Doppler Optical Coherence Tomography van het netvlies Circulation

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

Totaal netvlies bloedstroom wordt gemeten met Doppler optische coherentie tomografie en semi-geautomatiseerde indelingstechnieken 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

Contactloze retinale bloedstroom metingen worden uitgevoerd met een Fourier-domein optische coherentie tomografie (OCT)-systeem met behulp van een circumpapillary dubbele ronde scan (CDCS) die scant rond de oogzenuw hoofd op 3,40 mm en 3,75 mm diameter. De dubbele concentrische cirkels worden uitgevoerd 6 keer achter elkaar meer dan 2 sec. De CDCS scan wordt opgeslagen met Doppler verschuiving gegevens waaruit stroom kan worden berekend. De standaard klinisch protocol vraagt ​​voor 3 CDCS scant gemaakt met de LGO straal die door de superonasal rand van de pupil en 3 CDCS snel door de inferonal leerling. Deze dubbele-hoek protocol zorgt ervoor dat aanvaardbaar Doppler hoek wordt verkregen op elk netvlies tak vat in ten minste 1 scan. De CDCS scangegevens, een 3-dimensionale volumetrische oktober scan van de optische schijf te scannen, en een kleurenfoto van de optische schijf worden samen gebruikt om het netvlies bloedstroom meting op een oog te krijgen. We hebben een bloedstroom meting software genaamd "Doppler-optiekal coherentietomografie retinale circulatie "(DOCTORC). Deze semi-automatische software wordt gebruikt om de totale retinale bloedstroom vaartuig dwarsdoorsnede oppervlak en de gemiddelde bloedsnelheid meten. stroom van elke kolf berekend uit de Doppler verschuiving in het vat kruis -doorsnede en de Doppler-hoek tussen het schip en de LGO balk. Totaal retinale bloedstroom meting wordt samengevat uit de aderen rond de optische schijf. De resultaten verkregen bij onze Doppler oktober Reading Center toonden een goede reproduceerbaarheid tussen graders en methoden (<10% ). Total retinale bloedstroom kan nuttig zijn in de behandeling van glaucoom, retinale andere ziekten en retinale ziekten. glaucoom patiënten werd oktober retinale bloedstroommetingen sterk gecorreleerd met gezichtsveldverlies (R2> 0,57 met gezichtsveld patroon deviatie) . Doppler OCT is een nieuwe methode om snel, contactloze, en reproduceerbare meting van totale retinale bloedstroom uit te voeren met behulp van op grote schaal beschikbaar Fourier-domein oktober instrumentation. Deze nieuwe technologie kan het verbeteren van de bruikbaarheid van het maken van deze metingen in klinische studies en de dagelijkse klinische praktijk.

Protocol

1. Protocol Tekst

  1. Patiënten worden gescand door RTVue Fourier-domein optische coherentietomografie (OCT) systeem (Optovue Inc, Fremont, CA, USA) met de circumpapillary dubbele cirkelvormige scan (CDCS) en de 3D optische disc scan.
    1. De CDCS patroon bestaat uit twee concentrische cirkels rond de oogzenuw hoofd. De binnenste ring diameter is 3,40 mm en de buitenste ring diameter is 3,75 mm. Dit patroon doorsnijdt alle tak retinale slagaders en aders die uitgaan van de oogzenuw hoofd. De dubbele cirkels worden uitgevoerd 6 keer in een scan tot ongeveer 2 hartcycli dekken. Om Stroomsnelheid te berekenen, zal Doppler shift en Doppler worden geschat op schip ontdekt in de LGO afbeelding. (Figuur 1a, figuur 1b)
    2. Een "dubbele hoek" protocol wordt gebruikt om Doppler oktober scans te verwerven. In de "dual-angle"-protocol, zijn 3 scans verkregen met de LGO straal die door de superonasal gedeelte van de pupil en 3 scans via de inferonasal por tie.
    3. De kwaliteit van elke scan wordt beoordeeld op signaalsterkte, beweging fout en Doppler-hoek. De technicus is vereist om opnieuw te doen elke scan die niet langs de kwaliteitscontrole. Een totaal van 6 aanvaardbare CDCS scans worden uitgevoerd voor elk oog. De "dual-angle" protocol zorgt ervoor dat, voor elk vaartuig, ten minste de helft van de scans goed Doppler hoeken bieden.
    4. De 3D-disc scan patroon is een raster scan die een 6x6 mm regio rond de optische schijf. Het is maar een keer gedaan en geeft een gedetailleerd en face beeld van dit gebied. (Figuur 1b)
    5. Een kleurenfoto van de optische schijf wordt ook geïmporteerd om te helpen slagaders en aders te onderscheiden.

