眼底血管病理改變特征提取方法研究進(jìn)展

蔣鵬飛,李 翔,彭清華

作者單位：1(410208)中國(guó)湖南省長(zhǎng)沙市，湖南中醫(yī)藥大學(xué)；2(410007)中國(guó)湖南省長(zhǎng)沙市，湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院眼科

0引言

眼底血管是活體能唯一觀察到的人體終末血管，是全身血管相關(guān)性疾病的觀察窗口，眼底血管觀察是目診最重要的內(nèi)容之一。一些初期的血管性疾病可能使其形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如糖尿病視網(wǎng)膜病變[1-2]、高血壓、肝硬化等，所以可將視網(wǎng)膜血管作為疾病診斷的一個(gè)重要指標(biāo)。因此快速、準(zhǔn)確、可靠的眼底血管病理特征提取方法在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于在成像和傳輸過(guò)程中受到光照及噪聲的影響使得圖像質(zhì)量有所降低，有效的分析十分困難。如何在對(duì)比度極低的眼底血管圖像中對(duì)寬度錯(cuò)綜復(fù)雜的血管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取[3]，一直是一個(gè)難題，本文綜述了以往眼底血管病理特征提取的方法，并對(duì)其作了述評(píng)。

1眼底血管病理改變的觀察手段

1.1檢眼鏡檢眼鏡是眼科觀察眼底血管的最常用也是最方便的手段，具有方便、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，但由于醫(yī)生水平差異，往往對(duì)于同一血管異常有不同診斷，尤其是一些細(xì)微的眼底血管病理改變，此外，此種觀察方法不便于記錄，也不便于左右眼、治療前后的對(duì)比。

1.2眼底血管照相眼底血管照相可對(duì)眼底表面的血管進(jìn)行直接照相觀察，比檢眼鏡檢查更客觀，也更便于保存，也便于患眼與正常眼底血管對(duì)比以及治療前后的對(duì)比。但眼底血管照相僅能反映眼底視網(wǎng)膜表層的血管情況，無(wú)法獲得視網(wǎng)膜深層的血管病理表現(xiàn)。

1.3激光共聚焦掃描眼底成像激光共聚焦掃描眼底成像(CSLO)是通過(guò)不同波長(zhǎng)的激光對(duì)眼底進(jìn)行快速掃描，從而實(shí)現(xiàn)眼底血管形態(tài)的展示，即使瞳孔較小(>1.5mm)也不影響圖像質(zhì)量，眼底血管圖像的對(duì)比度也較高，其穿透力較強(qiáng)，對(duì)于一些屈光間質(zhì)混濁的患者，也可以使用[4]。此外，CSLO還可拍攝眼底視網(wǎng)膜淺層與深層血管，分別進(jìn)行顯示[5]，CSLO中的綠激光可在眼底視網(wǎng)膜淺層反射，所呈現(xiàn)的眼底血管比眼底血管照相更加清晰，對(duì)于一些微小的出血點(diǎn)更能清楚的顯示出來(lái)。

1.4熒光素眼底血管造影熒光素眼底血管造影(FFA)所看到的是動(dòng)態(tài)的、內(nèi)在的眼底血管圖像，且可以看到眼底毛細(xì)血管的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，如毛細(xì)血管擴(kuò)張、毛細(xì)血管閉塞、側(cè)枝管道、動(dòng)靜脈短路和新生血管等。此外，F(xiàn)FA還可以看到眼底血管的功能改變，如血管滲透性增加，在FFA表現(xiàn)為熒光素從血管壁外滲，滲漏的部位與程度也可以在FFA中表現(xiàn)出來(lái)。這都是檢眼鏡與眼底照相不具備的優(yōu)點(diǎn)。

1.5吲哚菁綠脈絡(luò)膜血管造影吲哚菁綠脈絡(luò)膜血管造影(ICGA)提供與FFA相似的數(shù)據(jù)，但I(xiàn)CGA提供可視化眼底血管系統(tǒng)而不僅僅是眼底表面的血管[6]。吲哚菁綠(ICG)的特性與熒光素不同，在最大吸收光譜、最大熒光波長(zhǎng)、與血漿蛋白結(jié)合率方面均高于熒光素，但I(xiàn)CG的熒光效應(yīng)只有熒光素的1/25左右。由于ICG與血漿蛋白結(jié)合率高，故能很快的從肝臟中清除，僅需幾分鐘就可從循環(huán)中消失，故重復(fù)造影可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，由于ICG主要從肝臟排泄，對(duì)于一些腎功能不好的患者可以使用此種造影方法。

