Zweidimensionale Kartierung der retinalen und papillären Mikrozirkulation mittels Scanning-Laser-Doppler-Flowmetrie

Zusammenfassung

Hintergrund Eine nichtinvasive 2dimensionale Darstellung der retinalen Perfusion ist bisher nicht möglich. Eine klinische quantitative Diagnostik von okulären Durchblutungserkrankungen beruht derzeit auf Untersuchungen der Makrozirkulation. Veränderungen in der Mikrozirkulation, die nicht parallel gehen mit Erkrankungen der größeren Gefäße, können bislang nicht quantitativ nachgewiesen werden. Trotz vorliegender manifester Durchblutungsstörungen in den Kapillaren mit erkennbarem Funktionsausfall kann der makrozirkulatorische Untersuchungsbefund der größeren Gefäße regelrecht sein.

Methode Die neu entwickelte Scanning-Laser-Doppler-Flowmetrie stellt eine Kombination eines Laser-Scanning-Sy-stems und einer Detektionseinheit zur Messung der Dopplerverschiebung dar. Das Prinzip dieser Methode beruht auf einer schnellen sequentiellen, punktuellen mehrmaligen Abtastung des zu untersuchenden Gewebes durch einen Laserstrahl mit einem Durchmesser von 10 µm, wobei die Dopplerverschiebung des reflektierten Lichtes gemessen wird. Durch Frequenzanalyse der Intensitäts-Zeit-Kurven eines jeden Gewebepunktes kann die optische Dopplerverschiebung und damit die mittlere Geschwindigkeit von Blutzellen von jedem Gewebepunkt berechnet werden. Mit diesen Zahlenwerten wird ein 2-dimensionales Bild der Durchblutung des untersuchten Gewebes aufgebaut, in dem die Helligkeit des Pixels codiert wird durch die mittlere Dopplerverschiebung. Damit wird eine ortsaufgelöste Abbildung der Durchblutung erzeugt. Durch das konfokale Abbildungsprinzip des Laser-Scanners können nur bestimmte Tiefenschichten abgebildet werden. Die Dicke einer scharf abgebildeten Gewebeschicht beträgt 300 µm.

Die Reliabilität und die Validität der Methode wurde bestimmt. Bei 7 Augen wurden 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt. Die Blutflußwerte von gleichen Netzhautstellen wurden ausgewertet. Der Reliabilitätskoeffizient ri wurde berechnet durch die Bestimmung der Varianz der biologischen Komponente und der Meßfehlerkomponente. Um festzustellen, ob die „Scanning-Laser-Doppler-Flowmetrie” Blutfluß quantitativ bestimmen kann, wurde ein künstliches Auge mit einem „Netzhautgefäß” hergestellt. Durch dieses System wurde „heparinsiertes” Blut mittels einer genau justierbaren Perfusionspumpe hindurchgepumpt, wobei der Blutfluß bei verschiedenen genau definierten Blutfließgeschwindigkeiten in der Glaskapillare bestimmt worden ist. Beispielhaft werden die Perfusionbilder eines gesunden Auges mit normalen und erhöhten IOP, eines Auges mit fortgeschrittener glaueomatöser Opticusatrophie, eines Auges mit proliferativer diabetischer Retinopathie und eines Auges mit Zentralarterienverschluß dargestellt.

Ergebnisse Die Ortsauflösung dieses Systems ist ausreichend, um Kapillaren sichtbar zu machen. Durch das konfokale Abbildungssystem ist die Möglichkeit gegeben, nacheinander Gewebeschichten von 300 µm zu untersuchen und damit eine „Kapillar-Tomographie” durchzuführen. Die Wiederholungsmessungen mit dem Scanning-Laser-Doppler-Flowmeter ergaben folgende Reliabilitäts-Koeffizienten: „Flow” 0.85. ”Volume” 0.83, „Velocity” 0.85. Der Meßfehleranteil beträgt demnach von „Flow” 5%, von „Volume” 2% und von „Velocity” 16%. Es zeigte sich ein linearer Zusammenhang zwischen der eingestellten Fließgeschwindigkeit „V” in der Glaskapillare und dem gemessenen Wert „Flow” (r = 0,97, p < 0,0001).

Schlußfolgerung Die entwickelte Methode der „Scanning-Laser-Doppler-Flowmetrie” stellt ein klinisch einsetzbares Gerät dar zur nichtinvasiven Darstellung und Quantifizierung optisch zugänglicher Kapillargebiete. Die punktuelle Bestimmung der Erythrozytenbewegung mittels Laserlicht in vielen Gewebestellen gleichzeitig ermöglicht eine zweidimensionale (ortsaufgelöste) Darstellung der kapillären Perfusion. Durch die hohe Ortsauflösung dieses Systems kommt es zu einer bildhaften Darstellung perfundierter Kapillaren und Gefäßen.

Summary

Purpose To present clinical applications of a new non-invasive method imaging in a high-definition the topography of perfused retinal vessels.

Method By a combination of a laser Doppler flowmeter with a scanning laser system the perfusion of the retina and the optic nerve head is visualized and quantified. The principles of measuring blood flow by Laser Doppler Flowmetry are based on the optical Doppler effect: laser light scattered by a moving particle is shifted in frequency by an amount delta f. Our data acquisition and evaluation system is a modified laser scanning tomograph. The technical data are: retinal area of measurement 2.7 mm ? 0.7 mm, 10°-field with 256 points × 64 lines, measurement accuracy 10 µm, wavelength 670 nm and 790 nm, light power 100 µW, data acquisition time 2048 s. Every line is scanned 128 times by a line-sampling rate of 4000 Hz. By performing a discrete Fast Fourier Transformation over 128 intensities of each retinal point the laser Doppler-shift is calculated for each retinal point. With these data a 2-D map with 256 × 64 points of the retinal perfusion is created. The brightness of the picture-point is coded by the value of the Doppler shift. We estimated the reliability and the validity of the method. Perfusion-pictures of the superficial retinal layer and in the optic nerve head were presented.

Results The reliability-coefficients ri of “Flow”, “Volume” and “Velocity” were 0.85, 0.83, and 0.85 respectively. The blood flow measurements by the presented method (“Scanning Laser Doppler Flowmetry”) in an artificial capillary gave a linear relationship (r-value 0.973. p < 0.00001) between defined blood velocities and the measured blood flow. By the confocal technique, dependent on the focus, capillaries of the retinal superficial vasculature of the optic nerve head became visible with a high resolution. Off line the blood flow of areas of 110 µm × 110 µm were calculated in terms of laser Doppler flowmetry.

Conclusion “Scanning Laser Doppler Flowmetry” facilitates the visualisation of perfused retinal capillaries and vessels in high resolution. The representation of the function of the retinal circulation by SLDF leads to an image simlar to the anatomical situation. The 2-dimensional mapping of local blood flow leads to a physiological picture of the retinal perfusion with visible vessels and capillaries.

Schlüsselwörter

Scanning-Laser-Doppler-Flowmetrie - Kartierung - retinale Perfusion

Key words

Scanning Laser Doppler Flowmetrie - mapping - retinale Perfusion