Doppler Tomografia de Coerência Óptica de circulação retiniana

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Summary

Fluxo total de sangue na retina é medido pelo Doppler tomografia de coerência óptica e semi-automatizada de software de classificação.

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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

Sem contato medições de fluxo de retina de sangue são realizados com uma óptica de domínio Fourier tomografia de coerência do sistema (outubro) com um duplo circumpapillary circular scan (CDCS) que varre ao redor da cabeça do nervo óptico em 3,40 mm e 3,75 mm de diâmetro. Os círculos concêntricos duplos são realizados seis vezes consecutivamente durante 2 seg. A verificação CDCS é salvo com Doppler informações mudança de fluxo que pode ser calculado. O protocolo clínico padrão exige três CDCS varreduras feitas com o feixe de outubro passa pelo bordo superonasal do aluno e 3 CDCS varredura através da pupila inferonal. Este protocolo de duplo ângulo garante que aceitável Doppler ângulo é obtido em cada vaso ramo da retina em, pelo menos, uma verificação. Os dados CDCs de digitalização, um 3-dimensional volumétrica outubro de varredura da varredura do disco óptico, e uma fotografia de cores do disco óptico são usados ​​em conjunto para obter a medição do fluxo de sangue da retina em um olho. Nós desenvolvemos um software de medição de fluxo de sangue chamado de "Doppler ópticaal tomografia de coerência de circulação retiniana "(DOCTORC). Este software semi-automático é usado para medir o fluxo total de sangue retinal, vaso área da secção transversal, e a velocidade média do sangue. O fluxo de cada recipiente é calculada a partir do deslocamento de Doppler em cruz vaso área da secção e do ângulo Doppler entre o navio eo feixe de outubro medição de vazão total da retina sangue é resumida das veias ao redor do disco óptico. Os resultados obtidos em nosso Doppler outubro leitura centro mostrou boa reprodutibilidade entre alunos e métodos (<10% ). fluxo de sangue total de retina poderiam ser úteis no tratamento de glaucoma e outras doenças da retina, e doenças da retina. Em pacientes com glaucoma, outubro de medição do fluxo sanguíneo da retina estava altamente correlacionada com a perda de campo visual (R 2> 0,57 com um desvio padrão de campo visual) . Doppler outubro é um novo método para realizar medição rápida, sem contato, e repetível do fluxo total de sangue na retina usando amplamente disponível Fourier-domain outubro instrumentation. Esta nova tecnologia pode melhorar a praticidade de fazer essas medições em estudos clínicos e na prática clínica rotineira.

Protocol

1. Texto protocolo

  1. Os pacientes são verificados pelo RTVue de coerência óptica de Fourier-domain tomografia sistema (outubro) (Optovue Inc., Fremont, CA, EUA), utilizando a digitalização dupla circular circumpapillary (CDCS) eo exame de disco óptico 3D.
    1. O padrão CDCS consiste de dois círculos concêntricos em torno da cabeça do nervo óptico. O diâmetro do anel interior é 3,40 milímetros e o diâmetro do anel exterior é de 3,75 mm. Este padrão interceptam todas as artérias e veias da retina filiais que emanam da cabeça do nervo óptico. Os círculos duplos são realizados seis vezes em uma única digitalização para cobrir cerca de 2 ciclos cardíacos. Para calcular a velocidade de fluxo, efeito Doppler e Doppler será estimado em embarcação detectado na imagem outubro (Figura 1a, Figura 1b)
    2. A "dupla ângulo" protocolo é usado para adquirir exames Doppler outubro No "dual-angle" protocolo, 3 varreduras são obtidas com o feixe de outubro de passar através da porção de superonasal da pupila e 3 varreduras através do POR nasal inferior ção.
    3. A qualidade de cada varredura é avaliada para a intensidade do sinal, o erro de movimento e, em ângulo Doppler. O técnico é necessário para re-fazer varredura qualquer que não passou no teste de qualidade. Um total de 6 scans aceitáveis ​​CDCs são realizadas para cada olho. O "ângulo duplo" protocolo garante que, para cada navio, pelo menos, metade dos scans fornecer bons ângulos Doppler.
    4. O padrão de leitura de disco 3D é uma varredura raster cobrindo uma região milímetros 6x6 em torno do disco óptico. Ele só é feito uma vez e oferece uma imagem detalhada rosto en desta área. (Figura 1b)
    5. Uma fotografia da cor do disco óptico também é importada para ajudar a distinguir artérias e veias.

Figura 1
Figura 1a. Medir o fluxo sanguíneo total, com a digitalização dupla circular circumpapillary ea verificação de disco 3D usando DOCTORC.

