DE69433413T2

DE69433413T2 - Optische darstellung des blutkreislaufs und von abnormalen gefässstrukturen in der aderhaut des auges

Info

Publication number: DE69433413T2
Application number: DE69433413T
Authority: DE
Inventors: Walter Robert FLOWER
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: PT801534E; EP0801534A4; DE69433413D1; ATE255845T1; EP0801534B1; DK0801534T3; EP0801534A1; JP3310676B2; JPH10506550A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der optischen Darstellung chorioidaler Neovaskularisation (CNV) während der Angiographie durch intravenöses Injizieren eines fluoreszenten Farbstoffs, wobei der Farbstoff die Gefäßanordnung (Vaskulatur) eines Auges füllt; Anregen des Farbstoffs, wodurch das Ausstrahlen einer Fluoreszenz aus der Gefäßanordnung hervorgerufen wird; und Aufnehmen eines angiographischen Bildes der Fluoreszenz von der CNV. Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung, um eine solche verbesserte optische Darstellung herbeizuführen; umfassend eine Funduskamera; eine Anregungslichtquelle, die an die Funduskamera gekoppelt ist; und ein Mittel zum Empfangen von Bildern von der Funduskamera.
Stand der Technik
Ein verwandtes Verfahren und eine verwandte Einrichtung sind im US-Patent 5,279,298 gezeigt, das darauf zielt, zu ermöglichen, daß eine neovaskuläre Membran in der Okularen Vaskulatur des Augenfundus identifiziert und durch Eliminieren des Defekts behandelt wird, während der Schaden an der sensorischen Retina minimiert wird.
Allgemein muß betont werden, daß es nur wenige Informationen über den Blutfluß durch Kapillarplexus gibt, der in der Zeitskala des Herzzyklus auftritt. Dies kommt teilweise daher, daß die direkte optische Darstellung solcher Plexus üblicherweise technologisch schwierig oder unmöglich ist und die meisten Blutflußmessungsmethodologien erfordern, daß Daten über viele Herzzyklen hinweg erhalten werden. Darüber hinaus entsteht, wenn die Kapillarplexus komplexe vaskuläre Geometrien aufweisen und von vielen Arteriolen gespeist werden, das zusätzliche Problem des Aussonderns von Blutflußverteilungen. Ein Beispiel eines Kapillarplexus ist der in der Hirnrinde gefundene. Ein weiteres Beispiel, das für Wissenschaftler von großem Interesse ist, die sich mit dem Studium des Auges befassen, ist die Choriokapillaris, eine von drei Blutgefäßschichten der Choroidea.
Die chorioidale Zirkulation des Auges trägt eine Hauptverantwortung für die Aufrechterhaltung der darüberliegenden sensorischen Retina. Ein Verfahren des Standes der Technik hat die routinemäßige optische Darstellung/Visualisierung/Sichtbarmachung der gesamten chorioidalen Zirkulation ermöglicht, das heißt, daß alle drei Gefäßschichten der Choroidea optisch dargestellt werden können, wobei eine die andere überlagert. Die innerste Schicht, die Choriokapillaris, macht alle nährenden Gefäße für die chorioidale Zirkulation aus (d. h. in denen der metabolische Austausch mit der Retina stattfindet). Die Choriokapillarschicht nimmt die Ebene ein, die der sensorischen Retina direkt benachbart ist.
Obwohl chorioidale Angiogramme alle Gefäße der Choroidea zeigen, sind die Informationen, die speziell die Choriokapillaris betreffen, die wichtigsten, und es gibt widersprüchliche Ansichten über die Organisation der Choriokapillaris des posterioren Pols, insbesondere, was den Blutfluß durch sie betrifft. Das Verfahren des Gewinnens von Informationen über die Choriokapillaris aus einem Indocyaningrün(ICG)-Angiogramm ist daher für den Kliniker wichtig, der daran interessiert ist, die metabolische Hinlänglichkeit und Stabilität der chorioidalen Zirkulation zu beurteilen.
Zahlreiche Forscher haben die Angiographie und eine Vielfalt an histologischen Methoden verwendet, um das derzeitige Informationsmaterial über die chorioidale Zirkulation zu sammeln. Obwohl die groben Aspekte der chorioidalen Angioarchitektur und des Blutflusses durch die Anstrengungen von Forschern reichlich aufgedeckt worden sind, existieren immer noch Kontroversen bezüglich regionaler Unterschiede in der Morphologie. Zusätzliche Kontroversen sind auch bezüglich der Einzelheiten des Blutflusses durch dieses hochkomplizierte vaskuläre Netzwerk entstanden.
Von besonderem Interesse ist der Blutfluß durch die Choriokapillaris, weil in dieser vaskulären Schicht, wie oben erörtert, die Nährfunktion der chorioidalen Zirkulation stattfindet. Obwohl der Zustand der größeren chorioidalen Blutgefäße sicherlich den choriokapillaren Blutfluß beeinflussen muß, ist letztlich ein genaues Verständnis des choriokapillaren Blutflusses selbst grundlegend für das Verständnis der Rolle der Choroidea in der Pathophysiologie retinaler Erkrankung.
