Tomographie par cohérence optique Doppler de la circulation rétinienne

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Summary

Total flux sanguin rétinien est mesurée par Doppler tomographie par cohérence optique et un logiciel de classement semi-automatique.

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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

Rétiniennes sans contact mesure du débit de sang sont effectuées avec un domaine de Fourier tomographie par cohérence optique (OCT) en utilisant un système à double circumpapillary circulaire de balayage (CDCS) qui balaye autour de la tête du nerf optique à 3,40 mm et 3,75 mm de diamètre. Les cercles concentriques doubles sont effectuées 6 fois consécutivement plus de 2 sec. Le balayage CDCS est enregistré avec des informations de décalage Doppler à partir de laquelle l'écoulement peut être calculé. Le protocole clinique standard appelle pendant 3 CDCS numérisations effectuées avec le faisceau octobre passant par le bord nasal supérieur de l'élève et 3 CDCS numériser à travers la pupille inferonal. Ce protocole assure la double angle que l'angle Doppler acceptable est obtenue sur chaque vaisseau de branche rétinienne dans au moins 1 cycle. Les données de numérisation CDCS, un 3-dimensions volumétrique de balayage OCT de l'analyse du disque optique, et une photo couleur du disque optique sont utilisés ensemble pour obtenir la rétine de mesure du flux sanguin sur un oeil. Nous avons développé un logiciel de mesure du flux sanguin appelé "Doppler optiqueal tomographie par cohérence de la circulation rétinienne "(DOCTORC). Ce logiciel semi-automatisé est utilisé pour mesurer le débit total sanguin rétinien, aire de la section transversale navire, et la vitesse moyenne de sang. Le débit de chaque navire est calculée à partir du décalage Doppler de la croix navire aire de section et de l'angle Doppler entre le navire et le faisceau octobre totale de mesure du flux sanguin rétinien est résumée dans les veines autour de la papille optique. Les résultats obtenus lors de notre centre de lecture Doppler octobre a montré une bonne reproductibilité entre les évaluateurs et méthodes (<10% ). Total flux sanguin rétinien pourrait être utile dans le traitement du glaucome, d'autres maladies de la rétine, et les maladies rétiniennes. Chez les patients de glaucome, OCT de mesure du flux sanguin rétinien est fortement corrélée à la perte du champ visuel (R 2> 0,57 avec déviation domaine motif visuel) . Doppler TCO est une nouvelle méthode pour effectuer une mesure rapide, sans contact, et reproductible du flux sanguin rétinien total de l'aide largement disponibles Fourier-OCT dans le domaine instrumentation. Cette nouvelle technologie peut améliorer la pratique de la prise de ces mesures dans les études cliniques et la pratique clinique de routine.

Protocol

1. Texte du Protocole

  1. Les patients sont analysés par RTVue domaine de Fourier tomographie en cohérence optique (OCT) système (Optovue Inc, Fremont, CA, USA) en utilisant le circumpapillary double balayage circulaire (CDCS) et le scan du disque optique 3D.
    1. Le modèle CDCS se compose de deux cercles concentriques autour de la tête du nerf optique. Le diamètre de l'anneau interne est de 3,40 mm et le diamètre de l'anneau extérieur est de 3,75 mm. Cette tendance recoupe toutes les artères et les veines rétiniennes branche émanant de la tête du nerf optique. Les cercles doubles sont effectuées 6 fois en un seul balayage pour couvrir environ 2 cycles cardiaques. Pour calculer la vitesse d'écoulement, le décalage Doppler et Doppler sera estimée sur navire détecté dans l'image octobre (Figure 1a, 1b Figure)
    2. Un "angle double« protocole est utilisé pour acquérir Doppler scans octobre Dans le "double angle" protocole 3 scans sont obtenus avec le faisceau octobre traversant la partie nasal supérieur de l'élève et 3 balayages par la por inféronasale tion.
    3. La qualité de chaque balayage est évaluée pour la puissance du signal, erreur de mouvement, et l'angle Doppler. Le technicien est nécessaire de refaire une analyse qui n'a pas passé le contrôle de qualité. Un total de 6 scans CDCS acceptables sont effectuées pour chaque œil. La "double-angle" protocole garantit que, pour chaque navire, au moins la moitié des scans fournissent de bons angles Doppler.
    4. Le modèle de disque 3D balayage est un balayage de trame couvrant une région 6x6 mm autour du disque optique. Il est fait une seule fois et fournit une image de visage en détail de cette région. (Figure 1b)
    5. Une photographie en couleur du disque optique est également importé pour aider à distinguer les artères et les veines.

