Ординатура / Офтальмология / Немецкие материалы / Augenmotilitatsstorungen Computerunterstutzte Diagnose und Therapie_Priglinger, Buchberger_2005

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Insertionen aller sechs Augenmuskeln definiert.

Jeder Augenmuskel hat somit mathematisch seinen eigenen Bulbusradius, seinen eigenen „virtuellen Bulbus“ mit definiertem Hebelarm und entsprechendem Kraftverhalten.

4 MRT-Befunde der Orbita

Innerhalb der SEE-KID Forschungsarbeit wurde eine Magnetresonanztomographiestudie (MRT-Studie) durchgeführt, um die äußeren Augenmuskeln zu visualisieren. Hochauflösende MRT-Aufnahmen erlauben eine exakte Darstellung der Orbita und deren anatomischen Strukturen. Die neueste MRT-Scanner Ausrüstung sowie spezielle Kopfspulenrezeptoren wurden eingesetzt [FPBK03]. In dieser Studie wurden drei Testpersonen mit einem 1.5 Tesla Siemens Magnetom Symphony Scanner untersucht. Unter der Verwendung eines 8 „channel head phase array“ als Rezeptorspule wurden koronale und axiale Scans mit T1und T2-Gewichtung durchgeführt.

Medizinische Grundlagen

Sequenzen mit zirka 19 Bildern und einer Schnittdicke von 1.5 mm, 512x416 Matrix wurden aufgenommen, während die Testperson verschiedene Bezugspunkte fixierte (siehe Abb. 12). Störende Lidschlußreflexe wurden mit einem Oberflächenanästhetikum vermieden. Einer Testperson wurde zusätzlich Gadolinium Magnivist 0.2ml/kg Kontrastmittel injiziert. Die Testpersonen fixierten verschieden markierte Blickpositionen im Scanner-Tunnel.

In Abb. 12 werden verschiedene Blickpositionen in Bezug auf die inneren geraden Muskeln beider Augen verglichen. In Abb. 12a blickt die Testperson geradeaus. Verglichen mit den Abb. 12b und Abb. 12c, in denen die Testperson konstant nach rechts bzw. rechts unten schaute, kann man eine deutliche Veränderung der physiologischen Querschnittsfläche (physiologic cross-sectional area; PCSA) erkennen. Durch wiederholtes Durchlaufen des eben beschriebenen Prozesses für jede Schnittebene in jeder Bildserie wurde die Morphologie der Augenmuskeln rekonstruiert und grafisch visualisiert. Daraus ergaben sich neue Erkenntnisse für die Modellbil-

Sektionsbefunde der Orbita

dung und computergestützte Chirurgie [Ett99].

Die Morphologie der Augenmuskeln, insbesondere jene der geraden Augenmuskeln, konnte so exakt in verschiedenen Blickpositionen analysiert werden. Diese Daten waren die Grundlage der dynamischen 3D-Darstellung der äußeren Augenmuskeln in verschiedenen Blickpositionen im SEE-KID Modell [BK03].

5 Sektionsbefunde der Orbita

Die Entdeckung der Pulleys brachte ein neues Verständnis der Augenmotorik. Operationstechniken, wie etwa die Fadenoperation, wurden bezüglich ihrer mechanischen Konsequenzen neu überdacht. Auch bei Schieloperationen können durch Änderung der Beziehungen zwischen Muskelinsertion und Pulley-Position unbeabsichtigte Effekte entstehen [DOP00].

Um die Funktion der Pulleys und angrenzender anatomischer Strukturen besser

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verstehen zu können, wurden auch Sektionen an menschlichen Leichen durchgeführt [FAP03].

Abbildung 13 zeigt den m. rectus medialis. Er wurde mit einem Schielhaken vorgezogen um das Pulley mit dessen topographischer Beziehung zum Auge und zur Orbitawand zu zeigen. Die intermuskulären Verbindungen liegen etwas verdeckt hinter dem Bulbusäquator und sind zum m. rectus superior hin nur schwach zu sehen.

