Doppler optisk koherens tomografi av 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

Totalt retinal blodflöde mäts genom Doppler optisk koherens tomografi och halvautomatiska gradering programvara.

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

Kontaktfri retinala blodflödet mätningar utförs med en Fourier domän optisk koherens tomografi (oktober) som använder en circumpapillary dubbel cirkulär skanning (CDC) som söker runt synnervspapillen på 3,40 mm och 3,75 diameter mm. De dubbla koncentriska cirklar utförs 6 gånger i följd över 2 sekunder. Den CDCS Scan sparas med dopplerförskjutningen information från vilken flödet kan beräknas. Standarden kliniska protokollet kräver 3 CDCS skannar gjorda med oktober stråle som passerar genom superonasal kanten av eleven och 3 CDCS skanna igenom inferonal elev. Denna dubbel-vinkel protokoll säkerställs att acceptabel Doppler vinkel erhålls på varje retinal gren fartyg i minst 1 skanning. De CDC scandata, en 3-dimensionell volymetrisk oktober skanning av optiska skivor Scan och ett färgfotografi av den optiska skivan används tillsammans för att få näthinnan mätning blodflöde på ett öga. Vi har utvecklat ett blodprov programvara flödesmätning kallas "Doppler optikal koherens tomografi av retinal cirkulation "(DOCTORC). Denna halvautomatiska programvara används för att mäta den totala retinal blodflöde, kärl tvärsnittsarea, och den genomsnittliga blod hastighet. Flödet av varje fartyg beräknas från dopplerförskjutningen i kärlet korset tvärsnittsarea och Doppler vinkeln mellan fartyget och oktober strålen. Totalt retinal blodflöde mätning summeras från venerna runt synnervspapillen. Resultaten i vår Doppler oktober läsning centrum visade god reproducerbarhet mellan väghyvlar och metoder (<10% ). Totalt retinal blodflödet kan vara användbart vid behandling av glaukom, andra retinala sjukdomar och retinala sjukdomar. I glaukom patienter, oktober retinal blodflöde mätning starkt korrelerade med synfältsförlust (R 2> 0,57 med synfält mönster avvikelse) . Doppler oktober är en ny metod för att utföra en snabb, beröringsfria, och repeterbar mätning av den totala retinala blodflödet med allmänt tillgänglig Fourier-domänen oktober instrumentation.. Denna nya teknik kan förbättra det praktiska att göra dessa mätningar i kliniska studier och rutinmässig klinisk praxis.

Protocol

1. Protokoll text

  1. Patienter skannas av RTVue Fourier-domänen optisk koherens tomografi (OCT)-systemet (Optovue Inc., Fremont, CA, USA) med circumpapillary dubbla runda skanning (CDC) och 3D optiska skivan scan.
    1. Den CDCS Mönstret består av två koncentriska cirklar kring synnervshuvudet. Den inre ringen diameter är 3,40 mm och den yttre ringen diametern är 3,75 mm. Detta mönster transekter alla filial retinal artärer och vener som utgår från synnervshuvudet. De dubbla kretsar utförs 6 gånger i en enda avsökning för att täcka cirka 2 hjärtcykler. För att beräkna flödeshastighet, kommer Dopplerförskjutning och Doppler uppskattas på fartyg upptäcks i oktober bilden. (Figur 1a, figur 1b)
    2. En "dubbel vinkel" protokoll som används för att förvärva Doppler oktober skanningar. I "dubbla vinkeln" protokoll är 3 scanningar erhålls med oktober stråle passerar genom superonasal delen av eleven och 3 scanningar genom inferonasal por ning.
    3. Kvaliteten på varje avsökning utvärderas för signalstyrka, rörelsefel, och Doppler-vinkeln. Teknikern måste åter göra någon genomsökning som inte klarar kvalitetskontrollen. Totalt 6 godtagbara CDCS avsökningar utförs för varje öga. Den "dubbla vinkeln" protokoll säkerställs att, för varje fartyg, minst hälften av skanningar ger goda Doppler vinklar.
    4. 3D skiva Scan mönster är en raster scan täcker en 6x6 mm område runt den optiska skivan. Det görs endast en gång och ger en detaljerad sv ansiktsbild av detta område. (Fig. 1b)
    5. En färg fotografi av optiska skivan importeras också att hjälpa till att skilja artärer och vener.