Figure 1
Figure 1a. Mesure du débit sanguin total avec le circumpapillary double-circulaire de numérisation et de l'analyse du disque 3D en utilisant DOCTORC.

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  • L'angle Doppler est l'angle entre le faisceau sonde et le vecteur normal de la cuve, et le signal Doppler est le décalage de fréquence Doppler proportionnel à la vitesse d'écoulement composante parallèle à l'axe du faisceau sonde. Ainsi, la vitesse d'écoulement peut être estimée à partir de l'angle Doppler et le signal Doppler. Cependant, à la fois angle Doppler et Doppler du signal ne sont plus fiables quand ils sont en dessous du niveau de bruit. D'autre part, lorsque Doppler angle est grand, Le décalage Doppler sera hors de la gamme mesurable. Lorsque l'angle Doppler est approprié, environ 5-15 degrés pour le système FD-OCT utilisées dans cette étude, la vitesse d'écoulement peut être correctement estimée par effet Doppler et l'angle.
  • Figure 1
    Figure 1b.

    1. L'angle Doppler dans chaque cuve est mesurée par la position relative de la cuve dans le lumen two circulaire concentrique analyse. La composante axiale de la vitesse d'écoulement est obtenue par la mesure du décalage Doppler à partir de la phase relative des balayages axiaux adjacents octobre La vitesse d'écoulement total est calculé à partir de la composante axiale d'écoulement et de l'angle Doppler. Le débit dans chaque récipient est ensuite calculée en intégrant le profil de vitesse total sur navire aire de section transversale. Le motif de récipient est adapté à l'image de visage en 3D de l'analyse du disque et de la photographie du fond d'oeil afin d'identifier chaque récipient soit comme une veine ou une artère. Le débit total rétinienne est calculé en additionnant l'écoulement dans les veines principales, à savoir la rétine., Dont le diamètre luminal au-dessus de 33 um.
    1. Tous les scans du même œil sont exportés sous forme de données brutes en utilisant le logiciel RTVue. Les images brutes des PTOM, y compris à la fois Doppler et de l'intensité des images, sont d'abord testés pour la qualité de l'image avec «la tomographie par cohérence optique Doppler de la circulation rétinienne" (DOCTORC) du logiciel.
      1. Les mouvements oculaires sont évarée par l'écart type commun de la membrane limitante interne et l'écart maximal entre deux trames qui est estimée par le mouvement d'origine.
      2. La force du signal (réflectance et l'estimation du Doppler angle moyen) sont également calculés.
      3. Selon le mouvement des yeux et de moyenne intensité du signal des balayages répétés, les données sont classées comme «bonne» ou «mauvaise» la qualité. Des données de qualité que de bonnes, sont classés.
    2. Pour les analyses acceptables, un algorithme de segmentation automatique est appliquée à chaque image de détection octobre navire.
      1. Un algorithme automatisé qui correspond navires est utilisé pour localiser le même récipient dans chaque trame. Les cadres sur le même cercle sont enregistrés, et deux cadres de moyennes de la bague intérieure et la bague extérieure sont créés. Les deux réflectance et images Doppler sont moyennées.
      2. Pour un aperçu, le navire détecté est projetée comme un segment de droite sur l'image du visage en fond calculée à partir de l'analyse du disque 3D.
      3. Niveleuses examen de chaque navire sur une petite partie des cadres de moyennes bagues intérieures et extérieures recouvertes avec un cercle qui représente le résultat de la segmentation automatique.
