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Der Ophthalmologe

, Volume 113, Issue 1, pp 6–13 | Cite as

Technische Grundlagen der OCT-Angiographie

  • P.P. Fang
  • W.M. Harmening
  • P.L. Müller
  • M. Lindner
  • T.U. Krohne
  • F.G. HolzEmail author
Leitthema

Zusammenfassung

Hintergrund

Die OCT-Angiographie (OCT-A) ist eine neue klinische Untersuchungsmethode, die eine nichtinvasive dreidimensionale Darstellung der vaskulären Strukturen der Netzhaut und Aderhaut erlaubt. Technisch handelt es sich bei der OCT-A um eine Weiterentwicklung der optischen Kohärenztomographie (OCT). Durch leistungsfähigere Soft- und Hardware ermöglicht die OCT-A neben morphologischen Analysen auch eine dreidimensionale retinale und choroidale Perfusionsanalyse. Wir erläutern die Grundlagen sowie die Anwendung der OCT-A im Vergleich mit anderen nichtinvasiven Untersuchungsverfahren der retinalen und choroidalen Blutzirkulation.

Methoden

Der Arbeit liegen eine selektive Literaturrecherche und die Auswertung eigener Daten zugrunde.

Ergebnisse

Vorteile der OCT-A bestehen in der einfachen Anwendung, die keiner Mydriasis oder intravenösen Fluoreszenzfarbstoffverabreichung bedarf. Sie gestattet eine exakte tiefensensitive Lokalisation vaskulärer Veränderungen. Bei retinalen Pathologien können Diskrepanzen zwischen softwareassistierter automatischer Segmentierung und realen Netzhautschichten bestehen, die bei der klinischen Interpretation zu beachten sind.

Schlussfolgerung

Die OCT-A ist von allen nichtinvasiven Perfusionsanalysen die einzige, die bereits in den klinischen Alltag implementiert werden kann. Mit diesem neuen bildgebenden Untersuchungsverfahren können vaskuläre retinale und choroidale Veränderungen tiefenselektiv und ohne Maskierungseffekt durch Pooling- oder Stainingphänomene detektiert werden.

Schlüsselwörter

Bildgebung Angiographie Okuläre Blutzirkulation Aderhaut Netzhaut 

Technical principles of OCT angiography

Abstract

Background

Optical coherence tomography angiography (OCT-A) is a new diagnostic non-invasive method by which the vascular structures of the retina and choroid can be visualized three-dimensionally without need for using fluorescence dyes. The technology of OCT-A is an advancement of the OCT. By means of more powerful software and hardware used for OCT-A not only morphological but also retinal and choroidal vascular perfusion analyses can be performed. In this article, the principles and applications of OCT-A are discussed and compared to other non-invasive diagnostic devices for visualization of the retinal and choroidal blood circulation.

Methods

This article is based on a selective literature review and analyses of own data.

Results

The advantages of OCT-A include easy application without the need for mydriasis or intravenous injection of fluorescence dyes and also the exact three-dimensional localization of vascular changes. In the case of retinal pathologies there is a considerable difference between software-assisted automatic segmentation and the real architecture of the retina, which must be taken into consideration in the clinical interpretation.

Conclusion

Of all noninvasive devices for visualization of the retinal and choroidal circulation, OCT-A is the only one which can already be implemented into the clinical routine. With this novel imaging device retinal and choroidal alterations can be visualized in a depth- selective manner and without masking affects, such as pooling or staining phenomena.

Keywords

Imaging Angiography Ocular blood circulation Choroid Retina 

Die optische Kohärenztomographie („optical coherence tomography“, OCT) wird in der Ophthalmologie als kontaktloses, nichtinvasives bildgebendes Verfahren zur Darstellung des Augenhintergrundes und anderer mikro- und makroskopischer Strukturen des Auges eingesetzt. Ähnlich dem Prinzip der Ultraschalldiagnostik nutzt die OCT die Interferenz, die bei Überlagerung von Referenzlicht und rückgestreutem Licht in einem Interferometer entsteht, um das axiale Tiefenprofil („amplitude-mode scan“, A-Scan) einer Probe zu erhalten. Die laterale Ablenkung des Probenstrahls erzeugt Schnittbilder („brightness-mode scan“, B-Scan), aus welchen auch dreidimensionale Volumenaufnahmen errechnet werden können. Durch ihre hochsensitive, nichtinvasive Darstellung der Gewebestrukturen hat sich die OCT seit ihrer Erstbeschreibung im Jahr 1991 durch Huang et al. [1] in der ophthalmologischen Routinediagnostik etabliert.

