Intraocular pressure and tonometry 2012.3.23 GLAUCOMA Conference Intraocular pressure and tonometry R3 김근영/ Ap. 박명희/ Pf. 문정일

Intraocular pressure

Distribution in general populations 정상안압이란 정확한 숫자로 표현하기 어려우며, 녹내장이라는 질환과 연관하면 시신경유두에 녹내장성 장애를 주지 않는 안압입니다. 모든 눈이 어느 특정한 높이의 안압에 동일하게 반응하지 않기 때문에 정상안압을 정확한 수치로 표시할 수 없으므로 일반 사람들에게서 안압의 분포로서 평가하는 것이 가장 좋은 방법이라 할 수 있습니다. 그 동안 정상 사람들에게서 안압의 분포에 대한 많은 연구가 시행되었는데 안압의 분포는 Gaussian 곡선과 닮았으나 높은 안압 쪽으로 비대칭 부분을 보이고 있습니다. 왼쪽 아래편의 그림은 비녹내장 집단과 녹내장 집단의 이론적 분포를 보여 주고 있으며 두 그룹 사이에 overlapping된 부분을 볼 수 있습니다. 점선 부분은 두 양 집단간의 극값에 있어서 불확실성을 보여주고 있습니다. Gaussian curve with a skew toward the higher pressures

Factors affecting IOP Genetics Environment Physiology Ethnicity Sex Age Ethnicity Refractive error Diurnal and postural variation Exertional influences Eyelid and eye movement Intraocular conditions Systemic conditions 이러한 안압에 영향을 미치는 인자는 유전, 환경, 생리적인자 , 인종 등등 다음과 같이 다양하며 이에 대해 하나씩 살펴 보도록 하겠습니다.

Factors affecting IOP Genetics Heredity contributes to IOP Twin studies IOP -> more highly correlated (monogytotic>diszygotic) 10q22, 5q22, 14q22 Chromosomes 2, 5, 6, 7, 12, 15, and 19 But, no definite “ IOP genes” 먼저 안압에 대한 유전적 영향을 살펴 보면 최근의 연구들은 유전적인 부분이 안압에 기여한다고 알려져 있습니다. 쌍둥이 연구에서 보면 일란성이 이란성에 비해 연관성이 큰 것을 알 수 있습니다. 그러나 이러한 염색체 영역에서 알려진 정확한 IOP gene은 없습니다.

Factors affecting IOP Environment Cold air : reduce IOP (decreased episcleral venous pressure) Reduced gravity : increase IOP(cephalad shifts) Tobacco smoking : transient increased IOP : Vasoconstriction & increased episcleral venous pressure : COAG – no evidence General anesthesia : usually reduce IOP Cf) Ketamine : not reduce IOP -> EUA 시 주의를 요함 Cf) Succinylcholine & suxamethonium : increase IOP -> Ruptured globe & intraocular surgery 시 주의를 요함 다음은 안압에 관련된 환경적 인자에 대해 살펴 보겠습니다. 찬공기는 안압을 떨어뜨리는데 이는 episcleral venous pressure의 감소에 기인합니다. 중력의 감소는 갑작스런, 두드러진 안압의 상승을 유발하는데 이는 혈관내와 혈관외의 체액이 머리쪽으로 이동하기 때문입니다. 흡연은 흡연직후 일시적인 안압의 상승을 유발하는데 이는 혈관수축과 episcleral venous pressure의 상승에 기인합니다. 하지만 흡연이 COAG의 직접적 유발인자인가에 대해서는 증명된 바가 없습니다. 전신마취 또한 영향을 줄 수 있는데 대개의 경우 안압을 낮추지만 ketamine은 안압을 약간 상승시키므로 EUA시 주의를 요합니다. Succinylcholine & suxamethonium같은 depolariziong muscle relaxant는 extraocular muscle contraction과 intraocular vasodilation 의 combination 작용으로 심하게 안압을 올리므로 penetrating injury시 주의하여야 하는 약제로 전신마취 걸 때 꼭 마취과에 사용하지 않을 것을 요청해야 합니다.

