Tonometrie und Hornhautdicke

Erstmals entwickelte Schiötz 1905 ein Impressionstonometer (Schiøtz 1920), das eine Augendruckmessung auch in der klinischen Routine ermöglichte. Bei diesem Tonometer wird mittels eines Metallstiftes beim liegenden Patienten die Hornhaut im Zentrum eingedellt. Der Stift ist über seine Größe und sein Gewicht definiert. Sein Gesamtgewicht kann über Zusatzgewichte variiert werden (5,5 g, 7,5 g, 10 g, 15 g) (Abb. 5). Aus der Impressionstiefe wird der intraokulare Druck abgeleitet, wobei der abgelesene Zeigerausschlag auf ein Nomogramm übertragen wird, das dann den Augeninnendruck ergibt. Bei der Messung wirkt jedoch nicht nur der Stempeldruck auf das Auge ein, sondern auch der der Kontaktplatte, wodurch der Augendruck bei der Messung etwas angehoben wird.

Auch die Verformbarkeit der Hornhaut hat einen Einfluss auf das Messergebnis (siehe unten: Hornhautdicke und Hornhautrigidität). Bei der Eichung der Tonometer werden Durchschnittswerte von Hornhautdicke und Rigidität berücksichtigt, die aber individuell erheblich variieren können. Insbesondere Bulbi mit großer Achsenlänge (z. B. bei hoher Myopie) und kindliche Augen haben gegenüber dem Durchschnitt eine deutlich geringere Rigidität, weshalb der tatsächliche intraokulare Druck deutlich vom Messergebnis abweichen kann (meist falsch zu niedrige Messwerte). Deshalb werden Schiötz-Tonometer heutzutage nur noch selten angewendet.

Bei starken Hornhautveränderungen, bei denen eine Applanationstonometrie oder Luftstoßtonometrie nicht möglich ist, kann auch heute noch eine Schiötz-Tonometrie sinnvoll sein und eine brauchbare Abschätzung des Augeninnendrucks erlauben.

Gelegentlich wird das Schiötz-Tonometer noch zur Tonografie (Schiøtz 1920) verwendet.

Das Tonopen® stellt vom Prinzip ebenfalls ein Impressionstonometer dar, es hat jedoch den Vorteil, dass es nicht abhängig von der Schwerkraft ist und daher in jeder Position angewendet werden kann (Blumberg et al. 2021). Es ist handlich wie ein größerer Stift (Abb. 6). An der Spitze des Gerätes steht ein beweglicher Metallkolben von ca. 1 mm Durchmesser vor. Über ein Dehnungsmessgerät wird elektronisch die Kraft ermittelt, bei der der hervorstehende Metallkolben durch die Hornhaut plan zur umliegenden Frontfläche eingedrückt wird. Je nach Augeninnendruck ist die Anpresskraft des Kolbens entsprechend unterschiedlich. Hieraus lässt sich der Augeninnendruck ermitteln. Im Vergleich zur Goldmann-Applanationstonometrie liegen die Messwerte jedoch um etwa 2 mmHg niedriger und weisen eine höhere Variabilität auf, insbesondere sind höhere Werte nicht sehr zuverlässig zu messen. Der Vorteil dieses Gerätes liegt in seiner guten Handhabbarkeit, zur Verhinderung einer Keimübertragung wird die Spitze mit einer dünnen Einmal-Kunststoffkappe überzogen.

Die Goldmann-Applanationstonometrie gilt auch heute noch als der „Goldstandard“ bei der Bestimmung des Augeninnendrucks und als Referenzmethode für neue Tonometer. Auf dieser Messmethode beruhen zudem die Studienergebnisse der Medikamentenstudien zur Augeninnendrucksenkung in der Glaukomtherapie (Abb. 7).

Im Folgenden werden die physikalischen Grundlagen dieser Methode wiedergegeben: Aus diesem Verständnis lässt sich auch ableiten, weshalb bestimmte Störgrößen wie Hornhautdicke, Hornhautelastizität und Elastizität der Sklera (Bulbushülle) zu Messfehlern führen.