        1. Les juges niveleuse si l'emplacement, diamètre du vaisseau, et le type de navire (veine / artère) correspondant du navire sur les deux anneaux sont corrects en fonction de l'image PTOM, le visage en image OCT, et la photographie disque du même œil.
        2. La niveleuse est autorisé à modifier les valeurs ci-dessus, s'il le juge nécessaire. La niveleuse juge également la qualité du signal Doppler dans le récipient et donne une note de confiance subjective de l'étiquette sur chaque récipient d'analyse.
        3. Un score de confiance de 0-5 est automatiquement attribué à chaque navire sur la base de la puissance du signal Doppler dans le domaine de navire. Il est ensuite corrigées manuellement par le classificateur sur la base de la résistance de la cuve de signal Doppler, la régularité de la limite navire, l'accord entre les bagues intérieure et extérieure de la taille du navire, et signe l'accord de Dopdécalage entre PLER bagues intérieure et extérieure.
      4. Après tous les navires sont vérifiées et corrigées, un algorithme automatisé est appliqué pour calculer le débit sanguin de chaque veine avec une méthode adaptée de notre publication précédente 1.
        1. Le signal Doppler est intégrée sur la surface récipient et ensuite la moyenne entre toutes les trames. Puis l'écoulement Doppler est calculé comme la somme du signal Doppler divisé par l'angle Doppler.
        2. Pour chaque navire, 6 scans sont évalués sur les scores de confiance subjectives, les angles Doppler, et le coefficient de variation des angles Doppler. Le débit d'une veine est considéré comme valable que si plus de 1 balayage passe la vérification de la qualité. Pour les navires qui passent le contrôle de la qualité, le débit est en moyenne chez les scans valides.
        3. Pour bateau avec des résultats non valides, le débit est estimé à l'aide de la zone navire et la vitesse moyenne d'écoulement des veines valides. La vitesse d'écoulement moyenne est calculée en additionnant les flux dans les veines valides et divisantpar les zones de ces veines additionnées. L'estimation du débit commence à partir de la vitesse moyenne d'écoulement et est ensuite corrigée pour la dépendance de la vitesse d'écoulement sur la zone navire. Les gros navires ont une vitesse d'écoulement moyenne. Ainsi, la correction est faite en fonction de la pente de la vitesse en fonction diamètre moyen des navires, 2.13, que nous avons précédemment rapporté 2.
        4. Le débit calculé de veines valides et le débit estimé de veines non valides sont additionnés pour déterminer le débit sanguin rétinien totale.
        5. Le total résultat du flux sanguin rétinien est évaluée sur la base du pourcentage de surface veineuse valide, le mouvement des yeux, et la force du signal.
        6. Zone veineuse et artérielle superficie totale sont également obtenus en ajoutant les zones de navires. En supposant que le flux sanguin rétinien totale est la même dans les artères et les veines, les vitesses artériels et veineux est calculé en divisant le flux sanguin totale avec coin artérielle et veineuse région.

      2. Les résultats représentatifs

      www.aigstudy.net ). 48 yeux ont été analysés par le «double-angle" protocole et les analyses produites qui ont passé le contrôle de qualité d'image. Utilisation du logiciel DOCTORC, les mesures de débit valides ont pu être obtenues à partir de 83% des yeux.

