虹膜成像的研究進(jìn)展

沈錦琰 陳萱 龔學(xué)春 黃晴予 武志峰

虹膜在前房生理學(xué)中具有多種作用,包括調(diào)節(jié)瞳孔大小和進(jìn)入眼內(nèi)光線的數(shù)量、改變房水流量以及平衡前房免疫系統(tǒng)。病理條件下虹膜形態(tài)的變化可以提供診斷依據(jù),此外,虹膜結(jié)構(gòu)與動態(tài)特征與閉角型青光眼發(fā)病機制相關(guān)。然而相對于虹膜結(jié)構(gòu)的重要性,其形態(tài)學(xué)研究卻很少。近來,前節(jié)相干光層析成像術(shù)(anterior segment optical coherence tomography,AS-OCT)的出現(xiàn)提供了非接觸式、快速成像眼部結(jié)構(gòu)的方法,已成為評估眼前節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)[1],在評估虹膜形態(tài)變化方面也取得了長足的進(jìn)步[2]。在過去幾十年里,人們提出了不同的成像方法來研究虹膜血管,其中熒光素血管造影(fluorescein angiography,FA)和吲哚青綠血管造影(indocyanine green angiography,ICGA)是客觀評估虹膜血管的傳統(tǒng)方法,但存在風(fēng)險。相干光層析血管成像術(shù)(optical coherence tomography angiography,OCTA)是一種專門為眼后段開發(fā)的新興成像技術(shù),可以在不使用任何靜脈染料的情況下快速捕獲眼內(nèi)血管圖像,隨著其進(jìn)一步發(fā)展,目前已應(yīng)用于前節(jié)[3],多位研究者探索了OCTA在健康眼和病理條件下虹膜成像的可行性[1,4]。然而,由于現(xiàn)有的OCTA缺乏前節(jié)專用的眼部跟蹤系統(tǒng)與完善的圖像處理軟件,仍存在運動偽影與分割誤差等局限性,我們期待通過內(nèi)部軟件的不斷優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)更好的虹膜自動分割,探索新的OCTA指標(biāo)為臨床評估提供實用價值。本文簡要概述了虹膜結(jié)構(gòu)的特點,總結(jié)了現(xiàn)有成像技術(shù)的應(yīng)用和局限性,其中重點討論了OCT和OCTA技術(shù)在虹膜成像中的優(yōu)缺點和未來發(fā)展方向。

一、虹膜解剖組織學(xué)

掌握虹膜解剖組織學(xué)及其血管系統(tǒng)的特點,對于準(zhǔn)確評估虹膜圖像至關(guān)重要。虹膜位于角膜和晶狀體之間,將眼睛分隔成前房和后房。距瞳孔緣1.5 mm處有一環(huán)形鋸齒狀隆起,即瞳孔領(lǐng),它是虹膜最厚的區(qū)域同時也是虹膜小環(huán)所在之處,其將虹膜劃分為兩個區(qū)域:瞳孔區(qū)為靠近瞳孔邊界的內(nèi)部區(qū)域;睫狀區(qū)為延伸至睫狀體的外部區(qū)域。虹膜前表面有許多深淺、大小、形狀不等的凹陷隱窩和放射狀血管形成的皺褶也稱為虹膜紋理。由于虹膜的黑色素細(xì)胞和膠原纖維數(shù)量因人而異,因此不同種族人群會表現(xiàn)出不同的虹膜表面特征,例如白種人群中更常見Wolfflin結(jié)節(jié)、唐氏綜合征患者可見刷樣斑點[5]。

