Schlüsselwörter
Strabismus - Biometrie - Augenmuskeloperation - Schielwinkel
Hintergrund
Bei der Augenmuskeloperation horizontaler Augenmuskeln, ob eines Muskels oder kombiniert, wird grundsätzlich ein präoperativ bestehender Schielwinkel durch die Augenmuskeloperation
(„Modifikation der Augenmuskeln“) soweit korrigiert, dass möglichst die Orthoposition erreicht wird. Die Summe der Drehmomente von Agonisten und Antagonisten (z. B. M. rectus medialis,
M. rectus lateralis) heben sich auf. Die Blickbewegungen sind dann innerhalb der bestehenden Rollstrecken konkomitant [1], [2]. Das
verwendete See++-Augenmodell (Seekid-Software: RISC Software GmbH, Hagenberg, Österreich) ist ein biomechanisches Augenmodell, das zu einem grundlegenden Verständnis der biologischen
Strukturen führen, eine mechanische Analyse und das Verständnis von Augenbewegungen ermöglichen soll [3].
Eine Variable, die bei allen Berechnungsmodellen wie „Orbit“ und „See++“ Verwendung findet, ist der präoperative Schielwinkel. In den meisten Fällen wird ein fixes Verhältnis von
präoperativem Schielwinkel und benötigter OP-Strecke angenommen (Dosis-Wirkungs-Beziehung) [4], [5].
Viele erfahrene Chirurgen/-innen ergänzen diese linearen Vorhersagemodelle empirisch. Diese eigenen Erfahrungen, wie z. B. Einschätzung der Elastizität des Gewebes (z. B. bei Re-Operationen),
Augenlänge [6], [7], [8] und andere Faktoren, können im biomechanischen Augenmodell Seekid abgebildet, variabel
verändert und getestet werden.
Ziel unserer Studie war es, den präoperativ gemessenen Schielwinkel (Pathologie) und biometrische Daten des Auges zu simulieren und anschließend die Augenmuskeloperation (Summe von
Rücklagerung und Faltung bzw. Resektion [in mm]) ebenfalls nachzubilden und mit den klinischen Ergebnissen zu vergleichen.
Methoden
Bei dieser retrospektiven Studie wurden Patienten/-innen eingeschlossen, bei denen auf einem Auge eine Augenmuskeloperation an einem oder beiden horizontalen Augenmuskeln stattgefunden hatte.
Einschlusskriterien waren das Vorhandensein einer präoperativen optischen Biometrie (IOLMaster500, Carl Zeiss Meditec AG, Deutschland) und der prä- und postoperative (8 Wochen) Schielwinkel in
der Ferne. Ausschlusskriterien waren eine Operation beider Augen, eine Operation von anderen Augenmuskeln außer den horizontalen und eine vorangegangene Augenmuskeloperation. Da diese Studie
retrospektiv durchgeführt wurde, wurde die Planung der Operation nach dem „surgeonʼs-choice“-Prinzip durchgeführt. Dafür wurde als Ausgangspunkt die folgende fixe Dosis-Wirkungs-Beziehung
verwendet: 1 mm Rücklagerung reduziert den Schielwinkel um 2°, 1 mm Faltung reduziert den Schielwinkel um 3°. Allerdings stand es dem Chirurgen frei, aufgrund seiner Erfahrung und der
bekannten Augenlänge die Dosis anzupassen.
Alle Simulationen wurden retrospektiv durchgeführt. Der Schielwinkel wurde sowohl vor als auch nach der Operation mit dem wechselseitigen oder einseitigen Prismen-Cover-Test durchgeführt, je
nachdem, ob ein manifestes oder latentes Schielen vorlag.
Alle Daten wurden anonymisiert in ein Excel File (Microsoft for Mac, Version 16.43, Microsoft, USA+Xlstat-plug-in) übertragen und die optischen Biometriedaten wurden als Batch-Export/Import
hinzugefügt. Im nächsten Schritt wurden alle Daten in das Seekid-Programm eingespielt.
Für die Auswertung wurde immer die gesamte OP-Strecke verwendet, um auch den Effekt von 2 operierten Augenmuskeln darstellen zu können. Es wurde immer im 1. Schritt die Pathologie und dann
die Augenmuskeloperation simuliert:
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Simulation der laut Seekid optimalen OP-Strecke ohne Kenntnis des postoperativen Schielwinkels (T. K.)
-
Ohne Berücksichtigung der Augenlänge (bzw. des zugeordneten Muskelradius). Dabei wird ein Standardwert für den axialen Bulbusradius von 11,994 mm verwendet.
