Repeatability of keratometry measurements obtained with 3 topographers in keratoconic and normal corneas. Guilbert E, Saad A, Elluard M, Grise-Dulac A, Rouger H, Gatinel D. Journal of Refractive Surgery, April 2016.
From the Department of Anterior and Refractive Surgery Dept, Rothschild Foundation, Paris, France
Summary of this paper:
The main finding of this study is that repeatability of maximum and minimum keratometry readings is generally lower in keratoconic corneas than in normal corneas with the devices studied. Since the topographies performed in keratoconic eyes are less repeatable than those performed in normal eyes, the threshold values of keratometric changes used to ascertain keratoconus progression should be carefully considered. Caution should be taken when interpreting the topographies of kératoconus patients: the higher variability should be taken into account before performing any treatment.
(en Français plus bas)
How to confirm or refute the possibility of progression of keratoconus in this right eye between 2012 and 2016? By comparing the 2012 and 2016 Orbscan examinations, we can see that the value of sim K has decreased slightly (10.4D vs 9.6D), whereas that of Kmax has instead increased ( 57.6D vs 58.5D). The thickness of the thinnest point of the corneal wall was 456 microns in 2012, and is 473 microns in 2016. This information, apparently contradictory , in fact reflects the test-retest variability of the topographic measures in keratoconic eyes. The absolute values of each of the measured variations are less than their repeatability limit assessed in this study, suggesting the absence of disease progression. If crosslinking had been performed between these two examinations (which was not the case, the patient simply stop to rub his eyes instead), one could judge the procedure as effective by looking at the simK value, …or ineffective by looking at the Kmax. This is a serious issue, leading to potential flaws in interpretation and inappropriate clinical decisions.
Comment juger de la progression de ce kératocône de l’œil droit entre 2012 et 2016? La valeur du sim K a légèrement diminué (10.4D vs 9.6D). Celle du Kmax a en revanche progressé (57.6D vs 58.5D). L’épaisseur du point le plus fin est de 456 microns en 2012 et 473 microns en 2016. Ces informations, en apparence contradictoires, reflètent en réalité la variabilité de la mesure intra individuelle. Les variations mesurées sont, en valeurs absolues, inférieures à leurs limites de répétabilité telles que mesurées dans cette étude, et suggèrent en réalité l’absence de progression de la maladie. Si une procédure de crosslining avait été pratiquée entre ces deux examens (ce qui ne fut pas le cas, le patient a simplement cessé de se frotter les yeux), on pourrait juger cette procédure efficace (diminution du simK) ou inefficace (augmentation du Kmax). C’est un problème délicat, source d’erreur potentielles d’interprétation et de décisions cliniques inappropriées.
Keratoconus is a non-inflammatory progressive localized thinning and protrusion of the cornea, leading to irregular astigmatism and impairment in visual function. Corneal topography has revolutionized the diagnosis and follow up of this disease, making it possible to make accurate measurements of keratometry and corneal thickness at each point of the corneal surface.
When measured repeatedly in the same eye, a topographic variable is not constant, but tend to show a roughly normal distribution around the variable’s mean. This is not the consequence of some physiologic fluctuations, such as encountered in blood pressure monitoring which can vary within minutes, but instrument related issues. However, when coming to routine follow-up examinations after diagnosis, the judgment of topographic criteria such as the Kmax or simK are usually based on a single measurement, and the measurement fluctuations will not be taken into account – until the extent of the criteria variation has been studied.
Clinical and topographical measures assessed in subjects with keratoconus have demonstrated poorer test–retest variability: topography-derived indices are less repeatable in keratoconus eyes than in normal eyes.
Let us consider a group of patients with keratoconus, including some eyes whose measured indices values were by chance, at the first examination, lower than their actual mean (which would have been calculated from several consecutive repeated measurements). On average, their follow-up values will necessarily tend to increase (regression to the mean). For these eyes, this could be misinterpreted as a progression of the disease.
Misinterpretation can be avoided by repeated examinations to establish an adequate threshold value beyond which there may be statistically significant progression (or improvement), for both keratoconus eyes, and eyes from a control group. Repeatability is the closeness of agreement between the results of successive measurements of an identical test material performed under defined conditions. The conditions under which these measurements were performed are known as the repeatability conditions. These conditions include the same operator, same apparatus, and a short time between analyses.