虹膜的組織結(jié)構(gòu)由前表面、基質(zhì)、括約肌、開大肌和前后兩層虹膜色素上皮構(gòu)成。括約肌以同心圓的方式環(huán)繞瞳孔分布,它由一層薄薄的結(jié)締組織與虹膜前表面相連,其收縮導(dǎo)致瞳孔縮小;開大肌從瞳孔緣到虹膜根部呈放射狀排列,其收縮會增加瞳孔直徑。后色素上皮層的細(xì)胞含有大量黑色素顆粒,并向前延伸使瞳孔領(lǐng)鑲有一窄黑色環(huán)。但虹膜的顏色主要取決于基質(zhì)中色素細(xì)胞的數(shù)量,因為后色素上皮層中的色素是相對恒定的。

虹膜主要是由睫狀后長動脈和睫狀前動脈的分支供應(yīng),它們在虹膜根部吻合,形成一個連續(xù)的血管環(huán),稱虹膜動脈大環(huán)。位于虹膜基質(zhì)層內(nèi)的許多動脈細(xì)支從虹膜動脈大環(huán)發(fā)出,經(jīng)睫狀區(qū)呈放射狀到達(dá)瞳孔緣,在瞳孔領(lǐng)處發(fā)出許多小支并改變方向呈環(huán)形走行,形成虹膜小環(huán),大多數(shù)折回形成靜脈,最后匯入渦靜脈[6]。

二、虹膜前節(jié)光學(xué)相關(guān)斷層掃描

OCT最初是為了提供視網(wǎng)膜和視神經(jīng)等后節(jié)橫截面圖像才開發(fā)的,直至1994年Izat報道了第1例使用OCT評估前節(jié)的圖像。AS-OCT能夠可視化包括虹膜在內(nèi)的前節(jié)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分析。對比舊的成像技術(shù),OCT的出現(xiàn)開啟了虹膜形態(tài)分析的新紀(jì)元,為健康受試者和患者的虹膜評估提供了無創(chuàng)、可靠的成像技術(shù),幫助識別虹膜形態(tài)的病理變化,從而幫助醫(yī)生診斷及追蹤疾病。

1.健康眼的虹膜AS-OCT 最近一項基于OCT的健康眼虹膜形態(tài)學(xué)分析顯示了虹膜厚度的扇形變化模式[7]。同時另一項虹膜360度形態(tài)研究報道了虹膜厚度、寬度及體積等形態(tài)參數(shù)因眼部區(qū)域、虹膜顏色、年齡和性別而異[8]。在兒童群體中,Nagata等[9]發(fā)現(xiàn)虹膜厚度會隨著年齡及其他眼部結(jié)構(gòu)而增長,這有助于增加對眼部結(jié)構(gòu)發(fā)育的理解。

利用AS-OCT測得的虹膜表面特征(如虹膜隱窩、紋理和顏色)與虹膜厚度、體積密切相關(guān)[10,11],這些發(fā)現(xiàn)可能為基于虹膜以預(yù)測閉角型疾病的風(fēng)險提供另一種方法。有趣的是,AS-OCT還可以分析虹膜的幾何形狀。Shuster等[12]報道具有凹型虹膜結(jié)構(gòu)的眼睛大多來自近視眼且不存在于遠(yuǎn)視眼,猜測虹膜結(jié)構(gòu)特征可能與近視有關(guān),這豐富了對近視病理生理學(xué)的認(rèn)識,有助于識別近視的危險因素。

2.前葡萄膜炎的虹膜AS-OCT 虹膜厚度的改變經(jīng)常被報道為前葡萄膜炎的典型征象。在Fuch’s葡萄膜炎中,除異色癥外,彌漫性虹膜萎縮也很常見,并認(rèn)為是正確診斷的關(guān)鍵,一些研究人員通過AS-OCT測量的虹膜厚度來試圖定量研究這些萎縮性變化,研究表明受累眼的虹膜隱窩變淺進(jìn)而表面光滑度增加[13]。最近Zarei等[14]提出了“平滑度指數(shù)”的自動算法,允許檢查者快速方便地測量AS-OCT圖像中的虹膜表面光滑度,這一指標(biāo)為正確診斷Fuch’s葡萄膜炎尤其在沒有異色癥的情況下提供了有力證據(jù)。