Factors affecting IOP Environment Illicit drug Heroin & marijuana : lower IOP LSD : elevate IOP Systemic medication : potentially affect IOP Corticosteroid : potential risk of IOP elevation & steroid - induced glaucoma Anti-cholinergic agent Precipitate pupillary block glaucoma or AACG(in narrow angles) Antihismamines, decongestants, psychiatric medication Having some anti-cholinergic effect 주의 요망, 환자 교육 필요 안압에 영향을 줄 수 있는 불법 약물도 생각해 볼 수 있는데 heroin과 marijuana는 안압을 떨어뜨리며 강력한 환각제인 LSD는 안압을 올립니다. 안압에 영향을 줄 수 있는 전신약제에 대해서도 고려해야 하는데 면역억제 및 망막질환에서의 사용이 증가되고 있는 corticosteroid는 안압상승의 위험 및 steroid induced glaucoma 가능성이 있으므로 사용에 주의를 기울여야 합니다. Anti-cholinergic agent는 해부학적으로 angle이 좁은 환자에서 pupillary block glaucoma 및 AACG를 유발할 수 있으므로 주의가 필요하며 Antihismamines, decongestants, psychiatric medication 역시 일부 anti-cholinergic effect를 가지고 있으므로 주의를 요하며 환자 교육이 반드시 필요합니다.

Factors affecting IOP Environment Acute dose of alcohol : lower IOP Combination of Suppressed circulating ADH -> Reduction of net water movement into the eye Direct inhibition of aqueous secretion Clinically relevance? -> no evidence Caffeine : slight, transient elevation : no significant , sustained pressure elevation No strong association between antioxidant consumption and risk of COAG 알코올 역시 안압에 영향을 줄 수 있는데 안압을 떨어뜨리며 그 기전은 circulating ADH를 억제하여 안구내에서의 전체 수분의 이동을 감소시키며 더불어 방수생산을 직접적으로 억제하는 복합작용에 의한 것입니다. 그러나 아직까지 알코올 소비와 안압 혹은 녹내장 위험성에 대한 상관관계는 알려진 바 없습니다. 카페인 역시 일시적 안압 상승을 유발할 수는 있으나 두드러지고 지속적인 안압의 상승을 유발하지는 않습니다.

Factors affecting IOP Physiology Sex No major effect on IOP After menopause, apparent rise in mean IOP among women Age IOP generally increases with age In Adult, Gaussian between 20 and 40 yrs, increase with advancing age Aging effects on Aqueous humor dynamics Reduced facility of aqueous outflow and uveoscleral outflow Decrease in aqueous production Episcleral venous pressure : not change 성별은 안압에 큰 영향을 주지 않지만 폐경후 여성에 있어서 평균안압의 두드러진 상승은 보고된 바 있습니다. 나이가 들어감에 따라 안압은 일반적으로 증가하는 경향을 보이며 20~40세 사이의 성인에서는 정규분포를 보이며 나이가 들면서 더욱 증가하는 경향을 보입니다. 방수생산에 대한 노화의 영향을 살펴 보면 aqueous outflow와 uveoscleral outflow 능력의 감소, 방수생산의 감소를 보이나 Episcleral venous pressure는 변화 없는 양상을 보입니다.

Factors affecting IOP Ethnicity Refractive error Increased risk for COAG among blacks Increased risk for AACG among some Asians Refractive error In children, no correlation between higher IOP and myopia In adults, myopia is still a risk factor : but some studies show no association 인종의 경우 흑인에게서 COAG의 위험도가 증가하는 경향, 일부 Asian에게서 AACG가 증가하는 경향을 보입니다. 최근의 연구에서 소아에서 고안압과 근시와의 상관성은 무관하다는 결과를 보이고 있으며 성인의 경우 근시는 여전히 위험인자로 작용한다고 하나 일부 연구에서는 연관성이 없다는 보고도 있습니다.