Für die Visualisierung der retinalen und choroidalen Perfusion bedurfte es bislang der invasiven Fluoreszeinangiographie, über die 1961 Novotny und Alvis erstmals berichteten [2]. Diese ermöglicht durch intravenös applizierten Farbstoff eine Gefäßdarstellung, mit der die Perfusion der Netzhaut beurteilt werden kann. Darüber hinaus gestattet sie die Detektion weiterer gefäßassoziierter Phänomene einschließlich Leckage aus hyperpermeablen Gefäßen sowie Staining- und Poolingphänomene. Durch die hohe Bindungsaffinität von Indocyaningrün (ICG) zu Plasmaproteinen wird dieser Fluoreszenzfarbstoff für bestimmte klinische Fragestellungen eingesetzt, u. a. bei posteriorer Uveitis oder zur Detektion polypoidaler Gefäßveränderungen [3]. Obwohl Fluoreszein und ICG generell sehr gut toleriert werden, gibt es vereinzelte Fallbeschreibungen von tödlich verlaufendem anaphylaktischem Schock, induziert durch Fluoreszein [4, 5].

Eine Vielzahl von technischen Innovationen im Bereich der OCT erlaubt es heute, dass eine Angiographie des Augenhintergrundes auch völlig ohne Kontrastmittel durchgeführt werden kann [6, 7]. Dazu zählen insbesondere der Einsatz neuer Lichtquellen (sog. „Fourier domain mode locked swept laser“), die schon heute bis zu 20 Mio. A-Scans pro Sekunde ermöglichen [8]. Solche Aufnahmeraten werden bislang an experimentellen Aufbauten erreicht. Typische kommerzielle OCT-Produkte liefern heute Aufnahmeraten von über 70.000 A-Scans pro Sekunde [9, 10]. Leistungsfähigere Soft- und Hardware können daraus Volumenscans in nahezu Echtzeit errechnen [10]. Diese technischen Voraussetzungen haben die Entwicklung der nichtinvasiven Darstellung der retinalen und choroidalen Perfusion ermöglicht und liegen der hier vorgestellten OCT-Angiographie (OCT-A) zugrunde [11].

Blutfluss statt Kontrastmittel

Das Konzept der OCT-A basiert auf der Detektion und Analyse des Reflexionsverhaltens von Bewegung in einem statischen Umfeld. Durch den Vergleich zweier oder mehrerer hintereinander aufgenommener B-Scans der gleichen Position kann über einen softwarebasierten Bildverarbeitungsschritt ein Bewegungskontrast zwischen dem sich bewegenden endoluminalen Blutfluss und dem statischen Umgebungsgewebe dargestellt werden (Abb. 1). Dadurch dient die retinale und choroidale Blutzirkulation als intrinsisches Kontrastmittel und ermöglicht eine nichtinvasive Angiographie. Anders als bei der Fluoreszeinangiographie ist jedoch kein Einstromverhalten, kein Pooling, kein Staining und keine Leckage zu detektieren.

Abb. 1

a Mehrere B-Scans der gleichen Position (N=1, 2, ...) werden über einen softwarebasierten Bildverarbeitungsschritt miteinander verglichen, um Bewegungskontrast darzustellen (OCT-A). b Durch Alignierung und Segmentierung der resultierenden Scans entsteht eine En-face-Darstellung mit Visualisierung der retinalen Mikrozirkulation [12]. c Vergrößerung des zentralen Bereiches (rot in b)

Eye-Tracking

Für die selektive Visualisierung des Blutflusses, basierend auf extrem hochaufgelösten und akkuraten dreidimensionalen Datensätzen, ist eine artefaktfreie Aufnahme essenziell. Eine maximale Reduktion aller externen Bewegungen ist daher unumgänglich. Um trotz unbewusster okulärer Fixations- (Mikrosakkaden, Tremor, Drift) oder sonstiger Augenbewegungen die Generierung deckungsgleicher B-Scans zu ermöglichen, arbeitet die OCT-A mit einer Eye-Tracking-Software [13]. Das Eye-Tracking des SPECTRALIS (Heidelberg Engineering, Heidelberg) basiert auf der simultanen Aufnahme von Infrarotreflexbild und OCT-B-Scan. Nach Auswahl eines Referenzscans werden alle weiteren Aufnahmen mit dem assoziierten Infrarotreflexbild korreliert und somit nur korrekt ausgerichtete und qualitativ ausreichende OCT-B-Scans gespeichert [13, 14]. Diese B-Scans bilden dann die Grundlage für sowohl die OCT-Angiographie als auch für die Mittelung von B-Scans für eine optimale Bildqualität. Dies führt insgesamt zu einer Verbesserung der „signal to noise ratio“ und so zu einer Erhöhung der Aufnahmequalität.