Figuur 1
Figuur 1a. Meten van het totale bloedstroom met de circumpapillary dubbele ronde scan en de 3D-disk scan met behulp van DOCTORC.

pha ">
  • De Doppler is de hoek tussen testbundel en normaalvector van het schip en de Doppler signaal het Doppler frequentieverschuiving evenredig met de stroomsnelheid component evenwijdig aan de as van de testbundel. Zo stroomsnelheid kan worden geschat uit Doppler-hoek en Doppler signaal. Zowel Doppler-hoek en Doppler signaal onbetrouwbaar wanneer zij onder het geluidsniveau. Anderzijds, wanneer Doppler-hoek groot is, zal de Doppler verschuiving buiten het meetbare bereik. Wanneer de Doppler-hoek geschikt is, ongeveer 5-15 graden voor de FD-OCT systeem gebruikt in deze studie kan de stroomsnelheid kunnen worden geschat door Doppler verschuiving en hoek.
  • Figuur 1
    Figuur 1b.

    1. De Doppler-hoek in elk vat wordt gemeten door de relatieve posities van het vaartuig in de lumina two concentrische cirkelvormige scant. De axiale component van de stroomsnelheid wordt verkregen door de Doppler-verschuiving van de gemeten relatieve fase van aangrenzende oktober axiale scans. De totale stroomsnelheid wordt berekend uit de axiale component en de Doppler-hoek. De stroming in elk vat wordt dan berekend door integratie van de totale snelheidsprofiel gedurende vaartuig doorsnede. Het schip patroon is afgestemd op de en face beeld van de 3D-schijf scannen en fundus foto om elk vat als ofwel een ader of een slagader te identificeren. De totale stroom wordt retinale berekend door stroming in grote retinale aderen, dwz., Die met luminale diameter boven 33 urn.
    1. Alle scans van hetzelfde oog worden geëxporteerd als ruwe data met behulp van de RTVue software. De ruwe oktober afbeeldingen, met inbegrip van zowel Doppler en intensiteit afbeeldingen, worden eerst getest op beeldkwaliteit met "Doppler optische coherentie tomografie van retinale circulatie" (DOCTORC) software.
      1. Oogbewegingen zijn maatregeworden ingesteld door de gepoolde standaardafwijking van het binnenste beperkende membraan en het maximale verschil tussen twee frames die wordt geschat door de bulk beweging.
      2. Signaalsterkte (reflectie en de schatting van de gemiddelde Doppler hoek) worden ook berekend.
      3. Volgens de gemiddelde oogbeweging en signaalsterkte van de herhaalde scans worden de gegevens geclassificeerd als "goed" of "slecht" in kwaliteit. Alleen gegevens van goede kwaliteit worden gesorteerd.
    2. Voor aanvaardbare scans, wordt een geautomatiseerde segmentatie-algoritme toegepast op elk van de LGO voor de detectie van vaartuigen.
      1. Een geautomatiseerde algoritme dat overeenkomt schepen wordt gebruikt om hetzelfde vat in elk frame te vinden. De frames op dezelfde kring zijn geregistreerd, en twee gemiddelde frames van de binnenring en buitenring worden gemaakt. Zowel reflectie en Doppler beelden worden gemiddeld.
      2. Voor een overzicht, wordt de gedetecteerde schip geprojecteerd als een lijnstuk op het en face fundus beeld berekend op basis van de 3D-disc scan.
      3. Graders beoordeling elk vaartuig op een klein gedeelte van de gemiddelde binnen-en buitenring frames bedekt met een cirkel die de geautomatiseerde segmentatie resultaat vertegenwoordigt.