      Pour évaluer la reproductibilité du système DOCTORC, un autre petit jeu de données avec 20 yeux a été évaluée par 3 élèves. Cet ensemble de données a également été utilisé pour former et tester élèves. 2 élèves ont utilisé le logiciel semi-automatisé DOCTORC et 1 utilisé un logiciel plus tôt totalement manuel utilisé dans les publications précédentes. 2,3 Le montant total des flux sanguins de la rétine (tableau 1) déterminées par les deux élèves à l'aide du logiciel DOCTORC sont semblables les uns aux autres et à couler taux déterminés par la niveleuse autre en utilisant le logiciel manuel. Seulement 65% des yeux avaient des résultats valides parce que certains de til données n'ont pas été basée sur le protocole angle double, mais le protocole angle unique. 2 Le protocole angle unique comprend 5 balayages Doppler obtenue avec le faisceau octobre passant par le centre de la pupille. Par conséquent, l'angle Doppler est plus souvent de petite taille et donc une plus grande partie des vaisseaux ne sont généralement pas gradable.

      Pour tous les élèves, la reproductibilité inter-niveleuse, telle que mesurée par le coefficient de variation, est similaire pour les deux yeux glaucomateux et normale (tableau 2). De même, les mesures de reproductibilité pour les deux méthodes, DOCTORC et le logiciel Manuel, 1-5 sont similaires (tableau 2). Pendant trois niveleuses, existe une bonne corrélation entre le débit sanguin total et l'écart modèle standard de tests de champ visuel (figure 2) pour les yeux glaucomateux.

      DOCTORC logiciel Manuel logiciel 3
      Condition Niveleuse 1 Niveleuse 2
      Normal 47,0 ± 9,1 48,7 ± 7,2 48,0 ± 6,5
      Glaucome 36,5 ± 5,5 36,7 ± 5,9 34,9 ± 5,1

      Tableau 1. Totale flux sanguin rétinien l'aide de 2 logiciels différents.

      </ Tr>
      Coefficient de variation
      Le glaucome (7 yeux)
      Niveleuse Niveleuse 1 vs 2 (DOCTORC) 9,58%
      DOCTORC manuel plutôt la méthode 3
      Niveleuse 1 8,00%
      Niveleuse 2 9,74%
      Normal (6 yeux)
      Niveleuse Niveleuse 1 vs 2 (DOCTORC) 5,99%
      DOCTORC vs méthode manuelle
      Niveleuse 1 8,87%
      Niveleuse 2 9,98%

      Tableau 2. Reproductibilité du total des mesures du débit sanguin rétinien.

      Figure 2
      Figure 2. Corrélation entre le débit sanguin total de la rétine et du champ visuel dans le glaucome. Une niveleuse. 1 à l'aide du logiciel DOCTORC. Perte du champ visuel est résumée pardéviation modèle standard (p = 0,048). b. Niveleuse 2 à l'aide du logiciel DOCTORC. Perte du champ visuel est résumée par l'écart-modèle standard (p = 0,032).

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    Discussion

    Des anomalies du débit sanguin se produisent dans le glaucome et les maladies vasculaires de la rétine comme la rétinopathie diabétique. 6-10 mesure volumétrique du débit sanguin rétinien donne des informations précieuses sur l'évolution de la maladie. 4-6,11,12 DOCTORC offre un moyen pratique d'estimer la rétine totale le flux sanguin sur la base des mesures dans les vaisseaux individuels déterminés par Doppler octobre en utilisant le motif de balayage à double cercle. 1-5