3.青光眼的虹膜AS-OCT 已知虹膜的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征在原發(fā)性閉角型青光眼(primaryangleclosureglaucoma,PACG)的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。據(jù)報道,虹膜厚度、曲率和面積的增加與房角閉合相關(guān)[15]。新近的一項研究表明虹膜厚度可以區(qū)分急性與慢性PACG,前者的周邊虹膜更薄[16]。AS-OCT的出現(xiàn)也為虹膜高褶型青光眼的診斷提供了一種無創(chuàng)簡單的工具,大約三分之一的PACG患者會出現(xiàn)虹膜高褶,而距鞏膜突750 μm的虹膜厚度是與高褶型虹膜顯著相關(guān)惟一變量[17]。此外,AS-OCT還可作為追蹤PACG的工具,它能夠檢測周邊虹膜切開術(shù)后前房角和虹膜的變化[18]。

4.虹膜腫瘤的AS-OCT 由于虹膜色素上皮層對光源的吸收,AS-OCT在較大或色素腫瘤中存在陰影效應(yīng),無法顯示腫瘤病變后邊界,使其在臨床檢查中常常不作為首選。但OCT作為一項非接觸式檢查,可以成為診斷小的非色素性虹膜腫瘤的替代方案[2]。另外,OCT可用于研究虹膜囊腫的結(jié)構(gòu)以及囊腫與前房角的關(guān)系,對虹膜囊腫的診斷具有重要價值[19]。

5.虹膜AS-OCT的局限性及挑戰(zhàn) 盡管AS-OCT具有諸多優(yōu)點,但仍存在一些成像技術(shù)上的錯誤和偽影,精準(zhǔn)的AS-OCT成像需要滿足一些要求,如控制瞳孔大小、光源的距離以及清晰識別Schwalbe線下的虹膜前表面,不然都會影響后續(xù)的虹膜評估。此外,由于目前還不能清晰識別虹膜前表面,AS-OCT仍無法準(zhǔn)確評估Schwalbe線下的虹膜周邊厚度和開角距離[20]。

三、傳統(tǒng)虹膜血管成像

1.虹膜熒光素血管造影 早在20世紀(jì)60年代末,熒光素血管造影被應(yīng)用于臨床眼科,不僅成為了觀察視網(wǎng)膜疾病的有力工具,還加深了我們對眼前段以及虹膜血管解剖的了解。1978年,Hayreh等[21]研究了42只正常眼的虹膜FA(iris FA,IFA),與視網(wǎng)膜血管造影不同,IFA表現(xiàn)出更為復(fù)雜的模式,其染料充盈的過程存在個體差異,而這種生理性變化可能會被誤解為是病理性的。虹膜瞳孔周圍區(qū)域的血管充盈往往比虹膜根部慢得多。染料首先從虹膜根部開始充盈,然后呈放射狀分布,因此IFA的動脈期很容易辨認(rèn),但I(xiàn)FA的靜脈期通常與動靜脈期合并,因此無法識別出明顯的靜脈期。另外,虹膜各個部位的充盈速度是不規(guī)律的,可以觀察到鼻側(cè)最先充盈,顳側(cè)最后充盈。此外,還可以觀察到虹膜皺褶與瞳孔邊緣之間存在密集的毛細(xì)血管叢。目前臨床上IFA最主要應(yīng)用于虹膜新生血管(irisneovascularization,NVI)的早期檢測、虹膜腫瘤的監(jiān)測以及糖尿病患者白內(nèi)障術(shù)后追蹤[21]。在缺血性或增殖性視網(wǎng)膜病變中,患者往往合并虹膜紅變,且視網(wǎng)膜缺血程度與NVI的嚴(yán)重程度之間存在顯著的相關(guān)性。當(dāng)屈光介質(zhì)明顯渾濁的患者在無法辨別眼底的情況下,鑒于視網(wǎng)膜病變和虹膜病變之間的密切關(guān)系,IFA可提供間接但可靠的信息。此外,IFA可以直接可視化虹膜腫瘤的血管網(wǎng)絡(luò)及其與虹膜血管形成的關(guān)系。盡管IFA在臨床實踐中并不常用,但它是客觀評價虹膜血管形態(tài),定性分析虹膜損傷的有效方法。