Auch zwischen dem m. rectus superior

(3) und der Sehne (4) des m. obl. sup. bestehen zarte bindegwebige Verknüpfungen (1) wie die Abb. 14 zeigt.

Das Pulley des oberen geraden Augenmuskels (2), das mit der Levatorschlinge in Verbindung steht, ist deutlich zu sehen [Ett99].

Starke Verbindungen (1) bestehen im Bereich der Überkreuzung des m. obl. inf. (2) und des m. rect. inf. (3). Beide Muskeln sind in ihrer Beweglichkeit durch die Verknüpfungen mit dem ligamentum Lockwood bestimmt (Abb. 15).

Die Drehung eines Auges um eine bestimmte Achse ergibt eine bestimmte Blickposition und richtet somit auch die Sehachse in eine neue Blickrichtung aus. Normalerweise wird in allen Blickpositionen zentral in der Fovea, der Stelle des schärfsten Sehens, fixiert.

Grundsätzlich kann das Auge in einem kopffixen Koordinatensystem in drei Dimensionen um die Achse rotieren. Jeder äußere Augenmuskel dreht den Bulbus in eine bestimmte Richtung.

Die Bewegung des Auges zur Nase hin heißt Adduktion, die Bewegung zu den Schläfen hin nennt man Abduktion. Elevation und Depression des Auges sind der Endzustand einer Sursumduktion bzw. Deorsumduktion (Rotation nach oben bzw. nach unten).

Abb. 17. Koordinatensystem für Augenpositionen

Torsionale Augenbewegungen rotieren das Auge um seine Blicklinie, wobei Inzykloduktion (Einwärtsrollung eines Auges) oder Inzyklotorsion (Intorsion) die Rotation des oberen Scheitelpunktes eines oder beider Augen zur Nase hin bezeichnet. Exzykloduktion oder Exzyklotorsion (Extorsion) hingegen bezeichnet die Rotation des oberen Scheitelpunktes eines oder beider Augen zur Schläfe hin.

Die Rotationsrichtungen eines Auges (siehe Abb. 17) sind folgendermaßen zu beschreiben:

Rotation um Z-Achse

positiver Winkel = Adduktion (zur Nase hin)

negativer Winkel = Abduktion (von der Nase weg)

Rotation um X-Achse

positiver Winkel = Elevation oder Sursumduktion (nach oben)

negativer Winkel = Depression oder Deorsumduktion (nach unten)

Rotation um Y-Achse

positiver Winkel = Intorsion (Einwärtsrollung)

negativer Winkel = Extorsion (Auswärtsrollung)

Wie in Abb. 18 veranschaulicht, zeigen die Koordinatenachsen für beide Augen für Ab-/Adduktion und In-/Extorsion in entge-

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gengesetzte Richtungen. Dies ermöglicht eine einheitliche Definition der Rotationsrichtungen beider Augen. (z.B. Abduktion = von der Nase weg). In beiden Augen ist weiters die Rollung um die Blickachse nach innen mit einem positiven Vorzeichen definiert. Würden die beiden Y-Achsen nicht unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, so würde bei beidseitiger Intorsion ein Auge nach außen und das andere nach innen rollen. Die Achsen für Elevation und Depression bleiben in beiden Augen gleich, da die Aufund Abwärtsbewegungen in beiden Augen die gleiche Richtung aufweisen. Zusätzlich anzumerken sei jene Situation der binokularen Augenbewegung, bei der bei Abduktion des einen Auges eine Adduktion des anderen Auges erfolgen muss (konjugierte Blickbewegung), also die Augenpositionen hinsichtlich Ab-/Adduktion und In-/Extorsion in unserem Augenmodell gespiegelt werden müssen.