Das Prinzip der Applanationstonometrie beruht auf dem Imbert-Fick’schen Gesetz, das Hans Goldmann 1957 (Goldmann und Schmidt 1957) auf die Tonometrie übertrug:

Diese Formel besagt, dass die Kraft F, die ein planer Messkolben auf die Augenoberfläche ausübt, vom Augeninnendruck P und von der abgeplatteten Fläche A abhängt. Unter der Annahme, dass die Fläche der Applanation konstant gehalten wird (z. B. durch einen definierten Durchmesser der Kontaktfläche), ist die Anpresskraft des Messkolbens proportional zum Augeninnendruck.

Dieses Gesetz gilt streng genommen nur unter der Annahme, dass das Auge eine sphärische Kugel mit einer unendlich dünnen Hülle ohne Steifigkeit ist, jedoch kann man unter bestimmten Annahmen trotzdem den Augeninnendruck bestimmen. Normalerweise sind die Schichten der Descemet-Membran und des Hornhautstromas gespannt, sie fangen die radiären Kräfte des Augeninnendrucks in einer zirkulären Querspannung auf. Durch die Applanation werden diese Schichten jedoch entspannt, sodass der Augeninnendruck „direkt“ auf der Bowman-Membran gemessen wird, weitgehend unabhängig von Hornhautstroma und Descemet-Membran. Dadurch kommt die Messsituation einer „unendlich dünnen Hülle“ im Sinne des Imbert-Fick’schen Gesetzes nahe.

Störfaktoren sind hierbei vor allem die Hornhautsteifigkeit, d. h. die Rückstellkraft, mit der die elastische Hornhaut den Messkolben zurückdrückt. Dagegen wirken die Kapillarkräfte zwischen Hornhaut und Messkolben in die umgekehrte Richtung, sie ziehen den Messkoben zur Hornhaut hin. Die geniale Idee von Goldmann und Schmidt (Goldmann und Schmidt 1957) war es, diejenige Applanationsfläche zu ermitteln, bei der die Rückstellkraft durch Hornhautsteifigkeit und die entgegengesetzt gerichteten Kapillaradhäsionskräfte sich aufheben: Dies ist beim Menschen bei einer Fläche von 7,35 mm² der Fall (Abb. 7 und 8).

Wegen der immer gleichen, relativ geringen und Augeninnendruck-unabhängigen Bulbusverformung beeinflusst die Hornhautrigidität den Messvorgang bei der Applanationstonometrie weniger als beispielsweise bei der Impressionstonometrie. Für die Messung wird anstatt der Kreisfläche deren Durchmesser verwendet (3,06 mm). Goldmann und Schmidt integrierten ein Prisma in das Messköpfchen des Tonometers, das den Fluoresceinring (angefärbter Flüssigkeitsmeniskus am Rande der Kreisfläche) in zwei Halbringe zerlegt und um diese Distanz (von 3,06 mm) gegeneinander seitlich versetzt (Abb. 9). Da die Kapillaradhäsionskräfte von der Kontaktfläche und nicht vom kreisförmigen Flüssigkeitsmeniskus ausgeübt werden, hat die Breite des Fluoresceinrings nur einen geringen Einfluss auf die Messwerte, erschwert jedoch die genaue Ablesung, wenn er zu breit oder zu schmal ist (Abb. 10).

Die Verwendung des Kreisflächendurchmessers anstatt der Fläche hat jedoch auch einen Nachteil: Bei einem höheren Astigmatismus (≥ 2 dpt) ist es für die genaue Messung von Bedeutung, dass die applanierte Fläche nicht kreisförmig, sondern elliptisch ist und deshalb 2 verschiedene Durchmesser hat. Man muss daher das Messköpfchen schräg zur Astigmatismusachse (42°) einstellen, um den mittleren Durchmesser der Ellipse als Surrogat der Fläche verwenden zu können (Abb. 10). Um dies zu ermöglichen, wurde am Einsteckring für das Tonometerköpfchen ein roter Strich angebracht (TABO 42°), auf den man die individuelle Astigmatismusachse einstellen muss. Die meisten Tonometerköpfchen haben hierfür ein aufgedrucktes TABO-Schema. Bei einem Astigmatismus mit der Regel (Achse 180°) entspricht dies der üblichen 0°-Markierung, die auf den roten Strich bei 42° einzustellen ist (Abb. 7).