2.虹膜吲哚青綠血管造影 吲哚青綠(indocyaninegreen,ICG)在790～850 nm處有吸收峰,并在825～835nm處產(chǎn)生熒光,由于在此紅外范圍內(nèi)只有10%的光被吸收,因此虹膜ICGA(irisICGA,IICGA)受虹膜色素影響較小,目前已被應(yīng)用于揭示虹膜血管和血流動力學(xué)的特征[22]。整個IICGA過程一般需要5～10 s,首先從虹膜根部開始,與IFA相似,虹膜各個部位充盈速度不等,通常先充盈鼻部,其次是顳部,上下部充盈于鼻顳部的中間期。放射狀動脈血管以不完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu)連接于瞳孔邊緣,作為虹膜的小動脈環(huán)。相對于IFA,IICGA具有更好的色素上皮穿透性,不受虹膜顏色的影響,并且ICG作為血管內(nèi)蛋白結(jié)合分子,可減少滲漏的發(fā)生,精確評估虹膜缺血再灌注。Parodi等[23]研究分析了IICGA在檢測假性剝脫綜合征中虹膜微血管變化的作用,結(jié)果顯示IICGA可以更好地顯示虹膜低灌注和吻合血管,而IFA檢測NVI更清晰。但當(dāng)虹膜色素豐富或血管滲漏明顯時IICGA比IFA更清晰地顯示NVI的形態(tài)特征、分布范圍,對NVI的早期診斷提供更有力的證據(jù)[24]。

3.傳統(tǒng)虹膜血管成像的局限性 由于會發(fā)生染料相關(guān)的不良反應(yīng),包括胃腸道副作用和過敏性休克,而且孕婦或肝腎功能受損的患者也無法行IFA和IICGA,因此這類侵入性檢查在臨床上很少應(yīng)用。其次,虹膜血流循環(huán)是三個眼部循環(huán)系統(tǒng)(視網(wǎng)膜、脈絡(luò)膜、虹膜)中最慢的,這意味著傳統(tǒng)虹膜血管造影需要更多的時間[23]。值得注意的是,由于ICG在虹膜血管中流動和代謝速度很快,若想準(zhǔn)確比較疾病或治療前后虹膜血管的微小變化,需要研究者保證觀察時間點高度一致,而這在實際操作中很難做到[23]。最主要的是在操作過程中,看似模糊的虹膜血管常常會給人一種滲漏的錯覺,只有熟練的技術(shù)人員才能清晰辨認(rèn)異常血管。

四、虹膜光學(xué)相關(guān)斷層掃描血管成像

隨著OCT過去10年的不斷發(fā)展,OCTA的眼血管成像技術(shù)已經(jīng)問世,它無需靜脈注射染料即可評估組織從形態(tài)到功能的研究,在臨床上主要用于視網(wǎng)膜、脈絡(luò)膜和視神經(jīng)等眼后段的血管成像[25]。直至最近幾年,OCTA才被應(yīng)用于眼前段,AS-OCTA同時開發(fā)了用于提高速度和圖像分辨率的成像技術(shù)和評估血流的定量指標(biāo),與傳統(tǒng)血管造影相比,AS-OCTA以非侵入性和無染料的方式快速獲取圖像,避免了染料相關(guān)的潛在風(fēng)險;其次,OCTA可以生成不同層面的高分辨率橫截面圖像,從而對不同深度的血管進(jìn)行可視化[26]。目前,大多數(shù)AS-OCTA研究集中于角膜和結(jié)膜疾病,已經(jīng)證實OCTA是評估角膜血管系統(tǒng)的有力工具,能夠在角膜渾濁等情況下捕獲裂隙燈無法檢測的細(xì)微血管異常、周邊角膜血管化[26]。然而,OCTA在虹膜中的應(yīng)用還非常有限,這主要是由于現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)限制。

