Originalien Ophthalmologe 2010 · 107:36–40 DOI 10.1007/s00347-009-1941-1 Online publiziert: 6. Juni 2009 © Springer Medizin Verlag 2009
S. Chaber · H. Helbig · MA. Gamulescu Klinik und Poliklinik für Augenheilkunde, Universität Regensburg
Time-domain-OCT versus Frequency-domain-OCT Messunterschiede der Makuladicke bei Normalprobanden
Hintergrund Über die klinische Anwendung der optischen Kohärenztomographie (OCT) wurde erstmals 1991 durch Huang et al berichtet [8]. Seit dieser Zeit hat das optische Kohärenztomogramm in der Ophthalmologie einen festen Platz in der Diagnostik verschiedener Erkrankungen der Makula und des Sehnerven eingenommen [2, 5, 6, 7, 10]. Die bisher gebräuchlichen Time-domain-OCTs (TDOCTs) generieren ihre Daten zur Bestimmung der Retinadicke über viele Einzelmessungen mit einem definierten kohärenten Licht und dem Vergleich des vom Gewebe reflektierten Lichts mit der Reflexion eines Referenzspiegels. Die Position des Referenzspiegels wird pro Messung kontinuierlich verändert, was die längere Scandauer im Stratus OCT® erklärt (Time-Domain). Aus den Überlagerungen der reflektierten Lichtwellen wird in einem Detekor ein Bild des gescannten Gewebes erzeugt [15, 17]. Es lässt sich aber jede Zeitkurve auch als eine Überlagerung verschiedener Sinuswellen mit verschiedenen Frequenzen, Abkürzungen NFL IPL+GCL INL OPL ONL+PIS POS
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Nervenfaserschicht innere plexiforme Schicht und Ganglienzellschicht innere Kernschicht äußerer plexiforme Schicht äußere Kernschicht und Photorezeptorinnensegmente Photorezeptoraußensegmente
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Phasen und Amplituden darstellen (Wiener Theorem, Fourier-Analyse; [3]). So lassen sich dieselben Informationen wie bei der Messung im TD-OCT (x-Achse ist die Zeit) auch als Frequenzspektrum (x-Achse ist die Frequenz) darstellen (Frequency-domain; [3, 11]). Vor einigen Jahren wurden aus dieser Überlegung die Frequency-domain-OCTs (FDOCTs) auf dem Markt eingeführt. Sie eröffnen im Vergleich zu den bisher gebräuchlichen TD-OCTs neue Möglichkeiten in der Abbildungsgenauigkeit wie auch in der Schnelligkeit der Datenerfassung, indem nicht mehr die Laufzeiten des reflektierten Lichts durch einen beweglichen Spiegel gemessen, sondern unterschiedliche Frequenzen des reflektierten Lichts über einen festen Spiegel aufgezeichnet werden [13, 16]. Die Berechnung des Bildes aus den so gewonnenen Daten erfolgt über mathematische Zurückführung der unterschiedlichen Frequenzen (Fourier-Transformation). Es liegt dann wieder eine Zeitfunktion wie beim TD-OCT vor und somit ist auch die Vermessung der einzelnen Ebenen möglich [3]. Bei der Umstellung von einer Methode auf die andere stellt sich jedoch die Frage der Vergleichbarkeit von Messergebnissen, insbesondere dann, wenn Patienten über einen längeren Zeitraum im Verlauf beobachtet werden sollen und an unterschiedlichen Geräten untersucht werden. Dies wird hier modellhaft an 40 ophthalmologisch gesunden Augen von 20 freiwilligen Probanden getestet.
