Die retinale Oxymetrie (retinal oximetry) ist eine nicht-invasive Untersuchungstechnik zur Messung der Sauerstoffsättigung (SO₂) in den Blutgefäßen der Netzhaut. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie ohne Blutentnahme oder Kontrastmittel allein mit einer Funduskamera und optischer Analysesoftware eine quantitative Bewertung des Sauerstoffzustands in den Gefäßen ermöglicht. 1)2)
Die grundlegende Forschung zu dieser Technik wurde 1959 von Hickam et al. durchgeführt. 2) Mit der Entwicklung digitaler Bildverarbeitungstechniken schritt die praktische Anwendung voran, und in den letzten Jahren wird durch die Integration mit KI-Analysetechniken die Genauigkeit verbessert. 1)
Die theoretische Grundlage der Messung ist die Zwei-Wellenlängen-Spektroskopie nach dem Lambert-Beer-Gesetz, die den Unterschied in den Lichtabsorptionsspektren von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin nutzt (siehe Details zum technischen Prinzip).
Es ist eine Untersuchung, bei der mit einer Funduskamera Licht mehrerer Wellenlängen eingestrahlt wird und aus dem Unterschied der Lichtabsorption von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin in den Netzhautgefäßen die Sauerstoffsättigung berechnet wird. Es ist keine Blutentnahme oder Kontrastmittel erforderlich, und die Messung ist in wenigen Minuten abgeschlossen.
Die Referenzwerte der Netzhautgefäße bei gesunden Personen sind wie folgt. 2)
| Stelle | Sauerstoffsättigung |
|---|---|
| Arterie | Etwa 92% |
| Vene | etwa 55 % |
Der Unterschied zwischen Arterien und Venen (Indikator für den Sauerstoffverbrauch) beträgt etwa 37 Prozentpunkte. Dieser Wert dient als Referenz für die Bewertung bei verschiedenen Erkrankungen.
Die typischen Muster der SO₂-Veränderung für jede Augenerkrankung sind unten zusammengefasst.
| Erkrankung | Arterie | Vene | Hauptbedeutung |
|---|---|---|---|
| Diabetische Retinopathie | Unverändert bis leicht erhöht | Erhöht | Indikator für Stoffwechselstörung |
| Normaldruckglaukom | Vermindert | Unverändert bis vermindert | Hinweis auf Sehnervenischämie |
| Netzhautvenenverschluss | Keine Veränderung | Anstieg | Beurteilung der Verschlussstelle |
| Altersbedingte Makuladegeneration | Veränderung vorhanden | Veränderung vorhanden | Aderhautkreislaufinsuffizienz |
| Retinitis pigmentosa | Abnahme | Abnahme | Allgemeiner Stoffwechselabfall |
Die Netzhautgefäße spiegeln den systemischen Kreislauf wider, daher werden auch bei systemischen Erkrankungen außerhalb des Auges charakteristische Veränderungen beobachtet.
| Erkrankung | Hauptbefunde |
|---|---|
| Alzheimer-Krankheit | Anstieg der arteriellen SO₂ (ca. 94,2%) |
| COPD | Abnahme der arteriovenösen SO₂ |
| Chronische Nierenerkrankung | SO₂-Veränderung |
Derzeit befindet sich dies noch im Forschungsstadium und ist noch nicht als diagnostisches Werkzeug etabliert. Bei der Alzheimer-Krankheit wurde ein Anstieg des arteriellen SO₂ berichtet, aber die alleinige diagnostische Genauigkeit ist unzureichend und erfordert eine Kombination mit anderen neurologischen Tests. Einzelheiten finden Sie im Abschnitt „Ausblick“.
Die Messwerte der retinalen Oxymetrie werden durch mehrere Faktoren beeinflusst. Bei der Interpretation der Ergebnisse müssen diese Störfaktoren berücksichtigt werden.
Das Grundprinzip der retinalen Oxymetrie ist die Zwei-Wellenlängen-Spektralphotometrie basierend auf dem Lambert-Beer-Gesetz. 1)2)
Oxyhämoglobin (oxyHb) und Desoxyhämoglobin (deoxyHb) haben unterschiedliche Lichtabsorptionsspektren. Im Einzelnen:
Die Sauerstoffsättigung (SO₂) wird aus dem optischen Dichteverhältnis (ODR) dieser beiden Wellenlängen berechnet. 1) Die Gleichung ist unten zusammengefasst.
ODR = log(I_ref / I_meas_reference) / log(I_ref / I_meas_sensitive) SO₂ ∝ 1 − ODR (Koeffizienten werden durch Gerätekalibrierung bestimmt)
Diese Berechnung wird für jedes Pixel des Gefäßes durchgeführt und erzeugt eine Farbkarte der SO₂ entlang des Gefäßes.
Oxymap T1
Übersicht : Ein repräsentatives kommerzielles Netzhaut-Oximeter.
Methode : Kombination aus einer nicht-mydriatischen Funduskamera und einer Zwei-Wellenlängen-Kamera.
Merkmale : FDA-zugelassen. In zahlreichen klinischen Studien eingesetzt. 1)2)
Imedos-System
Übersicht : Ein von der deutschen Firma Imedos entwickeltes Netzhautgefäßanalysesystem.
