INTRAOPERATIVE VISUALIZATION OF HUMAN MICROCIRCULATION DURING VASCULAR DURING
VASCULAR AND TRANSPLANTATION SURGERY: EVALUATION OF THE ORTHOGONAL
POLARIZATION SPECTRAL IMAGING (OPS IMAGING) TECHNIQUE
Titel und Inhaltsverzeichnis
1. Einführung 4
1.1.
1.2.
1.3.
1.4. Die Mikrozirkulationsmessung in der Transplantationschirurgie
Mechanismen der Schädigung durch Ischämie und Reperfusion
Carotis interna Stenose und Apoplexrisiko
Die Technik der orthogonalen Polarisations Spektrophotometrie 5
6
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2. Ableitung der wissenschaftlichen Fragestellung 26
3. Klinisch- Experimentelle Arbeiten 28
3.1.
3.2.
3.3.
Untersuchungen während der Lebertransplantation
Monitoring der Pankreasmikrozirkulation während der
simultanen Pankreas- und Nierentransplantation
Intraoperatives Monitoring der okulären Mikrozirkulation während
der Rekanalisierung der extrakraniellen Arteria carotis interna
28
38
39
4. Diskussion 40
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
Erhebung der Normalwerte humaner hepatischer Mikrozirkulation
Einfluss der Technik der vaskulären Rekonstruktion auf die initiale
Mikrozirkulation bei der Leber-Lebendtransplantation
Die initiale hepatische Mikrozirkulation nach Reperfusion bei der
humanen orthotopen full size Lebertransplantation
Monitoring der Pankreasmikrozirkulation während der simultanen
Pankreas- und Nierentransplantation
Intraoperatives Monitoring der okulären Mikrozirkulation während
der Rekanalisierung der extrakraniellen Arteria carotis interna 41
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5. Abschliessende Bewertung und Zusammenfassung 54
6. Literatur 56Die orthogonale Polarisations Spektrophotometrie (OPS Imaging) erlaubt die
intraoperative Messung humaner Mikrozirkulation. Dabei ermöglicht der
technisch einfache Aufbau, die Mikrozirkulation in Echtzeit auf dem Monitor zu
verfolgen. Neben diesem ersten visuellen Eindruck können die wesentlichen und
aus der intravitalen Fluoreszenzmikroskopie bekannten mikrovaskulären
Parameter, computergestützt quantifiziert werden. Dies kann allerdings nicht
in Echtzeit, sondern nur offline erfolgen. In allen untersuchten Geweben kann
die mikrovaskuläre Architektur mit kapillären, bzw. sinusoidalem Netzwerk,
Arteriolen und Venolen exakt abgebildet werden. Durch die kontinuierliche
Bildgebung kann der Verlauf von Erythrozytensäulen in den Gefäβen verfolgt
werden und eine Erythrozytenaggregation oder völlige Stase des Blutflusses
erkannt werden. Damit ist die OPS Imaging Technik den anderen nicht-
bildgebenden Verfahren wie inert gas clearance, Thermodiffusion und Laser
Doppler flowmetry überlegen, da diese nur indirekt Auskunft über die Perfusion
geben und regionale Durchblutungsstörungen, wie sie beispielsweise bei der
Sepsis auftreten, nicht erfassen können. Die OPS Imaging Technik bleibt
aufgrund der physikalischen Eigenschaften auf die Darstellung der
hämoglobintragenden Erythrozyten und somit auf die Beurteilung der reinen
Perfusionsparameter beschränkt. Die direkte Darstellung von Leukozyten,
Plättchen, Endothel- oder Parenchymzellen ist nicht möglich. So erscheinen
Leukozyten als Aussparungen der Erythrozytensäule, was für die Bewertung der
Leukozyten-/ Endothelinteraktion jedoch nicht ausreichend ist. Somit wird die
OPS Imaging Technik insbesondere im experimentellen Bereich die IFM nicht
ersetzen können. Wie in experimentellen Studien bereits untersucht wurde,
zeigt sich zwischen der OPS Imaging Technik und der intravitalen
Fluoreszenzmikroskopie eine statistisch signifikante Übereinstimmung der
Bildqualität sowie der meisten mikrozirkulatorischen Parameter in der
Rückenhautkammer des Hamsters, der Rattenleber unter physiologischen
Bedingungen sowie nach 20 minütiger warmer Ischämie, des Rattenpankreas unter
physiologischen Bedingungen, sowie der murinen Colonschleimhaut. Die
Erfahrungen der bisherigen humanen Studien mittels OPS Imaging Technik
beschränken sich auf die Erfassung der Mikrozirkulation an der Haut, Dura,
Darmschleimhaut, sowie dem sublingualen Raum. Insbesondere die bisherigen
Daten an Sepsis- und neurochirurgischen Patienten demonstrieren eindrucksvoll
die Bedeutung der klinischen Mikrozirkulationsmessung durch Visualisierung der
kapillären Strombahn. In den vorliegenden Studien kann diese Technik erstmals
erfolgreich an soliden viszeralen Organe, sowie der Endstrombahn der Arteria
carotis interna angewendet werden und ermöglicht erstmals einen Einblick in
die Pathophysiologie der Mikrozirkulationsstörung am Menschen. Es ist von
großem Interesse, das Monitoring der Mikrozirkulation auf den Menschen zu
übertragen und somit die Lücke zwischen Labor und Krankenbett zu schließen.
Aus unserer Sicht könnte eine Validierung der zahlreichen tierexperimentellen
Daten mittels OPS Imaging am Menschen erfolgen und somit sowohl das
Verständnis für die Rolle der Mikrozirkulationsstörung im Krankheitsverlauf
verbessert und neue therapeutische Ansätze überprüft werden.Orthogonal polarization spectral (OPS) imaging enables the online
visualization of human microvascular blood flow. Thereby, this techniue images
the microvascular architecture including arterioles, capillaries and venoles
representively, as known only from the intravital fluorescence microscopy
technique. It further allows the offline computer assisted quantification of
microcirculatory parameters. The application of microvascular imaging
techniques in humans is limited and has been impossible for the study of solid
visceral organs. Presently existing experience includes capillaroscopy and
laser-scanning confocal imaging. These techniques restrict the visualization
of the microcirculation in humans to easy accessible sites like nailfold, the
conjunctiva, and the skin. In contrast to intravital fluorescence microscopy,
OPS-imaging can be used to visualize the microcirculation in humans, because
fluorescent dyes, are not required. Both OPS-imaging and intravital
fluorescence microscopy image erythrocytes adequately. Comparison between
these methods in standardized models of intravital microscopy revealed a
statistically significant agreement in respect to the image quality and the
dimension of the microcirculatory parameters. Therefore, there is a very good
agreement between intravital fluorescence microscopy and OPS-imaging. Since
OPS-imaging visualizes erythrocytes through the absorbance of hemoglobin, the
leukocytes appear only indirectly as the smooth boundary of the erythrocyte
column disappears and becomes pitted with gaps and holes caused by the edges
of rolling and sticking leukocytes, insufficient to allow for the assessment
of leukocyte-endothelial cell interactions. Therefore, OPS-imaging is limited
for parameters of the erythrocyte column. By using the OPS imaging technique
intraoperatively, the current studies enabled for the first time the
visualization of microvascular blood flow of solid organs. The results of
these studies gave an important insight into the pathophysiology of human
microcirculatory changes in the setting of liver and pancreatic
transplantation, as well as in terminal capillaries during carotid
revascularization. With the interest of closing the gap between bench and
bedside, these studies may be the first step into the validation of animal
experimental and human data under pathophysiologic conditions