Figur 1
Figur 1a. Mätning totalt blodflöde med circumpapillary dubbla runda skanning och 3D disken genomsökning med DOCTORC.

pha ">
  • Doppler är vinkeln mellan sondstrålen och normal vektor kärlet, och Doppler-signalen är Doppler frekvensförskjutningen är proportionell mot flödeshastigheten som är parallell med axeln av sondstrålen. Således flödeshastigheten kan uppskattas från Doppler vinkel och Doppler-signalen. Men både Doppler vinkel och Doppler-signalen blir otillförlitliga när de är under brusnivån. Å andra sidan, när Doppler vinkeln är stor, kommer Doppler förskjutningen vara utanför den mätbara intervallet. När Doppler vinkeln är lämpligt,, omkring 5-15 grader för FD-ULT-system som användes i denna studie kan flödeshastigheten korrekt uppskattas genom Doppler-skift och vinkel.
  • Figur 1
    Figur 1b.

    1. Doppler vinkel i varje kärl mäts av de relativa lägena hos kärlet lumen i two koncentriska cirkulära skannar. Den axiella komponenten av flödeshastigheten erhålles genom dopplerskift mätt från den relativa fasen hos intilliggande oktober axiella skanningar. Den totala flödeshastigheten beräknas från den axiella strömningskomponenten och Doppler-vinkeln. Flödet i varje kärl beräknas sedan genom att integrera den totala hastighetsprofilen över fartyg tvärsnittsarea. Fartyget mönstret anpassas till en ansiktsbild av 3D skivan skanning och fundus fotografi för att identifiera varje fartyg som antingen en ven eller en artär. Det totala flödet retinala beräknas genom att summera flödet i de stora retinala vener, dvs., De med luminala diametrar över 33 pm.
    1. Alla skanningar av samma öga exporteras som rådata med hjälp av RTVue programvara. De råa oktober bilder, inklusive både Doppler och intensitet bilder, först testas för bildkvalitet med "Doppler optisk koherens tomografi av retinal cirkulation" (DOCTORC) mjukvara.
      1. Ögonrörelser är MEAmätt av den poolade standardavvikelsen för inre begränsande membranet och den maximala skillnaden mellan två ramar som uppskattas av huvuddelen rörelse.
      2. Signalstyrka (reflektans och uppskattning av genomsnittlig Doppler vinkel) beräknas också.
      3. Enligt den genomsnittliga ögonrörelser och signalstyrka upprepade skanningar, data klassificeras som antingen "bra" eller "dålig" kvalitet. Endast uppgifter av god kvalitet är graderade.
    2. För acceptabla skanningar är en automatiserad segmentering algoritm tillämpas på varje oktober bild för positionsbestämning.
      1. En automatiserad algoritm som matchar fartyg används för att lokalisera samma kärl i varje ram. Ramarna på samma cirkel är registrerade, och två genomsnittliga ramar den inre ringen och yttre ringen skapas. Både reflektans och Doppler bilder genomsnitt.
      2. En översikt är den upptäckta fartyget projiceras som ett linjesegment på en face fundus bild beräknas från 3D-skiva scan.
      3. Väghyvlar recension varje fartyg på en liten del av de genomsnittliga inre och yttre ring ramar täckt med en cirkel som representerar den automatiserade segmentering resultatet.
        1. De väghyvlar bedömer om platsen, kärldiametern och fartygstyp (ven / artär) matchar fartyget på de två ringarna är korrekta enligt oktober bilden, en face oktober bild och skiva fotografi av samma öga.
        2. Den väghyvel får ändra någon av ovanstående värden om han tror att det är nödvändigt. Den väghyvlar domare även kvaliteten på Doppler-signalen i kärlet och ger en subjektiv förtroende poäng för fartyget etikett på varje skanning.
        3. En förtroende poäng av 0-5 automatiskt ges till varje fartyg på grundval av Doppler signalstyrka i kärlet området. Den sedan manuellt korrigeras av väghyvel baserad på styrkan av fartyget Doppler-signalen, regelbundenhet av fartyg gränsen, mellan inre och yttre ringar av fartygets storlek och tecknar avtal för Doppler förskjutning mellan inre och yttre ringar.
      4. Efter alla fartyg kontrolleras och korrigeras, är en automatiserad algoritm för att beräkna blodflödet i varje ven med en metod som bygger på vår tidigare publikation. 1
        1. Doppler-signalen integreras över kärlets yta och sedan medelvärdet bland alla ramar. Därefter doppleranalysen beräknas som den summerade Doppler-signalen dividerad med Doppler-vinkeln.
        2. För varje fartyg, är 6 scanningar utvärderas på subjektiva förtroende poäng, Doppler vinklar och variationskoefficient för Doppler vinklar. Flödet av en ven anses giltig endast om mer än 1 skanning passerar kvalitetskontrollen. För fartyg som passerar kvalitetskontrollen är flödet i genomsnitt bland giltiga genomsökningar.
        3. För fartyg med ogiltiga resultat, är flödet beräknas med fartygets området och den genomsnittliga strömningshastigheten från giltiga ådror. Den genomsnittliga strömningshastigheten beräknas genom att summera flödena i gällande venerna och delaav de summerade områden i dessa vener. Uppskattningen av flödet börjar från den genomsnittliga flödeshastigheten och sedan korrigeras för beroendet av flödeshastigheten på fartygets yta. Större fartyg har en högre genomsnittlig flödeshastighet. Således korrigeringen görs baserat på lutning medelhastigheten kontra kärldiametern, 2,13, som vi tidigare rapporterat. 2
        4. Det beräknade flödet av giltiga vener och det beräknade flödet av ogiltiga vener tillsätts för att bestämma den totala retinala blodflödet.
        5. Det totala retinala blodflödet resultat utvärderas utifrån gällande venösa området procent, ögonrörelser och signalstyrka.
        6. Venös området och den totala arteriell yta erhålls också genom att fartyget områdena. Förutsatt att totala retinala blodflödet är densamma i artärer och vener, är de arteriella och venösa hastigheter beräknas genom att dividera den totala blodflödet med arteriell område och venös område.

