光學(xué)相干斷層掃描在圓錐角膜中的應(yīng)用進(jìn)展

孫冰清，張曉宇，周行濤

0 引言

圓錐角膜(keratoconus)是一種慢性非炎癥性的角膜局部擴(kuò)張性疾病，以中央或旁中央角膜基質(zhì)變薄、中央頂點(diǎn)呈圓錐形突出變形為特征，嚴(yán)重威脅視力[1]。遺傳因素和環(huán)境因素均參與其發(fā)病過(guò)程，年發(fā)病率高達(dá)1/2000，國(guó)內(nèi)男性發(fā)病率高于女性，發(fā)病年齡高峰為20～30歲；常累及雙側(cè)，兩眼可先后發(fā)病[2]，是我國(guó)致盲的重要原因之一[3]。因此，圓錐角膜的早期診斷和干預(yù)成為我國(guó)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)是一種通過(guò)低相干的干涉測(cè)量技術(shù)顯示眼內(nèi)結(jié)構(gòu)的非接觸式成像方式，于1991年首次用于眼后段的成像[4]。1994年，第一臺(tái)眼前節(jié)OCT(anterior segment OCT,AS-OCT)應(yīng)用于臨床，可以顯示角膜、前房、虹膜、晶狀體等眼前節(jié)段構(gòu)，如今已經(jīng)成為無(wú)創(chuàng)評(píng)估眼前節(jié)的重要成像技術(shù)[4]。OCT可以顯示角膜的上皮層、前彈力層、基質(zhì)層、后彈力層以及角膜表面高反射的淚膜，對(duì)于角膜疾病評(píng)估具有重要作用，因此逐漸應(yīng)用于圓錐角膜的管理。本文描述了圓錐角膜的臨床特點(diǎn)，歸納了光學(xué)相干斷層技術(shù)的分類(lèi)和特點(diǎn)以及在圓錐角膜的診斷、治療和并發(fā)癥處理中的作用，也總結(jié)了其衍生技術(shù)的研究進(jìn)展，為將來(lái)圓錐角膜的管理規(guī)范化提供理論依據(jù)。

1 圓錐角膜的臨床特點(diǎn)

圓錐角膜早期可導(dǎo)致不規(guī)則散光和高度近視，晚期會(huì)出現(xiàn)急性角膜水腫，形成角膜瘢痕，造成永久性的視力損害[1]。目前，圓錐角膜的診斷主要依靠典型的眼部體征和角膜參數(shù)，前者包括Fleischer環(huán)、Vogt條紋、Munson征等，后者主要包括角膜前后表面的曲率和高度值、像差、厚度和生物力學(xué)指標(biāo)等[5]。角膜地形圖是目前診斷圓錐角膜的金標(biāo)準(zhǔn)，以Placido盤(pán)為基礎(chǔ)的角膜地形圖[6]和基于裂隙掃描的地形圖(如Orbscan)[7]可以提供角膜前后表面曲率；采用Scheimpflug相機(jī)的角膜地形圖(如Pentacam)可以對(duì)前后表面進(jìn)行成像，同時(shí)Pentacam系統(tǒng)還提供了用于早期診斷的BAD(Belin/Ambrosio Enhanced Ectasia Display)診斷系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展的ABCD圓錐角膜分級(jí)系統(tǒng)[8]。然而，角膜地形圖的成像效果在眼表情況差以及角膜混濁或瘢痕的患者中具有一定偏差，周邊部角膜成像的可重復(fù)性不如中央部，較長(zhǎng)的圖像采集時(shí)間增加了運(yùn)動(dòng)偽影的風(fēng)險(xiǎn)，并且無(wú)法提供角膜亞層成像[9-10]。圓錐角膜治療方式的選擇取決于其嚴(yán)重程度：輕度可通過(guò)框架眼鏡進(jìn)行視力矯正，中度可配戴角膜接觸鏡，進(jìn)展期患者可通過(guò)角膜交聯(lián)手術(shù)(corneal collagen cross‐linking,CXL)阻止疾病進(jìn)展，而重度病例則需要進(jìn)行角膜移植手術(shù)[5]。