Hinweise zur Ausführung der Druckmessung:

Nach Eintropfen eines fluoresceinhaltigen Lokalanästhetikums stützt der Patient den Kopf in der üblichen Weise mit Stirn und Kinn an der Spaltlampe an (siehe Abb. 7). In der täglichen Praxis empfiehlt es sich, vorab einen Druck einzustellen, der nahe dem erwarteten Druck liegt (bei normalen Augen 15 mmHg), da dann die Feinkorrektur schneller ausgeführt werden kann.

Auf einige praktische Dinge sei hier nochmals hingewiesen:

Das üblicherweise an der Spaltlampe montierte Goldmann-Applanationstonometer erlaubt nur eine Messung im Sitzen. Für liegende Patienten und den Operationsbereich wurden lageunabhängige Tonometer entwickelt (Abb. 11). Das am meisten verbreitete Gerät ist das Perkins-Handapplanationstonometer® (Perkins 1965) (Abb. 11 links). Es arbeitet mit denselben prismatischen Druckmessköpfchen wie das Goldmann-Applanationstonometer. Die Ablesbarkeit der Halbringe ist durch die geringere Vergrößerung und die beschränkte Lichtausbeute des Blaulichts unter den erschwerten Bedingungen im Operationssaal oder auf der Intensivstation häufig eingeschränkt. Das früher verfügbare Draeger-Handapplanationstonometer (Abb. 11 rechts) war diesbezüglich genauer.

Das Pascal -Tonometer (Fa. Ziemer, Swiss Microtechnology AG, Port, Switzerland) hat einen ähnlichen äußeren Aufbau wie das Goldmann-Tonometer, ist also an die Spaltlampe montiert und wird durch das Mikroskop betrachtet (Abb. 12). Die Vorderfläche des Tonometerköpfchens wird mit einer Einmal-Silikonkappe überzogen, um eine Keimübertragung zu verhindern.

Das Messprinzip unterscheidet sich deutlich von der klassischen Applanationstonometrie. Obwohl das Tonometer wenig verbreitet ist, hat es verglichen mit dem Goldmann-Applanationstonometer wichtige Vorteile (Kniestedt und Kanngiesser 2006; Kanngiesser et al. 2005) und wird deshalb hier bezüglich des Messprinzips besprochen. Aufgrund der konkaven Kontaktfläche des Messköpfchens, deren Krümmung nur gering flacher ist als die Hornhaut (Radius 10,5 mm), ist der Name „Konturtonometer“ üblich. Diese etwas flachere Kurvatur legt sich der Hornhaut bei einer Kraft von 1 g über einem Durchmesser von ca. 7 mm an. Diese geringe Applanation genügt, um die Querspannung der Hornhaut in den Hornhautschichten aufzuheben. Der intraokulare Druckvektor steht dann deshalb senkrecht zur Oberfläche des Tonometerköpfchens. Daher ist der Druck direkt an der Oberfläche messbar. Die Messung erfolgt über ein quadratisches Piezo-Druckelement (ca. 1,2 mm), das den Druck kontinuierlich mit einer Abtastfrequenz von 100 Hz registriert, wodurch zusätzlich auch die Pulsamplitude zwischen diastolischem und systolischen Augeninnendruck („dynamisch“ – „dynamische Konturtonometrie“ = DCT) bestimmt werden kann. Eine hohe Übereinstimmung zwischen dem experimentell gemessenen Augeninnendruck durch Vorderkammerpunktion und dem des Pascal-Tonometers wurde nachgewiesen (Abb. 13, nach Pillunat).

Nach ca. 5 gemessenen Pulszyklen gibt das Gerät den gemittelten diastolischen Messwert an und ordnet der Messung einen Qualitätsfaktor (1–5) zu, wobei 1 oder 2, orientierend auch 3 akzeptabel sind.

