Darstellung von Blutfluss und Pulsation in retinalen Gefäßen mit Full-Field-Swept-Source-OCT

Zusammenfassung

Optische Kohärenztomografie (OCT) nutzt Interferenz für hochaufgelöste Schnitt- oder Volumenbilddarstellungen der Retina. Neue technologische Ansätze haben es in den letzten 25 Jahren immer wieder ermöglicht, die Bildgebungsgeschwindigkeit der OCT zu erhöhen. Hierdurch konnten Bewegungsartefakte verringert und Bildfelder vergrößert werden. Die bisher in der Klinik eingesetzten Systeme sind jedoch wegen möglicher Schädigung der Netzhaut durch den fokussierten Strahl und der zur Ablenkung des Strahls notwendigen Mechanik in Geschwindigkeit und räumlicher Präzision der Bildgebung beschränkt. Full-Field-Swept-Source (FF-SS)-OCT parallelisiert die Bildgebung mittels einer Kamera, verzichtet auf bewegte Teile und erlaubt dadurch die Nutzung einer höheren Lichtleistung. Hier zeigen wir, dass FF-SS-OCT die durch den Herzschlag verursachte Pulsation der Retina mit hoher zeitlicher Auflösung darstellen und vermessen kann. Mit FF-SS-OCT wurden Serien von OCT-Volumen mit 1,8 × 0,7 mm lateraler Ausdehnung über mehrere Herzzyklen an jungen Probanden aufgenommen. Neben der Morphologie wurden Gefäßdarstellungen, der Blutfluss und durch die Druckpulsation ausgelöste Gewebebewegungen gemessen. In den Volumensequenzen waren die wesentlichen Strukturen der neuronalen Retina mit gutem Kontrast und ohne Artefakte durch Augenbewegungen darstellbar. OCT-Angiografie zeigte die retinalen Gefäße und Kapillaren. Neben der Morphologie des Gefäßnetzwerks wurden anhand von nur einer einzigen FF-SS-OCT-Messung insgesamt 3 dynamische Prozesse des retinalen Gefäßnetzwerks untersucht: In den größeren Gefäßen konnte die pulsierende Fließgeschwindigkeit des Blutes mit einer Zeitauflösung im Millisekundenbereich bestimmt werden. Außerdem wurde eine axiale Bewegung der Retina beobachtet, deren zeitlicher Verlauf dem Pulsschlag ähnelt. Diese wird vermutlich durch die Pulsation des Choroids hervorgerufen. Die pulsierenden Druckschwankungen, die sich durch die retinalen Gefäße ausbreiten, ändern die axiale Ausdehnung der sie umgebenden Retina periodisch um bis zu 2 µm. Hierdurch konnte der Zeitverlauf der Druckänderungen in venösen und arteriellen Gefäßen bestimmt werden. Die Verzögerung zwischen der choroidalen und der arteriellen bzw. venösen Pulsation betrug 75 bzw. 110 ms. FF-SS-OCT ermöglicht erstmals die gemeinsame Darstellung dieser schnellen dynamischen Prozesse der Retina.

Abstract

Optical coherence tomography (OCT) uses interference to image the retina with high axial resolution. In the last 25 years, new technologies have permitted a steady increase in imaging speed, which made it possible to enlarge the imaged field and to avoid motion artefacts. The speed and precision of retinal imaging is now limited by photodamage of the retina caused by the focused OCT beam and by the speed of the scanning mechanics. Full-field swept-source (FF-SS)-OCT decreases irradiance on the retina and dispenses moving parts by using a camera to acquire the full volume of the retina in parallel. Here we show that FF-SS-OCT is rapid and precise enough to image pulsation in the retina induced by the heart beat. Series of OCT volumes 1.8 × 0.7 mm wide and 1.8 mm deep were recorded in young volunteers over a few cycles of the heart beat. Morphology of the retinal vessels, blood flow and tissue motion as caused by vessel pulsation were calculated from the OCT data. FF-SS-OCT was able to visualise the main structures of the neuronal retina, including vessels and small capillaries and without any motion artefacts. Information on three different dynamic processes was obtained from only one recorded series of OCT volumes: pulsation of blood flow and blood pressure in retinal vessels as well as pulsation of the choroid. Delays between arterial and venous pulse and delay between pulsation in retinal and choroidal vessels were calculated. With a time resolution of 0.5 ms, FF-SS-OCT is able to visualise previously unmeasurably fast changes in the retina, including the propagation of pulse waves.

