Purpose: Continuous peripheral pulse oximetry for monitoring adequacy of oxygenation is probably the most important technological advance for patients’ monitoring and safety in the last decades. Pulse oximetry has the disadvantage of measuring the peripheral circulation and the only mean to measure oxygen content of the central circulation is by invasive technology. Determination of blood oxyhemoglobin saturation in the retinal vessels of the eye can be achieved non-invasively through spectrophotometric retinal oximetry which provides access to the central nervous system circulation.
The aim of the thesis is to determine whether retinal oximetry technique can be applied for estimation of the central nervous system circulation which until now has only been possible invasively. This was achieved by measuring oxyhemoglobin saturation in three adult subject study groups; in people with central retinal vein occlusion (CRVO) to observe local tissue hypoxia, in patients with severe chronic obstructive pulmonary disease (COPD) on long term oxygen therapy to observe systemic hypoxemia, and in healthy subjects during hyperoxic breathing to observe systemic hyperoxemia. In addition, the fourth study that is mentioned was performed to test whether retinal oximetry is feasible for neonates.
Methods: Retinal oximetry in central retinal vein occlusion:
Sixteen subjects with central retinal vein occlusion participated in the study. The oxyhemoglobin saturation of the central retinal vein occlusion affected eye was compared with the fellow unaffected eye.
Retinal oximetry in healthy people under hyperoxia:
Thirty healthy subjects participated in the study and the oxyhemoglobin saturation of retinal arterioles and venules was compared between normoxic and hyperoxic breathing.
Retinal oximetry in severe chronic obstructive pulmonary disease:
Eleven patients with severe chronic obstructive pulmonary disease participated in the study. Retinal oximetry measurements were made with and without their daily supplemental oxygen therapy. Retinal arteriolar oxyhemoglobin saturation when inspiring ambient air was compared with blood samples from the radial artery and finger pulse oximetry and healthy controls. The healthy control group was assembled from our database for comparison of oxyhemoglobin saturation of retinal arterioles and venules during the ambient air breathing.
The retinal oximeter is based on a conventional fundus camera and a specialized software. A beam splitter coupled with two high resolution digital cameras allows for simultaneous acquisition of retinal images at separative wavelengths for calculation of oxyhemoglobin saturation.
In additon, retinal images of 28 full-term healthy neonates were obtained with scanning laser ophthalmoscope combined with modified Oxymap analysis software for calculation of the optical density ratio and vessel diameter.
Results: Retinal oximetry in central retinal vein occlusion:
Mean retinal venous oxyhemoglobin saturation was 31±12% in CRVO eyes and 52±11% in unaffected fellow eyes (mean±SD, n=14, p<0.0001). The arteriovenous oxygen difference (AV-difference) was 63±11% in CRVO eyes and 43±7% in fellow eyes (p<0.0001). The variability of retinal venous oxyhemoglobin saturation was considerable within and between eyes affected by CRVO. There was no difference in oxyhemoglobin saturation of retinal arterioles between the CRVO eyes and the unaffected eyes (p=0.49)
Retinal oximetry in healthy people under hyperoxia:
During hyperoxic breathing the oxyhemoglobin saturation in retinal arterioles increased to 94.5±3.8% as compared with 92.0±3.7% at baseline (n=30, p<0.0001). In venules the mean oxyhemoglobin saturation increased to 76.2±8.0% from 51.3±5.6% (p<0.0001) at baseline. The AV-difference was markedly lower during hyperoxic breathing as compared with the normoxic breathing (18.3±9.0% vs. 40.7±5.7%, p<0.0001).
Retinal oximetry in severe chronic obstructive pulmonary disease:
During ambient air breathing, chronic obstructive pulmonary disease subjects had significantly lower oxyhemoglobin saturation than healthy controls in both retinal arterioles (87.2±4.9% vs. 93.4±4.3%, p=0.02, n=11) and venules (45.0±10.3% vs. 55.2±5.5%, p=0.01) but the AV-difference was not markedly different (p=0.17). Administration of their prescribed oxygen therapy significantly increased the oxyhemoglobin saturation in retinal arterioles (87.2±4.9% to 89.5±6.0%, p=0.02) but not in venules (45.0±10.3% to 46.7±12.8%, p=0.3). Retinal oximetry values were slightly lower than finger pulse oximetry (mean percentage points difference = -3.1±5.5) and radial artery blood values (-5.0±5.4).
