Bildrekonstruktion des subbasalen Nervenplexus der Kornea mit erweitertem Bildfeld aus Fokusserien eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops

Zusammenfassung

Hintergrund: Mithilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) können die Nervenstrukturen der Kornea in vivo analysiert werden. Pathologische Veränderungen des peripheren Nervensystems, die sich im kornealen subbasalen Nervenplexus (SNP) widerspiegeln, lassen sich auf diesem Weg nicht invasiv und möglicherweise früher als mit anderen Methoden diagnostizieren. Das Bildfeld bei In-vivo-CLSM-Aufnahmen der Kornea (ca. 0,4 × 0,4 mm²) ist jedoch nicht ausreichend für eine zuverlässige Analyse des SNP. Ferner wird die Beurteilung der Bilddaten erschwert durch Gewebedeformationen im Bereich des SNP sowie durch Bildverzerrungen, die durch unvermeidbare Augenbewegungen während der Aufnahme verursacht werden. Die Arbeit präsentiert ein neues Bildverarbeitungsverfahren zur Erzeugung einer verzerrungsfreien Abbildung des SNP mit erweitertem Bildfeld.

Methoden: Zur Erprobung des Verfahrens wurden mit einem Heidelberg Retina Tomograph mit Rostock Cornea Module (HRT) bei fünf freiwilligen Probanden jeweils acht Fokusserien aufgenommen und ausgewertet. Ein speziell an das Aufnahmesystem angepasstes Registrierverfahren korrigiert die nicht linearen bewegungsbedingten Verzerrungen und rekonstruiert ein Volumen aus jeder Fokusserie. Die basale Grenzfläche des Epithels mit dem SNP stellt sich darin deutlich als stark reflektierende zusammenhängende Schicht dar. Durch die Extraktion dieser Schicht werden eine Tiefenkarte und eine zweidimensionale Abbildung des SNP erzeugt. Eine Fusion dieser SNP-Abbildungen liefert eine lateral vergrößerte Darstellung.

Ergebnisse: Von den insgesamt 40 Fokusserien wurden 34 zu jeweils einer zweidimensionalen Abbildung des SNP verarbeitet, aus sechs Fokusserien konnte kein Volumen rekonstruiert werden, weil extrem schnelle Augenbewegungen während der Aufnahme die durchgängige Registrierung verhinderten. Die 34 erzeugten SNP-Rekonstruktionen weisen eine dargestellte Fläche von 94,7 % ( ± 6,2 %) des Bildfelds einer Einzelaufnahme auf. Durch die Fusion der SNP-Abbildungen wurde eine durchschnittliche Vergrößerung der dargestellten Fläche um den Faktor 2,6 (Minimum: 2,2; Maximum: 3,1) erreicht.

Schlussfolgerung: Die vorgestellten Bildverarbeitungsalgorithmen sind in der Lage, die bewegungsbedingten Verzerrungen in CLSM-Fokusserien zu korrigieren und auch bei ausgeprägten Gewebedeformationen großflächige zweidimensionale Abbildungen des SNP zu generieren, die eine zuverlässigere Beurteilung der kornealen Nervenfasern erlauben.

Abstract

Background: Confocal laser scanning microscopy (CLSM) allows the in vivo analysis of nerve structures of the human cornea. In this way, pathological alterations of the peripheral nervous system that also affect the corneal subbasal nerve plexus (SNP) can be diagnosed non-invasively and possibly earlier than with other methods. The field of view of in vivo CLSM images of the cornea (ca. 0.4 × 0.4 mm²) is not sufficient for a reliable assessment. Two phenomena make the image assessment difficult: the presence of ridge-like tissue deformations in the neighbourhood of the SNP and image distortions that are induced by involuntary and unavoidable eye movements during image acquisition. This paper presents an image processing method for generating undistorted images of the SNP with an extended field of view.

Methods: The presented method has been tested on five volunteers. Eight focus image stacks have been taken and processed from each subject using a Heidelberg Retina Tomograph with Rostock Cornea Module (HRT). An image registration scheme specifically adapted to the image acquisition system corrects the non-linear motion-induced image distortions and reconstructs a volume from each focus image stack. The epithelial basal boundary surface including the SNP appears as a distinctive hyper-reflective layer inside the reconstructed volume. Extracting this continuous layer generates a depth map and finally a two-dimensional image of the SNP. A final fusion step of the single reconstructed SNP images leads to laterally extended images.

Results: Out of 40 focus image stacks, 34 have been fully processed into two-dimensional SNP reconstruction images. Six focus image stacks could not be transformed into volumes because of extremely fast eye movements during the image acquisition that prevented the complete image registration of the stacks. The 34 SNP reconstruction images depict an average area of 94.7 % ( ± 6.2 %) with respect to the field of view of a single HRT image. The final fusion of the reconstructed images resulted in an average increase of the image area by a factor of 2.6 (ranging from 2.2 to 3.1).

Conclusion: The presented image processing algorithms are capable of correcting the motion-induced image distortions and of generating larger two-dimensional images of the SNP even in presence of severe tissue deformations. These images provide the basis for a more reliable assessment of the corneal nerve fibres.

Schlüsselwörter

Kornea - sub-basaler Nervenplexus - konfokale In-vivo-Mikroskopie - Bildregistrierung - Bildrekonstruktion

Key words

cornea - subbasal nerve plexus - in vivo confocal microscopy - image registration - image reconstruction

^* Bernd Köhler und Stephan Allgeier sind gleichberechtigte Erstautoren.

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