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  • O ângulo de Doppler é o ângulo entre o feixe de sonda e do vector normal do navio, e o sinal Doppler é o deslocamento de frequência Doppler proporcional à velocidade do fluxo de componente paralela ao eixo do feixe de sonda. Assim, a velocidade de fluxo pode ser calculado a partir do sinal de Doppler de ângulo e Doppler. No entanto, tanto o ângulo de Doppler e Doppler do sinal tornam-se pouco fiável, quando eles estão abaixo do nível de ruído. Por outro lado, quando o ângulo de Doppler é grande, o efeito Doppler será fora da faixa de análise. Quando o ângulo de Doppler é adequado, cerca de 5-15 graus para o sistema FD-OCT utilizados neste estudo, a velocidade de fluxo pode ser corretamente estimada pelo efeito Doppler e ângulo.
  • Figura 1
    Figura 1b.

    1. O ângulo de Doppler em cada recipiente é medido pela posição relativa da luz de vasos no two circular concêntrico verifica. O componente axial da velocidade de escoamento é obtida pelo deslocamento de Doppler medido a partir da fase relativa de outubro adjacentes scans axiais. A velocidade de fluxo total é calculado a partir da componente de fluxo axial e o ângulo de Doppler. O fluxo em cada recipiente é então calculada por meio da integração do perfil de velocidade total sobre área do vaso em corte transversal. O padrão de navio é comparado com a imagem do rosto do en 3D varredura do disco e fotografia fundo para identificar cada navio ou como uma veia ou uma artéria. O caudal total da retina é calculado pela soma do fluxo nas veias retinianas principais, isto é,., Aquelas com diâmetros luminais acima de 33 ^ m.
    1. Todos os exames do olho mesmo é exportado como dados brutos utilizando o software RTVue. As imagens primas outubro, incluindo tanto Doppler e intensidade imagens, são testados para qualidade de imagem usando "Doppler tomografia de coerência óptica de circulação retiniana" (DOCTORC) software.
      1. Os movimentos oculares são medidasfigurada pelo desvio padrão combinada da membrana limitante interna e a diferença máxima entre os dois quadros que se estima pelo movimento granel.
      2. Intensidade do sinal (reflectância e estimativa do ângulo Doppler média) também são calculadas.
      3. De acordo com o movimento dos olhos e média intensidade do sinal dos exames repetidos, os dados são classificados como "bom" ou "ruim" em termos de qualidade. Dados única boa qualidade são classificados.
    2. Para verificações aceitáveis, um algoritmo automatizado segmentação é aplicado a cada imagem para a detecção de outubro navio.
      1. Um algoritmo automatizado que corresponda vasos é utilizada para localizar a mesma embarcação em cada quadro. Os quadros sobre o mesmo círculo são registrados e dois quadros médios do anel interno eo anel externo são criados. Tanto a reflectância e as imagens Doppler são calculados.
      2. Para uma visão geral, a embarcação detectada é projetado como um segmento de linha para a imagem de fundo de olho en rosto calculados a partir do exame de disco 3D.
      3. Niveladora revisão cada navio, uma pequena porção dos quadros médios de anel interior e exterior sobrepostas com um círculo que representa o resultado da segmentação automatizada.
        1. Os juízes de motoniveladoras se a localização, o diâmetro do vaso, e tipo de embarcação (veia / artéria) combinando o navio em dois anéis estão corretos de acordo com a imagem outubro, en face imagem outubro, e fotografia disco do mesmo olho.
        2. O aluno é permitido alterar qualquer um dos valores acima, se ele acha que é necessário. A motoniveladora também julga a qualidade do sinal de Doppler no vaso e dá uma pontuação de confiança subjetiva para a etiqueta navio em cada varredura.
        3. A pontuação de confiança de 0-5 é automaticamente atribuído a cada recipiente com base na intensidade do sinal de Doppler na área do vaso. Em seguida, é corrigido manualmente pelo classificador com base na intensidade do sinal de Doppler navio, a regularidade do limite vaso, a concordância entre os anéis interior e exterior do tamanho do vaso, e assinar acordo de Doppler mudança entre os anéis interno e externo.
      4. Depois de todos os recipientes são verificados e corrigidos, um algoritmo automatizado é aplicada para calcular o fluxo de sangue de cada veia com um método adaptado de nossa publicação anterior 1.
        1. O sinal de Doppler é integrada sobre a área do vaso e, em seguida, em média, entre todos os quadros. Em seguida, o fluxo de Doppler é calculado como o sinal Doppler resumiu dividido pelo ângulo Doppler.
        2. Para cada navio, seis exames são avaliados em notas de confiança subjetivas, ângulos de Doppler, e coeficiente de variação dos ângulos de Doppler. O fluxo de uma veia é considerado válido se mais do que um exame foi submetido ao controlo de qualidade. Para os navios que passam pelo controlo de qualidade, o fluxo é calculada a média entre os exames válidos.
        3. Para navio com resultados inválidos, o fluxo é estimada utilizando a área do vaso e a velocidade média do escoamento das veias válidos. A velocidade média do escoamento é calculado pela soma dos fluxos nas veias válidos e dividindopelas áreas somadas dessas veias. A estimativa do fluxo começa a partir da velocidade média do escoamento e é então corrigida para a dependência da velocidade de fluxo na área do vaso. Embarcações maiores têm uma maior velocidade média do escoamento. Deste modo, a correcção é feita com base na inclinação da velocidade versus diâmetro médio por navio, 2,13, que foi previamente relatada. Dois
        4. O fluxo calculado de veias válidos e o fluxo estimado de veias inválidos são adicionadas para determinar o fluxo total de sangue retinal.
        5. O resultado fluxo total da retina sangue é avaliado com base no percentual válido venosa área, movimento dos olhos, ea força do sinal.
        6. Área área venosa e arterial total também são obtidos pela adição das áreas dos vasos. Assumindo que o fluxo total de sangue retinal é a mesma, em artérias e veias, as velocidades arteriais e venosas são calculados dividindo o fluxo total de sangue arterial com a área e área venosa.