Retinal oximetry study in neonates:
The modified version of the retinal oximetry instrument estimated the optical density ratio in retinal arterioles to be 0.256±0.041 that was significantly different from the 0.421±0.089 in venules (n= 28, p<0.001, paired t-test). The vascular diameter of retinal arterioles was markedly narrower than of venules (14.1±2.7 and 19.7±3.7 pixels, p < 0.001).
Conclusion: The results of this thesis indicate that spectrophotometric retinal oximetry is sensitive to both local and systemic changes in oxyhemoglobin saturation. Retinal oxyhemoglobin saturation values are slightly lower than radial artery blood sample and finger pulse oximetry values. The discrepancies between the different modalities are expected to derive from countercurrent exchange between central retinal artery and vein within the optic nerve but calibration issues cannot be excluded as contributing to this difference. Despite these differences, the findings indicate the potential of retinal oximetry for non-invasive real-time measurements of oxyhemoglobin saturation in central nervous system vessels. Following calibration upgrade and technological improvement, verification retinal oximetry may potentially be applied to critically ill and anesthesia care patients.
The study on combined scanning laser ophthalmoscope and retinal oximetry supports the feasibility of the technique for oximetry analysis in newly born babies.
Tilgangur
Innleiðing púlsoximælinga til samfelldrar mælingar á súrefnismettun blóðs er ein mikilvægasta tækniþróun undanfarinna áratuga fyrir öryggi og vöktun sjúklinga. Þær hafa þó þann veikleika að mæla útæðar (peripheral circulation) og eina leiðin til að mæla súrefnisstyrk í miðlægum æðum er með ífarandi slagæðamælingum. Mæling á súrefnismettun í sjónhimnuæðum augans með sjónhimnu-súrefnismæli er hins vegar mæling á miðlægum æðum án ífarandi tækni. Sjónhimnan er hluti miðtaugakerfisins og eru sjónhimnuæðar því miðlægar æðar, sem samsvara súrefnisástandi miðtaugakerfisins að nokkru leyti.
Meginmarkmið verkefnisins er að meta hvort hægt sé að nota sjónhimnu-súrefnismælingar til að mæla súrefnismettun í miðlægri blóðrás sem hingað til hefur ekki verið mögulegt nema með ífarandi inngripum. Sannreynd er geta tækisins til að meta súrefnismettun í miðlægum æðum með því að skoða þrjá hópa fullorðins fólks; Fólks með miðbláæðarlokun (central retinal vein occlusion, CRVO) sem veldur staðbundnum súrefnisskorti í innri sjónhimnunni, sjúklinga með alvarlega langvinna lungnateppu (chronic obstructive pulmonary disease, COPD) sem einkennist af kerfisbundnum súrefnisskorti og heilbrigða einstaklinga til að meta kerfisbundin áhrif innandaðs súrefnis. Fjórða rannsóknin sem komið er inná var framkvæmd til að meta hvort sjónhimnu-súrefnismælingar eru álitlegur kostur fyrir nýbura.
Aðferðir
Sjónhimnu-súrefnismælingar í miðbláæðarlokun:
Sextán einstaklingar með miðbláæðarlokun tóku þátt í rannsókninni og var súrefnismettun augans með bláæðastífluna borin saman við súrefnismettun í gagnstæða auganu.
Sjónhimnu-súrefnismælingar hjá heilbrigðum við innöndun 100% súrefnis:
Þrjátíu heilbrigðir einstaklingar tóku þátt í rannsókninni og var súrefnismettun sjónhimnuæða við innöndun á andrúmslofti borin saman við innöndun 100% súrefnis.
iv
Sjónhimnu-súrefnismælingar í alvarlegri langvinnri lungnateppu:
Ellefu einstaklingar með alvarlega langvinna lungnateppu með varanlega þörf fyrir súrefni tóku þátt í rannsókninni. Súrefnismettun sjónhimnuæða hægra augans var mæld bæði með og án súrefnismeðferðar. Niðurstöðurnar voru bornar saman og jafnframt gerður samanburður án súrefnismeðferðar við blóðsýni frá sveifarslagæð, við fingurmælingu (pulse oximeter) og heilbrigðan samanburðarhóp sem fengin var úr gagnagrunni sem rannsóknarhópurinn hafði áður safnað.
Súrefnismælirinn samanstendur af hefðbundinni augnbotnamyndvél og sérstökum hugbúnaði sem les úr myndunum. Ljósdeilir sér til þess að tvær stafrænarmyndavélar taka samtímis myndir af sama svæðinu með sitthvorri bylgjulengdinni fyrir útreikninga á súrefnismettun sjónhimnuæða.
