利用光學(xué)相干層析血管造影成像對老年性黃斑病變血管密度量化研究

秦 嘉

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院 廣東 佛山 528225）

1 引言

在人體血液微循環(huán)系統(tǒng)中，微小動靜脈之間的血液循環(huán)是基層的結(jié)構(gòu)和功能單元。當(dāng)微循環(huán)的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化（損傷甚至病變），人體相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)或者位置也會發(fā)生變化或產(chǎn)生一定的反應(yīng)。因此，通過觀察人體組織微循環(huán)變化，可以為臨床疾病早期診斷以及預(yù)防提供相關(guān)依據(jù)。

增齡性黃斑變性（Age-related macular degeneration，簡稱AMD）是年齡大于50歲的老年人中第一大致盲眼病。據(jù)《2018-2024年中國黃斑眼病治療行業(yè)市場運營模式分析及發(fā)展趨勢預(yù)測研究報告》數(shù)據(jù)顯示，中國目前60歲以上人口超過2.3億，AMD患病率高達(dá)13.36%，按照比例計算，AMD患者約3073萬人。當(dāng)萎縮累及眼睛中心視覺時，脈絡(luò)膜新生微血管生成或地圖樣萎縮（Geographic Atrophy, GA）是導(dǎo)致患者視力逐漸喪失的主要原因[1]。AMD早晚期都具有脈絡(luò)膜血流缺失的特性[2]，因而有理論認(rèn)為脈絡(luò)膜微血管異常在AMD中起重要作用，因此觀測和分析眼底微血管，尤其是脈絡(luò)膜微血管將有助于理解AMD的發(fā)生發(fā)展，對了解AMD初始病因有巨大幫助，但傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)臨床成像方式，如熒光素與吲哚菁綠血管造影、眼底自體熒光缺乏可表征眼底微血管尤其是脈絡(luò)膜血管早期改變所需的分辨率，且有毒副作用。此外，傳統(tǒng)的橫斷面光學(xué)相干層析成像（OCT）結(jié)構(gòu)成像不具備血管造影功能。

OCT血管造影（OCT Angiography, OCTA）可對視網(wǎng)膜及脈絡(luò)膜血管進(jìn)行無創(chuàng)、功能性成像[3-5]，且已用于干性AMD患者血管改變的可視化[3]。其中，譜域光學(xué)相干層析成像技術(shù)（SD-OCT）起源于1995年提出的光譜干涉儀[6]，是醫(yī)學(xué)上非常有發(fā)展前景的成像方式，具有高分辨率、實時性、非接觸性、掃描速度快、成像速度快等優(yōu)點，可實現(xiàn)對生物醫(yī)學(xué)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行層析成像，清晰地呈現(xiàn)各深層組織的結(jié)構(gòu)信息與血管血流信息。

病變區(qū)域的體積、血管密度、血管曲度等方面是判斷病變程度的重要標(biāo)準(zhǔn)，使用快捷有效的處理圖像方法實現(xiàn)病變區(qū)域的定量測量是必不可少的。Image J，是一種快捷、有效及方便的處理圖像的軟件，是由美國國家心理健康研究所開發(fā)的免費的科學(xué)圖像分析工具，可在選定區(qū)域內(nèi)計算和分析對象的一系列幾何特征，廣泛用于生物學(xué)研究領(lǐng)域，可以顯示，編輯，分析，處理圖像，分析圖像的相關(guān)長度，區(qū)域面積等等[7]。

本文利用SD-OCT系統(tǒng)獲取不同類型的眼科患者的視網(wǎng)膜血管造影圖像，然后采用Image J圖像處理軟件對圖像進(jìn)行處理，獲取病變區(qū)域的血管參數(shù)信息，初步探究病變區(qū)域OCT圖像的定量分析的可行性；并利用SD-OCT獲取脈絡(luò)膜圖像，定性分析脈絡(luò)膜血管變化與黃斑病變的關(guān)聯(lián)性。

2 基本原理和實驗

2.1 實驗系統(tǒng)基本原理

SD-OCT系統(tǒng)是由5個部分組成的，如圖1所示，分別是低相干寬帶光源、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、以及光譜儀。參考臂是由準(zhǔn)直透鏡和反射鏡組成，樣品臂由物鏡、準(zhǔn)直透鏡和振鏡組成，光譜儀由衍射光柵、透鏡、陣列CCD等組成，是SD-OCT系統(tǒng)的核心。寬帶光源的出射光進(jìn)入22光纖耦合器后以50/50分光比分束后分別進(jìn)入有反射鏡的參考臂和具有待測樣品的樣品臂，產(chǎn)生的參考光與樣品信號光經(jīng)耦合后產(chǎn)生干涉信號，信號經(jīng)光柵分光并聚焦在陣列CCD，由陣列CCD采集經(jīng)采集卡輸入計算機。先由采集的干涉光譜信號經(jīng)快速傅里葉變換獲得深度信息，再經(jīng)掃描振鏡掃描后獲得二維、三維層析圖像。