1.虹膜OCTA可用的設(shè)備和算法 OCTA利用相位差異、信號幅度差異或連續(xù)B掃描中OCT信號的變化來檢測血流,目前市面上已有幾種OCTA儀器,但用于研究虹膜血管系統(tǒng)的只有少數(shù),并且這些儀器的OCTA算法主要評估眼后段,缺乏專門評估眼前節(jié)血管的掃描系統(tǒng)。其中分頻幅去相關(guān)血流成像(RTVue-XRAvanti,Optovue)[27,28]、光學(xué)微血管造影(PLEX Elite 9000,Carl Zeiss Meditec)[29,30]、OCTA比率分析(DRITriton,Topcon)可作為獲取虹膜OCTA圖像的算法。這些不同的系統(tǒng)在掃描速度、掃描區(qū)域、分辨率及運動校正、去偽影和自動分割的內(nèi)部軟件也有所不同。對于大部分OCTA設(shè)備,由于焦點不匹配的問題,需要專用的前節(jié)鏡頭來成像虹膜[1],但也有報道稱不安裝前節(jié)鏡頭即可使用視網(wǎng)膜OCTA軟件來成像虹膜[31]。若安裝了制造商提供的前節(jié)鏡頭仍無法捕獲前節(jié)OCTA圖像時,可以安裝補充鏡頭并用3D打印機制作一個鏡頭支架將其固定在適當(dāng)?shù)奈恢肹3]。但無論是否安裝前節(jié)鏡頭,都需要操作者手動將儀器的焦點移動到檢查組織的水平。

2.虹膜OCTA的臨床應(yīng)用 幾位研究者使用OCTA對健康眼的虹膜血管進(jìn)行研究,其中虹膜色素沉著和瞳孔大小是影響虹膜血管可視化的因素[1,4]。據(jù)報道AS-OCTA可成功描繪繼發(fā)于視網(wǎng)膜血管阻塞或增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變的異常虹膜血管以早期發(fā)現(xiàn)NVI[32],用于檢測臨床上不明顯的NVI以及抗VEGF治療后NVI的消退,以研究發(fā)生NVG等并發(fā)癥的風(fēng)險以及是否需要青光眼手術(shù)或經(jīng)鞏膜睫狀體光凝術(shù)等手術(shù)干預(yù)[30]。此外,AS-OCTA已被證明可用于測量活動性葡萄膜炎期間的虹膜血管擴(kuò)張和血流增加,這意味著虹膜血管口徑可能是量化前房炎癥和監(jiān)測治療反應(yīng)的另一種客觀指標(biāo),進(jìn)一步增加AS-OCTA成像在葡萄膜炎和相關(guān)鞏膜炎或鞏膜外層炎的的應(yīng)用價值[33]。其他潛在的臨床適應(yīng)癥包括區(qū)分虹膜痣、虹膜囊腫和黑色素瘤[34],或在隨訪期間監(jiān)測虹膜腫瘤的生長和血管分布[31]。雖然在高度色素沉著的病變和非常厚的腫瘤中無法顯示全部血管,但已經(jīng)證明了OCTA可視化黑色素細(xì)胞瘤及其血管分布的能力[31]。也有研究報道在進(jìn)行復(fù)雜的斜視或環(huán)扎手術(shù)前后使用虹膜AS-OCTA能夠確定眼前節(jié)缺血的風(fēng)險[27,29]。最新的一篇研究稱OCTA測量的虹膜微血管的數(shù)量變化可能預(yù)示近視的發(fā)展[35]。