2 OCT技術(shù)的介紹

根據(jù)成像原理，常用的OCT系統(tǒng)可分為時(shí)域OCT(time domain OCT,TD-OCT)和基于傅里葉的頻域OCT(Fourier-domain OCT,FD-OCT)；后者又可根據(jù)光源和檢測(cè)方案分為光譜域OCT(spectral domain OCT,SD-OCT)和掃頻源OCT(swept source OCT,SS-OCT)。TD-OCT通過(guò)機(jī)械移動(dòng)參考鏡獲取樣品各點(diǎn)的深度信息，成像速度較慢，難以形成角膜地形圖；但其掃描光波長(zhǎng)，組織穿透性?xún)?yōu)于FD-OCT[11]。FD-OCT將光譜儀對(duì)眼部進(jìn)行掃描得到的數(shù)據(jù)經(jīng)傅立葉反變換獲得不同深度的OCT圖像；SD-OCT作為第二代OCT技術(shù)，采用寬帶低相干光源，采集速度明顯提升；而最新的SS-OCT則采用快速可調(diào)節(jié)的窄帶激光器，兼具TD-OCT的單點(diǎn)檢測(cè)和SD-OCT的快速成像的優(yōu)點(diǎn)[11]。在臨床應(yīng)用中，F(xiàn)D-OCT由于數(shù)據(jù)采集的速度更快，展示出比Scheimpflug系統(tǒng)更優(yōu)越的重復(fù)性和再現(xiàn)性[12]；SS-OCT掃描光束的穿透力強(qiáng)，可以在混濁的角膜中呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像[10]，并呈現(xiàn)不同深度角膜結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化。

3 OCT技術(shù)在圓錐角膜中的應(yīng)用

3.1OCT技術(shù)在圓錐角膜診斷中的應(yīng)用角膜前表面曲率增加、后表面抬高、厚度及厚度分布異常是圓錐角膜的典型特征，其中厚度測(cè)量在圓錐角膜診斷中的重要性日漸提高[1]。FD-OCT因其更快的掃描采集速度和更高的軸向分辨率，使其在角膜厚度檢測(cè)方面更有優(yōu)勢(shì)。Li等[13]確定了5個(gè)OCT的角膜厚度參數(shù)(最小厚度值、最小與中間值角膜厚度差、下方和上方平均厚度的差值、顳下部和鼻上部平均厚度的差值、最薄點(diǎn)的垂直位置)，在圓錐角膜的診斷中具有高度的靈敏度和特異度。

OCT對(duì)于角膜亞層的成像分析有助于圓錐角膜的早期診斷。圓錐頂端的角膜上皮會(huì)在早期進(jìn)行重塑變薄，以彌補(bǔ)基質(zhì)層變薄變陡引起的角膜前表面不規(guī)則[14]；FD-OCT可以檢測(cè)到圓錐頂部上皮變薄呈現(xiàn)“甜甜圈樣”改變，整體上皮厚度減少，以及最小和最大上皮厚度間差值增大[14]。FD-OCT還可區(qū)分早期圓錐角膜和配戴隱形眼鏡所導(dǎo)致的角膜翹曲，兩者最大角膜屈光力的位置分別和最小上皮厚度和最大上皮厚度位置相對(duì)應(yīng)[15]。此外，圓錐角膜患者的前彈力層存在橫向膠原纖維的選擇性喪失[16]，F(xiàn)D-OCT可顯示前彈力層“飛蛾樣(moth-like)”的形態(tài)改變[17]、厚度變薄及光散射增加[18]。

角膜厚度的變化可用于監(jiān)測(cè)圓錐角膜的進(jìn)展[1]，SD-OCT所測(cè)得的角膜下方旁中央?yún)^(qū)的上皮厚度變化對(duì)于疾病進(jìn)展的評(píng)價(jià)更為敏感[19]。Sandali等[20]運(yùn)用FD-OCT制定了基于角膜結(jié)構(gòu)的圓錐角膜五期分類(lèi)法，并證實(shí)具有高度的可重復(fù)性。