如公式（2-1）所示，若樣品具有多層結(jié)構(gòu)，在理想狀態(tài)下，樣品反射光等于不同深度反射光之和，代表樣品深度處的后向散射幅度，則樣品反射光信號強度為[8-9]：

2.2 受試對象

受試對象分別為一位正常人、一位AMD-GA患者和一位潛在患有GA的老年人。

2.3 實驗裝置與方法

采用SD-OCTA系統(tǒng)（PLEX Elite 9000；Carl Zeiss Meditec公司）進(jìn)行血管造影圖像采集，其中心波長為1060nm，掃描速度為100000線/秒。該系統(tǒng)軸向與橫向分辨率在組織中為～5μm，在視網(wǎng)膜表面為～14μm。本研究所采用掃描模式為6mm×6mm視場，該視場包括慢軸上500個B掃描位置，各B掃描包括500個A掃描（快軸）。于各B掃描位置重復(fù)掃描兩次，進(jìn)行血流提取[10]，獲得血管造影圖像。其掃描深度為3mm。

2.4 圖像處理

使用Image J打開血管造影圖片，然后將圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖（Image/Type/8-bit）；再調(diào)整圖片的對比度（Image/Adjust/Brightness/Contrast）；然后對圖片進(jìn)行閾值處理，將圖片轉(zhuǎn)換成二值圖；可以采用自動閾值（Process/Binary/Make Binary），也可以使用手動閾值（Image/Adjust/Threshold）的方法。在本文中，我們通過使用均值閾值算法實現(xiàn)圖像的二值化處理[11]。然后計算二維投影圖里的血管面積密度，即血管所占的面積占整體選取面積的百分比。

3 分析與討論

3.1 人眼視網(wǎng)膜血管造影圖分析

獲取的視網(wǎng)膜血管造影圖像如圖2所示，AMD-GA患者（圖2(b)-2，2(b)-3）與正常人的表層、深層視網(wǎng)膜血管造影圖（圖2(a)-2，2(a)-3）之間的對比，可初步體現(xiàn)AMD-GA患者圖方框區(qū)域處血管顯示對比正常人的圖有明顯的差異，AMD-GA患者的血管直觀顯示比正常人圖少。血管區(qū)域明顯在畫框處血管較少（甚至沒有），畫框區(qū)域為黃斑病變區(qū)域。

在另外一位潛在患有GA的老年人的視網(wǎng)膜血管造影表層圖（圖2(c)-2）和視網(wǎng)膜血管造影深層圖（圖2(c)-3）中，老年人的視網(wǎng)膜血管造影深層圖對比正常人血管數(shù)量上有所減少，不排除是血管有所退化的原因以及有患病風(fēng)險。由于患者是個80歲的老人，存在著GA患病風(fēng)險和可能性，需要進(jìn)一步的觀察與確診。

3.2 人眼視網(wǎng)膜血管造影閾值圖分析

利用Image J軟件對圖2中視網(wǎng)膜血管造影圖像進(jìn)行處理后的閾值圖如圖3所示，讀取對應(yīng)的血管密度信息結(jié)果如表2所示。

表2 人眼視網(wǎng)膜血管造影閾值圖像血管密度分析結(jié)果

AMD-GA患者與正常人的表層、深層視網(wǎng)膜血管閾值圖之間的對比（圖3(b)-1，3(b)-2 V.S.圖3(a)-1，3(a)-2），可以定性地看出方框處的檢測區(qū)域處的（為病變區(qū)域①，病變區(qū)域②）血管量明顯少于正常人的檢測區(qū)域圖，而且病變區(qū)域①比病變區(qū)域②血管量減少的要多。

在潛在患有GA的老年人的視網(wǎng)膜表層血管閾值圖（圖3(c)-1）和視網(wǎng)膜深層血管閾值圖（圖3(c)-2）中，在對應(yīng)的陰影區(qū)域（畫框區(qū)域）里血管量有所減少，因此初步判定有一定量的血管退化；視網(wǎng)膜深層血管閾值圖相對于正常人視網(wǎng)膜深層血管閾值圖，在血管退化方面較為明顯。