Hochgeschwindigkeits-Indocyaningrün(ICG)-Farbstofffluoreszenzangiographie wurde entwickelt, um die Hauptprobleme zu überwinden, auf die man beim Versuch trifft, den schnellen chorioidalen Blutfluß optisch darzustellen, dem man in der Natriumfluoreszeinangiographie begegnet. ICG-Angiographie benutzt Nah-Infrarot-Wellenlängen, die das retinale Pigmentepithel und das chorioidale Pigment mit relativer Leichtigkeit durchdringen. Während Fluoreszenz aus der Choriokapillaris, die aus intravenös injiziertem Natrium fluoreszeinfarbstoff (dem anderen in okularer Angiographie verwendeten Standardfarbstoff) resultiert, hauptsächlich aus extravasierten Farbstoffmolekülen oder solchen, die an den Gefäßwänden haften, zu entstehen scheint, entsteht ICG-Fluoreszenz aus Farbstoffmolekülen, die an Blutprotein im sich bewegenden Blutvolumen gebunden sind.
Unzweifelhaft werden Scanninglaserophthalmoskop-Fluoreszeinangiographie (die ebenfalls ICG-Farbstoff verwenden kann) und die experimentelle Methode des Injizierens von in Lipidvesikeln eingekapseltem Fluoreszein schließlich zusätzliche Informationen über chorioidalen Blutfluß liefern; aber mit Bezug auf klinische chorioidale Angiographie stellt ICG-Angiographie die beste zeitliche und räumliche Auflösung bereit, wodurch die optische Darstellung des Farbstoffdurchtritts durch die Choroidea unter normalen physiologischen Bedingungen ermöglicht wird (d. h. ohne den Blutfluß durch solche Verfahren wie das Anheben des intraokularen Drucks künstlich verlangsamen zu müssen).
Wenn intravenöse Farbstoffinjektionen vorgenommen werden, ist es jedoch aufgrund der viel höheren Fluoreszenzpegel, die aus den darunterliegenden Gefäßen mit großem Durchmesser entstehen, schwierig, die Choriokapillaris in einzelnen ICG-Angiogrammbildern zu beobachten. Aufgrund dieser vielschichtigen Organisation der chorioidalen Vaskulatur wird eine Beobachtung der Choriokapillaris mit fluoreszenter Farbstoffangiographie am besten erreicht, wenn ein Farbstoffbolus von sehr kleinem Volumen mit einer scharf definierten Wellenfront durchtritt. Nach intrakarotider Injektion eines sehr kleinen ICG-Farbstofibolus sind zum Beispiel ICG-Angiogramme erzeugt worden, die deutlich den vollständigen Zyklus den Farbstoffdurchtritts durch einen einzelnen Lobulus unter normalen physiologischen Bedingungen zeigen. (Lobulus ist ein Term, der verwendet wird, um drei- bis sechsseitige vaskuläre Einheiten zu bezeichnen, die über die ganze Choriokapillaris ein Mosaikmuster bilden. Jeder Lobulus besteht aus einem Cluster von schmalen, engmaschigen Kapillaren, die aus einem zentralen Fokus auszustrahlen schienen, an dem eine Speisearteriole an der hinteren Wand der Kapillaren eintritt.)
Offensichtlich wird der Fortschritt einer scharf definierten Wellenfront durch das Kapillarnetzwerk leichter verfolgt als eine schlecht definierte. Weiterhin werden Bilder der farbstoffgefüllten Kapillaren von höherem Kontrast sein, wenn das Bolusvolumen klein genug ist, um die darunterliegenden vaskulären Schichten zu verlassen, bis es in die Choriokapillaris eintritt, als wenn gleichzeitig eine signifikante Fluoreszenz von unten vorhanden ist.
Unglücklicherweise wird durch intravenöse Injektion keine der obigen Bedingungen leicht erzeugt, obwohl der Durchtritt eines Farbstoffbolus durch die Choroidea durch eine geeignete Injektionstechnik optimiert werden kann. Als Folge daraus ist es extrem schwierig, eine Farbstoffüllung der Choriokapillaris in unaufbereiteten ICG-Fluoreszenz-Angiogrammen zu isolieren, selbst wenn sie bei hoher Geschwindigkeit aufgezeichnet werden. Daher besteht Bedarf an einem Verfahren, das es ermöglicht, Informationen über das Füllen der Choriokapillaris aus ICG-Farbstoffangiogrammen mit venöser Injektion zu gewinnen.
Trotz ihres Unvermögens, vollständige Informationen über die Choriokapillaris bereitzustellen, können ICG-Fluoreszenzangiogramme der chorioidalen Zirkulation anomale vaskuläre Strukturen in der Choroidea darstellen, die das Sehvermögen signifikant verringern. Altersbezogene Makuladegeneration (AMD) ist der Hauptgrund von bedeutender visueller Beeinträchtigung bei älteren Menschen. Diese Krankheit ist häufig durch die Entwicklung von chorioidalen Neovaskularisations(CNV)-Membranen gekennzeichnet, die in den subretinalen Raum eindringen, was zur Verschiebung der sensorischen Retina und als Ergebnis einer nachfolgenden Blutung oft zu einer Blockierung des visuellen Weges führt.