3.2OCT技術(shù)在角膜水腫中的應(yīng)用重度圓錐角膜會(huì)導(dǎo)致后彈力層破裂，使得房水流入角膜基質(zhì)和上皮，誘發(fā)角膜水腫；通常角膜水腫會(huì)在3mo內(nèi)自行消退，但嚴(yán)重者則需要角膜縫合或前房?jī)?nèi)氣體注射進(jìn)行干預(yù)；水腫消退后會(huì)殘留角膜瘢痕并形成新生血管，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌性角膜炎、假性囊腫形成以及角膜穿孔[21]。OCT可用于評(píng)估急性角膜水腫的形態(tài)，典型的圖形為后彈力層破裂脫離，基質(zhì)層水腫增厚，房水滲入其中形成的大裂隙，并與前房溝通形成上皮下積液[22]；裂隙周?chē)幕|(zhì)層菲薄，易發(fā)生角膜穿孔[22]。后彈力層的破裂程度和脫離深度決定了角膜水腫的消退時(shí)間[23]；OCT也可顯示角膜瘢痕，提示愈合情況[21]。Fuentes等[24]發(fā)現(xiàn)OCT所識(shí)別的以下解剖特征與圓錐角膜發(fā)生角膜水腫的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，包括上皮的增厚、基質(zhì)層變薄、瘢痕的缺失以及前彈力層前部的高反射。AS-OCT也可引導(dǎo)角膜水腫的手術(shù)治療：OCT可用于監(jiān)測(cè)前房?jī)?nèi)氣體注射后的眼內(nèi)氣泡和后彈力層的修復(fù)情況；Siebelmann等[25]報(bào)道了在后彈力層小型缺損的急性角膜水腫中利用顯微鏡聯(lián)合OCT術(shù)中引導(dǎo)基質(zhì)微穿刺聯(lián)合加壓縫合和氣體注射；Alio等[26]報(bào)道了在唐氏綜合征患者中應(yīng)用OCT引導(dǎo)前房?jī)?nèi)注射富血小板血漿成功治療重度圓錐角膜所致角膜水腫。

3.3OCT技術(shù)在圓錐角膜治療中的應(yīng)用

3.3.1隱形眼鏡的驗(yàn)配對(duì)于中重度的圓錐角膜患者而言，由于前表面極不規(guī)則，傳統(tǒng)的框架鏡和軟性隱形眼鏡無(wú)法滿足視力矯正的需求，配戴硬性隱形眼鏡則是提高視力最適用的方法，其中最常用的是硬性透氣性角膜接觸鏡(rigid gas permeable contact lens,RGPCL)和鞏膜鏡(scleral lens,SL)。

RGPCL的驗(yàn)配通常使用“三點(diǎn)接觸法”，即鏡片中央部和錐體頂點(diǎn)之間有輕微的接觸，旁中央部貼在錐體的周邊，外周部輕度翹曲以保證鏡下適當(dāng)?shù)臏I液交換并獲得最佳的鏡片貼合度[27]。臨床常用Orbscan Ⅱ等角膜地形圖進(jìn)行RGPCL的驗(yàn)配，但近年來(lái)發(fā)現(xiàn)OCT應(yīng)用于RGPCL的驗(yàn)配具有額外的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟艽_定上皮、基質(zhì)和淚液鏡的厚度[27]。由于CXL術(shù)后RGPCL對(duì)角膜的壓力將壓縮基質(zhì)層從而降低角膜曲率，因此OCT對(duì)于上皮和基質(zhì)厚度的測(cè)量有利于CXL術(shù)后RGPCL的驗(yàn)配和病情的管理[27]。此外，Elbendary等[28]使用SD-OCT評(píng)估淚液鏡的厚度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中心厚度接近35μm，外周厚度接近100μm時(shí)，鏡片的貼合度理想。