Der Vorteil dieses Messprinzips ist die weitgehende Unabhängigkeit von Hornhaueigenschaften wie Hornhautdicke, -rigidität oder einem möglichen Hornhautödem. Nachteile dieser Messmethode sind die relativ lange Messdauer, insbesondere bei unruhigen Patienten und Kindern. Auch bei Patienten mit Nystagmus kann die Messung schwierig sein. Messfehler können bei Hornhautnarben oder nach perforierender Keratoplastik entstehen, meist ist die Messqualität aber dann unterhalb des erforderlichen Qualitätsindikators. Aufgrund der weitgehenden Unabhängigkeit von Hornhauteigenschaften sind die gemessenen Werte nach refraktiver Laserchirurgie der Hornhaut (z. B. LASIK) sehr viel zuverlässiger als bei der klassischen Applanationstonometrie.

Der Zusammenhang zwischen Augeninnendruckwerten von Applanationstonometrie und Pascal-Tonometrie ist in Abb. 14 dargestellt: Demnach liegen die gemessenen Druckwerte besonders im unteren Druckbereich beim Pascal-Tonometer höher als beim Goldmann-Applanationstonometer und stimmen erst bei einem Augeninnendruck von ca. 20 mmHg überein (Schneider und Grehn 2006). Im mittleren Bereich misst das Pascal-Tonometer denselben Augeninnendruck um ca. 2,34 mmHg höher (Schneider und Grehn 2006), in anderen Untersuchungen durchschnittlich sogar 3 mmHg (Salvetat et al. 2007). Vergleichskurven bei höheren Augeninnendrucken liegen nicht vor. Im Gegensatz zur Applanationstonometrie wurde bei der DCT keine Abhängigkeit von der Hornhautdicke gefunden, während beim Goldmann-Tonometer die bekannte Messwerterhöhung bei höherer Hornhautdicke auffällt (Abb. 15). Die Messung der okulären Pulsamplitude spielt insbesondere bei arteriovenösen Fisteln und Herzklappenfehlern eine Rolle (Takai et al. 2012).

Diese Tonometer verwenden einen Luftstoß, um die Hornhaut abzuflachen bzw. einzudellen. Es findet kein direkter Instrumentenkontakt mit dem Auge statt, daher ist eine Anästhesie nicht erforderlich und Infektionen sind weitgehend ausgeschlossen (Shields 1980). Das „Non-Contact-Tonometer“ wurde 1972 von Grolman eingeführt und seither kontinuierlich weiterentwickelt. Der auf die Hornhautmitte fokussierte Luftstoß erzeugt eine kurzfristige Eindellung der Hornhaut: Die Hornhaut durchläuft hierbei zunächst eine Phase einer Abflachung, erreicht dann einen planen Zustand und wird schließlich konkav eingedellt. Nach Ende des Luftstoßes wiederholt sich diese Abfolge in umgekehrter Reihenfolge. Der Messvorgang verwendet die Lichtreflexion der Hornhaut: Anfangs wird durch die konvexe (gewölbte) Hornhautoberfläche das Licht gestreut, bei exakter Applanation (wie durch einen Planspiegel) wird das Licht stark fokussiert zum Sensor hin reflektiert und schließlich durch die konkave (eingedellte) Hornhaut wiederum gestreut (Abb. 16). Das Gerät misst die Zeit, die erforderlich ist, um die Hornhautoberfläche durch den Luftstoß zu applanieren, also bis die maximale Lichtreflexion gemessen wird. Diese Zeit korreliert mit dem Augeninnendruck und kann in mm Hg kalibriert werden. Neuere Technologien messen direkt den Druck des Luftstoßes, bei dem die Hornhaut einen planen Zustand erreicht. Der Messvorgang ist sehr kurz (ca. 3 ms), die Messung kann daher in der systolischen oder diastolischen Phase des Augeninnendrucks liegen und diesen erfassen. Zur Reduzierung dieser Unschärfe wird meist aus mehreren Messungen gemittelt. Die Messgenauigkeit ist im Vergleich mit der Goldmann-Applanationstonometrie zuverlässig, Abweichungen entstehen insbesondere bei höheren Druckwerten. Prinzipiell handelt es sich aber um eine Indentations-Tonometrie: Die Rigidität der Hornhaut geht bei diesen Messmethoden in stärkerem Maße ein als bei der Goldmann-Applanationstonometrie.