        1. De grader beoordeelt of de locatie, schip diameter en type vaartuig (ader / slagader) die overeenkomen met de boot op de twee ringen correct zijn volgens de LGO beeld, en face oktober beeld, en disc foto van hetzelfde oog.
        2. De grader mag een van de bovenstaande waarden te wijzigen als hij denkt dat het nodig is. De grader ook beoordeelt de kwaliteit van het Doppler signaal in het vat en geeft een persoonlijke score vertrouwen voor het vaartuig label op elke scan.
        3. Een vertrouwen score van 0-5 wordt automatisch toegekend aan elk vaartuig op basis van Doppler signaal sterkte in het vat gebied. Het is dan handmatig gecorrigeerd door de sorteermachine op basis van de sterkte van het drukvat Doppler-signaal, regelmaat van het schip grens, tussen binnen-en buitenring van grootte van het vaartuig, en te ondertekenen overeenkomst van Doppler verschuiving tussen binnen-en buitenring.
      4. Nadat alle schepen zijn gecontroleerd en gecorrigeerd, wordt een geautomatiseerde algoritme toegepast om de bloedstroom van elke nerf berekenen met een methode gebaseerd op onze eerdere publicatie 1.
        1. Het Doppler-signaal wordt geïntegreerd over het vaartuig gebied en vervolgens gemiddeld over alle frames. Vervolgens het Doppler wordt berekend als de gesommeerde Doppler signaal gedeeld door de Doppler-hoek.
        2. Voor elk vaartuig, worden 6 scans geëvalueerd op subjectieve vertrouwen scores, Doppler hoeken, en de variatiecoëfficiënt van de Doppler-hoeken. De stroom van een ader wordt als geldig beschouwd, indien meer dan 1 scan passeert de kwaliteitscontrole. Voor schepen die de kwaliteitscontrole passeren, wordt de stroom gemiddeld uit valide scans.
        3. Voor vaartuig ongeldig resultaat wordt de stroom geschat met behulp van het vaartuig en de gemiddelde stroomsnelheid van geldige aderen. De gemiddelde stroomsnelheid wordt berekend door de stromen in de geldige aderen en verdelendoor de gesommeerde delen van de aderen. De schatting van stroming begint bij de gemiddelde stroomsnelheid en wordt vervolgens gecorrigeerd voor de afhankelijkheid van stroomsnelheid op ketel gebied. Grotere schepen hebben een hogere gemiddelde stroomsnelheid. De correctie wordt gebaseerd op de hellingsgraad van gemiddelde snelheid versus vaatdiameter, 2,13, dat we eerder gemeld. Twee
        4. De berekende stroom van geldige aders en de geschatte stroom van ongeldige aders worden toegevoegd aan de totale retinale bloedstroom te bepalen.
        5. De totale retinale bloedstroom resultaat wordt geëvalueerd op basis van de geldige veneuze gebied percentage, oogbeweging, en de signaalsterkte.
        6. Veneuze oppervlakte en het totale arteriële gebied worden ook verkregen door het vaartuig gebieden. Aannemende dat het gehele retinale bloedstroom Hetzelfde in slagaders en aders, de arteriële en veneuze snelheid berekend door de totale arteriële bloedstroom met stippellijn veneuze gebied.

      2. Representatieve resultaten

      www.aigstudy.net ). 48 ogen werden gescand door de "dual-angle" protocol en geproduceerd scans dat de beeldkwaliteit controle gepasseerd. Met de DOCTORC software kan geldige debietmeting worden verkregen van 83% van de ogen.