Die Behandlung von AMD erfolgt vor allem durch Laser-Fotokoagulation der neovaskulären Membran. Diese Behandlung ist jedoch in dem Ausmaß erfolgreich, in dem die Membran präzise vermessen werden kann; dies liegt daran, daß solche Membranen (per Definition) im Makulabereich liegen und oft auf die Fovea übergreifen. Unangemessene Anwendung von Fotokoagulation kann leicht zur Zerstörung von Sehvermögen hoher Schärfe und/oder beschleunigtem Wachstum der CNV führen.
Diagnose und Behandlung von AMD sind stark auf die Interpretation von Angiogrammen angewiesen (sowohl Fluoreszein als auch ICG). Häufig ist die Morphologie von CNV-Verletzungen solchermaßen beschaffen, daß die Membranen in Fluoreszeinangiogrammen, wenn überhaupt, als wenig mehr als verschwommene Flecke erscheinen, insbesondere, wenn die Membran unter einer serösen Ablösung liegt. Darüber hinaus wird heute erkannt, daß ICG-Angiogramme für eine Klasse von CNV, die als "okkulte CNV" bezeichnet wird, notwendige Behandlungsdaten zur Verfügung stellen, was Natriumfluoreszeinangiogramme nicht können.
Eine weitere Hauptschwierigkeit im Einsatz von ICG-Angiogrammen bei der Anwendung von Laser-Fotokoagulationstherapie ist, daß die retinal-vaskulären Marksteine, auf die sich der Chirurg verlassen muß, wenn er mit dem Laser zielt, in den ICG-Angiogrammen oft fehlen. Die übliche Herangehensweise zum Lösen dieses Problems ist, während einer separaten Sitzung Farbfotografien des Fundus und Natriumfluoreszeinangiogramme des selben Auges des Patienten aufzunehmen; es ist dann notwendig, zu versuchen, das chorioidale ICG-Angiogramm und die retinale Fotografie oder das retinale Fluoreszeinangiogramm übereinander zu legen. Wegen des Unvermögens, das Auge während jeder der beiden angiographischen Prozeduren auf exakt die gleiche Weise auszurichten, versagt diese Technik oft. Trotzdem ist die sehr präzise Ausrichtung (innerhalb lediglich 50 Mikron der Retina) unerläßlich, um Laser-Fotokoagulation nahe der Fovea sicher anzuwenden und gleichzeitig sicherzustellen, daß der Fovea selbst kein bedeutender dauerhafter Schaden zugefügt wird.
Daher besteht ein Bedarf an neuen Verfahren und Einrichtungen, um sowohl eine bessere optische Darstellung anomaler vaskulärer Strukturen, wie z. B. CNV, und sicherere und präzisere Laser-Fotokoagulation zu gestatten, um das Auge von solchen Strukturen zu befreien und das Sehvermögen zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zur optischen Darstellung von CNV (nicht beansprucht) beruht auf den Voraussetzungen, daß das Füllen der Choriokapillaris mit Farbstoff – weil sie pulsierend ist – schneller als das Füllen der darunterliegenden Gefäße von größerem Durchmesser mit Farbstoff ist und daß die Fluoreszenz aus diesen beiden überlappenden Schichten additiv ist. Die Voraussetzung bezüglich der Blutgeschwindigkeit in der Choriokapillaris steht der herkömmlichen Überzeugung bezüglich der Beziehung zwischen Blutgeschwindigkeiten in Eltern- und Tochtergefäßen in den meisten vaskulären Betten entgegen.
Kurz gesagt besteht die Idee darin, zu erkennen, daß die Pixel-für-Pixel-Subtraktion eines Bildes von einem nachfolgenden Bild in einer ICG-angiographischen Sequenz chorioidaler Bilder eine resultierende Bildsequenz bildet, die Fluoreszenz nur aus den Strukturen entstehend zeigt, in denen die schnellste Blutbewegung stattfindet, d. h. in der Choriokapillaris und in CNV-Gefäßen.
Dieses Subtraktionsverstärkungsverfahren ermöglicht es, Informationen über das Füllen der Choriokapillaris mit Farbstoff zu gewinnen, indem die Unterschiede der Blut flußraten von großen Gefäßen und der Choriokapillaris, die natürlich existieren, ausgenutzt werden. Anstatt chorioidale Schichten durch die zeitliche Sequenz des Erscheinens von Farbstoffboli zu unterscheiden, sind es die Farbstoffüllraten, die zu ihrer Trennung dienen.
Die Realisierung des vorliegenden Verfahrens hängt nur davon ab, ein vorhandenes Funduskamerasystem so zu konfigurieren, daß es eine ausreichende zeitliche Auflösung und Vergrößerung der Fundusstruktur aufweist. Das beschriebene Verfahren wurde auf Hochgeschwindigkeits-ICG-Fluoreszenzangiogramme angewendet, um Informationen über die Haemodynamik der Choriokapillaris zu unterstreichen.