血管密度結(jié)果（表2）中，AMD-GA患者視網(wǎng)膜表層血管密度53.628%，正常視網(wǎng)膜表層血管密度58.579%，AMD-GA患者視網(wǎng)膜深層血管密度48.605%，正常視網(wǎng)膜深層血管密度52.374%。AMD-GA患者的視網(wǎng)膜血管密度在檢測區(qū)域明顯比正常人的血管密度少，明顯具有血管退化的病變狀況。潛在患有GA的老年人的視網(wǎng)膜表層和深層血管密度與正常人相比，有輕微的差異（56.102%對比58.579%；51.859%對比52.374%表征了血管有輕微退化；雖然沒有明顯的病變區(qū)域，但是存在患病風(fēng)險（脈絡(luò)膜毛細(xì)血管圖存在血管缺失區(qū)域），需要定期進(jìn)行檢查，以及做好預(yù)防措施。

圖4為不同類型受試者的視網(wǎng)膜血管密度對比圖。不難看出，無論視網(wǎng)膜表層還是深層，AMD-GA患者的視網(wǎng)膜表層和深層血管密度都低于潛在患有GA的老人和正常人。其中，和正常人比無論是表層還是深層視網(wǎng)膜血管密度都有差距顯著。潛在患有GA的老年人眼和正常人眼相比，視網(wǎng)膜深層血管和表層血管有輕微的缺失。

3.3 AMD-GA患者視網(wǎng)膜血管造影閾值圖血管密度分析

使用Image J軟件處理AMD-GA患者視網(wǎng)膜表層閾值圖，計算病變區(qū)域和正常區(qū)域的血管密度（根據(jù)圖3(b)），結(jié)果如表3所示。

表3 AMD-GA患者血管密度分析

病變區(qū)域①的血管密度13.989%，而病變區(qū)域②的血管密度38.901%，可以在AMD-GA患者表層閾值圖（圖3(b)-1）以及AMD-GA患者深層閾值圖（圖3(b)-2）看出，病變區(qū)域①相比病變區(qū)域②血管密度明顯少。正常區(qū)域?qū)Ρ炔∽儏^(qū)域的血管密度差別更加明顯，正常區(qū)域的血管密度的均值60.412%，是病變區(qū)域①的4.3倍，是病變區(qū)域②的1.55倍。視網(wǎng)膜血管密度的變化隨病變程度的變化而變化。

3.4 人眼脈絡(luò)膜血管造影圖像分析

利用SD-OCT獲取的脈絡(luò)膜血管造影圖如圖5所示。上述視網(wǎng)膜血管密度進(jìn)行定量分析后，通過對比AMD-GA患者的脈絡(luò)膜毛細(xì)血管圖（圖5(b)-1）、深層脈絡(luò)膜血管圖（圖5(b)-2），潛在患有GA的老年人的脈絡(luò)膜毛細(xì)血管圖（圖5(c)-1）、深層脈絡(luò)膜血管圖（圖5(c)-2）與正常人的脈絡(luò)膜毛細(xì)血管圖（圖5(a)-1）、深層脈絡(luò)膜血管圖（圖5(a)-2），明顯看出，比起視網(wǎng)膜層的OCTA圖，脈絡(luò)膜毛細(xì)血管OCTA圖更能體現(xiàn)出AMD-GA患者的眼睛與正常人眼的差異性。潛在患有GA的老年人的脈絡(luò)膜毛細(xì)血管層較正常人眼也在局部區(qū)域有明顯的變化。

這也初步驗證了脈絡(luò)膜微血管異常在AMD-GA中起重要作用的理論推測，說明利用SD-OCT可以用于追蹤觀察AMD-GA患者脈絡(luò)膜血管異常，通過長期的追蹤觀察，以進(jìn)一步探究其發(fā)病機理。

4 結(jié)論

通過上述對黃斑病變患者眼底OCTA圖和潛在患者眼底OCTA圖，對比正常人眼圖的圖像處理，定量評估出了病變區(qū)域的血管密度遠(yuǎn)低于正常區(qū)域的血管密度。黃斑病變患者的血管密度與正常人的血管密度差距明顯，不同的分層結(jié)構(gòu)血管密度不同。而且病變區(qū)域的病變程度不同，血管密度的差異不同。在有疑似病變的早期，也可以從視網(wǎng)膜血管密度看出微小變化。進(jìn)一步地，本研究還發(fā)現(xiàn)了AMD-GA患者的脈絡(luò)膜微血管較正常人具有明顯異常，脈絡(luò)膜毛細(xì)血管局部退化嚴(yán)重，在病變區(qū)呈現(xiàn)出脈絡(luò)膜大血管層。并且，在早期，疑似GA患者的脈絡(luò)膜毛細(xì)血管病變也顯現(xiàn)出較正常人的明顯退化，這對早期診斷出GA、及早進(jìn)行脈絡(luò)膜毛細(xì)血管的針對性治療、探究AMD的發(fā)病機理具有重要啟示。上述一系列結(jié)果可以協(xié)助醫(yī)生對GA疾病的初步診斷、治療以及病因病理的揭示提供重要的參考依據(jù)。