-
mit Berücksichtigung der Augenlänge
-
Simulation der tatsächlichen OP-Strecke
-
Optimierung der Vorhersage mittels Partial-least-Squares-Regression
Seekid (See++-Software)
Diese Software wurde in Linz entwickelt (RISC Software GmbH, Hagenberg, Österreich) und erlaubt eine computergestützte Planung der Augenmuskeloperation durch die digitale Adaptation von
konventionellen Ophthalmotropen nach Ruete, Donder oder Wundt. Die Software zeigt ein biomechanisches 3-D-Modell des Auges, das durch die Simulation von OP-Strecken beeinflusst werden kann
und wurde bereits evaluiert [9]. Seekid [2] erlaubt durch Eingabe des axialen Augendurchmessers, auch die Muskelradien anzupassen (der
M. rectus medialis hat einen um ca. 1,093 mm größeren Muskelradius bezogen auf die Augenlänge und der M.-rectus-lateralis-Muskelradius entspricht etwa der axialen Augenlänge).
Statistik
Für die deskriptive Analyse wurde der Mittelwert und die Standardabweichung angegeben. Die Vorhersagemodelle basieren auf Partial-least-Squares-Regression, da diese Form der Regression
Problemen, wie dem Overfitting und Interaktionen zwischen Variablen, besser vorbeugen kann und auch nichtlineare Rückschlüsse zulässt. Die Validierung der Regression wurde dann mittels
Boot-Strapping-Methode durchgeführt. Beide Verfahren wurden andernorts im Detail beschrieben [10], [11]. Für die Vorhersagepower des
Regressionsmodells wird die „variable importance for projection“ (VIP) angegeben. Ein Wert über 0,8 durchschnittliche Abweichung deutet auf eine hohe Vorhersagepower hin.
Ergebnisse
Präoperativer Schielwinkel
Von 97 primär eingeschlossenen Patienten mussten 5 exkludiert werden, da der präoperative Schielwinkel zu groß war und eine Simulation mit Seekid nur bis 30° möglich ist. Die folgenden
Daten beziehen sich auf die verbleibenden 92 Patienten/-innen. Das Durchschnittsalter betrug 30,2 Jahre (6 – 78 Jahre) und 41 Personen waren weiblich (44,6%), 51 männlich (55,4%). Bei 38
Patienten/-innen wurde das rechte Auge operiert und bei 54 Patienten/-innen das linke Auge. Die durchschnittliche Augenlänge des operierten Auges war 23,40 mm (SD: 1,50), [Tab. 1].
Tab. 1 Deskriptive Daten der Patientenkohorte.
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Mittelwert (Standardabweichung)
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Minimum–Maximum
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Augenlänge (mm)
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23,40 (1,49)
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20,65 – 29,34
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Vorderkammertiefe (mm)
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3,41 (0,44)
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2,07 – 4,48
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Hornhautradien (mm)
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7,72 (0,30)
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7,00 – 8,57
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Weiß-zu-Weiß (mm)
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12,14 (0,44)
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10,85 – 13,48
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Der präoperative Schielwinkel war in 41 Fällen (44,6%) konvergent und in 51 Fällen (55,4%) divergent. Zwischen primärem Strabismus oder dekompensierter Heterophorie wurde in dieser Studie
nicht unterschieden.
Alle Operationen wurden vom selben erfahrenen Schielchirurgen (G. P.) durchgeführt. [Tab. 2] zeigt die Häufigkeiten der durchgeführten Operationen. In den
meisten Fällen wurde eine kombinierte Operation von Rücklagerung und Faltung durchgeführt (n = 78; 84,8%).
Tab. 2 Anzahl an Rücklagerungen und Faltungen und kombinierter OPs mit operierten Muskeln.
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Rücklagerung
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Faltung
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kombinierte OP
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M. rectus lateralis
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1
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2
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78
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M. rectus medialis
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8
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3
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Postoperativer Schielwinkel und Prädiktionsmodelle
Die durchschnittliche Reduktion des Schielwinkels betrug 21,0 Prismendioptrien (PD) mit einer Standardabweichung von 8,5 PD. Dies entspricht einer Reduktion von 76,0% (Standardabweichung:
17,4%). In keinem Fall war die Reduktion weniger als 25%, und in knapp 60% der Fälle konnte eine Reduktion von mindestens 75% erreicht werden ([Abb. 1]). In
einem Fall wurde eine Überkorrektur von über 10 PD aufgezeichnet und in 3 Fällen eine Überkorrektur von unter 10 PD. Zwischen konvergentem und divergentem Schielwinkel lag kein signifikanter
Unterschied bez. des OP-Erfolges vor (p = 0,31).
Abb. 1 Reduktion des Schielwinkels durch die Augenmuskeloperation in %.
Eine Korrelation zwischen postoperativem Schielwinkel und der Augenlänge war gering (r2 = 0,002). Die Korrelation zwischen postoperativem Schielwinkel und der Vorderkammertiefe
war zwar 5-mal so hoch, aber dennoch gering (r2 = 0,010).