鞏膜鏡是一種大直徑的硬性角膜接觸鏡，其外周覆蓋于鞏膜，不與角膜和角鞏膜緣相接觸，可在角膜前表面形成液態(tài)穹窿，常用于重度圓錐角膜的視力矯正[29]。OCT對(duì)于鞏膜曲率和矢狀高度、角鞏膜夾角、角鞏膜緣和鞏膜著陸區(qū)形態(tài)的測(cè)量可指導(dǎo)鞏膜鏡試戴片的選擇[29]。OCT也可直接測(cè)量淚液鏡的厚度及其隨配戴時(shí)間的變化，以及著陸區(qū)鞏膜的凹陷情況[29]，以評(píng)價(jià)鞏膜鏡的適配性。理想的淚液鏡中央厚度為100～300μm[30]，過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致角膜上皮的損傷，過(guò)厚則易導(dǎo)致角膜的缺氧水腫。OCT可以在不脫去鞏膜鏡的情況下評(píng)價(jià)角膜水腫程度，避免角膜暴露于空氣后的迅速消腫[31]。由于鞏膜鏡的厚度會(huì)影響角膜和空氣的氧氣交換，Vincent等[32]應(yīng)用OCT精確測(cè)量鞏膜鏡厚度的分布，以真實(shí)評(píng)估鞏膜鏡的整體透氣性。OCT還可以顯示鞏膜鏡片下代謝物聚積引起的起霧(midday fogging)，指導(dǎo)患者1d中摘除、沖洗并重新配戴鞏膜鏡的頻率，從而降低起霧對(duì)視力和對(duì)比敏感度的影響[33]。眼瞼的壓力及鞏膜的高度不對(duì)稱(chēng)通常會(huì)使預(yù)制的鞏膜鏡中心向顳下偏移，從而引起高階像差，而OCT可量化這一偏移并指導(dǎo)糾正[29]。

3.3.2CXL CXL通過(guò)將角膜浸泡于維生素B2(核黃素)，然后暴露于370nm的紫外線下照射，使角膜組織發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而提高其生物力學(xué)強(qiáng)度，以減緩或阻止圓錐角膜進(jìn)展[34]。目前已衍生出多種CXL的手術(shù)方案。

在CXL術(shù)后，OCT中最明顯的特征是基質(zhì)層內(nèi)出現(xiàn)分界線，檢測(cè)的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)于基于Scheimpflug的角膜地形圖[34]?；|(zhì)分界線通常于術(shù)后1mo清晰可見(jiàn)，3mo后消失，有時(shí)會(huì)被深層基質(zhì)中微弱的不規(guī)則高反射線所取代[34]。目前普遍認(rèn)為它代表交聯(lián)和未交聯(lián)的角膜基質(zhì)交界，其深度與治療效果密切相關(guān)，因此可比較不同交聯(lián)方案的效果差異[35]。OCT所能顯示到的其他基質(zhì)層變化包括治療的基質(zhì)的反射率增加以及出現(xiàn)較弱的次級(jí)基質(zhì)分界線，前者與共聚焦顯微鏡觀察到的細(xì)胞外基質(zhì)反射率增加和角質(zhì)細(xì)胞增生有關(guān)[36]，后者與治療深度的差異以及照射時(shí)角膜厚度的波動(dòng)有關(guān)[37]。CXL術(shù)后OCT也能顯示角膜上皮的重塑，主要表現(xiàn)為整體的厚度分布更規(guī)則，不僅提示手術(shù)療效，也可解釋術(shù)后角膜曲率和厚度發(fā)生的變化[38]。

3.3.3角膜基質(zhì)環(huán)植入術(shù)角膜基質(zhì)環(huán)(intrastromal corneal ring segments,ICRS)植入術(shù)通過(guò)向角膜基質(zhì)中植入基質(zhì)環(huán)，使角膜中央扁平化，弧長(zhǎng)縮短，角膜曲率半徑增大，降低屈光力，從而改善輕中度圓錐角膜所致的近視與散光[39]。目前我國(guó)尚未批準(zhǔn)ICRS的臨床應(yīng)用。ICRS放置過(guò)淺易引起的前部基質(zhì)壓迫、前彈力層穿孔和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向角膜上皮擴(kuò)散受限；放置過(guò)深則易導(dǎo)致的后彈力層穿孔和急性角膜水腫[39]。OCT通過(guò)在術(shù)前評(píng)估角膜基質(zhì)的厚度[21]，以及在術(shù)中評(píng)估開(kāi)通隧道的深度，以指導(dǎo)ICRS的植入位置，確保手術(shù)的安全性和可預(yù)測(cè)性[40-41]。ICRS的術(shù)后移位會(huì)導(dǎo)致屈光的改變，是較為常見(jiàn)的并發(fā)癥；OCT用于監(jiān)測(cè)ICRS的移位，預(yù)測(cè)并發(fā)癥的發(fā)生[21]。

