Corneal Imaging: en introduktion

Miles F. Greenwald, BS, Brittni A. Scruggs, MD, PhD, Jesse M. Vislisel, MD, Mark A. Greiner, MD

oktober 19, 2016

introduktion

Bildtekniker för att bedöma strukturen och funktionen hos hornhinnan och främre segmentet är avgörande för att diagnostisera och behandla en mängd olika okulära sjukdomar. Det finns ett stort utbud av diagnostiska tester tillgängliga för ögonläkare, och att lära sig att tolka dessa tester kan verka skrämmande. För de som börjar träna i oftalmologi ger användningen av vanliga diagnostiska tester snabbare och mer exakt diagnos och hantering av hornhinnesjukdomar. Målet med denna handledning är att förklara grunderna för de vanligaste hornhinnebildningsteknikerna vid University of Iowa, inklusive en översikt över hur de fungerar och hur varje modalitet används i klinisk praxis.

korneal topografi och tomografi

grundläggande principer

korneal topografi används för att karakterisera hornhinnans form, liknande hur man skulle karakterisera ett berg med hjälp av en topografisk karta. Ursprungligen användes hornhinnetopografi endast för att beskriva hornhinnans främre yta. Enheter kan nu karakterisera både de främre och bakre hornhinnytorna, vilket skapar en tredimensionell karta. Framsteg inom digital fotografering och datorbehandling har kraftigt ökat nyttan av hornhinnans topografi (1).

den första utvecklingen vid bedömningen av formen på den främre hornhinnans yta gjordes i slutet av 1800-talet med utvecklingen av Placido-skivan (Figur 1a) (1-2). Denna teknik karakteriserar hornhinnans yta genom att bedöma reflektionen av en uppsättning koncentriska ringar från den främre hornhinnans yta. När bilden från Placido-skivan projiceras på hornhinnan reflekteras en del av ljuset från tårfilmluftgränssnittet som en spegel. Mönstret av ljusreflektion avslöjar formen på hornhinnans främre yta (1). På samma sätt är handhållna keratoskop (Figur 1b-C) praktiska instrument som visar koncentriska ringar vid spaltlampan för snabb bedömning av topografiska förändringar (t.ex. astigmatism inducerad av suturer). Den bakre hornhinnans yta kan inte karakteriseras med Placido disc-teknik eller ett handhållet keratoskop. Många topografimaskiner ringer (t. ex., Atlas, Nidek OPD-Scan) använder fortfarande Placido-skivor men tar tekniken ett steg längre, vilket ger en datoriserad kvantitativ bedömning av hornhinnans yta för att ge mer detaljerad information än man kan uppskatta genom att helt enkelt titta på det reflekterade.

Figur 1. Kvalitativ hornhinnetopografi. A. Placido skiva med koncentriska vita cirklar. B-C. Van Loenen cylindriskt handhållet keratoskop när det placeras framför en patients öga vid spaltlampan kommer att reflektera sju ringar på hornhinnans yta för att snabbt bedöma för kvalitativa topografiska förändringar

en andra teknik för hornhinnans topografisk bedömning är skanningslitstekniken (t.ex. Orbscan). Denna metod använder snabbt skanning projicerade slitsstrålar av ljus och en kamera för att fånga de reflekterade strålarna för att skapa en karta över den främre och bakre hornhinnans yta. En tredje teknik, känd som Scheimpflug imaging, använder en roterande kamera för att fotografera kornealtvärsnitt upplysta av slitsbalkar i olika vinklar (t.ex. Pentacam). Denna metod korrigerar för hornhinnans icke-plana form och möjliggör sålunda större noggrannhet och upplösning för att skapa en 3D-karta över hornhinnan (2-3).