      2. Representativa resultat

      www.aigstudy.net ). 48 ögon skannades av "dubbla vinkeln" protokoll och producerade genomsökningar som passerade kontrollen bildkvalitet. Med hjälp av DOCTORC programvara kan giltiga flödesmätningar erhållas från 83% av ögonen.

      För att utvärdera reproducerbarhet DOCTORC system var en annan liten datamängd med 20 ögon betygsätts av 3 väghyvlar. Denna datamängd användes också för att träna och testa väghyvlar. 2 väghyvlar använde halvautomatiska DOCTORC mjukvara och 1 använde en tidigare helt manuell programvara som används i tidigare publikationer. 2,3 Den totala retinala blodflöden (tabell 1) bestäms av två väghyvlar med DOCTORC programvara liknar varandra och att flöda skattesatser som fastställts av andra grader med den manuella program. Endast 65% av ögonen hade giltiga resultat eftersom en del av tHan uppgifterna inte på dubbla vinkel protokoll, men enda vinkel protokollet. 2 Den enda vinkel Protokollet innehåller 5 Doppler skanningar erhölls med oktober stråle som passerar genom centrum av eleven. Därför Doppler vinkeln är ofta små och därmed en större del av fartygen är oftast inte nedbrytbart.

      För alla väghyvlar är mellan grader reproducerbarhet mätt som variationskoefficienten, lika för både glaukomatösa och normala ögon (tabell 2). Likaså är reproducerbarheten mätningarna för de två metoderna, DOCTORC och Manuell programvara, 1-5 är likartade (tabell 2). För tre väghyvlar finns en god korrelation mellan total blodflöde och mönstret standardavvikelse från visuella fälttester (figur 2) för glaukomatösa ögon.

      DOCTORC Mjukvara programvara 3
      Tillstånd 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

      Tabell 1. Totala Retinal blodflöde med 2 olika programvaror.

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

      Tabell 2. Reproducerbarhet av totalt Retinal Mått blodflödet.

      Figur 2
      Figur 2. Korrelation mellan totalt Retinal blodflödet och synfält Glaukom. A. Grader 1 med DOCTORC programvara. Synfältsförlust sammanfattas genommönster standardavvikelse (p = 0,048). b.. Grader 2 med DOCTORC programvara. Synfältsförlust sammanfattas genom mönstret standardavvikelse (p = 0,032).