Factors affecting IOP Diurnal and postural variation Cyclic fluctuation through the day During the day time? In the morning? Before noon? Regulating diurnal IOP Complex physiological mechanism 부분적으로 adrenocortical steroids와 catecholamine에 의해 조절 Circadian rhythm of aqueous humor dynamics : not related melatonin level Postural variation Elevation in the night due to supine position Head-down tilt position = increased IOP due to elavated episcleral venous pressure Optic nerve damage 여부가 증명된 것은 아니지만 Yoga, inversion과 같은 운동은 glaucoma 환자에서 주의를 요함 다른 biological parameter처럼 안압 역시 일중 변동이 있는데 연구결과에 따라 day time동안 높았다, 아침에 높았다, 정오전에 높았다는 등의 다양한 연구결과가 있습니다. Diurnal IOP를 조절하는 생리적 mechanism은 복잡한데 부분적으로 adrenocortical steroids와 catecholamine에 의해 부분적으로 조절됩니다. 자세역시 안압에 영향을 줄 수 있는데 밤에 대개 안압이 상승하는데 이는 supine position과 연관이 있으며 Head down tilting position은 episcleral venous pressure의 상승을 일으켜 안압의 상승을 가져 옵니다.

Factors affecting IOP Exertional influences Straining(Valsalva maneuver), electroshock, playing high-resistance musical instrument IOP ↑ d/t Elevated episcleral venous pressure Aerobic exercise : IOP lowering effect Maybe related to metabolic acidosis, hypocapnia, lactate

Factors affecting IOP Eyelid and eye movement : Elevate IOP Blinking : 10mmHg Hard eyelid squeezing : up to 90mmHg Voluntary eyelid fissure widening : 2mmHg Contraction of extraocular muscles

Factors affecting IOP Intraocular conditions Anterior uveitis without angle abnormality : IOP reduction : Decreased aqueous humor production Rhegmatogenous retinal detachment : IOP reduction : reduced aqueous flow : shunting of aqueous from the posterior chamber into the subretinal space through vitreous and retinal hole

Factors affecting IOP Systemic conditions Hypertension : in some epidemiologic studies, positive correlation : combination of ocular pulse pressure and ocular perfusion pressure : retinal microvascular abnormality : not associated DM : unclear Translaminar pressure gradient across the lamina cribrosa : relatively lower CSF pressure in COAG patients Obesity & BMI : not clear

Tonometers and Tonometry 다음은 안압계에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

Classification of tonometers Contact tonometer : Deformation of the globe Indentation tonometers(함입) Applanation tonometers(압평) Variable force Variable area Noncontact tonometer 임상적으로 안압을 측정하는 대부분의 안압계는 눈에 가하는 힘에 대한 눈의 반응 즉 변형과 관련하여 안압을 측정합니다. 안압계는 크게 접촉식과 비접촉식, 접촉식은 안구를 변형시키는 방식에 따라 indentation(함입)과 applanation(압평)안압계로 나누게 되며 applanation tonometer는 가해지는 힘을 측정하는 종류와 편평해지는 면적을 측정하는 종류로 세분하게 됩니다. 그림 A는 indentation tonometer에서 원뿔의 끝을 자른 모양으로 변형된 각막의 모습, 그림 B는 다순히 편평해진 즉, flattening된 각막의 모습을 볼 수 있습니다.

Classification of tonometers Indentation tonometers Truncated cone Shape : variable & unpredictable Conversion table이 필요 (empirical) Schiöz tonometer Applanation tonometers Simple flattening Shape : constant Mathematical calculation Goldmann tonometer Maklakoff tonometer

Classification of tonometers Applanation tonometers : differentiated on the basis of the variable Variable force Measures the force to be required to applanate(flatten) Goldman applanation tonometer Variable area Measure the area of the cornea to be flatten by a known force Maklakoff tonometer

Classification of tonometers Non-contact tonometer Use a puff of air to deform the cornea Measure the time or force to create “a standard amount of corneal deformation” Grolman prototype

Indentation tonometry Schiotz indentation tonometry Potential source of error “Average” coefficient of ocular rigidity (K) Expulsion of intraocular blood Relatively steep or thick cornea -> falsely high IOP reading 5.5 7.5 10 15 로 증가 다음은 indentation 안압계의 대표격인 쉬외츠 안압계에 살펴 보도록 하겠습니다. 쉬외츠 안압계는 환자를 똑바로 눕힌 후 점안마취제로 양안을 마취후 안압계를 각막의 정점에 올려 놓은후 눈금과 공이의 무게를 읽고 환산표를 통해 읽어 안압으로 변환합니다.