The repeatability of measurements of continuous numerical variables can be summarized by the standard deviation of replicate measurements, called the repeatability standard deviation. This value is useful in determining a repeatability limit; a value less than or equal to the absolute difference between 2 test results obtained under repeatability conditions can be expected to lie within a probability of 95%. Said differently, it the absolute difference between the values of a topographic criteria obtained with two different exams is less than the repeatability limit, there is 95% probability that this difference is due to a random error (test-retest variability), and does not reflect a true increase or decrease of the studied criteria.
Collagen cross-linking is considered to be the only therapeutic procedure capable of slowing or halting the natural history of keratoconus and is indicated in case of progressive keratoconus. In this context, the definition used to define the progression of keratoconus becomes quite important. In most studies, an increase of the steepest keratometry of 1 diopter or more (or an increase in the mean keratometry of 0.75 diopter or more) is considered as a sign of progression of the ectatic disease. These admitted thresholds must be confronted to the repeatability of the corneal topography instruments used to diagnose and monitor keratoconus progression.
The goal of this study was to assess the repeatability of the corneal topography functions of Orbscan II, OPD-Scan III, and iTrace in keratoconus eyes and in a control group of normal patients. The measurements were performed with a combined Placido-scanning slit system (Orbscan II) and two combined Placido-aberrometer systems (OPD-Scan III and iTrace).
59 keratoconic eyes of 34 patients and 54 normal eyes of 27 subjects were included. Three groups were constituted: stage I-IV keratoconus eyes (59 eyes), stage I-II keratoconus eyes (41 eyes) and normal eyes (54 eyes). Three successive measurements were performed with each device in random order. If an examination was considered unsatisfactory because of excessive eye movement or eyelid blinking, it was performed again.
The results of this study confirmed that there is less repeatability in keratoconus eyes than in normal eyes. The repeatability limit was higher in the 2 groups of keratoconic eyes compared to normal eyes with all 3 topographers. This is indicating lower repeatability for almost all parameters studied in keratoconic eyes.
For the maximum keratometry measurement, repeatability limit was 1.73 D, 1.49 D and 1.41 D in the stage I-IV keratoconus eyes group, 1.11 D, 1.02 D and 0.98 D in the stage I-II keratoconus eyes group and 0.61 D, 0.37 D and 1.02 D in normal eyes group with Orbscan II, OPD-Scan III and iTrace, respectively.
In our series, the repeatability limit was lower (and therefore the repeatability was better) in the control group than in the two keratoconus eyes groups for almost all studied parameters and with the 3 devices tested. This demonstrates the need to take more precaution with the results provided by these topographers in patients with keratoconus because their readings are less repeatable.
For example, the repeatability limit of the steepest keratometry in stage I-IV keratoconus eyes group was 1.73 D with the Orbscan II, 1.49 D with the OPD-Scan III, and 1.41 D with the iTrace (vs 0.61 D, 0.37 D and 1.02 D respectively in the control group). This means that the difference in steepest keratometry between 2 measurements should be above those values in order to certify a real progression of the disease. When considering stage I-II keratoconus eyes only, which have higher risk of progression and in whom cross-linking is of most interest, repeatability is better but still lower than in normal eyes: repeatability limit of the steepest keratometry was 1.11 D with the Orbscan, 1.02 D with the OPD-Scan and 0.98 D with the iTrace.
This shows that an increase of the steepest keratometry of 0.75 D or even 1 D is probably not enough to assert that keratoconus is actually progressive, especially with Orbscan II.
Previous studies showed similar results: repeatability of topographic or aberometric measurements is lower in ectatic cornea compared to normal cornea.
What are the reasons of the lower repeatability observed in keratoconic eyes? Ectatic corneas have a less regular and more complex shape, which makes them more difficult to analyze by topographers. Furthermore, keratoconic patients have more difficulties to fixate at a target because of blurred vision, which can result in a slight offset of the topography. Spreading of tears between each blink is probably less uniform in patients with keratoconus compared to patients with normal corneas. This may in part explain the lower repeatability of topographic measurements in ectatic corneas.