Placido disc Tolkning

Placido disc bilder kan tolkas både kvalitativt och kvantitativt. De projicerade koncentriska ringarna kallas ” myrar.”Formen på hornhinnans yta kan härledas genom inspektion av dessa myrar. På samma sätt som en topografisk karta över ett berg motsvarar områden där myrarna verkar närmare varandra brantare hornhinnans krökning. Områden där myrarna är mer åtskilda är plattare. Myrarna kan också ge information om ytans kvalitet. Distinkta, välformade myrar kallas” skarpa ” och föreslår att den underliggande hornhinnans yta är regelbunden och slät.

som en idealisk sfär bör hornhinnan ha myrar lika fördelade över hela ytan (figur 2a). Mindre, obetydliga variationer finns i varje hornhinna men kan inte detekteras vid kvalitativ inspektion av en Placido-skivbild. Till exempel antyder förvrängda eller vågiga myrar ojämnheter i ytan, såsom de som orsakas av torrhet på ytan (Figur 2B). Regelbunden astigmatism resulterar i myrar som verkar ovoid (figur 2C). Om oregelbunden astigmatism är närvarande kan detta ses som en oregelbundet förvrängd reflektion av myrarna (figur 2D). Placido-skivutvärdering kan också användas för att styra suturborttagning efter penetrerande keratoplasti. Selektivt avlägsnande av suturer kan minska postoperativ astigmatism (figur 2C).

Figur 2. Projektion av Placido disc myrar på (A) en normal hornhinna med skarpa myrar och minimal astigmatism, (B) en hornhinna med torrhet på ytan, (C) en hornhinna med regelbunden astigmatism mot regeln inom en hornhinnetransplantation i full tjocklek och (D) en hornhinna med oregelbunden astigmatism inom en hornhinnetransplantation i full tjocklek. Placido-bilder kan hjälpa till att styra selektiv suturborttagning; till exempel kan suturerna i (C) avlägsnas klockan 3 och klockan 9, klinisk kurs tillåter, för att minska postoperativ astigmatism.

Zeiss Atlas och Nidek OPD-Scan Tolkning

Zeiss Atlas och Nidek OPD-Scan är Placido skivbaserade topografer. Som visas i Figur 3 innehåller Zeiss Atlas-rapporten en Placido-skivbild och flera kartor som ger information om tangentiell krökning, axiell krökning och höjd. En tangentiell eller momentan karta är mycket lik en axiell karta. Det är ett något mer exakt sätt att karakterisera hornhinnans krökning men verkar mer ”bullrigt” och oregelbundet. Axiella kartor är mindre känsliga vid mätning av hornhinnans krökning och används således huvudsakligen för screeningändamål (4-5).

Figur 3. Zeiss Atlas Rapport. Tangentiella och axiella krökningskartor visar båda med-regeln hornhinnans astigmatism med mer pluskraft i den vertikala meridianen. Specifikt är den brantaste meridianen vid 083 grader, och det finns 2,88 dioptrar av astigmatism. Placido-skivbilden visar regelbundna, koncentriska myrar, vilket indikerar en hälsosam hornhinneyta.

i likhet med en Zeiss Atlas-rapport ger Nidek imaging report en axiell krökningskarta och en Placido-skivbild. Nidek-instrumentet tillhandahåller också keratometridata, som är simulerade mätningar som ger den dioptriska brytningskraften i de två primära meridianerna. Patientens brytningsfel approximeras med både autorefraktion (REF) och vågfrontmätningar (WF), och denna brytningsuppskattning är tillgänglig i auto-brytningsfönstret i Nidek-rapporten. Ytterligare två kartor ingår från Nidek-testningen som inte är tillgängliga med andra metoder: OPD (Optical Path Difference) och de interna OPD-kartorna. OPD detekterar specifikt det totala brytningsfelet (i dioptrar) i ögat, inklusive avvikelser i hornhinnan, linsen och andra strukturer, medan den inre OPD-kartan fångar brytningsfelet som bidrar med inre strukturer i ögat genom att subtrahera hornhinnans brytningsförmåga från den totala OPD. Även uppmätt i dioptrar hjälper denna mätning till att skilja effekterna av hornhinnans och ytbrytningsfel från interna avvikelser (t.ex. linsformiga anomalier).

Figur 4. Nidek rapport. Övre rutor: den axiella krökningskartan visar mot-regeln hornhinnans astigmatism med mer pluskraft i den horisontella meridianen. Placido-skivbilden visar koncentriska myrar med viss oregelbundenhet i hornhinnans inferonasala region. Den brantaste meridianen är vid 002 grader, och det finns 4,68 dioptrar av astigmatism. Nedre rutor: Både autorefraction (REF) och wavefront (WF) mätningar uppskattar att patienten har mild myopi (-0,75 till -1,25) med signifikant astigmatismkorrigering (+3,25) i den horisontella meridianen (009 till 010 grader). Det totala brytningsfelet uppskattas med hjälp av optisk vägskillnad (OPD) till -0,75 dioptrar med +3,25 astigmatism vid axeln 010.