3.3.4角膜移植對(duì)于產(chǎn)生角膜瘢痕以及有角膜水腫風(fēng)險(xiǎn)的晚期圓錐角膜患者而言，角膜移植是恢復(fù)視力的唯一方法，常用的術(shù)式為前部深板層角膜移植術(shù)(deep anterior lamellar keratoplasty,DALK)以及穿透性角膜移植術(shù)(penetrating keratoplasty,PKP)[42]。前者保留受體的后彈力層和內(nèi)皮層，將基質(zhì)層替換為供體來(lái)源，因而能降低內(nèi)皮排斥的風(fēng)險(xiǎn)，但是需要將受體基質(zhì)層完全去除，暴露光滑的后彈力層，否則會(huì)影響視覺(jué)效果；而后者則以供體角膜替代病變角膜全層，適用于全層角膜瘢痕者，但是排斥反應(yīng)概率較高，晚期可能發(fā)生供體內(nèi)皮細(xì)胞的進(jìn)行性丟失[42]。

在術(shù)前，OCT對(duì)混濁角膜的精確成像可指導(dǎo)術(shù)式的選擇：若發(fā)現(xiàn)角膜全層瘢痕，則應(yīng)該選擇PKP；若發(fā)現(xiàn)角膜后部存在瘢痕，則不應(yīng)使用大氣泡法輔助DALK，因?yàn)闀?huì)影響大氣泡的形成[43]。此外，OCT還可用于評(píng)估供體角膜的厚度、內(nèi)皮細(xì)胞密度、表面規(guī)則性、角膜混濁與否及其位置，以判斷是否適合作為移植供體[44]。在術(shù)中，OCT可指導(dǎo)手工分離或大氣泡輔助的DALK鉆環(huán)到達(dá)盡可能深的位置，使受體的基質(zhì)層完全剝離，以取得更好的視覺(jué)效果[45-46]。在術(shù)后，OCT可評(píng)估角膜的厚度、混濁情況和光密度分布[47]，以評(píng)價(jià)角膜移植的效果；OCT也可顯示移植物-宿主界面貼壁不良的情況，并且識(shí)別晚期自發(fā)性后彈力層脫離導(dǎo)致的雙前房[21]。

4 討論與展望

雖然OCT提供的前節(jié)參數(shù)在圓錐角膜的診療中具有重要意義，但是目前OCT還存在以下局限性：OCT所獲得的參數(shù)有限，難以單獨(dú)憑此診斷圓錐角膜；OCT和角膜地形圖結(jié)果的一致性仍需進(jìn)一步探究，不少研究表明兩者在圓錐角膜中不可交換使用[48-49]；淚膜厚度的變化、揉眼或配戴硬性角膜接觸鏡等因素，都易使得OCT測(cè)得的上皮厚度數(shù)值發(fā)生波動(dòng)[14]；當(dāng)圓錐角膜患者發(fā)生前彈力層破裂時(shí)，上皮層和前彈力層之間的邊界將模糊不清，無(wú)法進(jìn)行亞層成像[14]。