Dreidimensionale Darstellung und retinale Segmentierung

Als Weiterentwicklung der En-face-OCT setzt sich die OCT-A aus vielen dichten hochauflösenden B-Scans zusammen [15]. Eine Softwareanalyse rekonstruiert daraus ein dreidimensionales Modell, das eine transversale Betrachtung der einzelnen Netzhautschichten erlaubt (Abb. 2). Die tiefenselektive Auflösung der dreidimensionalen retinalen Darstellung ermöglicht eine genaue Lokalisation von vaskulären Veränderungen (Abb. 3).

Abb. 2

Benutzeroberfläche der OCT-Angiographie (SPECTRALIS mit OCT2-Modul und vorläufiger Version des OCT-Angiographie-Moduls). Oben rechts ist die transversale Analyse der OCT-Angiographie des oberflächlichen Gefäßplexus in einem 15° × 15°-Fenster bei einem gesunden Auge dargestellt. (Mit freundl. Genehmigung von Heidelberg Engineering)

Abb. 3

Die OCT-Angiographie ermöglicht die dreidimensionale Darstellung von vaskulären Veränderungen

Nach Erfassung des Volumenscans erfolgt eine automatische retinale Segmentierung, welche die Lokalisation bis hin zur Aufteilung in die einzelnen vaskulären Schichten des Auges erlaubt (Abb. 4).

Abb. 4

Darstellung des oberflächlichen Kapillarplexus, des tiefen Kapillarplexus, der Choriocapillaris sowie der Choroidea mittels transversaler OCT-Angiographie (OCT-A)-Analyse sowie im Vergleich zur Fluoreszeinangiographie. Die unter der jeweiligen OCT-A-Darstellung gezeigte OCT-A-Segmentierung visualisiert die analysierten Ebenen. a Fluoreszeinangiographie: 30°, b Fluoreszeinangiographie: Vergrößerung des korrespondierenden Ausschnitts zu c, d, g und h, c OCT-A: innerer Kapillarplexus, d OCT-A: äußerer Kapillarplexus, e OCT-A Segmentierung zu c, f OCT-A Segmentierung zu d, g OCT-A: Choriocapillaris, h OCT-A: Choroidea, i OCT-A Segmentierung zu g, j OCT-A Segmentierung zu h

Insbesondere bei Vorliegen ausgeprägter retinaler Pathologien können allerdings Segmentierungsfehler auftreten. Diesen kann man entweder durch eine zeitintensive manuelle Korrektur entgegentreten oder das OCT-A anstelle der retinalen Segmentierung entlang einer horizontalen Schnittebene erstellen (Abb. 5).

Abb. 5

Segmentierung bei choroidaler Neovaskularisation (CNV). a Automatische Segmentierung führt bei Pathologien der äußeren Netzhautschichten zu Segmentierungsfehlern. b Horizontale Segmentierung

Bildgebung in der OCT-Angiographie

Anders als die konventionelle Fluoreszeinangiographie erlaubt die OCT-A eine vertikal aufgelöste Darstellung des inneren und äußeren Plexus sowie der Choriocapillaris und der Choroidea (Abb. 4). An dem Beispiel eines gesunden Auges zeigen sich die unterschiedliche Morphologie und Dimension der Gefäßstruktur des hinteren Augenabschnitts. Die in diesem Fall erfolgte Segmentierung geht auf die durch Snodderly [16] beschriebene Einteilung der retinalen Gefäße in oberflächlichen (inneren) und tiefen (äußeren) Kapillarplexus zurück. Der oberflächliche Kapillarplexus wird von der inneren Grenzmembran und der äußeren Ganglienzellschicht begrenzt. Um den tiefen Plexus darzustellen, wird die innere Körnerschicht betrachtet.

Die OCT-A zeigt deutliche Unterschiede in der Morphologie der einzelnen Gefäßschichten.