In most studies, keratoconus is considered progressive if the keratometry increases by at least 0.75 or 1 D between two topographies performed at 6 months intervals. Our results show that this difference may not be sufficient to conclude that the disease is actually progressive, since the difference between two successive topographies performed on the same eye can be higher than the expected difference by which the keratoconus is considered to be progressive.
Ignoring this variability of topography in keratoconic corneas could lead to improperly indicate and treat with collagen cross-linking some eyes with otherwise stable keratoconus disease. Similarly, it could lead to the wrongful interpretation that this treatment was effective in stabilizing a cornea, while the keratoconus disease was actually stable before performing the cross-linking.
In conclusion, our results show that topographies performed in keratoconic eyes are less reliable than those performed in normal eyes and this difference, also mild in stage I-II keratoconus, increase with the grade of the keratoconus. This suggest that the threshold values of keratometric changes used to ascertain keratoconus progression should be carefully considered, depending on the device on which they were performed. In the meantime, caution should be taken when interpreting the topographies of such patients, and their higher variability should be taken into account before deciding to perform any treatment such as collagen cross-linking.
Résumé de cet article:
La principale conclusion de cette étude est que la répétabilité des valeurs maximales et minimales de kératométrie est généralement plus faible dans les cornées atteinte de kératocône (KC) que dans les cornées normales avec les différents topographes étudiés. Etant donné que les topographies effectuées dans les yeux atteints de KC sont moins répétables que celles effectuées pour les yeux normaux. Ainsi, les valeurs de seuil des modifications kératométriques utilisées pour déterminer la progression du kératocône doivent être considérées avec soin. Des précautions particulières doivent être prises lors de l’interprétation des topographies de ces patients: la variabilité plus élevée pour les mesures effectuées sur les yeux atteints de kératocône doit être prise en compte avant d’effectuer un choix thérapeutique comme le crosslinking.
Le kératocône est caractérisé par un amincissement localisé progressif non-inflammatoire et une ectasie de la cornée, ce qui conduit à un astigmatisme irrégulier et une déficience de la fonction visuelle. La topographie cornéenne a révolutionné le diagnostic et le suivi de cette maladie. Elle permet d’effectuer des mesures précises de kératométrie (courbure de la cornée antérieure) et/ou d’épaisseur de la cornée en chaque point de mesure .
Lorsqu’elle est mesurée à plusieurs reprises, de manière consécutive et pour le même œil, la mesure d’une valeur topographique n’est pas constante, mais épouse une distribution à peu près normale autour de la moyenne de cette variable (qui peut être établie à partir de plusieurs mesures consécutives). L’étendue de cette distribution reflète la répétabilité de la mesure.
En manière de topographie cornéenne, ceci n’est pas la conséquence de fluctuations physiologiques, telles que celles que l’on rencontre dans la surveillance de la pression artérielle, qui peut varier d’une minute à l’autre. Cependant, pour les examens de suivi et de routine après le diagnostic de kératocône, l’appréciation de critères topographiques comme le Kmax ou simK est généralement basée sur une mesure unique, et l’imprécision liées à la répétabilité des mesures n’est pas prise en compte – du moins tant que cette répétabilité n’a pas été étudiée.
Les mesures cliniques et topographiques évaluées chez les sujets atteints de kératocône ont montré que les indices topographiques ont des valeurs moins répétables dans les yeux atteints de kératocône que dans les yeux normaux.
Considérons un groupe de patients atteints de kératocône, au sein duquel on trouve certains yeux dont les valeurs d’indices topographiques mesurés sont, lors d’un premier et unique examen, inférieures par fluctuation statistique à leur valeur moyenne (celle qui aurait été calculée si on avait fait plusieurs mesures consécutives sur ces mêmes yeux). En moyenne, les valeurs de ces indices auront nécessairement tendance à augmenter lors d’examens ultérieurs (phénomène de régression vers la moyenne). Une augmentation de la valeur d’un indice donné entre deux examens espacés dans le temps risque alors d’être interprétée, à tort, comme une progression de la maladie.