Goldmann applanation tonometry Imbert-Fick law W=Pt X A W = external force Pt= pressure in the sphere A = area flattened Perfectly spherical Dry Perfectly flexible Infinitely thin 다음은 압평안압계의 대표격인 Goldmann 안압계에 대해 살펴 보겠습니다. 이에 대한 이해를 돕기 위해 먼저 Imbert-Fick law에 대해 알아보겠습니다. 이 법칙은 공이 완전하 구형이고 건조하며 완전한 유연성을 가지고 있고 두께가 무한대로 얇을 때 공에 가해지는 외부의 힘(W)는 공내부의 압력(Pt)에 외부의 힘에 의해 압평된 면적(A)을 곱한 것과 같다는 것을 의미합니다.

Goldmann applanation tonometry Modified Imbert-Fick law W+S=Pt X A1 +B S = surface tension (d/t moisiture) A1 = inner area ( d/t central corneal thickness) B = a force to bend the cornea (d/t a lack of flexibility) 그러나 실제 각막은 구형이 아니고 표면이 젖어 있으며 완전한 유연성도 없고 또한 무한대로 얇지 않기 때문에 위의 조건을 충족하지 못합니다. 각막 표면의 눈물은 표면장력(S)를 만들고 각막은 완전한 유연성을 갖지 못하여 각막을 구부리는데 내압과 관계없는 힘이 필요합니다. 또한 각막 중심부의 두께가 550마이크로미터로 바깥의 편평면적(A)와 안의 편평면적인(A1)이 같지 않아 각막의 특성에 맞게 변형된 Imbert-Fick law로 수정되게 되었습니다. 눈물의 표면장력(S)과 각막을 구부리는데 필요한 힘(B), 외부의 힘(W)와 공내부의 압력(Pt)가 평형을 이룰 때 내부의 편평면적(A1)은 7.35mm2가 되고 이 원의 직경은 3.06mm로 이 때 이동되는 안구용적은 0.50 mm3 의 적은양으로 ocular ritidity는 큰 영향이 없습니다. - S=B 일 때의 원의 직경 3.06mm - 이 때 이동되는 안구 용적은 0.50 mm3 의 적은양으로 ocular ritidity는 큰 영향이 없다.

Goldmann applanation tonometry 3.06 mm 이중프리즘에 의해서 압평된 부분의 직경이 3.06mm가 될 때 상반원과 하반원의 내측 경계가 일치됨을 볼 수 있습니다.

Goldmann applanation tonometry Technique Topical anesthesia & fluorescin staining Cobalt blue light illumination from slitlamp Biprism gentle contact with corneal apex Inner edge overlap 한눈에 3회 측정, 마지막 두번 1mmHg 이상 차이 나면 더 측정

Goldmann applanation tonometry Sources of error with Goldmann tonometry Amount of fluorescein : wider meniscus : falsely higher pressure Thicker cornea : falsely higher pressure Thinner cornea : falsely lower pressure : A lack of agreement on the correction factor : 520 ㎛ 기준 10㎛마다 0.7mmHg 4D astigmatism = 1mmHg of error : 45 degrees to the major axis : An average of horizontal and vertical readings

Applanation tonometer Goldmann applannation tonometer Maklakoff applanation tonometer Perkins applanation tonometer Mackay-Marg tonometer (Tono pen) Pneumotonometer PASCAL tonometer