Pentacam Tolkning

Oculus Pentacam använder Scheimpflug-teknik för att skapa topografiska rapporter. Rapporterna innehåller mycket information, och exempel på översiktsrapporten och rapporten 4 maps finns nedan (figur 5A-B). Specifikt ger översiktsrapporten scheimpflug-bilden, som är en tvärsnittsbild som visar hornhinnan, främre kammaren, iris och linsen. En 3D-representation av patientens hornhinneform tillhandahålls också. Tätheten av hornhinnan utvärderas med hjälp av densitometri, vilket är en objektiv mätning av ljusspridning i hornhinnan. Något densitometrivärde mindre än ~30 anses vara normalt; således kommer ett tillstånd som resulterar i minskad hornhinnans klarhet (t.ex. hornhinneödem) att öka densitometrivärdet. Det finns också en bekväm sammanfattning av keratometri, pachymetri och andra numeriska mätningar i denna rapport. En pachymetri färgkarta indikerar hornhinnans tjocklek.

figur 5A. Pentacam översiktsrapport. Övre rutor: Scheimpflug-bilden är en tvärsnittsbild som visar hornhinnan, främre kammaren, iris och lins. Densitometri mätning uppskattar hornhinnans klarhet; varje värde större än 30 kan indikera minskad hornhinnans klarhet. Nedre rutor: en 3D-representation av patientens hornhinneform tillhandahålls; den främre hornhinneytan visas i röd, bakre hornhinneyta i grönt och iris i blått. En pachymetry-karta är en färgkarta som indikerar hornhinnans tjocklek; svalare färger är tjockare och varmare färger är tunnare (numerisk skala till höger).

pentacam 4 maps-rapporten ger också en sammanfattning av keratometri, pachymetri med karta och andra numeriska mätningar. I likhet med Nidek-rapporten innehåller Pentacam-rapporten en axiell karta som visar krökningen på den främre hornhinnans yta i dioptriska värden för varje punkt.
främre flottör och bakre flottörbilder, som är höjdkartor, genereras på Pentacam-rapporten. Istället för att visa hornhinnans brytningskraft visar höjdkartor hornhinnans form genom att jämföra den med en datorgenererad bäst passande sfär (dvs en perfekt sfär som bäst approximerar hornhinnans form i genomsnitt). Posterior float, som liknar den främre flottören, visar formen på den bakre hornhinnan jämfört med en sfär som passar bäst.

figur 5B. Pentacam 4 Kartrapport. Den axiella krökningskartan, även känd som en sagittal karta, visar krökningen på den främre hornhinnans yta i dioptriska värden för varje punkt. Färgskalan representerar kraften i dioptrar vid varje enskild punkt. Varmare färger representerar brantare hornhinnans krökning medan svalare färger representerar plattare områden. För höjdkartorna (främre och bakre flottör) anger varmare färger var hornhinnan är förhöjd över den bästa passformen och svalare färger anger var hornhinnan är nedtryckt under den bästa passformen. En pachymetry-karta är en färgkarta som indikerar hornhinnans tjocklek; svalare färger är tjockare och varmare färger är tunnare.

klinisk användning av korneal topografi

• Screening för korneal ectasia
  

  keratokonus, den vanligaste korneal ectasia, är ett progressivt kornealtillstånd som kännetecknas av Central gallring och brant av hornhinnan. Tidig keratokonus ser ofta normalt ut vid undersökning av slitlampor, och manuell keratometri, som bedömer den centrala 3 mm, kan ge en otillräcklig bedömning. På grund av detta har topografi blivit guldstandarden för screening av patienter för keratokonus och andra hornhinneektasier (figurerna 6-8).

• Corneal ectasia övervakning och behandling
  

  när en ectasia (t.ex. keratokonus, Pellucid marginal hornhinnedegenerering) diagnostiseras kan topografi vara användbar för övervakning av sjukdomsprogression. Med regelbunden övervakningstopografi kan det bestämmas när patienter är i riskzonen för progression och komplikationer, och denna exakta övervakning möjliggör tidigt ingripande med behandlingar som kollagenkorsbindning eller keratoplasti. Topografiska varningsskyltar inkluderar hög Central hornhinnekraft, en stor skillnad mellan de två hornhinnorna hos en patient och en stor skillnad mellan brytningskraften vid toppen och periferin (figurerna 6-8) (5).

