Corneal and Retinal Temperatures under Various Ambient Conditions: a Model and Experimental Approach

Zusammenfassung

Hintergrund: Bestimmung der Temperaturverteilung zwischen der Hornhaut und der Netzhaut anhand eines vereinfachten Wärmetauschmodells unter verschiedenen äußeren Bedingungen wie Beleuchtung und Außentemperaturen. Methoden: Das menschliche Auge wird modellhaft als Wasserkugel dargestellt, die von verschiedenen Wärmequellen umgeben ist: Durchblutung von Aderhaut und Ziliarkörper, Verdunstung der Tränenflüssigkeit, Stoffwechselaktivität, diffuse Netzhautbeleuchtung und externe Konvektion. Die Temperaturen der Horn- und der Netzhaut werden anhand dieses Modells ermittelt. Dabei wird die Theorie der finiten Elemente auf die Wärmeübertragung angewandt. Jede der fünf Personen (28- ± 10-jährig) wurde drei verschiedenen Umgebungen ausgesetzt: - 20 °C, 20 °C und 40 °C. Nach fünfzehn Minuten wurde die Temperatur ihrer Hornhaut mittels einer Infrarotkamera gemessen. Diese Temperaturen wurden mit den Werten des Modells verglichen (es wurde für alle Umgebungen von derselben Durchblutung ausgegangen). Ergebnisse: 1. Der Ziliarkörper und die Aderhaut tragen mindestens 20-mal mehr zur Netzhauttemperatur bei als die Netzhaut. 2. Der Temperaturanstieg aufgrund der Beleuchtung kann vernachlässigt werden. 3. Eine Verringerung der Durchblutung der Aderhaut um 10 % führt zu einem Abfall der Hornhauttemperatur von 0,2 °C bei - 20 °C und < 0,1 °C bei 20 °C und 40 °C. Bei einer normalen Durchblutung der Aderhaut haben Veränderungen der Raumtemperatur eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Netzhauttemperatur. Die gemessenen Hornhauttemperaturen stimmen mit den Werten des Modells überein: 26,4 ± 0,9 vs. 26,8 °C bei - 20 °C und 36,2 ± 0,5 vs. 36,7 bei 40 °C. Schlussfolgerungen: Mittels unseres vereinfachten Modells kann die unter verschiedenen Bedingungen gemessene Hornhauttemperatur zufrieden stellend vorausgesagt werden. Berechnungen haben gezeigt, dass wechselnde Außentemperaturen (von - 20 °C bis zu 40 °C) die Netzhauttemperatur um weniger als 1,8 °C beeinflussen.

Abstract

Background: To determine the distribution of temperatures between the cornea and retina under various external conditions, such as illumination and external temperature, using a simplified heat exchange model. Materials and Methods: The human eye is modeled as a water sphere surrounded by different heat sources: choroidal and ciliary body blood flow, tears evaporation, metabolic activity, diffuse retinal illumination and external convection. Corneal and retinal temperatures are derived from this model using finite element theory applied to heat transport. Each of five subjects (28 ± 10 years old) were placed in three different environments: - 20 °C, 20 °C and 40 °C. After 15 mn, their corneal temperatures were measured with an infrared camera. Corneal temperatures are compared with the values obtained from the model, assuming the same blood flow for all environments. Results: 1) Ciliary body and choroid contribute at least 20 times more than retina to the retinal temperature; 2) temperature increase of the retina due to illumination is negligible; 3) a 10 % reduction of choroidal blood flow induces a corneal temperature decrease of 0.2 °C at - 20 °C and < 0.1 °C at 20 °C and 40 °C. At normal choroidal blood flow, changes in ambient temperature have a negligible effect on retinal temperature. Measured corneal temperatures agreed with the values from the model: 26.4 ± 0.9 versus 26.8 °C, at - 20 °C and 36.2 ± 0.5 versus 36.7 at 40 °C. Conclusions: Our simplified eye model predicts in a satisfactory way measured corneal temperatures under very different conditions. Calculations show that changing external temperatures from - 20 to + 40 °C affects the retinal temperature by less than 1.8 °C.

Schlüsselwörter

Aderhaut - Blutversorgung - Temperatur - Modell

Key words

Choroid - blood supply - temperature - model

References

• 1 Hart W M. Adler’s physiology of the eye. 9th edition. Mosby Year Book 1992
• 2 Gallar J, Acosta M C, Belmonte C. Activation of scleral cold thermoreceptors by temperature and blood flow changes.  J Invest Ophthalmol Vis Sci. 2003;  44 697-705
• 3 Gugleta K S, Orgul S, Flammer J. Is corneal temperature correlated with blood-flow velocity in the ophthalmic artery?.  Curr Eye Res. 1999;  19 496-501
• 4 Mapstone R. Determinants of corneal temperature.  Br J Ophthalmol. 1968;  52 729-741
• 5 Bron A J, Tripathi R C, Tripathi B J. Wolff’s Anatomy of the Eye and Orbit. 8th edition. Chapman & Hall 1997
• 6 Auker C R, Parver L M, Doyle T. et al . Choroidal blood flow. I. Ocular tissue temperature as a measure of flow.  Arch Ophthalmol. 1982;  100 1323-1326
• 7 Wittig I, Kohlmann H. et al . Static and dynamic infrared thermometry and thermography in malignant melanoma of the uvea and conjunctiva.  Klin Monatsbl Augenheilkd. 1992;  201(5) 317-321
• 8 Kocak I, Orgul S. et al . Variability in the measurement of corneal temperature using a noncontact infrared thermometer.  Ophthalmologica. 1999;  213(6) 345-349
• 9 Longo A, Geiser M H, Riva C R. Posture changes and sub-foveal choroidal blood flow.  Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004;  45(2) 546-551