Dreidimensionale Vermessung von Hornhautspendergewebe mit der optischen Kohärenztomografie des vorderen Augenabschnitts

Abstract

Fragestellungen: Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Methode, mit der Hornhautspendergewebe in der Zellkulturflasche objektiv und kontaktfrei tomografisch vermessen werden kann. Zudem soll sie pathologische Spenderhornhäute erkennen. Methoden: Nach der Prüfung der Anwendbarkeit der optischen Kohärenztomografie (OCT) für die optische Vermessung des Gewebes wurde ein Matlab-basierter Algorithmus zur Bildverarbeitung der dreidimensionalen Rohdaten und Vorder- und Rückflächenerkennung der Hornhautspenden entwickelt. Durch die Anpassung eines mathematischen Modells an diese Flächen können die Krümmungsradien der Vorder- und Rückfläche sowie die Hornhautdicke bestimmt werden. Anhand simulierter Flächendaten wurden verschiedene Fitmodelle getestet und verglichen. Ebenfalls erfolgte eine Gegenüberstellung zweier OCT-Systeme. Die Validierung des Algorithmus wurde an einem Phantom durchgeführt. Einem Vergleich der tomografischen Ergebnisse des OCT-Systems mit den Ergebnissen des Algorithmus an Patientenmessungen folgte die Untersuchung der Eignung des Algorithmus zur Erkennung von pathologischen Hornhäuten an Messungen von erkrankten Patienten. Abschließend wurden Messungen an 579 Spenderhornhäuten durchgeführt und mit dem Algorithmus ausgewertet. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und der Vorteil der Durchführung eines Raytracings im Algorithmus wurden anhand einiger Spendergewebe diskutiert. Ergebnisse: Die Auswertung von 579 Spenderhornhäuten ergab im Mittel einen steilen und flachen Krümmungsradius der Vorderfläche von (7.42 ± 0.28) mm und (7.67 ± 0.23) mm. Die entsprechenden Radien für die Rückfläche betrugen (6.52 ± 0.30) mm und (6.78 ± 0.27) mm. Die mittlere zentrale Hornhautdicke lag bei (607.51 ± 78.02) µm. Abnormitäten (außerhalb von ± 3 Standardabweichungen) wurden bei fünf Hornhäuten (0.9 %) für die Vorderflächenkrümmung, sieben Hornhäuten (1.2 %) für die Rückflächenkrümmung und fünf Hornhäuten (0.9 %) für die Hornhautdicke gefunden. Insgesamt konnten zehn auffällige Spenderhornhäute mit dem Algorithmus erkannt werden, wovon bei einer Hornhaut ein Keratokonus und bei einer anderen eine Narbe klinisch anamnestisch bestätigt wurden. Diese Spendergewebe wurden daraufhin für die Verwendung als Transplantat verworfen. Schlussfolgerung: Die optische Kohärenztomografie ermöglicht eine schnelle, dreidimensionale und kontaktlose Vermessung von Spenderhornhautgewebe im Kulturmedium unter sterilen Bedingungen. Dabei kann nahezu der gesamte für die Transplantation relevante Bereich von >7 mm untersucht werden. Anhand des entwickelten Algorithmus konnten aus dem 3D-Datensatz topografische und pachymetrische Parameter ermittelt werden, welche mit den physiologischen Literaturwerten der menschlichen Hornhaut übereinstimmen. Ebenfalls ist die Erkennung von pathologischen Spendergeweben möglich. Die entwickelte Methode könnte einen wichtigen Beitrag zur Routineuntersuchung von Hornhautspendergewebe liefern. Es könnte als Entscheidungshilfe dienen, welches Gewebe welchem Patienten und welcher Transplantationsart zugeordnet wird und somit möglicherweise die Anzahl an zur Verfügung stehenden Transplantaten für die Hornhauttransplantation erhöhen.

Purpose: The aim of the work was to develop a method to measure corneal donor tissue in the cell culture flask objectively and contact-free using tomography. In addition, it should be able to detect pathological donor corneas. Methods: After testing the applicability of optical coherence tomography (OCT) for the optical measurement of tissue, a Matlab based algorithm was developed with image processing of the three-dimensional raw data and front and back surface recognition of donor corneas. By fitting a mathematical model to these surfaces, the radii of curvature of the anterior and posterior surface as well as the corneal thickness could be determined. Using simulated surface data, different fit models were tested and compared. A comparison of two OCT systems was also performed. The validation of the algorithm was performed on a phantom. A comparison of the tomographic results of the OCT system and the algorithm on patient measurements was followed by proof of suitability of the algorithm for detection of pathological corneas on measurements of diseased patients. Finally, measurements of $579$ donor corneas were performed and evaluated with the algorithm. The reproducibility of the results and the benefit of performing a ray tracing in the algorithm were discussed on some donor tissues. Results: The evaluation of 579 donor corneas showed an average steep/flat radius of curvature of the anterior surface of (7.42 ± 0.28) mm/ (7.67 ± 0.23) mm. The corresponding radii for the rear surface were (6.52 ± 0.30) mm/ (6.78 ± 0.27) mm. The mean central corneal thickness was (607.51 ± 78.02) µm. Abnormalities (outside ± 3 standard deviations) were found for five corneas (0.9 %) for anterior surface curvature, seven corneas (1.2%) for posterior surface curvature and five corneas (0.9%) for corneal thickness. A total of ten suspicous donor corneas could be identified with the algorithm. One cornea showed a keratoconus configuration and another had a scar confirmed by clinical anamnesis. These donor tissues were discarded for use as transplant. Conclusion: Optical coherence tomography allows fast, three-dimensional and contactless measurements of donor corneal tissue under sterile conditions in the culture medium. The measurable range covers almost the entire optically relevant graft diameter of >7 mm. Using an algorithm, topographic and pachymetric parameters could be calculated from the volume data, which are consistent with literature values of the human cornea. It is also possible to identify pathological donor tissue. The developed method is a fundamental step in the routine examination of corneal donor tissue. Towards quality control it could assist clinicans in decision assigning a donor tissue to specific surgery types or clinical situations and thus possibly increase the number of available transplants for corneal transplantation.