Sjónhimnu-súrefnismælingar í nýburum:
Að auki voru teknar myndir af 28 fullbura nýburum með laser skanna augnbotnamyndavél og fyrrgreindum hugbúnaði sem búið var að aðlaga laser skanna tækninni, til útreikninga á æðavídd og ljósþéttnihlutfalli í slag- og bláæðlingum.
Niðurstöður
Sjónhimnu-súrefnismælingar í miðbláæðarlokun:
Meðaltal súrefnismettunar í bláæðlingum augna með miðbláæðarlokun mældist 31±12% og 52±11% í gagnstæðum augum (meðaltal±staðalfrávik, n=14, p<0.0001). Mismunur súrefnismettunar í slag- og bláæðlingum mældist 63±11% í augum með miðbláæðarlokun og 43±7% í gagnstæðum augum (p<0.0001). Breytileiki bláæðamettunar reyndist umtalsverður bæði innan augna og milli augna með miðbláæðarlokun. Ekki reyndist munur á súrefnismettun í slagæðlingum augna með miðbláæðarlokun og í gagnstæðum augum (p=0.49).
Sjónhimnu-súrefnismælingar hjá heilbrigðum við innöndun 100% súrefnis:
Innöndun 100% súrefnis jók súrefnismettun slagæðlinga í 94.5±3.8% til samanburðar við 92.0±3.7% áður en hún hófst (n=30, p<0.0001). Í bláæðlingum jókst súrefnismettunin í 76.2±8.0% frá 51.3±5.6% (p<0.0001) áður en innöndunin hófst. Mismunur súrefnismettunar í slag- og bláæðlingum lækkaði marktækt á meðan á innöndun súrefnisins stóð (18.3±9.0% vs. 40.7±5.7% áður, p<0.0001).
v
Sjónhimnu-súrefnismælingar í alvarlegri langvinnri lungnateppu:
Án súrefnismeðferðar mældist sjónhimnu-súrefnismettunin marktækt lægri hjá fólki með alvarlega langvinna lungnateppu en hjá heilbrigða samanburðarhópnum bæði í slag- (87.2±4.9% vs. 93.4±4.3%, p=0.02,n=11) og í bláæðlingum (45.0±10.3% vs. 55.2±5.5%, p=0.01). Ekki reyndist mærktækur munur á mismuni súrefnismettunar í slag- og bláæðlingum milli þessara hópa (p=0.17). Innöndun súrefnismeðferðar jók marktækt súrefnismettunina í slagæðlingum (87.2±4.9% vs. 89.5±6.0%, p=0.02) en ekki í bláæðlingum (45.0±10.3% vs. 46.7±12.8%, p=0.3). Sjónhimnu-súrefnismælingarnar sýndu lítið eitt lægri gildi en fingurmælingar (mean percentage points difference = -3.1±5.5) og ífarandi slagæðamælingar (-5.0±5.4).
Sjónhimnu-súrefnismælingar í nýburum:
Ljósþéttnihlutfallið í slagæðlingum sjónhimnunnar mældist marktækt lægra en í bláæðlingum (0.256±0.041 vs. 421±0.089, n= 28, p<0.001, parað t-próf). Æðavídd slagæðlinga reyndist marktækt minni en í blæðlingum (14.1±2.7 vs. 19.7±3.7 pixlar, p < 0.001).
Ályktanir
Niðurstöður rannsóknanna sýna að sjónhimnu-súrefnismælirinn er næmur fyrir staðbundnum og kerfisbundnum breytingum á súrefnismettun í miðlægum æðum. Sjónhimnu-súrefnismælingar sýna eilítið lægri gildi en slagæða- og fingurmælingar. Mismuninn má að öllum líkindum rekja til nálægrar legu miðslagæðarinnar við miðbláæðina innan sjóntaugarinnar (countercurrent exchange) og kvörðunar á sjónhimnu-súrefnismælinum. Þrátt fyrir þennan mun, gefa rannsóknirnar vísbendingar um að víkka megi notagildi tækisins yfir í mælingar á súrefnisbúskap í miðlægum æðum blóðrásarinnar. Endurskoða þarf kvörðunina á mælitækinu og með tilkomu tækniframfara er mögulega unnt að sannreyna gildi mæliaðferðarinnar á svæfingadeildum og hjá alvarlega veikum sjúklingum á gjörgæslu.
Rannsóknin á ungabörnunum gefur vísbendingar um að sjónhimnu-súrefnismælingar séu álitlegur kostur til mats á súrefnismettun hjá nýburum.