Probanden und Methoden In unserer Auswertung wurde an 40 gesunden Augen (20 freiwillige Normalprobanden mit voller Sehleistung) je eine Untersuchung der Makula (Netzhautdickenmessung, Mapping) mit dem Stratus OCT® (Carl Zeiss Meditec Inc., Version 4,0) sowie dem Spectralis-OCT® (Heidelberg Engineering GmbH 2008, Version 3,1) durchgeführt. Bei den Probanden handelte es sich ausschließlich um Mitarbeiter der Augenklinik der Universität Regensburg, welche mit der Technik und Anwendung des OCT vertraut sind. Die Probanden wurden umfassend darüber aufgeklärt, dass ihre Daten unter Berücksichtigung der Anonymität ausgewertet und die Ergebnisse veröffentlicht werden. Es wurden nur ophthalmologisch gesunde Probanden mit voller Sehleistung in die Auswertung eingeschlossen. Kein Proband musste nach Aufnahme der OCT-Messungen ausgeschlossen werden. Die Messungen wurden insgesamt von einem Untersucher (G.S.) durchgeführt. Es erfolgte der Vergleich der Messungen im „retinal map“ (RM) im Stratus OCT® mit den Messungen im „thickness map“ (TM) im Spectralis-OCT®. Das Stratus OCT® fertigt pro longitudinalem Scan 512 axiale Einzelmessungen an, mit einer Scanrate von 400/s, wobei eine axiale Auflösung von <10µm entsteht. Für die Berechnung der zentralen Makuladicke („retinal map“, RM, . Abb. 1a) werden 6 longitudinale B-Scans radiär
Zusammenfassung · Abstract durch den Fixierpunkt (idealerweise die Fovea centralis) angeordnet und die Bereiche dazwischen interpoliert. Hierbei wird die Dicke der Netzhaut von der inneren Nervenfaserschicht bis zu der ersten äußeren hyperreflektiven Schicht (entsprechend der junktionalen Schicht der Photorezeptorinnen- und Außensegmente) gemessen (. Abb. 2; [9]). Im RM wird die mittlere zentrale Makuladicke (MZMD) für den fovealen Bereich innerhalb eines Durchmessers von 1 mm berechnet sowie die umgebenden Quadranten superior, inferior, temporal und nasal innerhalb eines Abstands von 3 und 6 mm. Zusätzlich wird der Wert als automatisch ermittelte foveale Einzelmessung angegeben. Das Spectralis-OCT® kombiniert ein konfokales Scanning-Laser-Ophthalmo skop (cSLO) mit einem hoch auflösenden Frequency-domain OCT [15]. Eine Scanrate von 40.000 Scans/s ist möglich, es resultiert eine axiale Auflösung <3 µm. Für die Berechnung der zentralen Makuladicke („thickness map“, TM; . Abb. 1b) wurden in dieser Auswertung 19 parallele Linien verwendet. Die Dicke der Netzhaut wird von der inneren Nervenfaserschicht bis einschließlich der äußeren hyperreflektiven Schicht, die dem RPE entspricht, gemessen (. Abb. 2). Im TM wird die MZMD für den fovealen Bereich ebenfalls innerhalb eines Durchmessers von 1 mm berechnet, die umgebenden Quadranten superior, inferior, temporal und nasal innerhalb eines Abstands von 2 und 3 mm. Zusätzlich ist das Ablesen eines automatisch ermittelten fovealen Einzelwerts möglich. In unserer Arbeit erfolgte der Vergleich der MZMD gemessen im zentralen Bereich von 1 mm im RM des Stratus OCT® gegenüber der MZMD in 1 mm Durchmesser im TM des Spectralis-OCT®. Um die klinische Alltagssituation ohne spezielle Mappings darzustellen, wurden automatisch ermittelte zentrale Einzelmessungen im Stratus OCT® mit automatisch ermittelten zentralen fovealen Einzelmessungen im SpectralisOCT® verglichen. Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Programm WinSTAT® (R. Fitch Software, Version 2007.1) und beinhaltete den Kolmogorov-Smirnov-Test auf Nor-
Ophthalmologe 2010 · 107:36–40 DOI 10.1007/s00347-009-1941-1 © Springer Medizin Verlag 2009 S. Chaber · H. Helbig · MA. Gamulescu
Time-domain-OCT versus Frequency-domain-OCT. Messunterschiede der Makuladicke bei Normalprobanden Zusammenfassung Hintergrund. Beim Wechsel von bisher gebräuchlichen Time-domain-OCTs (TD-OCT) auf Frequency-domain-OCTs (FD-OCT) stellt sich die Frage, ob die Messergebnisse vergleichbar sind. Methoden. An 40 gesunden Augen wurde jeweils eine OCT-Untersuchung (Mapping) mit Berechnung der zentralen Netzhautdicke mit dem Stratus OCT® (Carl Zeiss Meditec Inc.; TD-OCT) sowie dem Spectralis-OCT® (Heidelberg Engineering GmbH 2008; FD-OCT) durchgeführt. Ergebnisse. Die mittlere zentrale Makuladicke (MZMD) der Probanden betrug, gemessen im Stratus OCT®, 218 μm und im Spectralis-OCT® 282 μm. Die Differenz betrug im Mittel 69 μm (p<0,001). Der Vergleich der fovealen Einzelmessungen im Stratus OCT® ergab eine Makuladicke von 195 µm und im Spec-