Der oberflächliche Plexus zeichnet sich durch die größten intraretinalen Gefäße aus, die aus den superioren und inferioren temporalen Gefäßbögen entspringen, sich radiär um die Fovea verzweigen und die foveale Aussparung begrenzen. Zahlreiche Gefäßäste bedingen die Bildung eines engen Kapillarnetzes. Der tiefe Plexus ist ein sehr dichtes, aus horizontalen und radiären Verbindungen bestehendes, komplexes Kapillarnetz. Zusätzlich bestehen zahlreiche vertikale Anastomosen. Die Fovea zeigt sich ebenfalls konzentrisch, ist jedoch in einem größeren Radius als beim oberflächlichen Plexus ausgespart. Die Choriocapillaris ist die OCT-angiographisch wohl am schwierigsten visualisierbare Gefäßschicht des hinteren Augenabschnitts. Sie stellt sich bei einer gesunden Netzhaut sehr homogen dar.

Die Choroidea imponiert durch kaliberstarke, größtenteils parallel verlaufende Gefäße. Aufgrund von Eigenschaften der zugrunde liegenden Software stellen sich die choroidalen Gefäße anders als die retinalen mit niedrigem Signal (schwarz auf weiß) dar (Abb. 4). Fehlt jedoch, wie z. B. bei geografischer Atrophie, die darüber liegende RPE (retinales Pigmentepithel)-Schicht, invertiert sich die Darstellung (weiß auf schwarz, Abb. 6). Die Kenntnis dieser Besonderheiten der OCT-A-Darstellung ist von klinischer Relevanz bei der Beurteilung choroidaler Pathologien.

Abb. 6

Multimodale Beurteilung einer geographischen Atrophie bei altersabhängiger Makuladegeneration (AMD): Unter einer intakten RPE (retinales Pigmentepithel)-Schicht werden choroidale Gefäße anders als die retinalen Gefäße mit niedrigem Signal (schwarz auf weiß) dargestellt (blaue Pfeilspitzen in e; s. auch Abb. 4). Bei Abwesenheit der darüber liegenden RPE-Schicht kehrt sich die Darstellung um (weiß auf schwarz; rote Pfeilspitzen in e). a Multicolor, b Fundusautofluoreszenz (FAF), c OCT-Angiographie und zugehörige Segmentierung sind einem Infrarotreflexbild überlagert, d Vergrößerung des korrespondierenden FAF-Ausschnitts zu e, e OCT-Angiographie: rote Pfeilmarkierung der invers dargestellten Gefäße bei AMD, blaue Pfeilmarkierung bei intakter RPE-Schicht

Die Darstellung der Papille und ihrer umgebenden Gefäßstrukturen wird ebenso durch die OCT-A ermöglicht. Abb. 7 zeigt die Mikrostruktur des peripapillären Gefäßnetzes sowie die aus der Papille entspringenden Äste der A. centralis retinae.

Abb. 7

Darstellung einer gesunden Papille: peripapilläre Mikrozirkulation und Äste der A. centralis retinae sind in der OCT-Angiographie klar visualisierbar

Vergleich unterschiedlicher nichtinvasiver ophthalmologischer Angiographieverfahren

Die Fluoreszeinangiographie hat sich seit über 50 Jahren in der Augenheilkunde bewährt und wurde zum Goldstandard der retinalen und choroidalen Perfusionsdiagnostik. Zu den Besonderheiten dieser invasiven Diagnostik zählen die unterschiedlichen Phasen (arteriell, arteriovenös, venös) dieser Untersuchung, in denen sich die Hämodynamik im Sinne von Einstromphänomenen, Leckage, Staining oder Pooling beurteilen lässt.

Aus der bislang rein morphologisch verwendeten Technik der OCT hat sich nun eine nichtinvasive Form der Diagnostik entwickelt. Neben der OCT-A gibt es auch andere nichtinvasive ophthalmologische Angiographieverfahren, u. a. die Adaptive-Optiken-Scanning-Laser-Ophthalmoskopie (AOSLO) und die Doppler-OCT.