      2. Resultados representativos

      www.aigstudy.net ). 48 olhos foram digitalizadas pelo "duplo ângulo" protocolo e exames produzidos que passaram a verificação da qualidade da imagem. Usando o software DOCTORC, medições de fluxo válidas pode ser obtido a partir de 83% dos olhos.

      Para avaliar a reprodutibilidade do sistema DOCTORC, um outro conjunto de dados pequeno, com 20 olhos foi classificada por três alunos. Este conjunto de dados foi usado também para treinar e testar alunos. 2 niveladoras utilizado o software de semi-automatizada e DOCTORC 1 utilizado um software anteriormente totalmente manual empregue em publicações anteriores. 2,3 Os totais fluxos sanguíneos da retina (Tabela 1) determinados pelos dois alunos usando software DOCTORC são semelhantes um ao outro e a fluir taxas determinadas pelo aluno outro usando o software manual. Apenas 65% dos olhos apresentavam resultados válidos porque alguns tele não foram dados com base no protocolo de ângulo duplo, mas o protocolo único ângulo. 2 O protocolo ângulo único inclui 5 Doppler varreduras obtidas com o feixe de outubro que passa pelo centro da pupila. Por conseguinte, o ângulo de Doppler é mais frequentemente pequenas e, por conseguinte, uma porção maior de vasos normalmente não são biodegradáveis.

      Para todos os alunos, a reprodutibilidade inter-niveladora, medida pelo coeficiente de variação, é similar para ambos os olhos glaucomatosos e normais (Tabela 2). Da mesma forma, as medidas de reprodutibilidade para os dois métodos, o software e DOCTORC manual, 1-5 são semelhantes (Tabela 2). Durante três niveladoras, existe uma boa correlação entre o fluxo de sangue total e o desvio padrão de padrão a partir de ensaios de campo visual (Figura 2) para os olhos glaucomatosos.

      DOCTORC software manual de software 3
      Condição Grader 1 Grader 2
      Normal 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

      Tabela 1. Fluxo sanguíneo total da retina usando dois diferentes softwares.

      </ Tr>
      Coeficiente de Variação
      Glaucoma (7 olhos)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 9,58%
      DOCTORC vs método manual 3
      Grader 1 8,00%
      Grader 2 9,74%
      Normal (6 olhos)
      Grader 1 vs Grader 2 (DOCTORC) 5,99%
      DOCTORC vs método manual
      Grader 1 8,87%
      Grader 2 9,98%

      Tabela 2. Reprodutibilidade do total de medições de fluxo de sangue na retina.

      Figura 2
      Figura 2. Correlação entre fluxo sanguíneo total da retina e campo visual no glaucoma. Uma Motoniveladora. 1 utilizando software DOCTORC. Perda de campo visual é resumido pordesvio padrão normal (p = 0,048). b. Grader 2 usando software DOCTORC. Perda de campo visual é resumida pelo desvio padrão normal (p = 0,032).