• brytningsoperation screening och övervakning
  

  Laser brytningsoperationer såsom fotorefraktiv keratektomi (PRK) och laserassisterad In situ keratomileusis (LASIK) använder excimerlaser för att ablera vävnad och omforma hornhinnan för att korrigera en individs brytningsfel. Inte alla patienter kan dock säkert genomgå dessa förfaranden. Screening måste utföras för att bestämma hornhinnans form och mönster av astigmatism på topografi innan brytningskirurgi säkert kan utföras. Topografi kan också användas postoperativt för att utvärdera etiologi för otillfredsställande visuellt resultat såsom decentrerade eller ofullständiga ablationer.

• preoperativt intraokulärt linsval
  

  under kataraktkirurgi placeras en intraokulär lins i ögat för att uppnå önskat brytningsresultat. Standard intraokulära linser innehåller endast sfärisk korrigering. Om en patient har regelbunden hornhinnans astigmatism kan emellertid en astigmatismkorrigerande torisk lins användas. Korneal topografi är ett användbart preoperativt test för att bedöma hornhinnans cylinderns storlek och regelbundenhet när man väljer ett intraokulärt linsimplantat före kataraktoperation.

• post-keratoplasty astigmatism utvärdering och hantering
  

  efter keratoplastik kan hornhinnans astigmatism utvärderas med topografi. Denna teknik styr selektiv suturborttagning och andra ingrepp för att minska nivåerna av astigmatism.

• utvärdering av okulär ytstörning
  

  okulära ytstörningar, såsom pterygia, hornhinnärr och Salzmann-knölar, kan inducera oregelbunden hornhinnes astigmatism. Korneal topografi kan användas för att utvärdera brytningseffekterna av dessa problem och för att hjälpa till vid sjukdomsövervakning och kirurgisk planering.

Figur 6. Pellucid marginell hornhinnedegenerering (A) och keratonconus (B). Främre axiella kartor genererade med Oculus Pentacam-teknik visar det höga mot regeln astigmatism i ett” krabba klo ” – mönster av pellucid marginell hornhinnedegenerering och det sämre branta mönstret av keratonconus.

Figur 7. Progression av keratokonus. Ofta visar topografin progression av keratokonus från symmetrisk astigmatism till asymmetrisk astigmatism, följt av asymmetriskt astigmatismmönster med en skev radiell axel. Med progressiv keratokonus kan underlägsen brant utvecklas i slutändan.

figur 8. Keratokonus på Pentacam. Den främre axiella kartan visar signifikant underlägsen paracentral brant, medan pachymetrikartan visar gallring i området för brant. De främre och bakre flottörerna avslöjar en paracentral utbuktning, vilket antyder fokalhöjd jämfört med en idealisk, sfärisk yta.

främre Segment optisk koherens tomografi (AS-OCT)

grundläggande principer

främre segment optisk koherens tomografi (AS-OCT) producerar högupplöst avbildning av hornhinnan, iris och främre kammaren (t.ex. Visante). Det är analogt med ultraljud, men det använder ljusvågor istället för ljud för att producera extremt högupplösta bilder av mycket små okulära strukturer (figurerna 9 och 10). AS-OCT använder två skanningsstrålar av ljus som reflekteras från en okulär struktur och sedan detekteras och jämförs med en referensstråle för att skapa en tvärsnittsbild (6).

Tolkningsguide

Figur 9. Visante AS-OCT visar normal främre kammaranatomi, inklusive hornhinnan, iris, iridocorneal vinkel, främre kammardjup och pupilldiameter.

Figur 10. Visante-rapport som visar ett dåligt vidhäftande Descemets Membranendotelial Keratoplasty (DMEK) transplantat. Transplantatet vidhäftades framgångsrikt efter att en annan luftbubbla placerades i den främre kammaren. Varje OCT-bild är en tvådimensionell skiva genom den främre kammaren. De fyra orienteringspilarna, som ligger ovanför varje OCT-bild, indikerar vänster sida (pilsvans) och höger sida (pilhuvud) på bilden. Orienteringsvinkeln visas också.

klinisk användning

• anterior chamber angle assessment
  

  AS-OCT möjliggör både kvalitativ och kvantitativ bedömning av iridokornealvinkeln. Det kan användas som ett komplement till gonioskopi för glaukomdiagnos och hantering.