Methode : Analyse der Netzhautgefäße mittels Multispektralphotometrie.
Merkmale : Auch Messung von Gefäßdurchmesser und Blutflussgeschwindigkeit möglich. 2)
vis-OCT
Übersicht : nächste Generation der Messtechnik basierend auf sichtbarem Licht-OCT.
Verfahren : OCT mit sichtbarem Licht (450–700 nm) misst SO₂ mit hoher räumlicher Auflösung.
Merkmal : Schicht- und tiefenspezifische SO₂-Messung möglich, Anwendung auf die Aderhaut ebenfalls in der Forschung. 2)
Ein Pulsoximeter misst die arterielle SO₂ im gesamten peripheren Kreislauf, z. B. an den Fingerspitzen, während die retinale Oxymetrie lokal die SO₂ in einzelnen Netzhautgefäßen (Arterien und Venen) des Augenhintergrunds misst. Der Hauptunterschied besteht darin, dass nicht nur der allgemeine Sauerstoffstatus des Körpers, sondern auch der lokale Sauerstoffstoffwechsel der Netzhaut und das Vorhandensein von Gefäßstörungen beurteilt werden können.
Die retinale Oxymetrie wird auch als Instrument zur Bewertung der Behandlungswirksamkeit erforscht.
Nach einer retinalen Photokoagulation (Laserbehandlung) bei diabetischer Retinopathie wurde eine Abnahme der venösen SO₂ (Veränderung in Richtung Normalisierung) bestätigt.1)2) Es wird angenommen, dass die Zerstörung von Netzhautgewebe mit Stoffwechselstörungen durch Photokoagulation den Sauerstoffbedarf der verbleibenden Netzhaut verändert und die venöse SO₂ verbessert. Die Verfolgung dieser Veränderung verspricht eine objektive Bewertung der Behandlungswirksamkeit.
Es wurde berichtet, dass nach der Verabreichung von Carboanhydrasehemmern (CAI), die zur Behandlung des Glaukoms eingesetzt werden, Veränderungen der retinalen arteriellen SO₂ beobachtet wurden.1) Es wird vermutet, dass CAI neben der drucksenkenden Wirkung auch eine verbessernde Wirkung auf den retinalen Blutfluss haben, und die retinale Oxymetrie könnte ein nicht-invasives Instrument zur Bewertung dieses vaskulären Effekts sein.
Die Sauerstoffversorgung der Netzhaut erfolgt über zwei anatomisch unterschiedliche Systeme. Diese Doppelstruktur ist auch ein Faktor, der die Interpretation der retinalen Oxymetrie erschwert. 2)
Photorezeptoren sind die Zellen mit dem höchsten Sauerstoffverbrauch im Augapfel, aber ihre Sauerstoffquelle ist die Choroidea, die mit der üblichen retinalen Oxymetrie mittels Funduskamera nicht direkt gemessen werden kann. Aus diesem Grund wird die Messung der choroidealen SO₂ mittels vis-OCT oder tiefer OCT erforscht.
Es ist wichtig zu beachten, dass die SO₂ der inneren Netzhautschichten nicht direkt den Sauerstoffverbrauch der Photorezeptoren widerspiegelt, sondern die Stoffwechselaktivität der Nerven- und Gliazellen der inneren Schichten.
Die aktuelle retinale Oxymetrie weist Einschränkungen hinsichtlich Messbereich, Handhabbarkeit und Reproduzierbarkeit auf. Die folgenden technischen Entwicklungen sind im Gange. 1)
Die Netzhaut ist funktionell und anatomisch ähnlich zum zentralen Nervensystem (Gehirn) als dessen Verlängerung, und ihre Rolle als „Fenster“ zu neurodegenerativen Erkrankungen wird beachtet. 1)3)
Cheung et al. (2019) beschrieben strukturelle und funktionelle Veränderungen der Netzhaut bei Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit und Demenz und zeigten, dass die Netzhaut ein potenzieller Biomarker für diese neurodegenerativen Erkrankungen sein könnte3). Die Kombination mehrerer Netzhaut-Biomarker, einschließlich der retinalen Oxymetrie, könnte für das frühe Screening auf Demenz eingesetzt werden.
Bei der Alzheimer-Krankheit wurde ein Anstieg der retinalen arteriellen SO₂ (ca. 94,2 %) berichtet, der als Ausdruck von Veränderungen des Sauerstoffstoffwechsels im Zusammenhang mit der Neurodegeneration angesehen wird.1)Für den praktischen Einsatz als Diagnosewerkzeug sind jedoch Längsschnittstudien erforderlich, um Sensitivität und Spezifität zu etablieren.
Derzeit befindet sich dies im Forschungsstadium. Bei der diabetischen Retinopathie wurde ein Anstieg der venösen SO₂ beobachtet, bevor klinische Veränderungen deutlich werden, was darauf hindeutet, dass sie als Indikator für sehr frühe Veränderungen dienen könnte. Allerdings sind weitere groß angelegte Studien erforderlich, um sie als standardmäßigen Screening-Test zu etablieren.