Une mauvaise interprétation de la comparaison des valeurs obtenues pour un indice topographique donné entre deux examens séparés par un certain intervalle de temps peut être évitée en réalisant une étude de répétabilité. Elle consiste à effectuer des examens répétés pour établir la valeur seuil adéquate au-delà de laquelle il peut y avoir une progression (ou une diminution) significative (moins de 5% de risque d’erreur), pour un indice donné, chez les yeux atteints de kératocône. Cette valeur seuil peut également être calculée pour les yeux indemnes de kératocône d’un groupe de contrôle.
La répétabilité correspond ainsi au degré de concordance entre les résultats des mesures successives pour un même critère topographique, effectué dans des conditions de mesures bien définies. Ces conditions regroupent ici les points suivants: même opérateur, même appareil de mesure, et intervalle de temps réduit entre les analyses. Les conditions dans lesquelles les mesures topographiques sont effectuées sont définies comme les conditions de répétabilité.
La répétabilité des mesures de variables numériques continues peut être appréhendée par la valeur de l’écart type des mesures répétées. Cet écart-type est appelé écart type de répétabilité et détermine le seuil ou limite de répétabilité. Ainsi, il suffit de calculer la valeur absolue de la différence entre les valeurs obtenues pour le même critère topographique entre deux examens séparés dans le temps. Si cette valeur est inférieure ou égale à la valeur seuil (limite de répétabilité), on considère que l’on se situe dans une probabilité de 95% d’être face à une fluctuation de mesure (un biais), et non face à une modification significative du critère mesuré (progression certaine ou amélioration certaine avec moins de 5% de risque d’erreur pour ce jugement).
Le crosslinking cornéen (CXL) est une procédure qui vise à obtenir la réticulation du collagène de la cornée, et est considéré comme la seule procédure thérapeutique capable de ralentir ou de stopper l’histoire naturelle du kératocône. Logiquement, le CXL est indiqué en cas de kératocône évolutif. Dans ce contexte, le critère quantitatif utilisé pour définir la progression du kératocône revêt une importance toute particulière. Dans la plupart des études, une augmentation de la kératométrie maximale de plus d’une dioptrie (ou une augmentation de la kératométrie moyenne de 0,75 dioptries ou plus) est considéré comme un signe de la progression du kératocône. Ces seuils, qui sont généralement admis de manière consensuelle; doivent être confrontés à la limite de répétabilité des instruments topographiques utilisés.
Le but de cette étude était ainsi d‘évaluer la répétabilité des principaux indices topographiques de la cornée fournis par l’Orbscan II, l’OPD-Scan III, et l’ iTrace dans les yeux atteints de kératocône, et de la comparer à celle d’un groupe de patients normaux servant de groupe de contrôle. Les mesures topographiques ont été effectuées avec un topographe par balayage par fentes lumineuses et spéculaire (Orbscan II), et deux topographes spéculaires -aberromètres (OPD-Scan III et iTrace).
59 yeux kératocôniques de 34 patients et 54 yeux normaux de 27 sujets ont été inclus. Trois groupes ont été constitués: les yeux présentant un stade compris entre I et IV pour le kératocône (59 yeux), les yeux présentant un stade plus modéré (I-II) de kératocône (41 yeux), et des yeux normaux (54 yeux). Trois mesures topographiques successives ont été réalisées avec chaque dispositif, dans un ordre aléatoire. Si un examen était jugé de mauvaise qualité en raison d’un mouvement excessif des yeux, ou d’un clignement intempestif, il était effectué à nouveau.
Les résultats de cette étude ont confirmé que la répétabilité est plus faible dans les yeux kératocône que dans les yeux normaux. La limite de répétabilité est plus élevée dans les 2 groupes d’yeux kératocôniques que dans les yeux normaux, et ce pour les 3 topographes utilisés.
Pour la mesure de kératométrie maximale (Kmax), la limite de répétabilité était de 1,73 D (Orbscan) 1,49 D (OPD-scan) et 1,41 D (iTrace) au stade I-IV kératocône, 1.11 D (Orbscan), 1,02 D (OPD-scan) et 0,98 D (iTrace) au stade I-II de kératocône, et 0,61 D (Orbscan), 0,37 D (OPD-scan) et 1,02 D (iTrace) pour les yeux normaux.