Vom Prinzip her ist der Ocular Response Analyzer ein Luftstoßtonometer. Das Gerät misst jedoch nicht nur den Druck des Luftstoßes, der zur Applanation (max. Lichtreflexion) notwendig ist, sondern auch den Druck während der Rückbildung der Hornhauteindellung, wenn diese wiederum die Phase der planen Hornhautabflachung durchläuft. Beide Signale erfolgen jedoch nicht bei demselben Druck des Luftstoßes, sondern der vom ORA ausgesandte Druck ist in der Rückbildungsphase geringer als bei der ersten Abplattung. Diese sog. „Hysterese“ (Druckdifferenz beider planen Phasen) ist ein Maß für die Trägheit der Verformung der Hornhaut, also ein Maß ihrer „Steifigkeit“ und ihrer „Viskoelastizität“ (Abb. 17). Die korneale Hysterese (bzw. der davon abgeleitete „korneale Resistenzfaktor“) beschreibt somit eine biomechanische Eigenschaft der Hornhaut und keine morphologische Eigenschaft wie die zentrale Hornhautdicke (siehe unten). Bei dieser Messmethode ist der gemessene Augeninnendruck weniger von der Rigidität (Steifigkeit) der Hornhaut abhängig als bei anderen Messmethoden (Kotecha et al. 2014; Pepose et al. 2007; Elsheikh et al. 2015).

Beim Corvis ST® Tonometer handelt sich ebenfalls um ein Luftstoßtonometer. Die Verformung der Hornhaut unter Luftstoß wird hierbei allerdings durch eine hochauflösende Hochgeschwindigkeits-Scheimpflugkamera gemessen. Der Augeninnendruck wird unter Berücksichtigung des Alters, der zentralen Hornhautdicke und biomechanischen Reaktion, die beide über das Scheimpflugverfahren gemessen werden, ermittelt (Matsuura et al. 2020).

Das iCare® Tonometer ist ein Handgerät zur Messung des Augeninnendrucks. Es ist in mehreren Modellen verfügbar, auch in einer Version zur lageunabhängigen Messung, sowie als Selbsttonometer (IC 200®; IC 100®, IC Home®) (Sachdeva et al. 2022). Bei diesem Messprinzip wird ein dünner Stift mit einer kleinen Kunststoffkugel an der Spitze elektromagnetisch gegen die Hornhaut „geschossen“ und die Rückprallgeschwindigkeit gemessen. Diese korreliert mit dem Augeninnendruck (schnelle Rückprallgeschwindigkeit bei hohem Augeninnendruck, langsame bei niedrigem Augeninnendruck). Die Masse des Stifts ist so gering, dass die Berührung der Hornhaut praktisch nicht wahrgenommen wird. Deshalb ist keine Lokalanästhesie erforderlich. Der Stift ist auswechselbar und wird nur einmal verwendet, sodass keine Keimübertragung durch den Stift stattfinden kann. Durch die Mittelung von 6 Messwerten wird die Genauigkeit der Messung erhöht. Im mittleren Augeninnendruckbereich besteht eine gute Übereinstimmung zum Goldmann-Applanationstonometer. Bei höheren Druckwerten zeigt sich eine Diskrepanz, wobei das iCare® Tonometer in diesem Bereich höhere Druckwerte ergibt als das Goldmann-Applanationstonometer. Es besteht eine Abhängigkeit von der Hornhautdicke, ähnlich dem Goldmann-Tonometer (Brusini et al. 2006).