Um CNV besser optisch darzustellen und die Behandlung von AMD zu erleichtern, besteht die Erfindung jedoch aus einer modifizierten Funduskamera mit einem polarisierenden Filter vor der Anregungslichtquelle und einem analysierenden Polarisator vor der Videokamera. Vom Augenfundus ausgehende ICG-Farbstofffluoreszenz enthält eine signifikante Komponente an polarisiertem Licht, und die Rotation des Analysatorfilters führt dazu, daß ungewollte Fluoreszenz (d. h. solche, die nicht mit vaskulären Strukturen, sondern vielmehr mit gestreutem Licht assoziiert ist) in einem Ausmaß unterdrückt wird, daß die darunterliegende CNV besser optisch dargestellt werden kann. Dieses besondere Verfahren beeinflußt die unbearbeiteten, rohen angiographischen Bilder insoweit, daß es den Signal-Rausch-Gehalt der einzelnen angiographischen Bilder verbessert; anschließend ergeben die subtrahierten rohen Bilder ein klareres resultierendes Bild.
Genauer liegt die vorliegende Erfindung darin, das Verfahren zur optischen Darstellung von dem Typ bereitzustellen, der die Schritte umfaßt, die im Eingangsabsatz dieser Beschreibung dargelegt sind, indem Fluoreszenz außer der Fluoreszenz aus der CNV unterdrückt wird, indem ein polarisierendes Filter vor der Anregungslichtquelle und ein analysierender Polarisator, der in einer Funduskamera plaziert ist, verwendet werden, wenn das angiographische Bild aufgenommen wird. Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Einrichtung zur Verbesserung der optischen Darstellung von CNV vor, umfassend eine Struktur des Typs, der auch im Eingangsabsatz dieser Beschreibung erklärt ist, indem ein polarisierendes Filter vor die Lichtquelle und ein analysierender Polarisator zwischen dem Empfangsmittel und der Funduskamera plaziert werden, wobei das Empfangsmittel vorzugsweise eine Videokamera umfaßt.
Wenn die anomale Vaskularstruktur durch die Polarisations- und Subtraktionsverfahren optisch dargestellt und skizziert sind, aber bevor die Laser-Fotokoagulationstherpie beginnen kann, muß der Chirurg sicher sein, daß er oder sie ordentlich mit dem Laser zielen kann. Das vorliegende Verfahren kann weiterhin auf die übliche Praxis des Durchführens einer Fluoreszeinangiographie vor dem Durchführen der ICG-Angiographie beruhen und nutzt die Tatsache aus, daß der Fluoreszeinfarbstoff mehr als eine Stunde mit der Retinalvaskulatur assoziiert bleibt.
Es kann eine ICG-Funduskamera verwendet werden, die eine integrierende Kugel, die an Lichtquellen zur Anregung von sowohl ICG- als auch Natriumfluoreszeinfarbstoff-Fluoreszenzen gekoppelt ist, aufweist und die eine Gate-gesteuerte ladungsgekoppelte Baustein(CCD)-Videokamera verwendet, um die angiographischen Bilder zu erfassen. Lichtzufuhr an die integrierende Kugel erfolgt über zwei faseroptische Kabel, die jeweils mit einer von zwei Lichtquellen verbunden sind. Eine Quelle ist ein Laserausgang bei der Wellenlänge, die zur Anregung von Natriumfluoreszeinfarbstoffs benötigt wird (480 nm, d. h. ein frequenzverdoppelter Nd-Yag); es wird auch erkannt, daß eine verschlossene Lichtquelle von gefiltertem Glühlicht anstelle eines frequenzverdoppelten Lasers verwendet werden kann. Die andere Quelle ist ein Diodenlaserausgang zur Anregung des ICG-Farbstoffs (805 nm).
Wenn der ICG-Farbstoff die chorioidale Zirkulation durchtritt, nimmt die Gategesteuerte Videokamera Bilder des ICG-Farbstoffs auf, indem sie bewirkt, daß die 805 nm-Laserdiode synchron mit der Videokamera ausgelöst wird. Geeignetes Programmieren der Kamera und der Lichtquellen sind so konfiguriert, daß die 480 nm-Lichtquelle in gleichmäßigen Abständen (z. B. jedes achte Bild) ausgelöst und gleichzeitig im Sperrfilter vor der Videokamera eine geeignete Änderung vorgenommen wird.
Um das Beispiel jedes achten Einzelbilds zu benutzen, wird eine Sperrfilteränderung realisiert, indem vor der Videokamera einfach eine acht Filter enthaltende, rotierende Scheibe plaziert wird. Dieses Filterrad dreht sich synchron mit den Auslösevorgängen der Kamera, so daß jedes achte Einzelbild einer Positionierung des Natriumfluoreszein-Sperrfilters vor der Kamera entspricht. Weil die Sequenz der Angiogramme bei hohen Geschwindigkeiten aufgenommen wird (etwa 15–30 Bilder/Sekunde), sind Augenbewegungen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern nicht signifikant, was die exakte Erfassung der Bilder trivial macht. Daher schafft das Verfahren die Fähigkeit, die in Natriumfluoreszeinangiogrammen enthaltenen Retinalgefäßmarksteine exakt auf die dargestellten CNV-Verletzungen in den ICG-Angiogrammen zu überlagern, wie dies vom Chirurgen benötigt wird, um einen Laser zur Behandlung präzise zu fokussieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1, bestehend aus 1a und 1b, stellt ein ICG-Fluoreszenzbild von Schichten aus ICG-gefärbtem Blut dar, um Fluoreszenzadditivität zu zeigen, bzw. einen aus dem Bild erzeugten Graph.