Die Augenmuskeln sind paarweise angeordnet. Jener Augenmuskel mit einer Hauptwirkung in eine bestimmte Richtung wird als Agonist, sein Gegenspieler als Antagonist bezeichnet. Bei der Abduktion des

Abb. 18. Rotationsrichtungen für beide Augen [BKP+03]

Physiologie der Augenmotilität

rechten Auges beispielsweise ist der rechte äußere gerade Augenmuskel der Agonist, der innere gerade Augenmuskel ist sein Hauptantagonist. Die schrägen Augenmuskeln sind zum Teil Synergisten. Einen Muskel, der das Partnerauge in die selbe Richtung wie der Agonist bewegt, wird als kontralateraler Synergist bezeichnet. Der äußere Augenmuskel im Partnerauge, der in die entgegengesetzte Richtung des rechten äußeren Augenmuskels wirkt, wird als kontralateraler Hauptantagonist bezeichnet.

Wir sprechen jeweils von Hauptbzw. Nebenantagonisten, Synergisten etc.

Jeder Augenmuskel hat eine Hauptwirkung. Für die geraden Augenmuskelpaare sind diese gegensinnig. Deren Wirkungen heben sich idealerweise in Primärposition auf. Bei Lähmung eines Augenmuskels (Parese) zeigt dieser in seinem Hauptwirkungsbereich den größten Bewegungsdefekt (größter Schielwinkel).

Die inneren und äußeren geraden Augenmuskeln zeigen ihre Hauptfunktionen in den horizontalen Blickrichtungen. Die Hauptfunktion des inneren geraden Augenmuskels ist die Adduktion. Die Hauptfunktion des äußeren geraden Augenmuskels ist die Abduktion.

Die oberen und unteren geraden Augenmuskeln zeigen ihre Hauptfunktion vertikal. Der obere gerade Augenmuskel ist für die Bewegung des Auges nach oben (Sursumduktion), der untere gerade Augenmuskel für die Bewegung des Auges nach unten (Deorsumduktion) zuständig. Ihre vertikale hebende, senkende Hauptwirkung ist in Abduktion am größten.

Kinematische Prinzipien der Augenbewegungen

Die Wirkungsrichtung der vertikalen geraden Augenmuskeln bilden einen Winkel von 23° zur Mediansagittalebene in Primärposition, was zu sekundären und tertiären Nebenfunktionen führt.

Eine sekundäre Nebenfunktion der oberen geraden Augenmuskeln ist eine Einwärtsrollung, die der unteren geraden Augenmuskeln eine Auswärtsrollung. Je nach Blickrichtung liegt auch eine tertiäre Nebenwirkung, eine adduzierende Wirkung, in extremer Abduktion aber auch eine abduzierenden Wirkung vor.

Die oberen und unteren schrägen Augenmuskeln sind in ihrer Hauptfunktion hauptsächlich Einbzw. Auswärtsroller. Der obere schräge Augenmuskel verursacht Intorsion, der untere schräge Augenmuskel verursacht Extorsion. Nachdem die Wirkungsrichtung beider Muskeln einen Winkel von 51° bis 53° (zur Primärposition) bildet, treten auch hier sekundäre und tertiäre Nebenwirkungen auf. Die sekundäre Aktion des oberen schrägen Augenmuskels ist in Adduktion eine maximale Senkung, jene des unteren schrägen Augenmuskels eine Hebung. Die tertiäre Aktion beider schräger Augenmuskeln ist die Abduktion.

Das Auge ist in der Orbita von elastischen Fettpolstern umgeben, die die Augenbewegung erleichtern und auch eine Translation (Protrusion bzw. Retraktion) des Bulbus erlauben. In der Regel ist diese Translation vernachlässigbar gering. In pathologischen Situationen z.B. der Ko-Kontraktion von Muskeln (z.B. Duane-Syndrom), ist sie aber klinisch deutlich zu sehen und liefert einen wichtigen Hinweis für die Ausprägung der Motilitätsstörung.

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Eine Vorwärtsbewegung des Bulbus in Richtung der Y-Achse wird als Protrusion, eine Rückwärtsbewegung als Retraktion bezeichnet.