Die AOSLO ermöglicht hochauflösende En-face-Bilder der menschlichen Netzhaut, bis hin zur Visualisierung und funktionellen Testung einzelner Photorezeptorzellen im lebenden Auge [17, 18]. Wegen des konfokalen Aufbaus im AOSLO kann hier die Netzhaut optisch sektioniert werden, und verschieden tiefe Schichten der Netzhaut können selektiv dargestellt werden [19]. Dadurch können hochaufgelöste Mikrozirkulationsaufnahmen in Videorate erstellt werden. Durch eine Bewegungskontrastverrechnung aufeinanderfolgender Bilder und Kompensation von Fixationsaugenbewegungen können dadurch selbst die kleinsten Kapillaren an der Grenze der avaskulären Zone nahe der Fovea dargestellt werden [19, 20]. Wie bei der OCT-A wird hier der Blutfluss selbst als Kontrastmittel eingesetzt, und das Verfahren ist nichtinvasiv. Zur Evaluation funktioneller Perfusion kann wie bei der herkömmlichen Angiographie Fluoreszein verwendet werden, welches durch die hohe Sensitivität im AOSLO auch oral appliziert werden kann [21]. Wegen der hohen räumlichen Auflösung im AOSLO (und des dadurch kleinen Sichtfeldes) ist jedoch eine großflächige Beurteilung der Perfusion nur durch relativ aufwendige Bildbearbeitungsschritte möglich und dadurch bislang ineffizient für den klinischen Einsatz.

Die Doppler-OCT basiert analog zur OCT-A auf der konventionellen OCT. Mithilfe der Phaseninformation eines detektierten Interferenzsignals erfolgt bei der Doppler-OCT eine Bestimmung von Geschwindigkeiten (z. B. Blutflussgeschwindigkeiten) und so eine Darstellung der Gefäße [7, 22]. Ebenso wie die OCT-A kann die Doppler-OCT keine Flussinformation wie Leckage, Staining oder Pooling zeigen. Die Doppler-OCT ist aktuell noch sehr artefaktanfällig [7, 23], und eine Implementierung in die Klinik ist daher nicht absehbar.

Insgesamt zeigt sich hier, dass die OCT-A von den nichtinvasiven Perfusionsanalysemethoden aktuell am nächsten im klinischen Alltag angekommen ist und sich dabei insbesondere durch ihre einfache Anwendbarkeit und hohe Tiefenauflösung auszeichnet.

Fazit für die Praxis

  • Die OCT-A ist eine neue Untersuchungsmethode, die eine nichtinvasive, hochauflösende und dreidimensionale Visualisierung der Gefäße von Retina und Choroidea ermöglicht.

  • Die Untersuchung ist auch bei nicht dilatierter Pupille möglich und kann aufgrund der Nichtinvasivität ohne Bedenken wiederholt werden.

  • Aktuell ist eine zentrale Darstellung der Netzhaut in einem begrenzten 30° × 30°-Fenster möglich. Dabei sind ggf. Bewegungsartefakte und Segmentierungsherausforderungen in Gegenwart ausgeprägter retinaler Pathologien zu beachten.

  • Die Follow-up-Funktion lässt zu jedem Zeitpunkt eine Vergleichsaufnahme wiederholen, deren Indikation nicht gegen potenzielle Anaphylaxie aufgewogen werden muss.

  • Anders als bei der Fluoreszeinangiographie ist kein Einstromverhalten, Pooling, Staining oder Leckage darstellbar.

  • Zusätzlich bietet die OCT-A zur Perfusionsanalyse auch noch die morphologische Diagnostik vergleichbar mit der konventionellen OCT und den Vorteil, Bewegung in alle Raumrichtungen gleich effektiv abzubilden.

Notes

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt

P.P. Fang – Unterstützung von Forschungsprojekten und klinischen Studien: Heidelberg Engineering. W.M. Harmening – Unterstützung von Forschungsprojekten und klinischen Studien: Heidelberg Engineering, Carl Zeiss Bildungs- und Wissenschaftsfonds, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Ha5323/5-1. P.L. Müller – Unterstützung von Forschungsprojekten und klinischen Studien: Heidelberg Engineering. M. Lindner – Unterstützung von Forschungsprojekten und klinischen Studien: Heidelberg Engineering, Carl Zeiss Meditec, Optos; Beratung, Honorare, Reisekosten: Heidelberg Engineering, Carl Zeiss Meditec. T.U. Krohne – Beratung, Honorare, Reisekosten: Heidelberg Engineering. F.G. Holz – Unterstützung von Forschungsprojekten und klinischen Studien: Carl Zeiss Meditec, Heidelberg Engineering, Optos; Beratung, Honorare, Reisekosten: Heidelberg Engineering.

Alle Patienten, die über Bildmaterial oder anderweitige Angaben innerhalb des Manuskripts zu identifizieren sind, haben hierzu ihre schriftliche Einwilligung gegeben.

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Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015

Authors and Affiliations

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  1. 1.Universitäts-Augenklinik BonnBonnDeutschland

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