• kirurgisk planering för LASIK-förbättringar
  

  AS-OCT kan användas för att mäta den kvarvarande stromalbädden under en LASIK-klaff när man bestämmer om det finns tillräckligt med stroma kvar för att utföra en klafflyft och förbättring (Figur 11).

• kirurgisk planering för phakic intraokulära linsimplantat
  

  Phakic intraokulära linsimplantat (t.ex. Verisyse Ukrainian) kan placeras i serie med den naturliga kristallina linsen för korrigering av hög myopi. AS-OCT möjliggör detaljerade mätningar av de främre kammardimensionerna för att bedöma huruvida tillräckligt med främre kammarutrymme är tillgängligt för ett av dessa linsimplantat (Figur 12) (7).

• bedömning av transplantatposition efter keratoplasti
  

  AS-OCT är ett användbart komplement till spaltlampundersökning för bedömning av endoteltransplantatshäftning under den omedelbara postoperativa perioden.

• Keratoprostes postkirurgisk hantering
  

  AS-OCT kan ge ytterligare information om strukturell integritet hos proteshornor, såsom typ i Boston keratoprostes (figur 14).

Figur 11. Mätning av den kvarvarande stromalbädden under en LASIK-flik på AS-OCT. Den centrala hornhinnetjockleken uppskattas till 525 OC, och den kvarvarande stromalbädden mäts till 321 oc centralt och 377-399 oc mot den perifera hornhinnan. Vid University of Iowa anses en patient inte vara en kandidat för LASIK eller förbättring om den slutliga beräknade kvarvarande stromalbädden är mindre än 300 occurm.

Figur 12. Phakic intraokulär lins (IOL) kirurgisk planering på AS-OCT. Visante-enheten kan överlagra en digital phakic IOL i den främre kammaren för att säkerställa att det finns tillräckligt med utrymme för säker implantation av enheten.

figur 13. Typ i Boston keratoprosthesis anordning som undersökts med användning av (A) AS-OCT och (B) en spaltlampa (8).

konfokalmikroskopi

grundläggande principer

konfokalmikroskopi är en bildteknik som möjliggör in vivo undersökning av hornhinnestrukturer vid hög förstoring och upplösning. Bygga av avbilda principer som framkallas för neuronal avbilda, var confocal microscopy först van vid studien av corneaen i 1990s (9-10). Enheten (t. ex., Nidek Confoscan, Heidelberg HRTII) tillåter karakterisering av var och en av de fem hornhinneskikten genom att samtidigt belysa och avbilda en enda vävnadspunkt (figur 14) (11). Punktljuskällan och kameran är i samma plan, därav namnet ”confocal.”Moderna konfokala mikroskop skannar små områden av vävnad, belyser och avbildar tusentals vävnadspunkter för att skapa den slutliga konfokala bilden (10). Genom att skanna olika tjockleksnivåer av vissa vävnader i det främre segmentet kan signifikant information om struktur och funktion på cellulär nivå erhållas.

figur 14. Konfokal mikroskopi avbildning av de olika hornhinneskikten med laserskanning in vivo konfokal teknik. 1-3. Ytligt epitel, epitelial vingcellskikt och basalt epitel; 4. Subbasal nervplexus; 5. Bowmans lager; 6-8. anterior stroma med nerv (pil), mittstroma med nervstam (pil) och bakre stroma; 9. Endotel; och 10. Sämre limbal palisade åsar (svarta pilar) med fokala stromala utsprång (vita pilar). Bild med tillstånd av Dr. Neil Lagali(länk 21).