tralis-OCT® von 235 µm. Die Differenz von 40 µm war statistisch signifikant (p<0,001). Schlussfolgerung. Der signifikante Unterschied bei der Bestimmung der MZMD sowie der fovealen Einzelmessungen durch die zwei Geräte kann darauf zurückgeführt werden, dass im Stratus OCT® die Schichten der äußeren Photorezeptorsegmente und des retinalen Pigmentepithels nicht für die Berechnung miterfasst werden, während im Spectralis-OCT® beide Schichten mit eingeschlossen werden. Dieser Unterschied sollte bei der Auswertung bedacht und ggf. korrigiert werden. Schlüsselwörter Stratus OCT® · Spectralis-OCT® · Zentrale Makuladicke · Normalprobanden · Mapping
Time domain OCT versus frequency domain OCT. Measuring differences of macular thickness in healthy subjects Abstract Background. When changing from previously used time domain OCTs (TD-OCT) to frequency domain OCTs (FD-OCT) the question arises how to evaluate the progress of macular disease. Methods. OCT examinations and calculation (mapping) of the central retinal thickness were carried out in 40 healthy eyes with the Stratus OCT® (Carl Zeiss Meditec Inc.; TD-OCT) as well as the Spectralis-OCT® (Heidelberg Engineering GmbH 2008; FD-OCT). Results. The average central macular thickness was 218 µm in the Stratus OCT® and 282
µm in the Spectralis-OCT®. The average difference was 69 µm (p < 0.001). The mean value of single measurements showed a macular thickness of 195 µm when performed with the Stratus OCT® and of 235 µm with the Spectralis-OCT®. The difference of 40 µm was statistically significant (p < 0.001). Keywords Stratus OCT® · Spectralis-OCT® · Central macular thickness · Healthy subjects · Mapping
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Abb. 1 8 a „Radial lines“ (RM) des Stratus OCT®: In diesem Mapping werden zur Berechnung der zentralen Makuladicke 6 longitudinale Scans radiär durch den Fixierpunkt (idealerweise die Fovea centralis) angeordnet und die Bereiche dazwischen interpoliert. b „Parallel lines“ (TM) des Spectralis-OCT®: In diesem Mapping werden zur Berechnung der zentralen Makuladicke 19 longitudinale Scans parallel im Bereich des Fixierpunkts (idealerweise die Fovea centralis) und der umgebenden Retina angeordnet und die Bereiche dazwischen interpoliert
Abb. 2 8 Vergleich der Algorithmen zur Netzhautdickenbestimmung im Stratus OCT®/ Spectralis-OCT®: rote bzw. weiße Linien zeigen den Messbereich der zentralen Makuladicke im entsprechenden Mapping
malverteilung. Bei Normalverteilung der Werte wurde der T-Test verwendet. Wurde die Hypothese einer Normalverteilung abgelehnt, erfolgte die statistische Auswertung mit dem U-Test (Mann-Whitney). Zusätzlich wurde eine Korrelationsanalyse nach Pearson durchgeführt.
Ergebnisse Die 20 Probanden waren im Durchschnitt 29,7 Jahre alt (19,1 bis 39,9 Jahre) und es bestand klinisch kein Anhalt für eine ophthalmologische Erkrankung. Für die Auswertung wurden beide Augen (insgesamt 40 gesunde Augen) untersucht. Die mittlere zentrale Makuladicke (MZMD) in 1 mm Durchmesser betrug im RM des Stratus OCT® 218 µm, im TM des Spectralis-OCT® 282 µm. Die mittlere Differenz von 64 µm war statistisch signifikant (p<0,001). Die MZMD wurde somit im Spectralis-OCT® um durchschnittlich 23% dicker gemessen als im Stratus OCT® (. Abb. 3). Eine Korrelationsanalyse nach Pearson ergab einen Korrelationskoeffizienten von 0,87 (p<0,001), so-
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dass von einem linearen Zusammenhang der Messergebnisse sowie von einer direkten Korrelation ausgegangen werden kann. Der Vergleich der zentralen Makuladicke als automatisch erstellte Einzelmessung im RM sowie im TM ergab eine mittlere Makuladicke von 195 µm im Stratus OCT® und von 235 µm im SpectralisOCT®. Die Differenz von 40 µm war statistisch signifikant (p<0,001). Im Spectralis-OCT® wurde die foveale Einzelmessung um 17% höher bestimmt als bei der fovealen Einzelmessung im Stratus OCT® (. Abb. 4). Die Korrelationsanalyse nach Pearson ergab einen Korrelationskoeffizienten von 0,7 (p<0,001), sodass auch hier von einem linearen Zusammenhang der Messergebnisse sowie von einer direkten Korrelation ausgegangen werden kann.