1.6光學(xué)相干斷層掃描光學(xué)相干斷層掃描(OCT)利用眼內(nèi)不同組織對(duì)近紅外光反射性的不同，通過(guò)低相干性光干涉測(cè)量?jī)x比較反射光波和參照光波來(lái)測(cè)定反射光波的延遲時(shí)間和反射強(qiáng)度，分析出不同組織的結(jié)構(gòu)和距離，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理成像，并以偽彩或灰度形式顯示組織的斷面結(jié)構(gòu)[7-8]。相對(duì)于眼底血管照相，OCT能反映眼底不同組織血管的病變情況，有其對(duì)區(qū)分神經(jīng)上皮、色素上皮與脈絡(luò)膜，但其對(duì)神經(jīng)上皮層間的結(jié)構(gòu)區(qū)分度不夠。

1.7en-faceOCT冠狀面(分層)OCTen-face OCT是在OCT的基礎(chǔ)的重大發(fā)展，en-face OCT的圖像與視網(wǎng)膜表面平行，因此相對(duì)于OCT上只能看到局部的截面的變化，en-face OCT可以從熟悉的角度清楚的呈現(xiàn)與視網(wǎng)膜平行的大面積且全面的眼底血管三維圖像[9]，en-face圖像的外觀與選定的表面輪廓和計(jì)算en-face圖像強(qiáng)度的厚度范圍都有關(guān)系，因此不能孤立的對(duì)en-face圖像進(jìn)行解讀[10]，而要聯(lián)合顯示受累層的OCT及en-face OCT圖像的深度與厚度[11]。

1.8多普眼底血管成像多普眼底血管成像利用多個(gè)LED光源分別投射入眼底不同深度的組織，利用不同組織吸收光譜的差異，將眼底不同深度的單色谷陽(yáng)反射圖像進(jìn)行采集，從而形成單色光譜圖像。此圖像是以en-face形式顯現(xiàn)，與en-face OCT互補(bǔ)，對(duì)于一部分疾病的檢查可以起到代替血管造影的效果[12]。多光譜成像儀中主要用于眼底血管成像的光譜為黃光(580nm)、琥珀光(590nm)與紅光(620～740nm)。

1.9相干光斷層掃描血管成像相干光斷層掃描血管成像(OCTA)是一種快速、無(wú)創(chuàng)的新型血管成像技術(shù)，不需要注射染料，可實(shí)現(xiàn)眼底血管分層成像，顯示眼底毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)，量化病灶血流面積和指定區(qū)域血流指數(shù)。FFA檢查時(shí)，中央新生血管會(huì)有滲漏，不利于觀察，OCTA可避免此種情況，而且可以看清新生血管的構(gòu)造，且肉眼及眼底照相只能觀察眼底表面血管，OCTA可以觀察到眼底各層面的血管，還可以提取特定的視網(wǎng)膜層來(lái)進(jìn)行血管病變的分層顯示，盡可能不包括周圍組織的屏蔽效應(yīng)。 因此，OCTA對(duì)血管異常更加敏感，并且影像保持更清晰[13]。

1.10眼底炫彩OCT眼底炫彩OCT相較于傳統(tǒng)OCT與OCTA，給予眼底更多的色彩，在直接觀察上更容易發(fā)現(xiàn)一些細(xì)微的病理改變。

1.11眼部超聲當(dāng)屈光間質(zhì)混濁時(shí)，檢眼鏡、眼底血管照相、造影與COT都難以看清眼底血管，超聲可以不受屈光間質(zhì)的影響，是屈光間質(zhì)混濁的必備檢查手段。其操作便捷，對(duì)于眼底血管瘤的診斷意義重大，在超聲下眼底血管瘤邊界清楚，極具特征。

2眼底血管病理改變的提取方法

在眼底血管病理特征提取之前，首先要確定患者有無(wú)用藥或各種情況導(dǎo)致的對(duì)眼底血管產(chǎn)生的干擾影響，排除這些影響后方可對(duì)眼底血管病理特征進(jìn)行觀察、提取、分析。即辨別真病理還是假病理。

目前，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)有一個(gè)完整的圖像采集、存儲(chǔ)、處理、分析和比較功能，眼底圖像是利用眼底照相機(jī)不同角度對(duì)視網(wǎng)膜內(nèi)壁拍攝圖像，并以數(shù)字圖像的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中[14]，醫(yī)生可以使用提供的眼底圖像分析各種疾病。眼底血管提取方法主要有血管跟蹤、像素分類、匹配濾波(matched filter response，MFR)、閾值分割等，但在實(shí)際的應(yīng)用中，通常采用多種方法結(jié)合來(lái)提取眼底圖像中的血管。