2, bestehend aus 2a und 2b, stellt schematisch die Helligkeit von fluoreszentem Licht dar, das von zwei verschiedenen Blutgefäßen zu Zeiten t₁ bzw. t₂ ausgestrahlt wird.
3, bestehend aus 3a, 3b, 3c und 3d, sind in 3a und 3b ICG-Fluoreszenzbilder, die ein 50 Grad-Sichtfeld zeigen, das auf die Makula eines rechten Auges zentriert ist; die Bilder wurden mit einem Abstand von 1/15 Sekunde aufgenommen. 3c ist das Ergebnis des Subtrahierens des Bildes der 3a vom Bild der 3b, und 3d ist einfach eine Vergrößerung von 3c.
4 stellt ein Funduskamerasystem dar, das modifiziert ist, um die in 3a und 3b zu sehenden Angiogramme bereitzustellen.
5, bestehend aus 5a, 5b, 5c und 5d, stellt vier Bilder eines linken Auges dar, die aus einer durch das Subtraktionsverfahren der Erfindung erzeugten Bildersequenz ausgewählt wurden.
6 stellt ein Funduskamerasystem dar, das modifiziert ist, um ungewollte Fluoreszenz zu unterdrücken.
7 stellt ein Funduskamerasystem dar, das modifiziert ist, um überlagerte Angiogramme bereitzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wiederholte Echtzeitbeobachtungen haben gezeigt, daß es während des ICG-Farbstoffübergangs, nachdem sich die großen chorioidalen Arterien füllen, eine schnell pulsierende schwache und diffuse Fluoreszenz gibt, die über die stetige Fluoreszenz der großen Gefäße am posterioren Pol überlagert wird. Es scheint, daß diese Pulsationen bei einer höheren Frequenz als die Herzrate auftreten, und sie erscheinen weniger auffällig, wenn sich die großen chorioidalen Venen gefüllt haben. Anschließende Einzelbild-für-Einzelbild-Analyse der Angiogramme weist jedoch darauf in, daß die Frequenz, die größer ist als die Herzrate, ein Wahrnehmungsphänomen ist, das aus dem phasenverschobenen pulsierenden Füllen von einzelnen Lobulen resultiert, alle bei Frequenzen nahe der Herzrate.
Leider ist bisher nicht genügend über Einzelheiten der Hämodynamik der Choriokapillaris bekannt, um die beobachteten Fluoreszenzintensitätsveränderungen in der Choriokapillaris, die schneller als in den größeren darunterliegenden Gefäßen sind, mit Sicherheit zu erklären, aber der wahrscheinlichste Grund ist, daß die Blutflußgeschwindigkeit der Choriokapillaris größer als die durch die darunterliegenden chorioidalen Gefäße ist. Die Erfindung basiert auf den Voraussetzungen, daß die Fluoreszenzintensitäten der ICG-gefüllten Choriokapillaris und der darunterliegenden Gefäße additiv sind und daß es erkennbare Unterschiede in den Änderungsraten der Fluoreszenzintensitäten gibt, die von den Choriokapillaren und den darunterliegenden chorioidalen Gefäßen ausgehen, wenn sie sich mit Farbstoff füllen.
Obwohl der durchschnittliche Querschnittsdurchmesser der Choriokapillaris viel kleiner als der der darunterliegenden arteriellen und venösen Gefäße ist, die sie speisen und ableiten, scheint es, daß Fluoreszenz aus den beiden vaskulären Schichten additiv ist. ICG-Fluoreszenzadditivität wurde demonstriert, indem ein Treppenstufenkeil von überlappenden dünnen Schichten von heparinisiertem, ICG-Farbstoff (0,03 mg/ml) enthaltendem Blut erzeugt wurde; jede Stufe wurde von einer dünnen Schicht des Blutes gebildet, das sandwichartig zwischen zwei Objektträger-Deckgläsern plaziert wurde.
1a zeigt ein ICG-Fluoreszenzbild der Treppenstufen. Die horizontale weiße Linie durch die Mitte der Bilder gibt die Bahn an, entlang der die Bildpixelhelligkeit (d. h. Graustufe) gemessen wurde, um den Graph in 1b zu erzeugen, was die schrittweise Zunahme der Fluoreszenz demonstriert, wenn die Zahl der überlappenden Blutschichten zunimmt.
Die Änderungsrate der Farbstofffluoreszenzintensität in Choriokapillaren, die größer ist als die in den größeren darunterliegenden Gefäßen, ist schematisch in 2a und 2b gezeigt. In 2a sind die Helligkeit eines Gefäßes mit großem Durchmesser und eines darüberliegenden Choriokapillarisgefäßes (beide im Querschnitt) als Vektoren I_A bzw. I_C angedeutet. Das von beiden ausgestrahlte fluoreszente Licht wird zur Zeit t₁ von einem Lichtsensor S detektiert. In 2b ist der Status der gleichen beiden Gefäße und des Sensors zu einer späteren Zeit t₂ gezeigt, wobei ΔI_A bzw. ΔI_C die inkrementellen Helligkeitszunahmen der beiden Gefäße sind. Daher ist die vom Sensor zu t₁ ermittelte Gesamthelligkeit: St1 = IA + IC
Zur Zeit t₂ ist die ermittelte Gesamthelligkeit: St2 = IA + IC + ΔIA + ΔIC
Die Änderung der ermittelten Gesamthelligkeit, die zwischen t₁ und t₂ auftrat, ΔS, ist dann: ΔS = St2 – St1 = ΔIA+ ΔIC
Aber da ΔI_A << ΔI_C, ist ΔS = ΔI_C.