    Le débit total moyen sanguin rétinien mesuré par Doppler PTOM dans les yeux normaux est de 47 à 49 l / min, comparable à celles de la littérature de 34-65 l / min obtenus en utilisant des techniques laser Doppler. 13,14 Doppler mesures prises octobre avec la nouvelle semi- logiciel automatisé de DOCTORC convenu en étroite collaboration avec les résultats de mesures manuelles que nous avons publiées précédemment. 1-5 La différence entre les mesures et les mesures manuelles DOCTORC dans des cas particuliers, tels que mesurés par CV, est semblable à inter-gradifférences der. Ceci indique que la différence a été principalement associée à la partie subjective du processus de notation, et non la différence entre le logiciel. Avec la méthode manuelle et DOCTORC, nous mesurons les veines seulement avec un diamètre plus grand que 33 um. Veines avec un diamètre inférieur à 33 um n'étaient généralement pas détectables à l'aide DOCTORC. Ces veines ne constituent qu'une très petite partie de la zone veineuse totale (0,2%), et ils contribuent encore moins à la circulation sanguine rétinienne totale parce que la vitesse d'écoulement dans ces navires est inférieur à celui de plus gros navire. 2 Ainsi, la différence entre y compris et l'exclusion des navires très petite taille n'est pas importante pour la détermination du débit sanguin total de la rétine. La forte corrélation entre les tests du champ visuel et le total des flux sanguins de la rétine est d'accord avec notre résultat précédent, ce qui indique un lien étroit entre la perfusion et de la fonction visuelle. Les yeux atteints de glaucome ont également le flux sanguin significativement plus faible que les groupes normaux, ce qui concorde avec d'autres études. 15-17 </ Sup> Ainsi totale flux sanguin rétinien déterminé par DOCTORC sera utile dans le diagnostic et le suivi de la progression du glaucome. En plus des mesures du débit sanguin, DOCTORC fournit également une aire de navire et des mesures de vitesse des navires, qui peut également être utile dans la clinique.

    D'autres techniques sont également disponibles pour mesurer le débit sanguin rétinien, mais chacun a ses limites. Laser Doppler besoin de mesures beaucoup plus une longue séance car il teste un seul navire à la fois. Échographie Doppler couleur évalue la vitesse que dans les grands vaisseaux rétrobulbaire, et il ne peut pas déterminer le flux sanguin volumétrique. Échographie Doppler résultats varient en fonction de l'opérateur et de l'anatomie sujet. La variabilité rend problématique la comparaison des résultats entre les sujets et centres d'études. 18 Ces instruments sont coûteux et uniquement disponible dans les centres de recherche majeurs. D'autres techniques telles que la fluorescéine et au vert d'indocyanine besoin par voie intraveineuse injection, et ils ne fournissent pas de résultats quantitatifs. Domaine de Fourier (ou domaine spectral) PTOM est populaire en ophtalmologie et mise à niveau logicielle ne doit permettre la mesure Doppler du flux sanguin dans ces équipements. Notre Doppler octobre méthode est le seul moyen de mesurer le débit sanguin avec cliniquement disponibles FD-OCT instruments. Le coût relativement faible prévalence et de cette instrumentation rendent possibles des études multicentriques importantes de débit sanguin rétinien dans la santé et la maladie.

    Il existe plusieurs limitations de la version actuelle de DOCTORC. Le processus de classement n'est pas encore entièrement automatisé, et le temps de classement d'un œil est à 30 min. Cette fois, le classement est acceptable pour les études cliniques à grande échelle, mais pas assez rapide pour une utilisation clinique quotidienne. Mesure directe du débit artériel n'est pas disponible pour DOCTORC parce que le débit élevé dans l'artère est au-delà de la plage de mesure du système sélectionné PTOM à la vitesse de 26.000 a-scans/sec. Plus rapide des systèmes octobre would permettre la mesure du flux artériel. Environ 17% des yeux scannés n'a pas cédé de mesure valable circulation sanguine en raison de mauvaises angles Doppler sur les gros vaisseaux.

    En résumé, nous proposons une méthode pratique pour mesurer le total du flux sanguin rétinien avec un commerce de Fourier-domaine instrument octobre Il aura de nombreuses applications pour le nerf optique et maladies de la rétine, telles que le glaucome, la rétinopathie diabétique, et non artéritique neuropathie optique ischémique.

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    Disclosures

    Dr. Huang reçoit des subventions, redevances de brevets, stock-options, une aide au transport et honoraires de conférencier de Optovue, Inc, le Dr Tan et le Dr Wang reçoit les droits d'exploitation et des subventions de Optovue, Inc, le Dr Koduru et le Dr Sadda reçu des subventions de Optovue.

    Acknowledgments

    Cette étude est soutenue par le NIH RO1 013516 subvention et un Optovue forme de dons.

    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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