2.1眼底血管追蹤法該方法通過(guò)在視網(wǎng)膜視盤處挑選種子點(diǎn)，依照視網(wǎng)膜血管橫截面對(duì)血管的邊緣進(jìn)行追蹤，最終通過(guò)對(duì)所有種子點(diǎn)的分類來(lái)完成血管的提取[15]。此方法將血管看作一條線并利用局部信息去追蹤血管邊緣，可以較為完整的提取出視網(wǎng)膜血管的網(wǎng)絡(luò)。但是種子點(diǎn)的選取對(duì)于該方法的提取性能影響非常大，且對(duì)于細(xì)小血管的分叉點(diǎn)處理效果較差，對(duì)于一些對(duì)比度較低的視網(wǎng)膜圖像，這種提取方法的準(zhǔn)確度不夠。

2.2眼底血管分類器法由于大血管具有較好的對(duì)比度，所以先對(duì)大血管進(jìn)行分割，然后對(duì)剩余圖像中的細(xì)小血管進(jìn)行特征提取，最后將提取出的特征向量整合從而完成分類[16]。該方法避免了對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)分類[17]，降低了提取復(fù)雜度，且能夠取得較高的分割準(zhǔn)確率，但分類器法對(duì)于噪聲十分敏感，可能會(huì)影響到最終的結(jié)果[18]。

2.3眼底血管匹配濾波法視網(wǎng)膜血管的橫截面具有高斯曲線型灰度分布，若將建立好的高斯濾波器模板與視網(wǎng)膜血管圖像進(jìn)行不同方向的匹配濾波[19]，當(dāng)濾波器的尺度與血管的寬度在一定范圍內(nèi)相吻合時(shí)，相應(yīng)寬度的血管就得以增強(qiáng)，產(chǎn)生很大的卷積響應(yīng)[20]，生成的響應(yīng)具有較高的輸出信噪比。但是不論是血管結(jié)構(gòu)還是非血管結(jié)構(gòu)均對(duì)高斯匹配濾波器有很強(qiáng)的響應(yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤分割像素點(diǎn)的出現(xiàn)。

針對(duì)此種提取方法的弊端，多種多尺度匹配濾波方案相繼被提出，旨在利用不同尺度的濾波器對(duì)不同寬度的血管進(jìn)行增強(qiáng)，并在后續(xù)步驟中將其準(zhǔn)確提取。有研究發(fā)現(xiàn)使用Gabor濾波器提取血管的視網(wǎng)膜眼底圖像來(lái)評(píng)估青光眼檢測(cè)，以形態(tài)學(xué)操作和閾值處理來(lái)提取血管，提高了準(zhǔn)確性[21]。

2.4眼底血管閾值分割法眼底圖像在傳輸過(guò)程中極易受到光照等外界環(huán)境的影響，將會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜圖像具有較低的對(duì)比度。而且部分血管存在中央反射現(xiàn)象，會(huì)將兩根相互靠近的血管錯(cuò)誤分割為一根血管，降化了血管分割的準(zhǔn)確度。除此之外視網(wǎng)膜中存在的視神經(jīng)盤、視網(wǎng)膜邊界和病變區(qū)域等復(fù)雜非血管結(jié)構(gòu)，使得視網(wǎng)膜血管的檢測(cè)難度極大[22]。眼底血管閾值分割法[23]是基于圖像的灰度直方圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)的尺度分配和動(dòng)態(tài)的闡值處理。首先將眼底血管分為20個(gè)分區(qū)(分為4行5列區(qū))，并編號(hào)(編號(hào)從上到下，從左到右依次為1～20)，根據(jù)位置的不同將20個(gè)分區(qū)分為三大類，第一類為處于原圖像四角的分區(qū)，編號(hào)為1、4、17、20；第二類為處于原圖像中央的分區(qū)，編號(hào)為6、7、10、11、14、15；第三類為處于原圖像邊緣的子圖像，編號(hào)為2、3、5、8、9、12、13、16、18、19。對(duì)各大類分區(qū)圖像的灰度直方圖進(jìn)行分析，以得到有用的特征性信息，然后對(duì)眼底血管各大類分區(qū)圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)的闊值處理，對(duì)提取到的視網(wǎng)膜血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一系列的后處理操作，完成最終的血管提取。對(duì)各個(gè)分區(qū)圖像的灰度直方圖進(jìn)行分析，判斷出其對(duì)比度高低以及是否含有非血管結(jié)構(gòu)，并依據(jù)此結(jié)果采用不同的閾值對(duì)血管進(jìn)行分割提取[24]。最后將完成分割的各個(gè)子圖像重新拼接起來(lái)，得到完整的視網(wǎng)膜血管網(wǎng)絡(luò)圖。