Mit anderen Worten ist die kleine Änderung der kombinierten Helligkeit von überlappender Kapillare und größerem Gefäß, die während eines kurzen Zeitintervalls auftritt, praktisch vollständig dem Choriokapillarisgefäß zuzuordnen. Dieses Phänomen kann durch das Verfahren der Erfindung demonstriert werden, d. h. indem ein Bild in einer Hochgeschwindigkeits-ICG-Fluorszenzangiogrammsequenz Pixel für Pixel von einem nachfolgenden Bild subtrahiert wird, wie in 3a–d gezeigt. 3a und 3b sind angiographische Bilder, die im Abstand von 1/15 Sekunde aufgenommen wurden. 3c ist das Ergebnis des Subtrahierens dieser beiden Bilder, und 3d ist einfach eine Vergrößerung von 3c.
Man beachte, daß im resultierenden Bild (3c oder 3d) lobuläre Strukturen zu sehen sind, die in beiden ursprünglichen Bildern (3a oder 3b) nicht ersichtlich waren. Anstelle der farbstoffgefüllten retinalen Arterien, die in den ursprünglichen Bildern zu sehen sind, sieht man im resultierenden Bild auch nur eine Farbstoffwellenfront, die die Bewegung von zusätzlichem Farbstoff in die retinalen Arterien nahe der Scheibe wiedergibt. Je besser der Farbstoffbolus räumlich definiert ist, desto dramatischer ist natürlich der Effekt der Erfindung. Nicht alle intravenös injizierten Faxbstoffboli erzeugen solch dramatische Ergebnisse, wie sie in diesem Beispiel erreicht wurden, aber in jedem Fall gibt es eine Verstärkung der Choriokapillarkomponente der Fluoreszenz. Man beachte, daß das Subtraktionsverfahren der Erfindung durch Subtrahieren des Bildes von einem beliebigen nachfolgenden Bild arbeiten soll.
Um das Verfahren zu testen, wurden fünf normale Rhesusaffen im Alter von zwei bis drei Jahren verwendet. Für jede Beobachtung wurde ein Affe durch intramuskulare Injektion von Ketaminhydrochlorid (10 bis 15 mg/kg) immobilisiert, intubiert und dann mit Halothan leicht betäubt gehalten; durch topische Anwendung von 1% Tropicamide wurde Mydriasis induziert. Kleine Boli (etwa 0,05 ml) ICG-Farbstoff (12,5 mg/ml) wurden durch einen Katheter in die Vena saphena magna injiziert, und es folgte sofort eine 2,0 ml Salzspülung. Der Durchtritt des Farbstoffes durch die chorioidale Vaskulatur wurde unter Verwendung einer modifizierten Zeiss-Funduskamera ermittelt und durch PC-basierende Video-Bilddigitalisierer direkt digital aufgezeichnet. Für jeden Affen wurden an verschiedenen Tagen mindestens drei angiographische Studien desselben Auges durchgeführt.
Im obigen Test wurde, wie in 4 gezeigt, die übliche Funduskamera 10 modifiziert, indem die Xenonblitzröhren-Lichtquelle durch eine Laserdiode 12 mit einer Wellenlänge von 805 nm ersetzt wurde, die über eine kleine integrierende Kugel 16 mit der Funduskamera-Illuminationsoptik 14 gekoppelt war, deren Ausgangsöffnung sich an der Position befand, die normalerweise durch den Blitzröhrenbogen besetzt ist. Das übliche Mittel der Funduskamera zum Empfangen von Bildern, d. h. die fotografische Filmkamera, wurde durch ein infrarotsensitives Vidiconrohr (Modell 4532URI Ultracon, Burle Industries) 18 ersetzt (eine ladungsgekoppelte Einrichtung könnte anstelle des Vidiconrohrs verwendet werden), vor dem ein Cut-On-Filter 20 mit einer Wellenlänge von 807 nm angeordnet wurde, um das Anregungslaserlicht auszuschließen, während das ICG-Farbstoff-Fluoreszenzlicht eingelassen wurde. Der chorioidale Farbstoffübergang wurde in 32 aufeinanderfolgenden angiographischen Videobildern bei einer Rate von 30 oder 15 Einzelbildern pro Sekunde von zwei digitalen Bilddigitalisierern (Modell 2861-60, Data Translation) (nicht gezeigt), die in einem Personal-Computer (Compaq, Modell 386/25e) (nicht gezeigt) installiert waren, aufgezeichnet.
5 faßt die angiographischen Erkenntnisse zusammen, die man im obigen Test durch Anwendung des Bildsubtraktionsverfahrens der Erfindung erhielt. In diesem Beispielfall wurde jedes Bild in einer ICG-angiographischen Sequenz mit 15 Einzelbildern/Sekunde vom ihm direkt folgenden Bild subtrahiert; die Bilder in 5 wurden aus der resultierenden Sequenz von subtrahierten Bildern ausgewählt.