Applanation tonometer Maklakoff applanation tonometer Consisted of a dumbbell shaped metal cylinder The resultant circular white imprint on the endplate corresponded to the area of flattened cornea. IOP read from a conversion table Dumbbell: 아령

Applanation tonometer Perkins applanation tonometer Use the same biprism as the Goldmann applanation tonometer

Applanation tonometer Mackay-Marg tonometer (Tono pen) A plate of 1.5 mm surrounded by a rubber sleeve. The force required to keep the plate flush with the sleeve was electronically monitored. Tono pen - a handheld instrument with a strain gauge that creates an electrical signal as the footplate flatten the cornea A built-in single-chip microprocessor senses the proper force curves and averages 4 to 10 readings.

Applanation tonometer Pneumotonometer Similar to the Mackay-Marg tonometer in that a central sensing device measures the IOP The force required to bend the cornea is transferred to a surrounding structure. The sensor is air pressure.

Applanation tonometer PASCAL tonometer FDA clearance in 2003, commercially in 2004 Portable slit lamp mounted device Samples IOP 100 times /sec + ocular pulse amplitude + systemic pulse rate Digital output of IOP + graphic output of the ocular pressure pulse PASCAL has a concave tonometer tip that matches corneal curvature and measures pressure directly by means of a miniaturized, built-in sensor. When it touches the cornea it allows the cornea to assume its natural shape when pressure on both sides is equal and distortion of the cornea is minimal. DCT is different from applanation tonometry. “It’s a new principle, a new concept,” said Dr. Stamper, who has conducted two DCT studies.  OPA : ocular pulse amplitude - the difference between diastolic IOP and systolic IOP OPA is suggestive of choroidal blood flow PASCAL repeatedly samples intraocular pressure at a rate of 100 times per second. The ocular pulse amplitude (OPA) and the systemic pulse rate are continuously measured and recorded by the instrument. In addition, the ocular pressure pulse is graphically represented on the patient report.

Applanation tonometer PASCAL tonometer The cornea is a spherical shell made of a material that resists stretching and is fairly flexible to bending deformations. There is a container that is filled with casting resin surrounding an entire globe. A pressure (p) measured by a pressure sensor could exactly correspond to the true IOP (P), if a small part of the wall by a pressure sensor with identical surface shape is replaced. Dynamic contour tonometry: principle and use Clinical and Experimental Ophthalmology2006;34: 837–840

Applanation tonometry PASCAL tonometer – Intraocular pressure More accurate than other tonometers. It provided the most accurate IOP readings within ± 0.7 mmHg, whereas Goldmann readings were consistently below true IOP by an average of 4 mmHg in the study performed on eye bank eyes. A little higher in general than applanation tonometry in people with thin or average thickness corneas. Healthy eye (CCT 439-642 um) ; excellent concordance with Goldmann applanation tonometry value LASIK eye; better suited to monitor IOP than other tonometry value Concordance : 일치, 부합 DCT is a newly Food and Drug Administration (FDA) – approved device that is designed to measure IOP, independent of corneal thickness, corneal curvature, and ocular rigidity. Kaufmann, C. et al. Invest Ophthalmol Vis Sci 2004;45:3118–3121. Siganos, D. et al. J Cataract Refract Surg 2004;30(4):746–751.

Applanation tonometry PASCAL tonometer – Ocular pulse amplitude Indirect measurement of the choroidal perfusion and reflects the ocular blood flow An independent risk factor for glaucoma and possibly for NTG A decrease in OPA of patients suffering from NTG is detected. Br J Ophthalmol 2002;86:981–984 The OPA was correlated with GAT and DCT IOP measurement, and correlated neither with blood pressure nor with age in normal healthy eyes. Physiological diurnal variability and characteristics of the ocular pulse amplitude (OPA) with the dynamic contour tonometer (DCT-Pascal1) Int Ophthalmol (2007) 27:357–360 Concordance : 일치, 부합 DCT is a newly Food and Drug Administration (FDA) – approved device that is designed to measure IOP, independent of corneal thickness, corneal curvature, and ocular rigidity.