Die verschiedenen Modelle zeigten bezogen auf die OP-Strecke keine signifikanten Unterschiede. Zwischen der tatsächlichen OP-Strecke und der simulierten OP-Strecke ohne Berücksichtigung der
Augenlänge zeigte sich eine durchschnittliche Abweichung von insgesamt 0,30 mm (SD: 1,65). Diese durchschnittliche Abweichung wurde auf unter die Hälfte reduziert (0,14 mm, SD: 1,71), wenn
die Augenlänge im Modell berücksichtigt wurde ([Abb. 2]). Eine ähnliche durchschnittliche Abweichung wurde auch beim Vergleich der beiden simulierten
OP-Strecken (mit vs. ohne Augenlänge) gefunden (0,16 mm, SD: 0,56). Der Einfluss der Augenlänge bei der Planung war bei konvergentem Strabismus 1,6-mal größer als bei divergentem
Strabismus.
Abb. 2 Vergleich echte OP-Strecke (x-Achse) und simulierte OP-Strecke (y-Achse) in mm. Kreise = ohne Berücksichtigung der Augenlänge, Dreiecke = mit Berücksichtigung der
Augenlänge.
Regressionsmodell
In einem ersten Modell wurden die folgenden erklärenden Variablen inkludiert: präoperativer Schielwinkel (SW) in der Ferne (°), Augenlänge (AL, mm) inkl. ACD, Vorderkammertiefe (ACD, mm),
Weiß-zu-Weiß-Distanz (mm) und mittlerer Hornhautradius (mm). Ein relevanter Einfluss konnte für die Faktoren präoperativer Schielwinkel (variable importance of projection; VIP: 1,8), gefolgt
von ACD (VIP: 1,0) und Alter (VIP: 0,9) gezeigt werden ([Abb. 3]). Bei allen 3 Faktoren zeigte das Boot-Strapping-Modell eine Signifikanz. Obwohl die Augenlänge
keinen signifikanten Einfluss zeigte (VIP: 0,6), wurde sie im Folgemodell inkludiert. Das resultierende Modell zeigte eine gute Vorhersage des postoperativen Schielwinkels, allerdings war
auch hier der Faktor Augenlänge nicht signifikant:
Abb. 3 Partial-least-Squares-Regressionsmodell (PLSR, links) und Boot Strapping (rechts) zur Vorhersage des postoperativen Schielwinkels. Beim PLSR-Modell ist ein VIP von
mindestens 0,8 als relevant einzustufen. Den größten Einfluss hatte der präoperative Schielwinkel gefolgt von der Vorderkammertiefe. acd_op = Vorderkammertiefe präoperativ in mm;
al_op = Augenlänge präoperativ in mm; präOP_angle_grad_abs = präoperativer Schielwinkel in der Ferne in Grad; r_mean = mittlerer Hornhautradius in mm; wtw_op = Weiß-zu-Weiß-Abstand
präoperativ in mm
SWpostOP = − 7,0 + 0,4*SWpräOP − 2,4*ACD + 0,6*Alter + 0,5*AL
Bei der Analyse zeigte sich ein synergistischer Effekt zwischen der Augenlänge und der Vorderkammertiefe. Bei der Simulation verschiedener Effekte konnte gezeigt werden, dass die Ratio
ACD/AL mit einer deutlich besseren Vorhersage des postoperativen Schielwinkels einhergeht, als ACD oder AL allein ([Abb. 4 a] und [4 b]).
Abb. 4 a Partial-least-Squares-Regressionsmodell zur Vorhersage des postoperativen Schielwinkels inkl. der Vorderkammertiefe-Augenlängen-Ratio (ACD/AL). Den größten
Einfluss hatte der präoperative Schielwinkel gefolgt von der Vorderkammertiefe-Augenlängen-Ratio. In diesem Modell zeigt sich auch, dass die Ratio einen größeren Effekt hat als die
Vorderkammer allein. acd_op = Vorderkammertiefe präoperativ in mm; al_op = Augenlänge präoperativ in mm; präOP_angle_grad… = präoperativer Schielwinkel in der Ferne in Grad;
ratio_ACD/AL = Ratio Vorderkammertiefe/Augenlänge in mm. b Korrelation tatsächlicher postoperativer Schielwinkel (y-Achse) und mit Partial-least-Squares-Regressionsmodell
simulierter Schielwinkel inkl. Berücksichtigung der Ratio Vorderkammertiefe/Augenlänge (x-Achse). Die gebogenen Linien repräsentieren das 95%-Konfidenzintervall.
SWpostOP = 7,9 + 0,05*Alter + 0,33*SWpräOP − 70,6*ACD/AL
Diskussion
Diese Studie zeigt, dass die Berücksichtigung biometrischer Daten bei der Planung einer Augenmuskeloperation die Vorhersage des postoperativen Schielwinkels signifikant verbessern kann.