1Kinematische Prinzipien der Augenbewegungen

Die Hauptaufgabe des Augenbewegungssystems ist es, das Auge von der aktuellen Blickposition möglichst schnell in eine andere zu bewegen, um ein gewünschtes Objekt zu fixieren. Binokulare Augenbewegungen sind entweder konjunktiv (Versionen) oder disjunktiv (Vergenzen). Versionen sind Bewegungen beider Augen in dieselbe Richtung (z.B. Blick nach rechts: beide Augen bewegen sich nach rechts). Dextroversion ist die Bewegung beider Augen nach rechts, Laevoversion ist die Bewegung beider Augen nach links. Sursumversion und Deorsumversion entsprechen der Bewegung beider Augen nach oben bzw. nach unten. Vergenzbewegungen sind Bewegungen, bei denen sich beide Augen horizontal in entgegengesetzte Richtungen bewegen, um die Erfassung eines nahen oder entfernten Objektes zu erlauben. Betrachtet die Person ein nahes Objekt, so bewegen sich beide Augen zueinander (konvergieren) um die binokulare Sicht zu erhalten. Wird die Entfernung zwischen Person und Objekt größer, bewegen sich die beiden Augen auseinander (divergieren).

Bei der Erzeugung von Augenbewegungen folgt das Gehirn bestimmten durchgängigen Verhaltensmustern (Gesetzen). Diese

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Gesetze sind durch eine zentral-nervöse Steuerung und durch periphere anatomische Strukturen bestimmt [FHMT97].

1.1 Donder’sches Gesetz

Das Donder’sche Gesetz besagt, dass der Anteil der ab-, adduzierenden, hebenden, senkenden und rollenden Komponenten (dreidimensionale Winkelposition) des Auges für eine bestimmte Blickposition immer dieselbe ist [Don48]. Wenn das Auge z.B. nach einer Auswärtsdrehung den Geradeausblick in Primärposition einnimmt, wird die Bewegungskomponentenverteilung in Primärposition immer dieselbe sein, und ist dieselbe auch dann, wenn die Primärposition aus einer anderen beliebigen Blickposition erreicht wird. Dies gilt für alle Blickpositionen [FHMT97]. Somit ist die torsionale Augenposition in einer bestimmten Blickpostion nicht beliebig, sondern eindeutig durch die Blickposition bestimmt.

Bewirkt wird dies durch ein Regelsystem (peripherer Halteapparat und eine zentral

Physiologie der Augenmotilität

nervale Aktivierung gleicher motorischer Einheiten).

1.2 Listing’sches Gesetz

Das Listing’sche Gesetz kann als eine Erweiterung des Donder’schen Gesetzes angesehen werden, insofern es auch für jede einzelne Blickposition den Wert der Einwärtsbzw. Auswärtsrollung festlegt. Es sagt aus, dass alle Rotationsachsen des Auges in derselben Ebene liegen, vorausgesetzt dass der Kopf aufrecht ist, sich nicht bewegt und die Augen ein entferntes Objekt fixieren. Das Listing’sche Gesetz ist eines der wichtigsten Prinzipien der Physiologie der Augenbewegung. Der besondere Halteapparat („Listing’sche Apparat“) des Auges und die ihn beeinflussende zentralnervöse Steuerung reduzieren hierbei mögliche überreichliche (redundante) Freiheitsgrade für Blickpositionen im dreidimensionalen Raum (zentrale Fixation vorrausgesetzt), sodass insbesondere der torsionelle (einwärts-, auswärtsrollende Komponente) Wert in einer

Kinematische Prinzipien der Augenbewegungen

bestimmten Blickposition stets konstant ist.

Für das beidäugige Sehen wird dadurch die Fusion erleichtert, weil damit in einer bestimmten Blickposition der Zyklofusionsbedarf konstant ist. Diese Einengung geht auf Kosten der Blickbewegungen im dreidimensionalen Raum, die zwar alle möglich sind, aber nur mit einem für die jeweilige Blickposition konstanten Torsionswert. Dies wird durch den „Listing’schen Apparat“ gleichsam „erzwungen“ [FHMT97].