Der besondere Wert des lageunabhängigen iCare 200® besteht in der Flexibilität der Messsituation: Bei bettlägerigen Patienten, in der Notaufnahme, auf der Intensivstation und im Operationssaal kann der Augeninnendruck zuverlässig gemessen werden (Abb. 18). Insbesondere bei Säuglingen und Kleinkindern ist auf diese Weise eine Druckmessung ohne Narkose möglich: So kann beispielsweise bei einem schlafenden Säugling mit Verdacht auf kongenitales Glaukom der Augeninnendruck bei vorsichtiger manueller Lidöffnung gemessen werden, ohne dass das Kind aufwacht. Dagegen sind Augeninnendruckwerte, die unter Schreien (zu hoch) oder in Narkose (zu niedrig) gemessen werden, weniger aussagekräftig.

Bei der Triggerfish®-Messung handelt sich um eine Kontaktlinse mit einem integrierten Dehnungsmesser. Mit dem Triggerfish® werden Krümmungsdifferenzen der Hornhaut über die Zeit bestimmt und hierüber Druckdifferenzen abgeschätzt. Daher muss zu Beginn der Triggerfish-Messung das System auf den „wahren“ Druck (Applanation) „geeicht“ werden. Die Messkurven weisen derzeit ein schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf, sodass über die Dehnungsamplituden des Auges die Druckschwankungen nicht ausreichend genau bestimmt werden können. (Vitish-Sharma et al. 2018; Sunaric-Megevand et al. 2014)

Eine kontinuierliche intraokulare Druckmessung über einen Drucksensor ist besonders Erfolg versprechend, jedoch muss dieser in das Auge implantiert werden. Technisch ist dies im Rahmen der Kataraktoperation (Sulcus) oder einer Glaukomoperation (subziliar) machbar. Hierbei wird ein ringförmiges oder dreieckiges Drucksensorelement in den Kapselsack implantiert (Abb. 19) (Schmidt et al. 2022; Mansouri et al. 2021). Ein weiteres rechteckiges Implantat mit wenigen mm Kantenlänge wurde für die subziliare Anwendung konzipiert. Dieses ist bereits erfolgreich implantiert worden (Abb. 20) (Eyemate®, Szurman et al. 2023). Die technische Herausforderung besteht darin, dass Energieversorgung und Datenübertragung kabelfrei erfolgen müssen, was mittels Induktionsspulen ermöglicht wird. Mit dieser Technologie kann der Augeninnendruck mehrmals pro Sekunde gemessen werden, sodass Pulsschwankungen gemittelt werden können. Erste Untersuchungen unter Verwendung von intraokularen Drucksensoren zeigen, dass der Augeninnendruck im Tagesablauf sehr stark schwanken kann, z. B. bei Lidschluss, Lageänderung, Valsalva-Manöver, Yoga etc., sodass diese Technologie völlig neue Einblicke in die zirkadiane Rhythmik des Augeninnendrucks erlaubt. Eine routinemäßige Anwendung dieses Prinzips ist bisher noch nicht möglich, wenngleich erste Ergebnisse vielversprechend sind.

Abb. 21 zeigt das korrekte Vorgehen: Man legt die Zeigefingerkuppen beider Hände bei auf das halb geschlossene Lid, während der Patient nach unten blickt. Die anderen Finger stützen sich an der Stirn ab. Hierbei drückt man abwechselnd mit der rechten und der linken Zeigefingerkuppe auf das halb geschlossene Lid und erlangt hierdurch ein Gefühl dafür, wie leicht sich der Bulbus eindrücken lässt. Die jeweils nicht imprimierende andere Zeigefingerkuppe dient zum Vergleich und fühlt die Lage des Bulbus in der Orbita, ohne ihn einzudellen. Beim Palpieren mit nur einem Finger würde der Fingerdruck einerseits den Bulbus eindellen, andererseits diesen jedoch auch elastisch nach hinten in die Orbita drücken. Die beiden Effekte wären dann nicht zu unterscheiden (Grehn und Mackensen 1993). Zusätzlich muss man aber auch beachten, dass eine postoperative Lidschwellung oder sehr dünne Lidstrukturen bei älteren Glaukompatienten in die Abschätzung des Druckes mit einbezogen werden müssen.