Tolkningsguide

när det används för att bedöma endotelcellens hälsa måste både kvalitativ inspektion av endotelet och kvantitativ bedömning av endotelcellens densitet utföras. Normala endotelceller ska vara små, sexkantiga och enhetliga. Pleomorfism är närvaron av hög variation i cellform, medan polymegathism är variation i cellstorlek. Endotelcelldensitet kan erhållas automatiskt eller genom manuell räkning och uttrycks som celler/mm2 (figur 15).

figur 15. Konfokalmikroskopi som visar normalt hornhinnendotel. Notera de små, sexkantiga cellerna med minimal variation i cellstorlek eller form.

kliniska användningar

• Endotelbedömning av hornhinnan
  

  undersökning av hornhinnans endotel på cellnivå möjliggör kvalitativ och kvantitativ utvärdering av cellerna. Endotelcellstorlek, form och densitet kan alla karakteriseras, vilket ger viktig information för att diagnostisera och hantera bakre hornhinnedystrofier, såsom Fuchs dystrofi (figur 16), iridocorneal endotel (ICE) syndrom och posterior polymorf dystrofi. Det konfokala mikroskopet kan hjälpa till med diagnostiska beslut, till exempel om post-keratoplastyödem beror på kornealtransplantatavstötning (framgår av inflammatoriska celler visualiserade) eller endoteldekompensation (framgår av låg endotelcelldensitet) (figur 17) (7, 10).

• identifiering av infektiös keratit
  

  infektiös keratit är ett synhotande tillstånd där snabb diagnos är absolut nödvändigt för att bevara synen och ögat. Konfokalmikroskopi är ett användbart tillägg för att snabbt identifiera orsaksmedlet in vivo, såsom svampar eller Akantamöba, så lämplig behandling kan initieras. Acanthamoeba förekommer i sin cystiska form som högreflekterande ovoidstrukturer (figurerna 18 och 19). Svampar kan förekomma som starkt reflekterande filament och kan ha bevis på septationer (figur 20) (9).

• utvärdering av korneal nervmorfologi
  

  konfokalmikroskopi kan hjälpa till att kvantifiera patologi för subbasal nervplexus hos patienter med neurotrofisk keratopati och diabetisk neuropati som involverar hornhinnan.

• Corneal djupmätning
  

  i likhet med OCT kan konfokalmikroskopi mäta djupet av strukturer, såsom avlagringar, ärr eller LASIK-flikar i hornhinnan för att hjälpa till med kirurgisk planering.

figur 16. Fuchs endoteldystrofi som visar karakteristiska guttae (mörka områden) och minskad endotelcelldensitet på konfokalmikroskopi.

figur 17. Endoteldekompensation inom ett penetrerande keratoplastitransplantat. Det finns inga identifierbara endotelceller på konfokalmikroskopi.

Figur 18. Acanthamoeba keratit sett på konfokalmikroskopi. Cystorna visas som runda föremål med hög kontrast medan trofozoiterna visas som oregelbundna former.

figur 19. Konfokal mikroskopi detektion av Acanthamoeba och svamp keratit i en kontaktlinsanvändare. A. Endotelpolymegathism, som är ett tecken på hornhinnestress, är sannolikt ett resultat av patientens långvariga kontaktlinsanvändning. Inga cyster eller trofozoiter finns i endotelskiktet. B. Rekrytering av vita blodkroppar (röd cirkel) är uppenbart i den främre stroma direkt intill både Acanthamoeba-cyster (vit pil) och svampelement (röd ruta). Acanthamoeba trophozoites matar på hyphae om båda infektionerna inte behandlas omedelbart. C. Acanthamoeba dubbelväggiga cyster (vit pil) och trofozoiter (svarta pilar) finns i hela främre stroma. Z-scan-profilen visar backscatter (dvs. ljusstyrkan hos de enskilda konfokala skanningarna), vilket möjliggör snabb bedömning av hornhinnans plats (röd ruta) och celltäthet i den specifika regionen.

figur 20. Svamp keratit ses på konfokalmikroskopi. Förgreningshyphae hjälper till att bekräfta diagnosen Fusarium keratit.

sammanfattning

oftalmologi är ett snabbt framväxande område med ny teknik för diagnos och behandling som utvecklas och implementeras varje år. När mer avancerade tekniker (t.ex. LASIK, endotelkeratoplastik) utvecklas fortsätter användningen av avancerad korneal avbildningsteknik att växa. Denna handledning har syftat till att ge en översikt över hornhinneavbildningsämnen och att ge praktikanter en grund att bygga på när de behärskar användningen av dessa grundläggande verktyg för modern klinisk oftalmologi.