Dans notre série, la limite de répétabilité était plus faible (et donc la répétabilité était meilleure) dans le groupe témoin que dans les deux groupes d’yeux atteints de kératocône pour presque tous les paramètres étudiés, et avec les 3 appareils testés. Cela souligne la nécessité de considérer avec plus de précaution les résultats fournis par ces topographes chez les patients atteints de kératocône, en raison de cette moindre répétabilité.
Par exemple, la limite de répétabilité de la kératométrie maximale pour les stades I-IV du kératocône était de 1,73 D avec le Orbscan II, 1,49 D avec l’OPD-Scan, et 1,41 D avec l’iTrace (vs 0,61 D, 0,37 D et 1,02 D respectivement dans le groupe contrôle). Cela signifie que la différence de Kmax entre 2 mesures doit être supérieure à ces valeurs pour certifier la réelle progression de la maladie. Lorsque l’on considère le groupe des yeux atteints de formes plus débutantes de kératocône (stade I-II) , qui ont un risque plus élevé de progression et en qui l’intérêt du CXL est potentiellement plus intéressant, la répétabilité est meilleure, mais toujours plus faible que dans les yeux normaux: la limite de répétabilité dans ce groupe pour le Kmax était de 1,11 D avec l’Orbscan , 1,02 D avec l’OPD-scan et 0,98 D avec l’iTrace.
Cela montre qu’une augmentation de la kératométrie maximale de 0,75 D ou même d’1 D est probablement insuffisante pour affirmer que le kératocône est bien en progression.
Ces résultats confortent ceux rapportés par des études plus anciennes, qui ont montré que la répétabilité des mesures topographiques ou aberometriques est plus faible dans pour une cornée ectasique que pour une cornée normale.
Quelles sont les raisons de cette répétabilité inférieure observée dans les yeux kératocôniques? Les cornées ectasiques ont une forme spatiale moins régulière et plus complexe, ce qui les rend plus difficiles à analyser par les topographes. En outre, les patients atteints de kératocône ont plus de difficultés à fixer à une cible de mesure en raison de leur trouble visuel, ce qui peut entraîner un léger décalage de la carte topographique entre les examens. L’étalement des larmes entre chaque clignement est probablement moins uniforme chez les yeux atteints de kératocône. La conjugaison des ces facteurs peut expliquer en partie la moindre répétabilité des mesures topographiques dans cornées ectasiques.
Dans la plupart des études, le kératocône est considérée comme évolutif si les valeurs kératométriques augmentent d’au moins 0,75D ou 1 D entre deux topographies réalisées à 6 mois d’intervalle.
Nos résultats montrent que cette différence peut ne pas être suffisante pour conclure formellement que le kératocône progresse, car la différence attendue entre deux topographies successives effectuées sur le même œil (ex: fluctuation aléatoire d’amplitude 1.50 D) peut être supérieure à la variation admise (ex: 1.00 D) pour établir le caractère évolutif.
Ignorer cette variabilité topographique dans les cornées kératocôniques pourrait aussi conduire à indiquer de façon inappropriée la réticulation du collagène (CXL) d’yeux pourtant stable vis-à-vis du kératocône. De même, les mêmes fluctuations pourraient conduire à interpréter de manière erronée que le CXL a été efficace pour stabiliser une cornée atteinte de kératocône, …alors que la maladie était en réalité stable avant la réalisation du CXL.
En conclusion, nos résultats confirment que les topographies effectuées dans les yeux atteints de kératocône sont moins répétables que celles réalisées sur des yeux normaux, et que cette répétabilité diminue avec la gravité du kératocône.
Ceci suggère que les valeurs de seuil des changements kératométriques utilisés pour déterminer la progression de kératocône doivent être soigneusement révisées, en fonction de l’appareil sur lequel ils ont été mesurés.
En particulier, la prudence doit être de mise lors de l’interprétation des topographies des yeux atteints de kératocône, et leur variabilité plus élevée sur le plan topographique doit être prise en compte avant de décider d’effectuer un traitement comme le crosslinking.
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