Die Pupillographie ist eine Methode zur Aufzeichnung und Messung der Pupillenreaktion. Sie verwendet eine Infrarot-Videokamera und Computersoftware, um die Pupillenreaktion dynamisch und quantitativ zu bewerten.
Der Begriff „Pupillographie“ wurde von Lowenstein und Loewenfeld geprägt und entwickelte sich als dynamische Infrarot-Videotechnik zur Aufzeichnung der efferenten und afferenten Bahnen des Auges. Die Einführung elektronischer Technologie verbesserte Genauigkeit, Konsistenz und Geschwindigkeit im Vergleich zu manuellen Messungen, und heute wird auch der Begriff „Pupillometrie“ häufig verwendet.
Beim 32. Internationalen Pupillenkolloquium (IPC, Morges, Schweiz) kamen Experten zusammen, um die erste Version internationaler Standards für Datenerfassung, -verarbeitung und -berichterstattung zu entwerfen. In den letzten Jahren wurden Desktop- und tragbare Pupillometer kommerzialisiert, und durch die Kombination mit KI werden Leistungssteigerungen erwartet.
Die Anwendungsbereiche umfassen Ophthalmologie, Neurologie, Neurowissenschaften, Psychologie und Chronobiologie.
Ursprünglich nannten Lowenstein und Loewenfeld die dynamische Infrarot-Videotechnik „Pupillographie“. Später, mit der Entwicklung der Elektronik, verbreitete sich auch der Begriff „Pupillometrie“, und heute werden beide oft synonym verwendet.
Im Folgenden sind die typischen Parameter einer einzelnen Messung aufgeführt.
Miosisphase
Latenz (T₁): Zeit vom Lichtreiz bis zum Beginn der Miosis. Bei ausreichend hellem Reiz etwa 200 Millisekunden.
Kontraktionsgeschwindigkeit (VC): Geschwindigkeit der Miosis. Bei Störung des visuellen Inputs sind T₁ verlängert und VC vermindert.
Maximale Miosis (D₃): Durchmesser bei maximaler Miosis. Bei Störung des visuellen Inputs ist D₃ vermindert.
Miosisrate (CR): Miosisbetrag/Basisdurchmesser. Bei Störung des visuellen Inputs ist CR vermindert.
Mydriasisphase
Dilatationsgeschwindigkeit (VD): Geschwindigkeit der Pupillenerweiterung nach Lichtentfernung. Spiegelt die Funktion des sympathischen Nervensystems wider.
Mydriase-Verzögerungszeit (T₅) : Zeit bis zum Beginn der Pupillenerweiterung. Beim Horner-Syndrom ist eine deutliche Verlängerung der T₅ ein charakteristischer Befund.
PIPR (post-illuminations-persistente Pupillenreaktion) : Anhaltende Miosis nach Stimulation mit hoher Leuchtdichte und kurzer Wellenlänge. Spiegelt die Aktivierung von ipRGC und Melanopsin wider.
Die Pupille ist nie vollständig ruhig; sie zeigt ständige Oszillationen von etwa ±0,5 mm (Hippus). Darüber hinaus spiegelt die Miosis-Phase hauptsächlich die Funktion des Parasympathikus wider, während die Mydriase-Phase hauptsächlich die Funktion des Sympathikus widerspiegelt.
Netzhaut-Photorezeptoren → retinale Ganglienzellen → Sehnerv → Chiasma opticum → Tractus opticus → Abzweigung vor dem Corpus geniculatum laterale → Area pretectalis → ipsilateraler Edinger-Westphal (EW)-Kern und über die Commissura posterior zum kontralateralen EW-Kern.
Beim Menschen beträgt das Verhältnis von gekreuzten zu ungekreuzten Fasern etwa 1:1, und die Stärke des direkten und indirekten Lichtreflexes ist nahezu gleich.
EW-Kern → N. oculomotorius → Sinus cavernosus → Fissura orbitalis superior → Orbita → unterer Ast des N. oculomotorius → Synapse im Ganglion ciliare → Nn. ciliares breves → Eintritt in den Augapfel.
95% der parasympathischen Fasern aus dem EW-Kern projizieren zum M. ciliaris (Akkommodation) und 5% zum M. sphincter pupillae. Dieses Verhältnis steht im Zusammenhang mit dem Mechanismus der Licht-Nah-Reaktions-Dissoziation.
Intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGC) enthalten Melanopsin und bilden den Hauptafferenzweg des Pupillenlichtreflexes. Kurzwelliges, starkes blaues Licht (um 470 nm) führt zu einer langsamen, anhaltenden Miosis (PIPR).
Die Melanopsin-Funktion bleibt im Laufe des Lebens relativ stabil, nimmt nach dem 80. Lebensjahr ab, jedoch langsamer als die altersbedingten Veränderungen von Stäbchen und Zapfen.