      Om de reproduceerbaarheid van de DOCTORC systeem te evalueren, werd een kleine dataset met 20 ogen ingedeeld met 3 graders. Deze dataset werd ook gebruikt om te trainen en te testen graders. 2 graders gebruikte halfautomatische DOCTORC software en 1 een vorige volledig handmatige software gebruikt in eerdere publicaties. 2,3 De totale retinale stromen (tabel 1) die in de twee graders met DOCTORC software zijn vergelijkbaar met elkaar te vloeien rates bepaald door de andere sorteerder met de handmatige software. Slechts 65% van de ogen had valide resultaten, omdat sommige van de thij gegevens waren niet gebaseerd op dubbele hoek-protocol, maar enkele hoek-protocol. 2 Het enkele hoek-protocol bestaat uit 5 Doppler scans verkregen met de LGO straal door het middelpunt van de leerling. Dus de Doppler-hoek is vaak klein en daardoor een groter deel van vaartuigen zijn gewoonlijk niet afbreekbaar.

      Voor alle graders, de inter-grader reproduceerbaarheid, zoals gemeten door de variatiecoëfficiënt, is vergelijkbaar voor zowel glaucoom en normale ogen (tabel 2). Ook de reproduceerbaarheid metingen van de twee methoden, DOCTORC en software Manual, 1-5 vergelijkbaar (tabel 2). Drie graders, een goede correlatie bestaat tussen totale bloedstroom en het patroon standaardafwijking van gezichtsveld tests (figuur 2) voor glaucomateuze ogen.

      DOCTORC software voor handmatige software-3
      Voorwaarde Grader 1 Grader 2
      Normaal 47,0 ± 9,1 48,7 ± 7,2 48,0 ± 6,5
      Glaucoma 36,5 ± 5,5 36,7 ± 5,9 34,9 ± 5,1

      Tabel 1. Totaal Retinale Blood Flow met behulp van 2 verschillende software.

      </ Tr>
      Variatiecoëfficiënt
      Glaucoom (7 ogen)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 9,58%
      DOCTORC vs handmatige methode 3
      Grader 1 8,00%
      Grader 2 9,74%
      Normaal (6 ogen)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 5,99%
      DOCTORC vs handmatige methode
      Grader 1 8,87%
      Grader 2 9,98%

      Tabel 2. Reproduceerbaarheid van Total Retinale Blood Flow metingen.

      Figuur 2
      Figuur 2. Correlatie tussen Total Retina bloedstroom en Visual Field in Glaucoom. Een. Grader 1 met behulp van DOCTORC software. Gezichtsveldverlies wordt samengevat doorpatroon standaarddeviatie (p = 0,048). b. Grader 2 met behulp van DOCTORC software. Gezichtsveldverlies wordt samengevat door patroon standaarddeviatie (p = 0,032).

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    De bloedstroom afwijkingen optreden in glaucoom en vasculaire aandoeningen van het netvlies, zoals diabetische retinopathie. Zes-tien volumetrische bepaling van het netvlies bloedstroom geeft waardevolle informatie over het ziekteproces. 4-6,11,12 DOCTORC biedt een praktische manier om de totale netvlies schatten bloedstroom op basis van de metingen in individuele vaartuigen, als vastgesteld door Doppler oktober met behulp van de dubbele cirkel scan patroon. 1 tot 5