Miscellaneous tonometers Ocular response analyser (ORA) A rapid air (20ms jet of air) impulse to apply force to the cornea -> monitor the deformation of cornea 2) records two applanation events the first- inward moving the other- returning The difference between the appplanation pressure ; CH 4) The average of these 2 pressures; Goldmann-equivalent intraocular pressure http://www.aao.org/publications/eyenet/200505/glaucoma.cfm

Miscellaneous tonometers Ocular response analyser (ORA) Noncontact measurement of the biomechanical properties of the cornea the corneal hysteresis (CH) the corneal resistance factor (CRF) the corneal-compensated intraocular pressure (IOPCC) the Goldmann-equivalent intraocular pressure (IOPG) the corneal hysteresis (CH) ; the viscosity as a measure of absorption and energy conversion of the cornea and the whole eye the corneal resistance factor (CRF); to display the elastic properties POAG patients have properties with lower CH. Theoretically, CH improved buffering might result in reduced stress/strain on both the optic nerve and peripapillary scleral tissues; this, in turn, reduces the risk for glaucomatous structural damage. http://www.aa Corneal-compensated IOP (IOPcc) is derived from both IOPand corneal biomechanical data. Similar to DCT-IOP findings, several published clinical studies have reported that IOPcc is unrelated to central corneal thickness

Miscellaneous tonometers Rebound tonometers(RBT) Icare tonometer (Icare Finland, Helsinki) Topical anesthetics(-) -> The opportunity to monitor IOP at home. Comfortable and highly reproducible in healthy school-aged children -> Screen tool in children 1mm 직경의 24mm 길이의 일회용 probe 이용함

Miscellaneous tonometers Rebound tonometers(RBT) Icare tonometer (Icare Finland, Helsinki) Reproducibility and Tolerability of the ICare Rebound tonometer in School Children J Glaucoma 2007;16:185–188 Impact or dynamic tonometry An assembly of 2 coils coaxial to a probe shaft that bounce a magnetic probe off the cornea and detect the deceleration of the probe caused by the eye. It contains an assembly of 2 coils coaxial to a probe shaft that bounce a magnetic probe off the cornea and detect the deceleration of the probe caused by the eye (Figs. 1, 2). The probe slows down faster as the IOP increases and, consequently, the higher the IOP, the shorter is the duration of impact.

Miscellaneous tonometers IOP monitoring devices Prototypes Contact lens Implantable device Scleral band SENSIMED Triggerfish sensor device Shield 의 reference논문 참조 !! Swiss 에서 만듬

Miscellaneous tonometers Proview phosphene tonometer Portable, inexpensive, topical anesthetic(-), self-measurable -> Self-tonometry at home 환자를 눈 감은 상태에서 하측방을 보게한 후 펜모양의 tonometer-tip을 감은 윗눈꺼풀의 상비측에 위치시킨후 phosphene spot이라고 불리는 빛을 환자가 인지할 때까지 압력을 가함 Not reliable Sensitivity ↓ Not correlated with GAT The Proview Phosphene Tonometer Fails to Measure Ocular Pressure Accurately in Clinical Practice J Ophthalmology 2004;111:1077–1085

Comparison of tonometers Most precise method : manometric measurement of the cannulated anterior chamber Most common used method : Goldmann & Tono - pen Less common used method : noncontact tonometer, Perkins, pneumotonometry, Schiotz tonometer Goldmann Vs Tono-pen Normal range; good correlation Higher IOP – tono-pen underestimate Lower IOP- tono-pen overestimate Manometric :압력계로 잰 Cannula: 금속관

Tonometry for special clinical circumstances Irregular corneas ; Pneumatic tonometer is useful (West CE et al, 1972 AJO) Goldmann > tonopen (Geyer O et al, 1992 BJO) Soft contact lens ; Pneumotonometry = Tono-pen (Rubenstein et al, 1985 Arch Oph) (Khan et al, 1989 AJO) Gas filled eye ; Pneumatic tonometer < Goldmann = Tonopen (Del Priore LV et al, 1989 Ophthalmology)