2.5眼底血管迭代分割法首先通過(guò)全局閾值化血管增強(qiáng)圖像來(lái)提取分割的眼底血管系統(tǒng)[25]，然后通過(guò)對(duì)血管增強(qiáng)圖像中掩蔽的殘留圖像的自適應(yīng)閾值處理來(lái)迭代地識(shí)別新血管像素，新血管像素區(qū)域嵌入到現(xiàn)有血管中，從而導(dǎo)致分段血管結(jié)構(gòu)的迭代增強(qiáng)。隨著迭代的進(jìn)行，與實(shí)際血管像素的數(shù)量相比，被識(shí)別為新血管像素的假邊緣像素的數(shù)量增加。Roychowdhury等[26]采用一種新的停止標(biāo)準(zhǔn)，適時(shí)終止了迭代過(guò)程，從而提高了血管分割的準(zhǔn)確性，其在眼底血管病理改變圖像上的準(zhǔn)確度達(dá)到93.2%～95.35%。

3眼底血管圖像提取后的處理方法

3.1去除噪聲眼底血管的病理圖像常常存在噪聲，這些噪聲會(huì)被錯(cuò)誤的提取出來(lái)，可利用目標(biāo)物體與噪聲點(diǎn)所在區(qū)域的幾何特征差別，消除圖像中的噪聲點(diǎn)[27-28]。

3.2平滑血管邊緣由于眼底血管圖像局部對(duì)比度較低，導(dǎo)致部分與血管相鄰的背景像素點(diǎn)被錯(cuò)誤分割出來(lái)，并附著在血管邊緣形成了毛刺。為了使提取出的血管網(wǎng)絡(luò)具有較好的視覺效果并且盡量減少錯(cuò)誤分割點(diǎn)，常需要平滑血管邊緣。開運(yùn)算可使物體的輪廓得到平滑，可以斷開一些不必要的狹窄連接，還可將物體邊緣附著的毛刺去除[29-30]。

3.3修補(bǔ)眼底血管斷點(diǎn)眼底部分血管的交叉點(diǎn)和分支點(diǎn)會(huì)被當(dāng)作噪聲刪除，使血管的連通性遭到破壞。所以需要對(duì)這些斷點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)，以提高血管網(wǎng)絡(luò)分割的準(zhǔn)確度[31]。

4總結(jié)和展望

目診是通過(guò)觀察眼睛各部位的神、色、形態(tài)變化來(lái)診斷疾病的一種方法，是中醫(yī)望診中的一項(xiàng)重要內(nèi)容?！对瓩C(jī)啟微》曰: “目，竅之一也。光明視見，納山川之大，及毫芒之細(xì)，悉云霄之高，盡泉沙之深?！毖鄣子^察是目診最重要的內(nèi)容，也最能客觀反映機(jī)體的生理病理狀況[32-34]。而眼底診察中最具鮮明特色的就是眼底血管診察，臨床上眼底血管用于多種疾病診斷，如糖尿病視網(wǎng)膜病變[35]。對(duì)眼底血管病理特征提取的意義重大，提取出的眼底血管病理圖像可以更好的保存，對(duì)于一些經(jīng)驗(yàn)性的眼底血管改變能更好的教學(xué)，使初學(xué)者或者年輕醫(yī)師將眼底血管改變與全身性疾病對(duì)應(yīng)起來(lái)，若能在大數(shù)據(jù)、多中心的臨床實(shí)踐中積累足量的眼底血管病理特征圖像，在此基礎(chǔ)上建立眼底血管診斷方法平臺(tái)，此平臺(tái)中包含眼底血管診斷數(shù)據(jù)庫(kù)、各類眼底血管病理改變、眼底血管病理改變與疾病的一一對(duì)應(yīng)聯(lián)系，可將眼底血管診斷發(fā)展為一種新穎的、建立于計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)上的科學(xué)的診斷方法，這對(duì)于各類疾病的診斷、治療有不可估量的巨大作用。且可通過(guò)與大型醫(yī)院眼科數(shù)據(jù)庫(kù)的合作，充分利用眼科所擁有的大量眼部圖片資源，與圖像處理等現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合，借助信息挖掘技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜血管圖像特征點(diǎn)自動(dòng)提取[36]，建立基于形態(tài)學(xué)、基于中心線以及基于海森矩陣的視網(wǎng)膜血管的精確提取方法[37]。探討全身疾病與眼部表現(xiàn)(如眼底顏色、色素多少，血管改變，包括血管管徑、血管彎曲度、微血管瘤、新生血管、視網(wǎng)膜分形維數(shù)等圖像改變，視網(wǎng)膜血氧分析等) 的相關(guān)性，形成一個(gè)如舌診、脈診一樣的有系統(tǒng)理論和臨床支持的研究成果，為疾病預(yù)防和診斷服務(wù)，應(yīng)該具有重要的實(shí)踐價(jià)值和良好的開發(fā)前景，這些的前提都是一種準(zhǔn)確率高的眼底血管圖像提取方法。當(dāng)然，這也將是一個(gè)工作量巨大的系統(tǒng)工程，需要包括計(jì)算機(jī)、中醫(yī)眼科學(xué)、中醫(yī)診斷學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科學(xué)者共同努力。