Übersicht der apparativen Entwicklungen in der optischen Kohärenztomografie: von der Darstellung der Retina zur Unterstützung therapeutischer Eingriffe

Zusammenfassung

Hintergrund: Die optische Kohärenztomografie (OCT) ist ein relativ junges diagnostisches Verfahren, das in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen hat. Die neue Technik des Spektral-Domain-OCT (SD-OCT) erlaubte es, die Messgeschwindigkeit hundertfach zu steigern. Es wird dadurch eine dreidimensionale Gewebsdarstellung und eine Echtzeitabbildung sich bewegender Strukturen möglich. Die dreidimensionale Darstellung des Gewebes verbessert quantitative morphologische Messungen, erlaubt die Verfolgung von morphologischen Veränderungen über längere Zeit und verbessert die Korrelation von OCT-Befunden mit den Ergebnissen anderer bildgebender Verfahren. Die Echtzeitfähigkeit des SD-OCT ermöglicht hierbei auch den direkten Einsatz während einer Spaltlampenuntersuchung und eine Unterstützung chirurgischer Eingriffe. Methodik: Ein SD-OCT wurde an eine Spaltlampe adaptiert und an 70 Patienten (91 Augen) während der Untersuchung des vorderen und des hinteren Augenabschnitts eingesetzt. Zur Demonstration der Möglichkeit eines intraoperativen Einsatzes der OCT wurden SD-OCT-Geräte über eine spezielle Optik an den Kameraport eines Operationsmikroskops gekoppelt. Die SD-OCT-Bildgebung wurde an verschiedenen Testobjekten und enukleierten Schweineaugen mit Bildgebungsgeschwindigkeiten von 20 000 und 210 000 Zeilen pro Sekunde durchgeführt. Ergebnisse und Diskussion: Das SD-OCT erlaubt an einer Spaltlampe die Darstellung des hinteren Augenabschnitts mit einer dem Stratus 3 vergleichbaren Qualität. Aufgrund von Einschränkungen bei der Auslegung der Optik des Spaltlampenadapters und bedingt durch die Verwendung einer Wellenlänge von 830 nm waren bei dem Spaltlampen-OCT jedoch der Messbereich und die Darstellung des Kammerwinkels verglichen mit kommerziellen Geräten eingeschränkt. Durch das OP-Mikroskop war eine dreidimensionale Darstellung der Vorderkammer mit einigen 100 mm Arbeitsabstand möglich. Epithel, Bowman-, Descemet-Membran, Limbus, Iris, Linse, Bindehaut und Sklera waren darstellbar. Instrumente und operative Schnitte in der Kornea konnten in ihrer Lage mit 20 µm Genauigkeit dargestellt werden. Eine Echtzeit-Aufnahme und Darstellung von Volumina mit OCT wurde demonstriert. Die bisher einem klinischen Einsatz eines SD-OCT-Operationsmikroskops entgegenstehenden technischen Probleme konnten gelöst werden, sodass eine klinische Erprobung sich in Vorbereitung befindet. Die intraoperative OCT hat das Potenzial, die Genauigkeit bisheriger Eingriffe zu verbessern und neue chirurgische Verfahren zu ermöglichen.