    De gemiddelde totale retinale bloedstroom gemeten door Doppler LGO in normale ogen is 47 tot 49 pl / min, vergelijkbaar met literatuur waarden van 34 tot 65 pl / min verkregen met behulp van laser-Doppler-technieken. 13,14 Doppler oktober metingen met de nieuwere semi- geautomatiseerde DOCTORC software overeengekomen nauw samen met de resultaten van manuele metingen die we eerder gepubliceerd. 1-5 De verschil tussen DOCTORC metingen en manuele metingen in individuele gevallen, zoals gemeten door CV, is vergelijkbaar met inter-grader verschillen. Dit geeft aan dat het verschil voornamelijk geassocieerd met persoonlijke gedeelte van het sorteerproces en niet het verschil tussen software. Met de handmatige methode en DOCTORC, meten we alleen aders met een diameter groter dan 33 micrometer. Aderen met een diameter kleiner dan 33 micrometer waren meestal niet detecteerbaar met behulp van DOCTORC. Deze aders slechts een zeer klein deel van de totale oppervlakte veneuze (0,2%) en dragen nog minder totale retinale bloedstroom omdat de stroomsnelheid in deze schepen is dan in grotere vaartuig. Twee dus het verschil tussen het opnemen en uitzondering van zeer kleine vaartuigen niet significant voor de bepaling van de totale retinale bloedstroom. De hoge correlatie tussen visuele veldproeven en de totale netvlies bloed stroomt is het eens met de vorige resultaat, wat wijst op een nauwe band tussen perfusie en visuele functie. Glaucoom ogen hebben ook beduidend lager bloedstroom dan normaal groepen, die eens met andere studies. Vijftien-zeventien </ Sup> Dus in totaal retinale bloedstroom bepaald door DOCTORC zal nuttig zijn bij de diagnose en monitoring van de progressie van glaucoom. Naast bloedstroom metingen DOCTORC biedt ook vaartuig stippellijn vaartuig snelheidsmetingen, die ook nuttig zijn in de kliniek.

    Andere technieken zijn beschikbaar voor het meten van retinale bloedstroom, maar elk heeft een aantal beperkingen. Laser Doppler technieken moeten vele metingen over een lange sessie het test slechts een vat tegelijk. Ultrasound kleur Doppler snelheid evalueert alleen in grotere vaten retrobulbaire, en kan niet bepalen volumetrische bloedstroming. Echografie Doppler resultaten variëren met aandrijving en het onderwerp anatomie. De variabiliteit maakt het problematisch om de resultaten tussen vakken en studiecentra te vergelijken. 18 Deze instrumenten zijn ook duur en alleen beschikbaar in grote onderzoekscentra. Andere technieken zoals fluoresceïne angiografie en indocyaninegroen is intraveneus injection, en ze bieden geen kwantitatieve resultaten. Fourier domein (of spectrale domein) OCT is populair in oogheelkunde en alleen software-upgrade is vereist om Doppler bloedstroom meting in te schakelen in deze apparatuur. Onze Doppler oktober methode is de enige manier om de bloedstroom te meten met klinisch beschikbare FD-OCT instrumenten. De prevalentie en de relatief lage kosten van deze instrumenten mogelijk maken grote multicenter studies van retinale bloedstroom in gezondheid en ziekte.

    Er zijn verschillende beperkingen voor de huidige versie van DOCTORC. De indeling proces is nog steeds niet volledig geautomatiseerd, en de sortering tijd van een oog is maximaal 30 minuten. Deze kwalificatie is aanvaardbaar voor grootschalige klinische studies, maar niet snel genoeg voor de dagelijkse klinische gebruik. Direct arteriële meting niet beschikbaar DOCTORC omdat de hoge stroomsnelheid in slagader buiten het meetbereik van de geselecteerde oktober systeem snelheid van 26.000 a-scans/sec. Snellere oktober systemen Would kan de meting van de arteriële stroming. Ongeveer 17% van de gescande ogen leverde geen geldige bloedstroom meting als gevolg van slechte Doppler hoeken op grote schepen.

    Kortom, wij bieden een praktische methode om de totale retinale bloedstroom te meten met een in de handel verkrijgbare Fourier-domein oktober instrument. Het zal voor brede toepassingen oogzenuw en retinale ziekten zoals glaucoom, diabetische retinopathie en niet-arterieel ischemisch optische neuropathie.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Dr Huang ontvangt subsidies, octrooi royalty, aandelenopties, reizen steun en collegegeld van Optovue, Inc Dr Tan en dr. Wang ontvangt patent royalty en subsidies van Optovue, Inc Dr Koduru en Dr Sadda ontvangen subsidies van Optovue.

    Acknowledgments

    Dit onderzoek wordt ondersteund door NIH subsidie ​​RO1 013516 en een subsidie ​​vorm 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