Diskussion Die optische Kohärenztomographie der Netzhaut hat in den letzten Jahren die Diagnostik in der Augenheilkunde um wichtige Aspekte bereichert und durch die feh-
lende Invasivität den Komfort für den Patienten deutlich gesteigert [2, 4, 5, 6, 7]. Immer bessere Geräte und insbesondere der kürzliche Wechsel von Time-domain- (TD-)OCTs zu den höher auflösenden und schnelleren Frequency-domain- (FD-)OCTs erlauben uns bessere Aussagen zu Krankheitsverläufen und Therapieerfolgen [11]. Beim Vergleich der Messungen beider Geräte zeigen sich jedoch signifikante Unterschiede in der Makuladickenbestimmung. Unsere Auswertung zeigte, dass das FD-OCT die zentrale Netzhaut um ca. 20% (die MZMD um 23%, bei fovealen Einzelmessungen um 17%) dicker misst als das TD-OCT. Leung et al. konnten diesen Effekt ebenfalls darstellen [12], und Forooghian et al. bestätigten dies auch für Augen mit diabetischem Makulaödem [4]. Schnurrbusch et al. stellten in ihrer Studie fest, dass auch mit anderen FD-OCTs wie z. B. dem Cirrus HD-OCT® (C. Zeiss Meditec, Germany) die MZMD signifikant höher gemessen wird als mit dem Stratus OCT® [14]. Dieser Unterschied kann dadurch begründet werden, dass die äußeren hyperreflektiven
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Abb. 3 8 Mittlere zentrale Makuladicke (MZMD) im Vergleich Stratus OCT®/ Spectralis-OCT®. Angabe der 25. bzw. 75. Perzentile der Variablen (Rechteck) mit Median (kurze horizontale Linie innerhalb des Rechtecks). Die Whiskers markieren die 5. und 95. Perzentile. Die Minimal- und Maximalwerte der Stichprobe werden mit einem roten „+“-Zeichen markiert.
Schichten im „thickness map“ des Spectralis-OCT® zur Dickenbestimmung miteingerechnet werden, während dies im „retinal map“ des Stratus OCT® nicht berücksichtigt wird (. Abb. 2). Die Änderung des Mappings im Spectralis-OCT® beruht auf den neuen Erkenntnissen, dass die äußere hyperreflektive Schicht nicht nur dem retinalen Pigmentepithel und der Choriokapillaris entspricht, sondern v. a. auch die äußeren Photorezeptoren beinhaltet [1]. Ein weiterer Unterschied zwischen beiden Geräten besteht darin, dass im RM zur Datenberechnung 6 radiäre Schnitte auf die Retina projeziert und die dazwischenliegenden Bereiche interpoliert werden (. Abb. 1a). Während im Zentrum des entstehenden RM aufgrund der Nähe der einzelnen Schnitte die Daten der Interpolation wohl den tatsächlichen Werten entsprechen, wird der Abstand der Scans nach peripher immer größer und damit auch die Interpolation ungenauer [9]. Im TM des Spectralis-OCT® werden 19 parallele Schnitte durchgeführt, der Abstand zwischen den Scans (20 µm) ist geringer als der äußere Abstand der radiären Scans im Stratus OCT® und bleibt innerhalb der gescannten Fläche gleich (. Abb. 1b). Die Werte dieser Interpolation und das entstehende TM variieren daher nicht so stark. Auch hierdurch entstehen unterschiedliche Datensätze durch die beiden Geräte. Diese Auswertung beschränkt sich auf die zentrale Makuladicke
Stratus-OCT foveale Einzelmessung Map
Spectralis foveale Einzelmessung
Abb. 4 8 Foveale Einzelmessung der zentralen Makuladicke im Vergleich Stratus OCT®/Spectralis-OCT® Angabe der 25. bzw. 75. Perzentile der Variablen (Rechteck) mit Median (kurze horizontale Linie innerhalb des Rechtecks). Die Whiskers markieren die 5. und 95. Perzentile. Die Minimal- und Maximalwerte der Stichprobe werden mit einem roten „+“- Zeichen markiert
im Durchmesser von 1 mm, da hier beide Geräte am besten zu vergleichen sind. Unter anderem ist der zentrale Bereich der Makula für die klinische Beurteilung am aussagekräftigsten, v. a. unter der Annahme, dass der Patient im zentralen Bereich fixiert. Die hier berechnete mittlere Differenz von 64 µm ist sicherlich nicht für alle extrafovealen Sektoren repräsentativ; hier werden weitere Auswertungen neue Erkenntnisse zeigen.