Abstract

Background: Optical coherence tomography (OCT) is new diagnostic procedure that has rapidly evolved in the last years. The recently developed spectral domain OCT allows one to increase the imaging speed by a hundred times compared to the first generation time domain OCT and enables three-dimensional imaging as well as real-time imaging of fast moving structures. Volumetric imaging improves the quantitative measurement of morphology and the evaluation of temporal changes. In addition, an exact correlation with images acquired with other imaging modalities is possible. Real-time imaging enables also the use of OCT during examinations with the slit-lamp and during ophthalmological surgery. Methods: A spectral domain OCT was adapted to a slit lamp. 70 patients (91 eyes) were examined at the anterior or posterior segment of the eye. Images of healthy structures and different pathologies were compared to OCT images obtained with Stratus 3, Spectralis, and the SL-OCT. To demonstrate the feasibility of OCT during surgery, spectral domain OCT devices working with 20 000 and 210 000 A scans per second were coupled by specially developed optics to the camera port of a surgical microscope. The device was tested with phantoms and enucleated pig eyes. Results and Conclusions: A 5 kHz spectral domain OCT can image the retina during slit lamp-based indirect ophthalmoscopy with a quality similar to that of the Stratus 3. In addition, relevant structures of the anterior segment were imaged. Here, compared to commercially available devices, the imaged field was smaller and the angle of the anterior chamber was not directly visible due to the 830 nm wavelength, which had to be used for retinal imaging. Through the surgical microscope, a volumetric imaging of epithelium, Bowman’s, Descemet’s membranes, limbus, iris, lens, conjunctiva and sclera was demonstrated with several tens of centimetre working distance. Instruments and incisions in the cornea were visualised with 20 µm precision. Real-time imaging and visualisation of volumetric OCT data were also demonstrated. In principle, all technical problems of an intraoperative use of OCT have been solved and a clinical trial will start in the near future. OCT has the potential to improve the precision of surgical interventions and may even enable new interventions.