Ja, sie verändert sich. Psychische Anspannung, Schreck und Schmerzreize führen über das sympathische Nervensystem zu einer Mydriasis, während Müdigkeit und Schläfrigkeit über das zentrale Nervensystem eine Miosis auslösen. Emotional ist Angst mit Mydriasis und Wohlbefinden mit Miosis verbunden. Auch Medikamente (Koffein, Nikotin, Antihistaminika) beeinflussen den Pupillendurchmesser.
Durchführung in einer Umgebung mit geringem Umgebungslicht, um äußere Einflüsse auf den Pupillendurchmesser zu minimieren. Der Patient sitzt vor einem speziellen Gerät, Kamera und beide Augen sind in einer Linie angeordnet. Nach Aufzeichnung des basalen Pupillendurchmessers werden verschiedene Reize (Licht, visuelle Muster) dargeboten und die Pupillenreaktion aufgezeichnet.
Der Messzeitraum sollte unter Berücksichtigung der Tagesschwankungen zwischen 10:00 und 14:00 Uhr beginnen und enden (innerhalb einer Stunde nach dem Mittagessen vermeiden). Beim geschlossenen Typ ist der Pupillendurchmesser größer als beim offenen Typ, und beim monokularen Sehen ist er im Hellen etwa 1,0 mm und im Dunkeln etwa 0,2 mm größer als beim binokularen Sehen. Daher ist eine Standardisierung der Bedingungen unerlässlich.
Zur Verfolgung der Pupillengröße werden Segmentierungsalgorithmen verwendet. Die einfachste Methode, die Hough-Transformation, ist bei kreisförmigen Pupillen wirksam, aber bei Verschiebungen oder abnormalen Formen ungenau. Durch den Einsatz hochpräziser Mustererkennungsmodelle können auch abnormal geformte Pupillen mit hoher Genauigkeit erkannt werden.
Die Pupillographie ermöglicht durch standardisierte Aufzeichnung genaue Messungen und kann zusätzliche Parameter wie Latenz, Kontraktionsrate und Dilatationsgeschwindigkeit quantitativ erfassen, die mit der Stiftlampe nicht beurteilt werden können. Sie ermöglicht auch die Dokumentation und den zeitlichen Vergleich der Ergebnisse und eliminiert Untersucher-Bias.
Im Vergleich zum herkömmlichen Swinging-Flashlight-Test ermöglicht die Pupillographie standardisierte, quantitative und reproduzierbare Messungen. RAPD tritt bei ausgedehnten Retinopathien, Optikusneuropathien, Läsionen des Tractus opticus und prätektalen Läsionen auf.
Das Verfahren des Swinging-Flashlight-Tests besteht darin, in einem halbdunklen Raum abwechselnd jedes Auge mit einem etwa 2-sekündigen Lichtreiz zu stimulieren. Bei einer einseitigen Optikusneuropathie führt die Stimulation des gesunden Auges zu einer beidseitigen Pupillenverengung, aber beim Wechsel zum betroffenen Auge nimmt die Verengung ab (beobachtet als „sich erweiternde Veränderung“). Trübungen der Medien wie Katarakt, beidseitige Sehstörungen und Läsionen hinter dem Chiasma führen nicht zu einem RAPD.
Bei Schädel-Hirn-Trauma-Patienten kann dies das einzige Zeichen einer traumatischen Optikusnervenschädigung sein und ist bei der Beurteilung komatöser Traumapatienten nützlich.
Die Dilatationsverzögerung (Dilation lag) ist eine Verzögerung der Pupillenerschlaffung und -erweiterung nach Lichtentfernung. Beim Horner-Syndrom dauert die Dilatation maximal 15–20 Sekunden (normal etwa 5 Sekunden). Eine deutliche Verlängerung des T₅ ist ein charakteristischer Befund. Bei beidseitigem Horner-Syndrom (bei dem die relative Anisokorie unklar ist) kann die Messung der Dilatationsverzögerung die einzig zuverlässige Diagnosemethode sein.
Die Beurteilung der Anisokorie erfordert Messungen sowohl bei Helligkeit als auch bei Dunkelheit. Die Miosis auf der betroffenen Seite wird im Dunkeln deutlicher, die Mydriasis auf der betroffenen Seite wird bei Helligkeit deutlicher. Etwa 20 % der Normalbevölkerung haben eine physiologische Anisokorie (Differenz ≤ 1 mm, kein Helligkeitsunterschied, normaler Pupillenlichtreflex). Es ist zu beachten, dass afferente Störungen (Optikusneuropathien) zwar Pupillenlichtreflexanomalien verursachen, aber grundsätzlich keine Anisokorie.
Die Messung des Pupillendurchmessers bei schwacher Beleuchtung hilft, die optimale Ablationszone für LASIK zu bestimmen. Ist die Ablationszone kleiner als der Pupillendurchmesser unter Mydriasis, besteht das Risiko von Halos in der Nacht. Diese Messung wird auch zur Beurteilung der Eignung für multifokale Intraokularlinsen und refraktive Chirurgie verwendet.