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    Discussion

    Anormalidades do fluxo de sangue ocorrer no glaucoma e doenças vasculares da retina, como a retinopatia diabética. 6-10 de medição volumétrica de fluxo sangüíneo da retina dá informações valiosas sobre o processo da doença. 4-6,11,12 DOCTORC fornece uma forma prática para estimar total da retina fluxo de sangue com base nas medições em navios individuais determinadas pelo Doppler outubro utilizando o padrão de leitura duplo círculo. 1-5

    O fluxo de sangue total média da retina medida pelo Doppler outubro em olhos normais é 47-49 ul / min, comparáveis ​​aos valores da literatura de 34-65 ul / min obtidos utilizando técnicas de laser Doppler. 13,14 medições Doppler outubro feitos com o novo semi- software automatizado concordou DOCTORC estreitamente com os resultados de medições manuais que anteriormente publicados. 1-5 A diferença entre as medições e as medições manuais DOCTORC em casos individuais, como medido por CV, é semelhante ao inter-gradiferenças DER. Isto indica que a diferença foi principalmente associada com a porção do processo subjectivo de classificação, não sendo a diferença entre o software. Com o método manual e DOCTORC, medimos apenas veias com um diâmetro maior do que 33 ^ m. Veias com diâmetro inferior a 33 mM foram geralmente não detectável através DOCTORC. Estas veias constituem apenas uma parte muito pequena da área venoso total (0,2%), e contribuem ainda mais para o fluxo total de sangue da retina, porque a velocidade do fluxo nestes vasos é menor do que no vaso maior. 2 Assim, a diferença entre e incluindo excluindo vasos muito pequenos e não é importante para a determinação do fluxo total de sangue retinal. A alta correlação entre exames de campo visual e no total dos fluxos sanguíneos da retina está de acordo com o nosso resultado anterior, indicando uma estreita ligação entre perfusão e função visual. Olhos glaucoma também têm fluxo sanguíneo significativamente menor do que os grupos normais, que concorda com outros estudos. 15-17 </ Sup> Assim o fluxo total de sangue da retina determinado por DOCTORC serão úteis no diagnóstico e monitorização da progressão do glaucoma. Além de medições de fluxo de sangue, DOCTORC também proporciona uma área do vaso e as medidas da velocidade do navio, o que também pode ser útil na prática clínica.

    Outras técnicas também estão disponíveis para medir o fluxo sangüíneo da retina, mas cada um tem algumas limitações. Técnicas de laser Doppler necessita muitas medições mais uma sessão enquanto ele testa apenas um vaso de cada vez. Ultra-som com Doppler colorido avalia a velocidade apenas em grandes navios retrobulbar, e ele não pode determinar o fluxo de sangue volumétrica. Ultra-som Doppler resultados variam de acordo com operador e anatomia assunto. A variabilidade torna problemático para comparar os resultados entre sujeitos e centros de estudo. 18 Esses instrumentos também são caros e só está disponível em grandes centros de pesquisa. Outras técnicas, como fluoresceína e indocianina verde exigem intravenosa injection, e não fornecem resultados quantitativos. Fourier de domínio (ou domínio espectral) outubro é popular em oftalmologia e atualização de software só é necessária para permitir a medição Doppler fluxo de sangue nesses equipamentos. Nosso método Doppler outubro é o único meio para medir o fluxo de sangue com clinicamente disponíveis FD-outubro instrumentos. O custo relativamente baixo e de prevalência desta instrumentação viabilizar grandes estudos multicêntricos do fluxo sangüíneo da retina na saúde e na doença.

    Existem várias limitações para a versão atual do DOCTORC. O processo de classificação ainda não é totalmente automatizado, e o tempo de classificação de um olho é de até 30 min. Desta vez classificação é aceitável para grande escala estudos clínicos, mas não rápido o suficiente para uso clínico diário. Medição de fluxo arterial direta não está disponível para DOCTORC porque a taxa de fluxo elevada em artéria está além da faixa de medição do sistema de outubro selecionado com velocidade de 26.000 a-scans/sec. Faster outubro sistemas would permitir a medição do fluxo arterial. Cerca de 17% dos olhos examinados não deu medição de vazão válido sangue devido a ângulos pobres Doppler em grandes vasos.

    Em resumo, nós fornecemos um método prático para medir o fluxo de sangue total da retina com um instrumento disponível comercialmente outubro Fourier-domínio. Ele irá ter amplas aplicações para nervo óptico e as doenças da retina, tais como glaucoma, retinopatia diabética, e não arterítica neuropatia óptica isquémica.

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    Disclosures

    Dr. Huang recebe subvenções de apoio, direitos de exploração, opções de ações, o apoio de viagens e taxas de aulas de Optovue, Inc.; Dr. Tan e Dr. Wang recebe royalties de patentes e apoio concessão do Optovue, Inc.; Dr. Koduru e Dr. Sadda recebeu apoio concessão do Optovue.

    Acknowledgments

    Este estudo é apoiado pelo NIH concessão RO1 013.516 e um Optovue forma subvenção.

    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

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    References

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