Hemoglobin oxygen saturation (So₂) in the human ocular fundus measured by reflectance oximetry: preliminary data in retinal veins

Zusammenfassung

Hintergrund: Entwicklung eines Reflexionsoximeters für nichtinvasive Messungen der Änderung der Sauerstoffsättigung (SO₂) in den Gefäßen des Fundus des menschlichen Auges, mit dem Ziel, die retinale Zirkulation besser zu verstehen, in Gesundheit und Krankheit. Material und Methoden: Für die retinale Oximetrie muss die Retina bei verschiedenen Wellenlängen (λ) dargestellt und die scheinbare optische Dichte (optical density - OD_λ) der retinalen Gefäße gemessen werden. Das neue IRO-Oximeter erfasst zweidimensionale Bilder der Retina simultan bei vier verschiedenen Wellenlängen. Die Hämoglobinsauerstoffsättigung wird mit Hilfe der spektral aufgelösten Bilder bei 569 nm (unempfindlich für den Sauerstoffgehalt des Hämoglobins) und bei 600 nm (empfindlich für den Sauerstoffgehalt) bestimmt. Ergebnisse: Um die Methode zu testen, wurden zwei Probanden gebeten zuerst Raumluft, dann reinen Sauerstoff zu atmen. Während der Hyperoxie (100 % O₂-Atmung) fällt das Verhältnis der scheinbaren optischen Dichten (OD₆₀₀/OD₅₆₉) signifikant, folglich steigt die Sauerstoffsättigung SO₂ in den Venen. Schlussfolgerungen: Die Methode der Bestimmung des Verhältnisses der spektralen optischen Dichten gestattet die Messung der relativen Sauerstoffsättigung, z. B. für die Veränderung des SO₂ unter verschiedenen physiologischen Bedingungen, vor und nach einem Eingriff oder für das Aufzeichen von Krankheiten der Retina, wie z. B. Retinopathia diabetica.

Abstract

Background: Development of a reflectance oximeter to measure non-invasively the changes in oxygen saturation (SO₂) in the vessels of the human eye fundus, with the goal of obtaining a better understanding of the retinal circulation in health and disease. Material and methods: For retinal oximetry, an instrument must image the retina at multiple wavelengths (λ) and measure the apparent optical density (OD_λ) of retinal vessels. The new IRO oximeter acquires two-dimensional images of the retina at four different wavelengths simultaneously. The hemoglobin oxygen saturation is calculated using the spectral images at 569 nm (not sensitive to the oxygenation status of hemoglobin) and at 600 nm (sensitive to the oxygenation status). Results: To test the method, two subjects were asked to breathe first room air and then pure oxygen. During hyperoxia (100 % O₂ breathing), the apparent optical density ratio (OD₆₀₀/OD₅₆₉) decreases significantly, and consequently, the SO₂ in the veins increases. Conclusions: The optical density ratio method could be used for relative oxygen saturation measurements, for example, for determining the variation of the SO₂ under various physiological conditions, before and after an intervention or for monitoring retinal diseases such as diabetic retinopathy.

Hämoglobinsauerstoffsättigung - Reflexionsoximetrie - optische Dichte - Retina - Krankheiten der Retina - Hyperoxie

Hemoglobin oxygen saturation - reflectance oximetry - optical density - retina - retinal diseases - hyperoxia

References

• 1 Denninghoff K R, Smith M H, Hillman L. Retinal imaging techniques in diabetes.  Diabetes Technol Ther. 2000;  2 (1) 111-113
• 2 Beach J M, Schwenzer K J, Srinivas S, Kim D, Tiedeman J S. Oximetry of retinal vessels by dual-wavelength imaging: calibration and influence of pigmentation.  J Appl Physiol. 1999;  86 (2) 748-758
• 3 Riva C E, Grunwald J E, Sinclair S H. Laser Doppler velocimetry study of the effect of pure oxygen breathing on retinal blood flow.  Invest Ophthalmol Vis Sci. 1983;  24 (1) 47-51
• 4 Frayser R, Hickam J B. Retinal vascular response to breathing increased carbon dioxide and oxygen concentrations.  Invest Ophthalmol Vis Sci. 1964;  3 (4) 427-431