Zusätzlich scheint die Augenlänge zwar ein relevanter, nicht aber der optimale Parameter zu sein, um eine solche Optimierung durchzuführen, und es scheint, dass die Ratio
Vorderkammertiefe/Augenlänge besser geeignet ist. Warum die Nutzung der Ratio Vorderkammertiefe/Augenlänge relevant ist, kann dieses Manuskript nicht beantworten. Eine Vermutung ist, dass
diese Ratio eine genauere Beschreibung des Bulbusdurchmessers (bzw. deren Differenz) nasal zu temporal ermöglicht.
Die Berücksichtigung der Augenlänge wurde bereits in anderen Studien untersucht [6], [7]. So konnten Beisse et al. [7] in einer randomisierten Studie zeigen, dass vor allem hyperope Patienten mit einer Refraktion von mindestens + 2,0 dpt von dieser Korrektur profitieren. In dieser Studie haben
Patienten mit konvergentem Schielwinkel von der Berücksichtigung der Augenlänge mehr profitiert als Patienten mit divergentem Schielwinkel. Ähnliche Ergebnisse zeigten Kushner et al. [12]. In derselben Studie wurde eine inverse Korrelation zwischen Augenlänge und Berechnung des postoperativen Schielwinkels gefunden, allerdings war diese Korrelation
vor allem bei divergenten Strabismen geringer als für konvergente Strabismen. Dies wurde auch in einer Arbeit von Broniarczyk-Loba et al. [13] bestätigt. In dieser
Studie wurde eine hohe Korrelation zwischen Augenlänge und postoperativem Schielwinkel für konvergente Strabismen gefunden, nicht aber für divergente Strabismen. Auch Gräf et al. [8] haben eine hohe Korrelation für konvergente, nicht aber für divergente Strabismen gefunden und die Empfehlung ausgesprochen, dass die Bulbuslänge zumindest dann
berücksichtigt werden sollte, wenn die Gesamt-OP-Strecke 10,0 mm oder mehr beträgt.
Keinen relevanten Einfluss der Augenlänge auf den (berechneten) postoperativen Schielwinkel fanden Kushner et al. [14], womit die Autoren einer eigenen älteren
Studie widersprechen. Obwohl in dieser Studie eine Korrelation des Effektes der Operation und der Augenlänge bestätigt wurde (je kürzer das Auge, umso größer der Effekt), so konnte kein Modell
erstellt werden, bei dem die Berücksichtigung der Augenlänge tatsächlich eine bessere Berechnung der OP-Strecke ermöglichte.
Generell ist für die Augenmuskeloperation der Bulbusdurchmesser (in Frontalebene) relevanter als die axiale Augenlänge. So wird auch bei der in dieser Studie verwendeten Software (See++) der
Bulbusdurchmesser (resultierend aus einer linearen Funktion der Augenlänge) eingegeben. Kim et al. konnten allerdings zeigen, dass der Bulbusdurchmesser nicht allein von der Augenlänge
abgeleitet werden kann und es wird die folgende Berechnung vorgeschlagen: BD = AL * π/4 – Hornhautdurchmesser/2 [15].
Auch dieses Berechnungsmodell stößt allerdings an seine Grenzen, da nur ein geringer Zusammenhang zwischen Hornhautdurchmesser und Bulbusdurchmesser zu bestehen scheint [16].
Zusammenfassung
Unseres Wissens ist dies die erste Studie, die zeigt, dass andere biometrische Faktoren außer der Augenlänge für die Berechnung der OP-Strecke relevant sind. Im See++-Augenmodell [2] sind biometrische Daten inkludiert und können bei der Simulation variabel genutzt werden. Entsprechend diesen Eingaben werden die jeweiligen Muskelradien,
Pulley-Parameter etc. bei Eingabe des axialen Bulbusradius mitjustiert. Eventuell könnte Seekid in Zukunft um den Faktor Ratio Vorderkammertiefe/Augenlänge erweitert werden, wie es der
„Operationsgenerator“ der Software ermöglicht. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass nichtlineare Regressionsverfahren hilfreich sind, um die optimale OP-Strecke vorherzusagen und dass dafür
eine digitale Ophthalmotropen-Software notwendig ist. Die relevanten Komponenten dazu müssen allerdings auch von einem erfahrenen Strabologen selektiert werden. So wurde in dieser Studie auch
deutlich, dass nur die empirische Optimierung eines erfahrenen Chirurgen zu ähnlich guten Ergebnissen führt. Limitierung dieser Studie war die Exklusion sehr hoher Schielwinkel. Erfahrene
Schielchirurgen scheinen den Effekt der Augenlänge oft empirisch gut in die Dosierung der OP-Gesamtstrecke einfließen lassen [5], [8] und
kommen so zu einem ähnlichen Ergebnis wie eine Berechnungssoftware.