Um horizontale und vertikale Augenbewegungen darzustellen, kann man das Auge mit einem Stab versehen, der die Sichtlinie definiert. Nakayama [Nak83] hat damit das Listing’sche Gesetz anschaulich demonstriert.

Hierzu wird ein einfaches physikalisches „ball and membrane“-Modell des Auges verwendet. Dieses Modell besteht aus einem kugelförmigen Bulbus, der mit einer sehr straff gespannten elastischen Membran verbunden ist, die an einem Zylinderrahmen fixiert ist (Abb. 19). Auf Grund der Elastizität der Membran wird die Ruhelage des Auges mit dem Stab geradeaus festgelegt. Der Stab symbolisiert die Blicklinie. Am Ende des Stabes ist ein Kreuz fixiert, das die Torsion (Zyklorotation) anzeigt (Abb. 19a). Die Ruheposition ist als Primärposition definiert, die Stabrichtung entspricht der primären Blickrichtung. Die Membran dieses Modells in Abb. 19a, b, c entspricht der Listing’schen Ebene, die durch den Bulbusmittelpunkt geht. In Abb. 19b wird der Bulbus durch Verlagerung des Stabes horizontal und vertikal bewegt und durch Drehen des Stabes zwischen den Fingern torsional verdreht.

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Die entscheidende Konsequenz des Listing’schen Gestzes demonstriert Abb. 16c. Dabei wird der Bulbus durch Drücken des Stabes mit Hilfe eines anderen, dünnen Stabes bewegt. Der Bulbus kann in jede gewünschte Blickrichtung positioniert werden. Die Blickposition, insbesondere die Torsion, wird nun im Gegensatz zu Abb. 16b durch die Spannung der Membran bestimmt.

Dieses Phänomen wird auch als „Pseudotorsion“ beschrieben, da das Auge nicht aktiv um seine visuelle Achse rotiert. Die Festlegung der torsionalen Rotation wird in jeder Blickposition durch die Mechanik des Halteapparates des menschlichen Auges festgelegt.

Die Ausrichtung des Auges kann mathematisch vorhergesagt werden, indem man annimmt, dass das Auge eine geodätische Rotation (kürzester Pfad) von der Primärposition zu jeder anderen Blickposition durchführt. Die Lage dieser Rotationsachse entlang des kürzesten Pfades zur neuen Blickposition ist normal zur beabsichtigten Blickposition und liegt deshalb in der Listing’schen Ebene. Im Falle des Gummimembranmodells liegt diese Rotationsachse in der Ebene der aufgespannten Membran. Es gibt keine wirkliche Torsion wie in Abb. 16b.

Augenbewegungen von einer Tertiärposition zu einer anderen sind weniger häufig als Blickbewegungen von der Primärposition aus nach oben, unten, links oder rechts.

Das Listing’sche Gesetz ist bei einer Augenbewegung von einer Tertiärposition in eine andere nur dann erfüllt, wenn die Rota-

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tion um eine Achse erfolgt, deren Neigung zur Listing’schen Ebene den halben Winkel ausmacht, der zwischen der Primärposition und der jeweiligen Tertiärposition liegt [Hel63]. Da sich aber der Winkel zwischen Primärpostion und jeweiliger Tertiärposition auf dem Weg von einer Tertiärposition zur einer nächsten ändern kann, ändern sich auch die Drehachsen.

Wenn man die Endpunkte der Rotationsachsen (der Rotationsvektoren) zur Aufzeichnung dreidimensionaler Augenpositionen verwendet, werden diese dicht gesät auf einer Ebene (Listing’sche Ebene) liegen. Aufnahmen von Augenbewegungen bei Menschen und Affen zeigen, dass die Standardabweichung der Rotationsvektoren, die die Augenpositionen beschreibt, nur 0.5–1.0 Grad von der Listing’schen Ebene abweicht. Eine Ebene mit den Bedingungen einer minimalen Abweichung wird „displacement plane“ genannt [Has95]. Die Ausrichtung dieser displacement plane hängt auch von der Referenzposition ab, die zur Beschreibung der Augenposition

Physiologie der Augenmotilität

verwendet wird. Wird die Bezugsebene verschoben, so verschiebt sich die Ebene einer Augenposition nur um den halben Winkel in Richtung der „displacement plane“ (siehe Abb. 20).