Fazit für die Praxis Es besteht ein signifikanter Unterschied bei der Bestimmung der Makuladicke zwischen dem Stratus OCT® und dem Spectralis-OCT®. Die mittlere zentrale Makuladicke wird im Mapping des Spectralis-OCT® im Mittel um 23% höher gemessen als im Stratus OCT®, bei der fovealen Einzelmessung besteht ein Unterschied von 17%. Diese Unterschiede sind erheblich und könnten ohne Berücksichtigung zu falschen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Therapienotwendigkeit führen. Aus diesem Grund sollte zur Beurteilung des Krankheitsverlaufs die Makuladicke nicht an den unterschiedlichen Geräten verglichen werden bzw. dieser Unterschied immer mit Bedacht und bei Bedarf entsprechend angepasst werden. Dafür wäre eine zusätzliche automatische Funktion am Gerät zum Ausgleich der Messwerte und eine Anpas-
sung der unterschiedlichen Mappings sicher sinnvoll.
Korrespondenzadresse Dr. S. Chaber Klinik und Poliklinik für Augenheilkunde, Universität Regensburg Franz-Josef-Strauss Allee 11, 93053 Regensburg
[email protected] Danksagung. Die Autoren danken dem Photographen Günther Schuch (G.S.) für die Durchführung der OCT-Aufnahmen. Interessenkonflikt. Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
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Leserservice: Themenübersicht 7. Hee MR, Baumal CR, Puliafito CA et al (1996) Optical coherence tomography of age-related macular degeneration and choroidal neovascularisation. Ophthalmology 103(8):1260–1270 8. Huang D, Swanson EA, Lin CP et al (1991) Optical coherence tomography. Science 254:1178–1181 9. Jaffe GJ, Caprioli J (2004) Optical coherence tomography to detect and manage retinal disease and glaucoma. Am J Ophthalmol 137(1):156–169 10. Jeoung JW, Park KH, Kim TW et al (2005) Diagnostic ability of optical coherence tomography with a normative database to detect localized retinal nerve fiber layer defects. Ophthalmology 112(12):2157–2163 11. Leitgeb R, Hitzenberger CK, Fercher AF (2003) Performance of fourier domain vs. Time domain optical coherence tomography. Optics Express 11:889– 894 12. Leung CK, Cheung CY, Weinreb RN et al (2008) Comparison of macular thickness measurements between time domain and spectral domain optical coherence tomography. Invest Ophthalmol Vis Sci. Epub ahead of print 13. Ruggeri M, Wehbe H, Jiao S et al (2007) In vivo three-dimensional high-resolution imaging of rodent retina with spectral domain optical coherence tomography. Invest Ophthalmol Vis Sci 48(4):1808–1814 14. Schnurrbusch UEK, Brinkmann CK, Rothenbühler SP et al (o J) Unterschiede der Netzhautdickenmessungen mit 5 verschiedenen OCT Instrumenten bei gesunden Probanden (DOG Abstract 2008) 15. Van Velthoven ME, Faber DJ, Verbraak FD et al (2007) Recent developments in optical coherence tomography for imaging the retina. Prog Retin Eye Res 26(1):57–77 16. Wojtkowski M, Srinivasan V, Fujimoto JG et al (2005) Three-dimensional retinal imaging with high-speed ultrahigh-resolution optical coherence tomography. Ophthalmology 112(10):1734–1746 17. Wolf E (1969) Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data. Optics Communications 1(4):153– 156
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