Der Pupillenlichtreflex (PLR) ermöglicht die getrennte Beurteilung der Stäbchen-, Zapfen- und Melanopsinwege. In einer Familie mit Jalili-Syndrom (CNNM4-Mutation) war der zapfenvermittelte PLR nachweisbar, obwohl das photopische Elektroretinogramm nicht detektierbar war 1). Unter skotopischen Bedingungen zeigten CNNM4-Patienten einen großen PLR, während er unter photopischen Bedingungen nahe der unteren Normgrenze oder leicht reduziert war 1).
Typische Anwendungen sind die Unterscheidung von Optikusneuropathie und Retinopathie durch RAPD-Beurteilung, die Diagnose des Horner-Syndroms durch Messung der Dilatationsverzögerung und die Beurteilung des Adie-Syndroms in Kombination mit dem verdünnten Pilocarpin-Tropftest. Sie wird auch zur objektiven Beurteilung neurodegenerativer Erkrankungen und autonomer Störungen eingesetzt.
Der Pupillenlichtreflex wird durch die Integration der folgenden drei Wege gesteuert.
| Weg | Photorezeptor | Merkmal |
|---|---|---|
| Stäbchenweg | Rhodopsin | Hohe Empfindlichkeit bei schwachem Licht und Dunkelheit |
| Zapfenweg | Opsin | Helles Licht und photopische Bedingungen. Kurze Latenz und schnelle Kontraktionsgeschwindigkeit |
| ipRGC-Weg | Melanopsin | Lange Latenz und langsame Geschwindigkeit. Hält nach dem Reiz an (PIPR) |
Der Zapfeneingang steuert die anhaltende Verengung bei Reizkontraständerungen, während der Melanopsineingang den photopischen Pupillendurchmesser bei längerer Lichteinwirkung festlegt. Diese Signalintegration der äußeren und inneren Netzhaut ermöglicht eine präzise Anpassung der Pupillenantwort.
Die Verstärkungskontrolle des Pupillenregelkreises erfolgt auf der Ebene des Edinger-Westphal-Kerns. Hinsichtlich kortikaler Eingänge: Selbst bei lokalisierten ischämischen Infarkten der Inselrinde oder des frontalen Augenfeldes bleiben Pupillendurchmesser und Verengungsgeschwindigkeit im normalen physiologischen Bereich, was darauf hindeutet, dass das Fehlen kortikaler Eingänge Pupillendurchmesser und Verengungsgeschwindigkeit nicht direkt beeinflusst.
Durch kognitive oder emotionale Ereignisse ausgelöste Pupillenveränderungen sind kleiner als der Lichtreflex (normalerweise unter 0,5 mm) und zeigen eine enge Korrelation mit der Aktivität des Locus coeruleus.
Dies ist eine Methode, die darauf abzielt, die Antworten der äußeren Netzhaut (Stäbchen- und Zapfen-vermittelt) und der inneren Netzhaut (Melanopsin-vermittelt) in einer einzigen nicht-invasiven Messung zu trennen. Durch technische Optimierung wird eine Entwicklung zu einem hochsensiblen und hochpräzisen klinischen Biomarker erwartet.
Hyde et al. (2022) verglichen drei Schwestern mit Jalili-Syndrom (CNNM4-Mutation, 5, 14 und 15 Jahre alt) mit 10 gesunden Kontrollpersonen. Sie führten Messungen des Stäbchenpfads nach Dunkeladaptation (465 nm, 1 s) und des Zapfenpfads nach Helladaptation (642 nm, 1 s, 6 cd/m² blaues Stäbchen-Unterdrückungsfeld) durch und berechneten Pmax (maximale gesättigte PLR-Antwort) und s (PLR-Halbsättigungskonstante) mit der Naka-Rushton-Funktion 1). Obwohl das photopische Elektroretinogramm nicht nachweisbar war, war die zapfenvermittelte PLR aufzeichnbar, was darauf hindeutet, dass die PLR ein nützliches Mittel zur Bewertung der Zapfenfunktion sein könnte 1).
Die erste Version des internationalen Standards, die auf dem 32. Internationalen Pupillenkolloquium entwickelt wurde, enthält Empfehlungen für den minimalen Satz von Variablen, die für die Datenerfassung, -verarbeitung und -berichterstattung erforderlich sind. Sie zielt darauf ab, die Vergleichbarkeit zwischen Studien zu verbessern und wird voraussichtlich die Grundlage für zukünftige klinische und multizentrische Studien bilden.
Die Integration von KI und Geräten verspricht eine Leistungssteigerung und eine verbesserte objektive Quantifizierung. Zu den wichtigsten Forschungsthemen gehören die Erkennung und Verlaufsüberwachung neurodegenerativer Erkrankungen (Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit), die objektive Bewertung der Aktivität des autonomen Nervensystems in klinischen Studien und die Bewertung der Funktion melanopsinhaltiger retinaler Ganglienzellen bei Patienten mit Schlaf- und zirkadianen Rhythmusstörungen.