Der Farbstoff tritt zunächst in den Makulabereich der Choriokapillaris ein, der temporal zu und über den Punkten liegt, an denen die kurzen posterioren ziliaren Arterien in das Auge treten (5a). In der Mitte des Angiogramms ist ein lobuläres Muster zu sehen, insbesondere gerade nasal zur Mitte; hier ist ein Cluster von ungefüllten Lobulen gezeigt (Pfeile). 0,133 Sekunden später (5b) ist der gesamte mittlere Bereich vollständig gefüllt, obwohl zwei kleinere Cluster von sich spät füllenden Lobulen oberhalb der Mitte zu sehen sind (Pfeile). Das Füllen der Choriokapillaris schreitet nahezu radial vom Makulabereich fort. Bei eingehender Prüfung dieses Bildes ist ein schwacher Verlust von Fluoreszenz um Lobulen zu sehen; diese entsprechen wahrscheinlich Choriokapillaris-Ableitkanälen.
5c ist 0,200 Sekunden später als 5b. Sie deutet an, daß die radial orientierte Welle des Füllens der Choriokapillaris mit Farbstoff abgeschlossen ist, und die Farbstoffverteilung am Bereich des posterioren Pols erscheint ziemlich gleichförmig. Dieses Bild deutet an, daß die erste Welle der Farbstoffüllung in der Mitte des Makulabereichs vollständig ist, wie durch das Erscheinen von relativ hypofluoreszenten Bereichen angedeutet wird, die in 5a hyperfluoreszent waren.
In 5d, 0,133 Sekunden später, erscheint es, daß die erste Wellenfront des Farbstoffüllens den peripheren Bereich erreicht hat; in diesem Stadium ist 5d beinahe ein vollständig umgekehrtes Kontrastbild der 5a.
Die Wellenfront des Farbstoffüllens bewegte sich in etwa 0,466 Sekunden radial vom Makulabereich zur Peripherie des 30 Grad-Sichtfeldes. Dieses Gesamtfüllmuster war in jedem beobachteten Auge vorhanden, und Einzelheiten der Füllmuster waren für jedes untersuchte Auge von Beobachtung zu Beobachtung erstaunlich konsistent.
ICG-Fluoreszenzangiographie wird allmählich sowohl von Forschern als auch Klinikern immer häufiger verwendet, um die chorioidale Zirkulation zu untersuchen. Natürlich werden, wenn solch neue Werkzeuge in einer Vielfalt neuer Arten angewandt werden, um die Choroidea zu studieren, alte Konzepte darüber und deren Physiologie wieder überprüft werden, und manche werden sich ändern oder vollständig neuen Konzepten Raum machen. Glücklicherweise können manche Ansätze zur Analyse chorioidaler Angiogramme, wie das oben beschriebene Subtraktionsverfahren, sowohl in tierischer als auch in menschlicher klinischer Forschung mit vollständiger Sicherheit angewendet werden, was vielleicht ein besseres Verständnis von chorioidalem Blutfluß in Gesundheit und Erkrankung beschleunigt.
ICG-Fluoreszenzangiographie wird in der Diagnose und Behandlung von AMD verwendet; wie jedoch oben erwähnt, ergibt sich die Schwierigkeit im Versuch, chorioidale Neovaskularisation (CNV) präzise zu vermessen. Ein neuer Aspekt dieses Verfahrens liegt in der Erkenntnis, daß aus einem Farbstoffmolekül entstehende Fluoreszenz Informationen über die Vorgänge enthält, die während der Zeit zwischen Anregung und Ausstrahlung von Licht durch das Molekül im Molekül stattfinden. Darüber hinaus kann die Fluoreszenz von Molekülen durch die Merkmale der Substanzen, an die das Molekül gebunden ist, und durch den Charakter der Bindung, die stattgefunden hat, beeinflußt werden.
Im Fall von ICG-Farbstoff in der Vaskulatur eine Auges, das CNV enthält, kann sich der Farbstoff zum Beispiel mit größerer Affinität an das neovaskuläre Endothel als an bestehende Endothele binden. In einem solchen Fall kann die aus diesen gebundenen Farbstoffmolekülen entstehende Fluoreszenz deutlich unterschiedlich von der Fluoreszenz sein, die mit ICG-Farbstoffmolekülen verbunden ist, die an andere Arten von Protein in der Cirrusflüssigkeit gebunden sein können, oder von ICG-fluoreszentem Licht, das einfach durch die Anwesenheit von Proteinmolekülen in der Cirusflüssigkeit gestreut wird. In jedem Fall ist die Ellipsometrie ein geeignetes Werkzeug zur Verbesserung der optischen Darstellung von CNV.
Wie in 6 gezeigt, ist das Verfahren dann eine modifizierte Funduskamera 22 mit einem polarisierenden Filter 24 vor der Anregungslichtquelle 26 und einem analysierenden Polarisator 28 vor der Videokamera 30. ICG-Farbstoff erzeugt einen hohen Grad an polarisiertem Licht, und eine Rotation des Analysatorfilters resultiert darin, daß die Fluoreszenz von der serösen Flüssigkeit in einem Ausmaß unterdrückt wird, daß die darunterliegende CNV besser optisch dargestellt werden kann. Dieser besondere Vorgang beeinflußt die unbearbeiteten, rohen angiographischen Bilder insofern, als er den Signal-zu-Rausch-Gehalt der individuellen angiographischen Bilder verbessert; anschließend führen die subtrahierten rohen Bilder zu einem klareren resultierenden Bild.