physiologische Optik - Kornea - Anatomie

physiological Optics - cornea - anatomy

Literatur

• 1 Youngquist R C, Carr S, Davies D EN. Optical coherence-domain reflectometry: a new optical evaluation technique.  Opt Lett. 1987;  12 158-160
• 2 Fercher A F, Mengedoht K, Werner W. Eye-length measurement by interferometry with partially coherent light.  Opt Lett. 1988;  13 186-188
• 3 Huang D, Swanson E, Lin C. et al . Optical Coherence Tomography.  Science. 1991;  254 1178
• 4 Hee M R, Izatt J A, Swanson E A. et al . Optical coherence tomography of the human retina.  Arch Ophthalmol. 1995;  113 325-332
• 5 Izatt J A, Hee M R, Swanson E A. et al . Micrometer-scale resolution imaging of the anterior eye in vivo with optical coherence tomography.  Arch Ophthalmol. 1994;  112 1584-1589
• 6 Koop N, Brinkmann R, Lankenau E. et al . Optische Kohärenztomographie der Kornea und des vorderen Augenabschnitts.  Der Ophthalmologe. 1997;  94 481-486
• 7 Hoerauf H, Wirbelauer C, Scholz C. et al . Slit-lamp-adapted optical coherence tomography of the anterior segment.  Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2000;  238 8-18
• 8 Maldonado M J, Ruiz-Oblitas L, Munuera J M. et al . Optical coherence tomography evaluation of the corneal cap and stromal bed features after laser in situ keratomileusis for high myopia and astigmatism.  Ophthalmology. 2000;  107 81-87, discussion 88
• 9 Wirbelauer C, Scholz C, Hoerauf H. et al . Untersuchungen der Hornhaut mittels optischer Kohärenztomographie.  Ophthalmologe. 2001;  98 151-156
• 10 Nozaki M, Kimura H, Kojima M. et al . Optical coherence tomographic findings of the anterior segment after nonpenetrating deep sclerectomy.  Am J Ophthalmol. 2002;  133 837-839
• 11 Müller M, Hoerauf H, Geerling G. et al . Filtering bleb evaluation with slit-lamp-adapted 1310-nm optical coherence tomography.  Curr Eye Res. 2006;  31 909-915
• 12 Hoerauf H, Müller M, Hüttmann G. et al . Real-time imaging of transscleral diode laser cyclophotocoagulation by optical coherence tomography.  Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2007;  245 385-390
• 13 Müller M, Winter C, Hüttmann G. et al . Evaluation of cyclophotocoagulation effects with 1310-nm contact optical coherence tomography.  Curr Eye Res. 2007;  32 171-176
• 14 Buchwald H J, Muller A, Kampmeier J. et al . Optical coherence tomography versus ultrasound biomicroscopy of conjunctival and eyelid lesions.  Klin Monatsbl Augenheilkd. 2003;  220 822-829
• 15 Knight O J, Chang R T, Feuer W J. et al . Comparison of retinal nerve fiber layer measurements using time domain and spectral domain optical coherent tomography.  Ophthalmology. 2009;  116 1271-1277
• 16 Fercher A F, Hitzenberger C, Juchem M. Measurement of intraocular optical distances using partially coherent laser light.  J Mod Opt. 1991;  38 1327-1333
• 17 Häusler G, Lindner M W. „Coherence radar” and „Spectral radar” – new tools for dermatological diagnosis.  J Biomed Opt. 1998;  3 21-31
• 18 Lindner M W. Optische Kohärenz-Profilometrie (OCP) und optische Kohärenz-Tomographie (OCT) in der Dermatologie. Universität Erlangen-Nürnberg; Lehrstuhl für Optik 1998
• 19 Wojtkowski M, Leitgeb R, Kowalczyk A. et al . In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography.  J Biomed Opt. 2002;  73 457-463
• 20 Wojtkowski M, Bajraszewski T, Targowski P. et al . Real-time in vivo imaging by high-speed spectral optical coherence tomography.  Opt Lett. 2003;  28 1745-1747
• 21 Drexler W, Morgner U, Krtner F X. et al . In-vivo ultrahigh-resolution optical coherence tomography.  Opt Lett. 1999;  24 1221-1223
• 22 Leitgeb R A, Drexler W, Unterhuber A. et al . Ultrahigh resolution Fourier domain optical coherence tomography.  Opt express. 2004;  12 2156-2165
• 23 Hangai M, Yamamoto M, Sakamoto A. et al . Ultrahigh-resolution versus speckle noise-reduction in spectral-domain optical coherence tomography.  Opt Express. 2009;  17 4221-4235
• 24 Hüttmann G, Winter C, Koch P. et al .Slit-lamp adapted OCT for the visualization of retinal structures. Munich, Germany; European Conferences on Biomedical Optics (ECBO) 2007
• 25 Müller M, Schulz-Wackerbarth C, Steven P. et al .830 nm Slit-Lamp Adapted Fourier Domain OCT for Anterior and Posterior Segment – First Results and Comparison to Time Domain OCT. ARVO 2009
• 26 Zawadzki R J, Choi S S, Fuller A R. et al . Cellular resolution volumetric in vivo retinal imaging with adaptive optics-optical coherence tomography.  Opt Express. 2009;  17 4084-4094