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Blodflödet avvikelser förekommer i glaukom och kärlsjukdomar i näthinnan som diabetesretinopati. 6-10 volymmätning av retinal blodflöde ger värdefull information om sjukdomsprocessen. 4-6,11,12 DOCTORC erbjuder ett praktiskt sätt att uppskatta den totala näthinnan blodflödet baserat på mätningar i enskilda fartyg bestäms av Doppler oktober använder dubbla mönster cirkeln scan. 1-5

    Den genomsnittliga totala retinala blodflödet mätt med Doppler oktober i normala ögon är 47-49 ul / min, jämförbart med litteratur värden på 34-65 pl / min erhålls med laser Doppler teknik. 13,14 Doppler oktober mätningar gjorda med nyare semi- automatiserad DOCTORC programvara överens nära samarbete med resultaten från manuella mätningar som vi publicerat tidigare. 1-5 Skillnaden mellan DOCTORC mätningar och manuella mätningar i enskilda fall, mätt som CV, liknar mellan grader skillnader. Detta indikerar att skillnaden främst var förknippad med subjektiva delen av betygssättningen, och inte skillnaden mellan mjukvara. Med den manuella metoden och DOCTORC mäter vi bara vener med diameter större än 33 nm. Vener med diametrar mindre än 33 nm var oftast inte detekteras med hjälp DOCTORC. Dessa vener utgör endast en mycket liten del av den totala venös området (0,2%), och de bidrar ännu mindre till den totala retinal blodflöde eftersom flödeshastigheten i dessa fartyg är mindre än i större kärl. 2 Således skillnaden mellan med och exklusive mycket små fartyg är inte signifikant för bestämning av totala retinal blodflöde. Den höga korrelationen mellan visuella fälttester och totala retinala flöden blod håller med vår tidigare resultat, vilket tyder på en nära koppling mellan perfusion och synfunktion. Glaukom ögon har också betydligt lägre blodflöde än normala grupper, vilket överensstämmer med andra studier. 15-17 </ Sup> Så totalt retinal blodflöde bestäms av DOCTORC kommer att vara användbar vid diagnos och övervakning av utvecklingen av glaukom. Förutom mätning blodflödet, ger DOCTORC också fartygets område och fartyg mätningar hastighet, som också kan vara användbara i kliniken.

    Andra tekniker är också tillgängliga för att mäta retinal blodflöde, men var och en har vissa begränsningar. Laser Doppler tekniker behöver många mätningar över en lång session som den testar endast ett fartyg vid en tidpunkt. Ultraljud färgdoppler utvärderar endast hastigheten i större retrobulbär kärl, och det kan inte avgöra volymetriskt blodflödet. Ultraljud Doppler Resultaten varierar med operatör och ämne anatomi. Variabiliteten gör det problematiskt att jämföra resultat mellan ämnen och utbildningscentra. 18 Dessa instrument är också dyra och endast tillgänglig i större forskningscentra. Andra tekniker, såsom fluorescein och indocyaningrönt angiografi kräver intravenös Injection, och de ger inte kvantitativa resultat. Fourierdomänen (eller spektral domän) oktober är populärt i oftalmologi och bara uppgradering av programvara krävs för att aktivera Doppler mätningar blodflödet i dessa utrustningar. Vår Doppler oktober metoden är det enda sättet att mäta blodflödet med kliniskt tillgängliga FD-oktober instrument. Förekomsten och relativt låga kostnaden för denna instrumentering möjliggöra stora multicenterstudier med retinal blodflödet i hälsa och sjukdom.

    Det finns flera begränsningar för den aktuella versionen av DOCTORC. Den betygssättningen fortfarande inte helt automatiserad och betygssättning tiden ett öga är upp till 30 minuter. Denna gradering är acceptabelt för storskaliga kliniska studier, men inte tillräckligt snabbt för daglig klinisk användning. Direkt arteriell flödesmätning är inte tillgänglig för DOCTORC eftersom den höga flödeshastigheten i artären ligger utanför mätområdet för den valda oktober-systemet med en hastighet av 26.000 a-scans/sec. Snabbare oktober system Would möjliggöra mätning av arteriellt flöde. Cirka 17% av skannade ögon gav inte giltig mätning blodflöde på grund av dålig Doppler vinklar på större fartyg.

    Sammanfattningsvis ger vi en praktisk metod för att mäta den totala retinal blodflöde med en kommersiellt tillgänglig Fourier-domänen oktober instrument. Det kommer att ha breda tillämpningar för synnerven och retinala sjukdomar, såsom glaukom, diabetisk retinopati, och icke-arteritisk ischemisk optisk neuropati.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Dr Huang får bevilja stöd, patent kungligheter, optionsrätter, resor stöd och avgifter föreläsning från Optovue, Inc., Dr Tan och Wang får patent royalty och bidragsstöd från Optovue, Inc., Dr Koduru och Dr Sadda fick bidragsstöd från Optovue.

    Acknowledgments

    Denna studie stöds av NIH bidrag RO1 013.516 och ett bidrag formulär 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