In Abb. 20a ist die Blickposition gleich der Bezugsposition, während in Abb. 20b die Bezugsposition um 2α Grad nach vorne gekippt ist (rote Winkel in Abb. 20). Nachdem sich die „displacement plane“ in Abb. 20b nur um α Grad neigt, ist sie nun in Bezug auf ein kopffixes Koordinatensystem um α Grad nach hinten geneigt.

Für jede Datenmenge von beliebigen Augenpositionen gibt es eine Bezugsposition, die genau normal auf der „displacement plane“ steht. Nur in diesem Fall wird die Position des Auges Primärposition genannt. Die entsprechende „displacement plane“ entspricht der Listing’schen Ebene [Has95]. In der Literatur wird häufig die Listing’sche Ebene auf jede Ebene von Rotationsvektoren bezogen. Laut dieser Definition wären alle Ebenen in Abb. 20 Listing’sche Ebenen.

Zentrale Innervationsmuster bestimmen die Augenbewegungen. Schon die in den Halteapparat eingestreute glatte Muskulatur unterliegt zentralen vegetativen Einflüssen.

Die Innervation der Augenmuskeln erfolgt durch drei verschiedene Hirnnervern.

Der nervus oculomotorius innerviert die mm. recti superiores, mm. recti inferiores, mm.recti mediales und die mm.obliqui inferiores. Der Nervus trochlearis innerviert die mm.obliqui superiores, und der Nervus abducens steuert die mm.recti laterales. Die zugehörigen motorischen Augenmuskelkerne liegen im Mittelhirn (Abb. 21).

Die unterschiedlichen Arten von Augenbewegungen: Sakkaden (orange), Folgebewegungen (grün), Vergenzen (Konvergenz, Divergenz) optokinetische Augenrückstellbewegungen (optokinetischer Nystagmus), vestibulookuläre Reflexe (Ausgleichsbewegungen) und Fixationsbewegungen werden von neuralen Kontrollsystemen gesteuert.

An der Steuerung von Augenbewegungen sind eine Reihe supraund infranucleärer Strukturen beteiligt. Es müssen assoziierte, konjugierte (parallele Augenführung) und disjugierte, disjunktive (konvergente, divergente, gegensinnige) Augenbewegungen, Folgebewegungen, Sakkaden (Blicksprünge), Optokinetik und Ausgleichsbewegungen geregelt werden.

Folgebewegungen werden durch eine retinale Bildverschiebung angeregt. Sie ermöglichen die foveale Fixation eines bewegten Objektes.

Abb. 21. Zentrale Steuerung von Augenbewegungen

SM = Stellsystem Augenmuskeln; MR = Messystem retina; FAF, PRAF = Frontales Augenfeld, präfrontales Augenfeld, supplementäres Augenfeld; MT, MST = Parietotemporaler Assoziationskortex, mittlere temporale area, mediane superiore temporale area; GL = Gleichgewichtsorgan; NIC = Nucleus interstitialis Cajal – vertikaler Integrator; NPH = Nucleus präpositus hypoglossus – horizontaler Integrator; RiMLF = Rostraler interstitieller fasciculus longitudinalis medialis; CS = Colliculi superiores; III IV VI = NN. Oculomotorius, trochlearis, abducens; PPFR = Parapontine formatio reticularis; PK = Pontine Kerne; CB = Cerebellum; V1V2 = Primäre, sekundäre Sehrinde

Mit Konvergenzund Divergenzbewegungen werden in der Nähe oder Ferne, durch disjugierte (gegensinnige) Augenbewegungen, Objekte fixiert.

Sakkaden (Blickzielbewegungen) wer-