• 27 Povazay B, Hermann B, Hofer B. et al . Wide-field optical coherence tomography of the choroid in vivo.  Invest Ophthalmol Vis Sci. 2009;  50 1856-1863
• 28 Szkulmowska A, Szkulmowski M, Szlag D. et al . Three-dimensional quantitative imaging of retinal and choroidal blood flow velocity using joint Spectral and Time domain Optical Coherence Tomography.  Opt Express. 2009;  17 10584-10598
• 29 Kolbitsch C, Schmoll T, Leitgeb R A. Histogram-based filtering for quantitative 3D retinal angiography.  J Biophotonics. 2009;  2 416-425
• 30 Wang Y, Lu A, Gil-Flamer J. et al . Measurement of total blood flow in the normal human retina using Doppler Fourier-domain optical coherence tomography.  Br J Ophthalmol. 2009;  93 634-637
• 31 Wang Y, Tan O, Huang D. Investigation of retinal blood flow in normal and glaucoma subjects by doppler fourier-domain optical coherence tomography. In Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XIII Proceeding; SPIE 2009 7168: 71680 B-1-10
• 32 Michels S, Pircher M, Geitzenauer W. et al . Value of polarisation-sensitive optical coherence tomography in diseases affecting the retinal pigment epithelium.  Br J Ophthalmol. 2008;  92 204-209
• 33 Baumann B, Gotzinger E, Pircher M. et al . Measurements of depolarization distribution in the healthy human macula by polarization sensitive OCT.  J Biophotonics. 2009;  2 426-434
• 34 Yasuno Y, Yamanari M, Kawana K. et al . Investigation of post-glaucoma-surgery structures by three-dimensional and polarization sensitive anterior eye segment optical coherence tomography.  Opt Express. 2009;  17 3980-3996
• 35 Yang C. Molecular Contrast Optical Coherence Tomography: A Review.  Photochem Photobiol. 2005;  81 215-237
• 36 Kim C S, Wilder-Smith P, Ahn Y C. et al . Enhanced detection of early-stage oral cancer in vivo by optical coherence tomography using multimodal delivery of gold nanoparticles.  J Biomed Opt. 2009;  14 034 008
• 37 Bizheva K, Pflug R, Hermann B. et al . Optophysiology: depth-resolved probing of retinal physiology with functional ultrahigh-resolution optical coherence tomography.  Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;  103 5066-5071
• 38 Potsaid B, Gorczynska I, Srinivasan V J. et al . Ultrahigh speed spectral/Fourier domain OCT ophthalmic imaging at 70,000 to 312,500 axial scans per second.  Opt Express. 2008;  16 15149-15169
• 39 Geerling G, Müller M, Winter C. et al . Intraoperative 2-dimensional optical coherence tomography as a new tool for anterior segment surgery.  Arch Ophthalmol. 2005;  123 253-257
• 40 Boppart S A, Bouma B E, Pitris C. et al . Intraoperative assessment of microsurgery with three-dimensional optical coherence tomography.  Radiology. 1998;  208 81-86
• 41 Heermann R, Hauger C, Issing P R. et al . Application of Optical Coherence Tomography (OCT) in middle ear surgery.  Laryngorhinootologie. 2002;  81 400-405
• 42 Löning M, Lankenau E, Strunck C. et al .Optische Kohärenztomographie – ein neues Schnittbildverfahren als Ergänzung zur Kolposkopie. Geburtshilfe Frauenheilk 2003 63: 1158-1161
• 43 Löning M, Lankenau E, Diddens H. et al . Optische Kohärenztomographie in der Gynäkologie.  Gynäkologe. 2007;  40 343-348
• 44 Knopp U, Lankenau E, Hüttmann G. et al .Optical coherence tomography of central nervous system tissues: A pilot study for a new guiding technique for neurosurgical resection of brain tumors – Optische Kohärenztomographie von Gewebe des ZNS: eine Pilotstudie für ein neues Verfahren zur Resektionskontrolle bei Hirntumoren. Köln; 55. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Neurochirurgie eV (DGNC) 2004
• 45 Giese A, Böhringer H J, Leppert J. et al .Non-invasive intraoperative optical coherence tomography of the resection cavity during surgery of intrinsic brain tumors. Kollias N, Zeng H, Choi B, et al Photonic Therapeutics and Diagnostics II San Jose, California, USA; SPIE 2006: 495-502
• 46 Lankenau E, Klinger D, Winter C. et al .Combining Optical Coherence Tomography (OCT) with an operating microscope. Buzug TM, Holz D, Weber S, et al Advances in Medical Engineering Berlin, Heidelberg; Springer 2007: 343-348
• 47 Lankenau E, Klinger D, Müller H. et al .Operating microscope with time domain optical coherence tomography (OCT) for neurosurgery. Munich, Germany; European Conferences on Biomedical Optics (ECBO) 2007
• 48 Probst J, Hillmann D, Lankenau E. et al . Optical Coherence Tomography (OCT) with On-line Visualization of more than 7 rendered Volumes per Second.  J Biomed Opt. 2009;  eingereicht