Keratozytendichte der In-vivo-Kornea

Zusammenfassung

Hintergrund Das MICROPHTHAL ist ein konfokales Lichtspalt-Scanning-Mikroskop für eine nicht-invasive In-vivo-Untersuchung kornealer Mikrostrukturen des menschlichen Auges. Mit diesem Gerät können dünne Schichten der Hornhaut in guter Qualität ohne Streulicht aus der Umgebung abgebildet werden. Andererseits verhindern Bildverzerrungen im Einzelbild durch schnelle Augenbewegungen und axiale Abweichungen bei einem z-Scan z. B. die Messung der Dichte und Verteilung der Keratozyten in der Hornhaut. Ziel der Geräteentwicklung und Untersuchungen war die optische Pachymetrie und die automatische Messung der Keratozytendichte in der zentralen Hornhaut in-vivo unter stabilisierten Bedingungen sowie eine 3D-Rekonstruktion der Hornhaut.

Methode und Technik Wir entwickelten ein Niedervakuum-Saugschalensystem zur Ruhigstellung des Auges vor dem Objektiv des Mikroskops während eines z-Scans durch die Hornhaut. Unter dem Mikroskop wurde ein Mikroschlitten mit Schrittmotorantrieb und einer separaten Objektivhalterung zur Verschiebung der Fokusebene innerhalb der mit einer zentralen Bohrung versehenen Saugschale montiert. Während des von einem Computer gesteuerten z-Scans durch die Hornhaut werden dabei die einzelnen Schichtbilder gleichzeitig kontinuierlich mittels eines S-VHS-Videorecorders aufgezeichnet und im PC gespeichert. Die digitale Off-line-Analyse erfolgt mit einem modifizierten Computerprogramm zur automatischen Zellzählung nach einer Korrektur der Hintergrund helligkeit und kleiner axialer Abweichungen in der Bildfolge. Nach dieser Prozedur wird das Keratozytendichteprofil und eine 3D-Rekonstruktion des Hornhautvolumens aus 70 Bildern des z-Scans durch die zentrale Hornhaut berechnet. Wir untersuchten 47 Augen von 25 gesunden Probanden in einem Altersbereich von 25-56 Jahren. Unabhängige Kontrollauswertungen der Videosequenzen wurden manuell auf einer INDIGO HIGH IMPACT-Workstation durchgeführt.

Ergebnisse Nach Zuweisung aller erfaßten Keratozyten zum Meßvolumen wurde für die zentrale Hornhaut eine mittlere Keratozytendichte von 15 730 Zellen/mm³ ermittelt. Die mittlere Hornhautdicke betrug 0,556 mm. Mit ca. 16000 Keratozyten/mm³ ergab sich durch die Kontrollauswertung identischer Videosequenzen auf der Workstation auch ein ähnliches Ergebnis wie bei der automatischen Messung mit der modifizierten Software.

Diskussion Die Mikroskop-Modifikation ist ein ausgezeichnetes In-vivo-Instrument für eine exakte optische achymetrie und die Untersuchung der Mikrostrukturen der Hornhaut. Die Saugstabilisierung des Bulbus vor dem Mi kroskop zur automatischen In-vivo-Bestimmung der Keratozytendichte sowie einer 3D-Rekonstruktion des zentralen Hornhautvolumens ermoglicht gute und reproduzierbare Ergebnisse. Eventuell patho-physiologische Veranderungen in der Keratozytendichte, z.B. nach einer Excimer-Laserablation zur photo-therapeutischen oder photo-refraktiven Keratektomie, können ohne Belastung für den Patienten bestimmt werden.

Summary

Background The MICROPHTHAL is a confocal slit light scanning microscope for a non-invasive in-vivo examination of corneal structures of human eyes. With this instrument even thin layers of corneal tissue can be imaged in good quality. Otherwise, blurring of single frames and deviations from the z-axis in video-sequences caused by high speed movements of the eye would normally prevent a measurement the density of keratocytes in the cornea.The goal of the investigation was optical pachymetry, the automatical measurement of the keratocytes density and a 3D-dimensional reconstruction of the central cornea in-vivo under constant imaging conditions.

Materials and Methods We developed a low-vacuum suction cup system for stabilizing the eye in front of the microscope objective during the z-scan through the cornea. A step-motor shifting system for the objective locates inside the suction cup with a central hole was installed underneath themicroscope. Control of this system via computer facilitated shifting the focal plane along the z-axis. The layer images were recorded using a S-VHS-tape and saved on the PC. The digital analysis was performed using a special software to automatically and off-line evaluate the density of keratocytes in combination with the 3D-reconstruction. The software also corrected the background illumination and small axial jitter. After this procedure the keratocytes density and the 3D-reconstruction in 70 images of the z-scan were calculated. We examined 47 corneas of 25 healthy probands. The range of age was 25-56 years. Independent control evaluation of the video sequences were taken manually on an INDIGO HIGH IMPACT workstation.

Results By assign all keratocytes to the corneal measurement volume we found a averaged density of 15 730 cells/mm³ in the central cornea. The averaged thicknes of the cornea was 0.556 mm. The control valuation of identical video-sequences on the workstation accomplished the same result of 16000 keratocytes/mm³, also similar the result of the automatically measurement with the modified software.

Conclusions This modification of the microscope is a promising in-vivo tool for optical pachymetry and quantitative examination of corneal microstructures. The stabilization effect of the low-vacuum suction cup system in the front of the microscope for computer-controlled valuation of the density profile of keratocytes and the 3D-reconstruction of a central corneal volume element has produced encouraging results. Characterization of pathophysiological changes in the distribution of keratocytes after excimer laser ablation for photo therapeutic or photorefractive keratectomy, for example, can be estimated without pain for the patients.

Schlüsselwörter

Konfokale Mikroskopie - Augenbewegung - Saugstabilisierung - Keratozytendichte - 3D-Rekonstruktion

Key words

confocal scanning microcopy - eye movement - suction stabilization - density of keratocytes - 3D-reconstruction