而隨著技術(shù)的革新，OCT的衍生技術(shù)進(jìn)一步拓寬了其在圓錐角膜中的應(yīng)用場(chǎng)景。光學(xué)相干彈性成像技術(shù)(optical coherence elastography,OCE)主要由激發(fā)裝置和OCT探測(cè)系統(tǒng)組成，通過(guò)檢測(cè)外力作用造成的角膜組織細(xì)微位移并進(jìn)行生物組織力學(xué)性能的重構(gòu)，以獲得角膜生物力學(xué)信息[50]。相較于傳統(tǒng)的OCT技術(shù)，OCE可實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量；同時(shí)可采用多種激發(fā)方式，如氣體脈沖激發(fā)、聲輻射力、生物體自身產(chǎn)生的激發(fā)(如心跳)等，拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景；多種生物力學(xué)重構(gòu)方法的拓展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于角膜各方向上彈性梯度的測(cè)量和量化[50]。De Stefano等[50]首次報(bào)道利用OCE測(cè)量圓錐角膜患者基質(zhì)特性隨深度的變化，證實(shí)了在疾病早期即可出現(xiàn)前部基質(zhì)的硬度弱于后部，而正常角膜的前后部基質(zhì)層的剛度相同。這不僅為圓錐角膜診斷提供了新的生物標(biāo)志，也提示圓錐角膜后表面抬高和局部變薄可能是由于眼內(nèi)壓對(duì)后部角膜向外的作用力導(dǎo)致后部基質(zhì)層的異常壓縮，并繼發(fā)后表面的抬高。在離體的水腫角膜中，OCE證明了角膜的機(jī)械性能改變，尤其是橫向的抗阻能力下降[51]。心跳激發(fā)的光學(xué)相干彈性成像(HB-OCE)和氣體脈沖激發(fā)加載的OCE都已經(jīng)被報(bào)道用于活體角膜CXL術(shù)后的生物力學(xué)檢測(cè)，可以識(shí)別交聯(lián)和未處理角膜之間的硬度差異[52-53]。

光學(xué)相干斷層掃描血管造影(optical coherence tomography angiography,OCTA)通過(guò)相位或反射率的變化來(lái)檢測(cè)血液流動(dòng)，提供血管的透視成像以及位置信息[54]，已廣泛使用于眼底檢測(cè)；近年來(lái)隨著其掃描速度的提高、特定跟蹤系統(tǒng)和前段透鏡適配器的使用以及成像算法的改進(jìn)，其應(yīng)用拓展至了眼前節(jié)疾病。OCTA可以顯示鞏膜鏡配戴后著陸區(qū)結(jié)膜血管的密度和受壓程度，提示隱性缺氧和適配情況[55-56]。OCTA也可精準(zhǔn)定位角膜移植術(shù)后角膜新生血管的位置和深度，評(píng)估角膜移植免疫排異的情況[54]。

偏振敏感光學(xué)相干斷層掃描(polarization-sensitive optical coherence tomography,PS-OCT)不僅分析后向散射或反射光的強(qiáng)度，還檢測(cè)其偏振狀態(tài)，提高了雙折射組織中的圖像對(duì)比度，同時(shí)定量測(cè)量樣品的偏振特性[57]。角膜基質(zhì)由200～250層的平行膠原纖維組成，因此具有光學(xué)雙折射的特性；PS-OCT可以敏感地檢測(cè)出圓錐角膜早期基質(zhì)膠原纖維破壞而發(fā)生的相位延遲[57]。PS-OCT也可在體外識(shí)別出CXL術(shù)后基質(zhì)的超散射和隨深度變化緩慢的相位延遲[58]。

5 小結(jié)

綜上所述，OCT的角膜亞層成像能力以及優(yōu)越的可重復(fù)性、分辨率和采集速度，使其成為圓錐角膜診療中不可或缺的技術(shù)；同時(shí)，隨著分辨率的提高和更先進(jìn)的成像技術(shù)的誕生，不僅拓寬了OCT在圓錐角膜中的臨床應(yīng)用前景，還同時(shí)提供角膜形態(tài)學(xué)和生物學(xué)的參數(shù)，有望闡明圓錐角膜的發(fā)病機(jī)制。進(jìn)一步規(guī)范OCT在圓錐角膜診療體系中的應(yīng)用，建立OCT與金標(biāo)準(zhǔn)角膜地形圖的校正轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，并完善基于OCT參數(shù)的診療和隨訪體系，有望為圓錐角膜的早期診斷和及時(shí)干預(yù)帶來(lái)革新性的改變。