隨著成像技術(shù)的不斷改進(jìn),新近的掃頻OCTA(sweptsourceOCTA,SS-OCTA)已應(yīng)用于臨床,它采用可調(diào)諧濾波器來實現(xiàn)波長掃描光源,其顯著優(yōu)勢在于采集速度更快、深度分辨率更高、穿透性更強。與光譜域OCTA(spectraldomainOCTA,SD-OCTA)相比,SS-OCTA中使用的更快的速度和更長的波長有助于在角膜水腫、角膜渾濁或厚虹膜眼中捕獲更好的虹膜血管圖像[1]。值得注意的是,SS-OCTA系統(tǒng)還能夠基于不同顏色來區(qū)分虹膜深淺血管的分布,這可能有助于研究者區(qū)分基質(zhì)表面的異常NVI與正常血管[1]。但目前,SS-OCTA的前節(jié)應(yīng)用并不普遍。

3.虹膜OCTA的局限性與挑戰(zhàn) 如前所述,OCTA系統(tǒng)主要用于眼后段成像,若要將其應(yīng)用于前節(jié)首先需要調(diào)整OCTA算法并使用眼前節(jié)適配鏡頭,由于這些系統(tǒng)的內(nèi)部軟件針對后段進(jìn)行了校準(zhǔn),因此AS-OCTA可能會出現(xiàn)分割誤差而影響后續(xù)的血管密度計算。其次,當(dāng)前的OCTA系統(tǒng)只有專門為后段設(shè)計的眼部跟蹤系統(tǒng),將其應(yīng)用于前節(jié)會引起運動偏差,若在掃描過程中發(fā)生眼球運動會導(dǎo)致血管中斷從而影響圖像質(zhì)量。雖然目前圖像處理軟件有助于解決這一難題,但未來仍需要開發(fā)專門的眼前節(jié)跟蹤系統(tǒng),因為它能夠顯著減少運動偽影,進(jìn)而提高圖像質(zhì)量[36]。第三,OCTA掃描可見血管的數(shù)量與虹膜色素沉著呈負(fù)相關(guān),因此對高色素沉著的虹膜或致密的虹膜腫瘤進(jìn)行清晰的成像仍然是一大難題[31]。AS-OCTA成像是一個新領(lǐng)域,仍有許多挑戰(zhàn)需要克服,隨著掃描速度的提升和內(nèi)部軟件的優(yōu)化,用于虹膜成像的OCTA將很快成為現(xiàn)實。

五、虹膜成像的總結(jié)與展望

隨著無創(chuàng)性成像技術(shù)的發(fā)展,人們對虹膜結(jié)構(gòu)和血管及其臨床意義的認(rèn)識也在不斷加深。AS-OCT的出現(xiàn)開啟了虹膜形態(tài)分析的新紀(jì)元,幫助我們識別虹膜形態(tài)的病理變化。目前評估眼前段血管系統(tǒng)的金標(biāo)準(zhǔn)是虹膜血管造影(包括IFA和IICGA),但這種傳統(tǒng)的造影方法是侵入性的且需要熟練的操作技術(shù),臨床上并不常用[21]。AS-OCTA可以快速、非侵入性地成像虹膜血管系統(tǒng),生成高分辨率橫截面圖像并對不同深度的血管進(jìn)行可視化,大大提高了我們對虹膜血管在糖尿病性視網(wǎng)膜病變[32]、葡萄膜炎等[33]疾病發(fā)病機制中作用的理解,并對治療方案的制定具有一定的指導(dǎo)意義。然而,還需要進(jìn)一步的研究來探索虹膜OCTA的優(yōu)勢、局限性以及不同OCTA系統(tǒng)用于掃描虹膜血管之間的差異。AS-OCTA是一個新的成像領(lǐng)域,仍需要開發(fā)新的虹膜OCTA軟件以及專門的眼部跟蹤系統(tǒng)來減少運動偽影從而實現(xiàn)更好的虹膜自動分割。