Wenn eine anomale vaskuläre Struktur wie z. B. CNV einmal klar dargestellt ist, kann sie unter Verwendung von Laser-Fotokoagulationstherapie behandelt werden; wie oben angemerkt, erfordert das genaue Zielen mit dem Laser jedoch das Überlagern eines TCG-Angiogramms und einer retinalen Fotografie oder eines retinalen Fluoreszeinangiogramms. Das Verfahren resultiert aus der üblichen Praxis des Durchführens von Fluoreszeinangiograpie vor dem Durchführen von ICG-Angiographie, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß der Fluoreszeinfarbstoff für recht lange Zeitabschnitte (mehr als eine Stunde) mit der retinalen Vaskulatur assoziiert bleibt. Wenn man daher eine ICG-Funduskamera auf eine solche Weise konfiguriert, daß während der Dauer des Erhaltens von ICG-Angiogrammen ein Fluoreszeinangiogramm erhalten werden kann (innerhalb Bruchteilen einer Sekunde des Erhaltens eines vorherigen und nachfolgenden ICG-Angiogramms), kann keine signifikante Bewegung des Auges stattfinden. Dies bedeutet, daß das dazwischenkommende Fluoreszeinangiogramm per Definition exakt mit den ICG-Angiogrammen registerhaltig wäre.
Wie in 7 gezeigt, benutzt die Einrichtung eine ICG-Funduskamera 32, die eine integrierende Kugel 34 aufweist, die mit Lichtquellen zur Anregung von ICG-Farbstofffluoreszenz gekoppelt ist und die als Bildempfangsmittel eine Gate-gesteuerte Videokamera 36 (vorzugsweise CCD) verwendet, um die angiographischen Bilder zu erfassen. Lichteingabe an die integrierende Kugel erfolgt über zwei faseroptische Kabel 38, 40, wobei jedes mit einer von zwei Lichtquellen 42, 44 verbunden ist; der Ausgang einer Quelle 42 ist bei der Wellenlänge, die benötigt wird, um Natriumfluoreszeinfarbstoff anzuregen (480 nm), und der Ausgang der anderen Quelle 44 zur Anregung von ICG-Farbstoff (805 nm).
Wenn der ICG-Farbstoff die chorioidale Zirkulation durchtritt, zeichnet die Gategesteuerte Videokamera 36 Bilder des ICG-Farbstoffs auf, indem sie bewirkt, daß die 805 nm-Laserquelle 44 synchron mit der Videokamera 36 ausgelöst wird. Ein geeignetes Programmieren der Kamera und der Lichtquellen ist so konfiguriert, daß die 480 nm-Quelle 42 in regelmäßigen Abständen (z. B. jedes achte Bild) ausgelöst wird, und gleichzeitig wird im Sperrfilter 46 vor der Videokamera eine geeignete Änderung vollzogen.
Um das Beispiel jedes achten Einzelbilds zu verwenden, wird die Sperrfilterkette realisiert, indem einfach eine rotierende, acht Filter enthaltende Scheibe vor der Videokamera plaziert wird. Dieses Filterrad dreht sich synchron mit den Aulösevorgängen der Kamera, so daß jedes achte Einzelbild einer Positionierung des Fluoreszeinsperrfilters vor der Kamera entspricht. Daher sorgt die Einrichtung für die Fähigkeit, vom Chirurgen benötigte Angiogramme präzise zu überlagern, um mit einem Laser-Fotokoagulationsstrahl genau zu zielen.

Claims

Verfahren zum Verbessern der optischen Darstellung chorioidaler Neovaskularisation (CNV) während der Angiographie, umfassend die Schritte: – intravenöses Injizieren eines fluoreszenten Farbstoffes, wobei dieser Farbstoff die Vaskulatur des Auges füllt; – Anregen des Farbstoffes durch Licht von einer Lichtquelle, wodurch ein Ausstrahlen von Fluoreszenz aus der Vaskulatur hervorgerufen wird; und – Erhalten eines angiographischen Bildes der Fluoreszenz von der CNV durch eine Funduskamera; gekennzeichnet durch – Unterdrücken von Fluoreszenz außer der Fluoreszenz von der CNV unter Verwendung eines polarisierenden Filters vor der Lichtquelle und eines analysierenden Polarisators in der Funduskamera beim Aufnehmen des angiographischen Bildes.
Einrichtung zum Verbessern der optischen Darstellung chorioidaler Neovaskularisation (CNV), umfassend: – eine Funduskamera (22); – eine Anregungslichtquelle (26), die mit der Funduskamera synchronisiert ist; und – ein Mittel (30) zum Empfangen von Bildern von der Funduskamera; gekennzeichnet durch – ein Polarisationsfilter (24), das vor der Lichtquelle angeordnet ist; und – einen analysierenden Polarisator (28), der zwischen dem Empfangsmittel und der Funduskamera angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei das Empfangsmittel eine Videokamera (30) umfaßt.