Schlüsselwörter

Anatomie - Retina - Chorioidea - Gefäße - OCT

Key words

anatomy - retina - choroid - vessel - OCT

• Literatur

• 1 MacGillivray TJ, Trucco E, Cameron JR et al. Retinal imaging as a source of biomarkers for diagnosis, characterization and prognosis of chronic illness or long-term conditions. Br J Radiol 2014; 87: 20130832
• 2 Golzan SM, Avolio A, Graham SL. Hemodynamic interactions in the eye: a review. Ophthalmologica 2012; 228: 214-221
• 3 Witmer MT, Kiss S. Wide-field imaging of the retina. Surv Ophthalmol 2013; 58: 143-154
• 4 Keane PA, Sadda SR. Retinal imaging in the twenty-first century: state of the art and future directions. Ophthalmology 2014; 121: 2489-2500
• 5 Bajwa A, Aman R, Reddy AK. A comprehensive review of diagnostic imaging technologies to evaluate the retina and the optic disk. Int Ophthalmol 2015; 35: 733-755
• 6 Pauleikhoff D, Heimes B, Spital G et al. OCT-Angiografie – ist dies die Zukunft der makulären Diagnostik?. Klin Monatsbl Augenheilkd 2015; 232: 1069-1076
• 7 Yu S, Lu J, Cao D et al. The role of optical coherence tomography angiography in fundus vascular abnormalities. BMC Ophthalmol 2016; 16: 107
• 8 Chalam KV, Sambhav K. Optical coherence tomography angiography in retinal diseases. J Ophthalmic Vis Res 2016; 11: 84-92
• 9 Kotliar K, Hanssen H, Eberhardt K et al. Retinal pulse wave velocity in young male normotensive and mildly hypertensive subjects. Microcirculation 2013; 20: 405-415
• 10 Spahr H, Hillmann D, Hain C et al. Imaging pulse wave propagation in human retinal vessels using full-field swept-source optical coherence tomography. Opt Lett 2015; 40: 4771-4774
• 11 Huang D, Swanson E, Lin C et al. Optical coherence tomography. Science 1991; 254: 1178-1181
• 12 Adhi M, Duker JS. Optical coherence tomography – current and future applications. Curr Opin Ophthalmol 2013; 24: 213-221
• 13 Miura M, Makita S, Iwasaki T et al. Three-dimensional visualization of ocular vascular pathology by optical coherence angiography in vivo. Invest Ophthalmol Vis Sci 2011; 52: 2689-2695
• 14 Wang RK, An L, Saunders S et al. Optical microangiography provides depth-resolved images of directional ocular blood perfusion in posterior eye segment. J Biomed Opt 2010; 15: 020502
• 15 Müller HH, Ptaszynski L, Schlott K et al. Imaging thermal expansion and retinal tissue changes during photocoagulation by high speed OCT. Biomed Opt Express 2012; 3: 1025-1046
• 16 Hillmann D, Spahr H, Hain C et al. Aberration-free volumetric high-speed imaging of in vivo retina. Scientific Reports 2016; 6: 35209
• 17 Povazay B, Unterhuber A, Hermann B et al. Full-field time-encoded frequency-domain optical coherence tomography. Opt Express 2006; 14: 7661-7669
• 18 Bonin T, Franke G, Hagen-Eggert M et al. In vivo Fourier-domain full-field OCT of the human retina with 1.5 million A-lines/s. Opt Lett 2010; 35: 3432-3434
• 19 Schmetterer LF, Lexer F, Unfried CJ et al. Topical measurement of fundus pulsations. Opt Eng 1995; 34: 711-716
• 20 Dragostinoff N, Werkmeister RM, Groschl M et al. Depth-resolved measurement of ocular fundus pulsations by low-coherence tissue interferometry. J Biomed Opt 2009; 14: 054047
• 21 Singh K. Measurement of the pulsatile ocular Dynamics of the human Eye for Glaucoma Diagnosis [Dissertation]. Québec: Université du Québec; 2012
• 22 Singh K, Dion C, Godin AG et al. Pulsatile movement of the optic nerve head and the peripapillary retina in normal subjects and in glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci 2012; 53: 7819-7824
• 23 An L, Chao J, Johnstone M et al. Noninvasive imaging of pulsatile movements of the optic nerve head in normal human subjects using phase-sensitive spectral domain optical coherence tomography. Opt Lett 2013; 38: 1512-1514
• 24 Dion C, Singh K, Ozaki T et al. Analysis of pulsatile retinal movements by spectral-domain low-coherence interferometry: influence of age and glaucoma on the pulse wave. PLoS One 2013; 8: e54207
• 25 Dragostinoff N, Werkmeister RM, Klaizer J et al. Time course and topographic distribution of ocular fundus pulsation measured by low-coherence tissue interferometry. J Biomed Opt 2013; 18: 121502
• 26 Morgan WH, Hazelton ML, Yu DY. Retinal venous pulsation: Expanding our understanding and use of this enigmatic phenomenon. Prog Retin Eye Res 2016;
• 27 Moens AI. Over de Voortplantingssnelheid van den Pols (On the Propagation of Pulse) [Dissertation]. Leiden: Universität Leiden; 1877
• 28 Hillmann D, Spahr H, Pfäffle C et al. In vivo optical imaging of physiological responses to photostimulation in human photoreceptors. Proc Natl Acad Sci U S A 2016; 113: 13138-13143