DOCTORC Software. Gesichtsfeldausfälle durch Muster Standardabweichung (p = 0,032) zusammengefasst.

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    Discussion

    Blutfluss Missbildungen bei Glaukom-und Gefäßerkrankungen der Netzhaut wie diabetische Retinopathie. 6-10 Volumetrische Messung der retinalen Blutflusses gibt wertvolle Informationen über den Krankheitsverlauf. 4-6,11,12 DOCTORC bietet einen praktischen Weg zur totalen Netzhaut abzuschätzen Blutflusses auf der Basis der Messungen in den einzelnen Gefäßen durch Doppler Oktober ermittelt nach der Doppelkreis Abtastmuster. 1-5

    Die mittlere Gesamt-retinalen Blutflusses durch Doppler Oktober in normalen Augen gemessen 47-49 ul / min, vergleichbar mit der Literatur Werte von 34-65 ul / min unter Verwendung Laser-Doppler-Techniken. 13,14 Doppler OCT-Messungen mit dem neueren gemacht semi- automatisierte DOCTORC Software vereinbart Zusammenarbeit mit den Ergebnissen der manuellen Messungen, die wir bisher veröffentlicht. 1-5 Der Unterschied zwischen DOCTORC Messungen und manuelle Messungen in einzelnen Fällen, wie CV gemessen, ist ähnlich wie inter-grader Differenzen. Dies deutet darauf hin, dass die Differenz erster Linie wurde mit subjektive Teil der Abstufung Prozess verbunden sind, und nicht die Differenz zwischen Software. Bei der manuellen Methode und DOCTORC, messen wir nur Adern mit einem Durchmesser größer als 33 um. Adern mit Durchmessern von weniger als 33 &mgr; m waren in der Regel nicht nachweisbar mit DOCTORC. Diese Adern bilden nur einen sehr kleinen Teil des gesamten venösen Bereich (0,2%), und sie tragen auch weniger zu insgesamt retinalen Blutflusses weil die Strömungsgeschwindigkeit in diesen Gefäßen geringer ist als in größeren Behälter. 2 Somit wird die Differenz zwischen einschließlich und außer sehr kleinen Gefäßen nicht signifikant ist für die Bestimmung von Gesamt-retinalen Blutflusses. Die hohe Korrelation zwischen visueller Feldtests und insgesamt retinalen Blut fließt stimmt mit unserer vorherigen Ergebnis, was auf eine enge Verbindung zwischen Perfusion und visuelle Funktion. Glaukomaugen auch deutlich geringer durchblutet als normale Gruppen, die mit anderen Studien übereinstimmt. 15-17 </ Sup> Somit insgesamt retinalen Blutflusses durch DOCTORC bestimmt wird nützlich in der Diagnose und Überwachung der Progression von Glaukom. Neben Blutflussmessungen, DOCTORC auch Schiffes an und Gefäßes Geschwindigkeitsmessungen, die gegebenenfalls auch in der Klinik nützlich.

    Andere Techniken sind auch für die Messung retinalen Blutflusses, aber jeder hat einige Einschränkungen. Laser-Doppler-Techniken benötigen viele Messungen über einen langen Sitzung, da sie nur einen Behälter in einer Zeit testet. Ultraschall Farbdoppler wertet nur in größeren Geschwindigkeit retrobulbären Gefäße, und es kann nicht bestimmt werden volumetrischen Blutflusses. Ultraschall-Doppler-Ergebnisse variieren mit Betreiber und unterliegen Anatomie. Die Variabilität macht es problematisch, Ergebnisse zwischen Subjekten und Studienzentren zu vergleichen. 18 Diese Instrumente sind auch teuer und nur in großen Forschungszentren. Andere Techniken wie Fluorescein und Indocyanin-Grün Angiographie erfordern intravenöse injection, und sie liefern keine quantitative Ergebnisse. Fourier Domain (oder Spektralbereich) Oktober ist in der Augenheilkunde beliebt und nur Software-Upgrade erforderlich ist, um Doppler Blutfluss Messung in diesen Geräten zu ermöglichen. Unsere Doppler OCT-Verfahren ist das einzige Mittel, um den Blutfluss mit klinisch verfügbaren FD-OCT Instrumenten messen. Die Prävalenz und relativ niedrigen Kosten dieser Instrumente möglich machen großen multizentrischen Studien des retinalen Blutflusses in Gesundheit und Krankheit.

    Es gibt mehrere Einschränkungen für die aktuelle Version von DOCTORC. Die Benotung Prozeß wird noch nicht vollständig automatisiert und die Staffelzeit eines Auges bis zu 30 min. Diese Einstufung akzeptabel ist für große klinische Studien, aber nicht schnell genug für den täglichen klinischen Einsatz. Direkten arteriellen Durchflussmessung ist nicht verfügbar, da das DOCTORC hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Arterie geht über den Messbereich des OCT-Systems ausgewählten Geschwindigkeit von 26.000 a-scans/sec. Schneller OCT-Systeme would ermöglichen die Messung der arteriellen Blutfluss. Über 17% der Augen gescannt gab nicht gültig Blutfluss Messung aufgrund der schlechten Doppler Winkel auf großen Schiffen.

    Zusammenfassend stellen wir eine praktische Methode, um insgesamt retinalen Blutflusses mit einem handelsüblichen Fourier-Domain OCT Instrument messen. Es wird über breite Anwendungen für Sehnervs und retinalen Erkrankungen, wie Glaukom, diabetische Retinopathie und nicht arteriitischen ischämischer optischer Neuropathie.

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    Disclosures

    Dr. Huang erhält Zuschüsse, Patent-Lizenzgebühren, Aktienoptionen, Reise Unterstützung und Honorare für Vorträge von Optovue, Inc.; Dr. Tan und Dr. Wang erhält Patent Lizenzgebühren und Zuschüsse aus Optovue, Inc.; Dr. Koduru und Dr. Sadda erhalten Zuschüsse aus Optovue.

    Acknowledgments

    Diese Studie wird von NIH RO1 013.516 und einen Zuschuss Form Optovue unterstützt.

    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

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