FWHM圖像分割法分析OCT影像中視網膜血管直徑變化及其與2型糖尿病的相關性

李義杰 李愛蓮 詹海靜 徐博倫 童毓華★

糖尿病視網膜病變（DR）會引起患者視力下降，甚至失明。視網膜血管的檢查提供了一種途徑，用以研究視網膜血管的形態(tài)特征改變與糖尿病之間的關系［1］。以往的研究中，最常見的視網膜血管測量是基于眼底照相分析測得的［2］，但是眼底彩圖只能測得視網膜血管的一個籠統(tǒng)的直徑值，不能區(qū)分視網膜血管的腔內直徑和腔外直徑，以及其他體現血管形態(tài)的參數，如血管壁厚度（WT）﹑血管壁截面面積（WCSA）﹑壁腔比（WLR）等。頻域相干光斷層掃描（SD-OCT）可以產生一個高分辨率的視網膜血管的橫截面影像［3］，在此影像上能夠分辨出視網膜血管的結構。以往的研究大多用SD-OCT內置軟件手工測量血管直徑，但可重復性差，誤差較大［4］。近年來，顯微光密度測量技術已大量應用于眼底照相中視網膜血管測量﹑評估等研究中，但是在SD-OCT影像識別應用上尚未見相關報道，應用較廣泛的方法為半高全寬（FWHM）算法。

1 臨床資料

1.1 一般資料 隨機選自2016年7月至2017年7月本院的眼科門診患者。觀察組選取＞50歲內分泌科確診為2型糖尿病的患者47例，其中男19例，女28例；平均年齡60歲；平均體重指數（24.52±3.16）。排除標準：有其他類型的糖尿病﹑高血壓病﹑既往或現在有心血管疾病（不包括腦血管疾病）﹑近視＞6.0D﹑嚴重的屈光介質渾濁﹑眼壓＞21mmHg﹑青光眼病史﹑葡萄膜炎﹑視網膜疾病或既往有激光或超聲乳化手術史﹑既往無吸煙和飲酒等患者。對照組為同期門診體檢的無任何類型糖尿病健康人員52例，其中男23例，女29例；平均年齡61歲；平均體重指數（23.44±3.20）。兩組一般資料比較差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），具有可比性。

1.2 方法 所有的OCT影像均采用SD-OCT獲取。讓受試者坐好并將頭部固定于檢查臺上，叮囑患者注視鏡頭內的藍色固視燈。用SD-OCT儀掃描每個受試者右眼顳上B區(qū)視網膜動脈及其伴行的靜脈，B區(qū)定義為距離視盤邊緣0.5～1.0個視盤直徑（DD）距離的顳上區(qū)域。掃描方式選用增強深度成像模式的線性掃描，掃描線盡量調整與血管軸線垂直，如果血管在B區(qū)前已經分支，則在分支前掃描，掃描完成后先將獲得的OCT影像的垂直水平比率調整為1：1μm，只有能清晰顯示血管壁的影像才選入下一步研究中。每條血管掃描≥5張清晰OCT影像用于分析。為了比較手工方法和FWHM方法一致性，本實驗用這兩種方法測量觀察組同一張OCT影像中視網膜血管的直徑。先用SD-OCT儀內置的標尺軟件測量OCT影像中視網膜血管的內外直徑，所得數據選入手動組。然后用FWHM方法再測量同一張OCT影像中視網膜血管的內外直徑，在IMAGJ軟件中打開BMP格式的OCT影像圖片，用直線工具穿過血管中間位置劃一垂直線獲得密度曲線圖。在密度曲線圖上有兩個開口向上的曲線，表示OCT影像中血管的上下壁，在每個曲線的左右兩邊，波峰和波底分別用三個連續(xù)數值的平均數確定最大值和最小值，計算最大值與最小值之間的中間數值。曲線的每一邊，用連續(xù)的且相差值最大的點擬合直線函數，該直線函數與中間數值水平線的交叉點即邊緣位置。最后，IMAGJ軟件會自動識別兩條曲線邊界點的距離并計算出視網膜血管的內外直徑，所得數據選入FWHM組。所有的操作由同一個人在不同的時間測量兩次，所得的數據分成手動組和FWHM組。將手動組和FWHM組的數據做比較分析，分別記錄視網膜動脈的外徑（RAOD）﹑視網膜動脈的腔內直徑（RALD）﹑視網膜靜脈的外徑（RVOD）﹑視網膜靜脈的腔內直徑（RVLD）的值，比較組間的變異性。通過實驗論證FWHM方法的一致性高于手工測量。所以本次實驗選用FWHM方法用于下一步研究。所有受試者的每條血管用FWHM方法重復測量三次，取平均值，最終測得RALD﹑RAOD﹑RVOD﹑RVLD，視網膜血管的其他形態(tài)參數參考文獻［5］介紹的方法計算，視網膜動脈公式如下：WT=（RAOD-RALD）/2；WLR=（RAOD-RALD）/RALD ；WCSA=3.14×（RAOD2-RALD2）/4。

1.3 統(tǒng)計學方法 采用SPSS21.0統(tǒng)計軟件。檢測方法的重復性用變異系數（CV），組內相關系數（ICC）和Bland-Altman圖檢驗。ICC越大表明測量結果越穩(wěn)定，可重復性越好。計量資料以（）表示，組間比較采用t檢驗，計數資料組間比較采用χ2檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 手動測量與FWHM一致性比較 見表1。

表1 手動和FWHM結果的可重復性分析（）

表1 手動和FWHM結果的可重復性分析（）

*注：比較兩組之間的CV值，Mann-Whitney 檢驗

參數 手動組 FWHM組 P值*Difference(μm)CV（%） ICC Difference(μm) CV（%） ICC RAOD 0.38±4.35 1.71±0.65 0.982 0.01±0.06 0.01±0.561.000 ＜0.01 RALD 0.55±4.45 2.52±0.96 0.968 0.16±0.05 0.02±0.781.000 ＜0.01 RVOD -0.53±5.23 1.73±0.66 0.991 0.02±0.12 0.02±0.891.000 ＜0.01 RVLD 0.35±4.91 1.93±0.71 0.991 -0.01±0.06 0.02±0.741.000 ＜0.01

2.2 Bland-Altman圖 RAOD Bland-Altman一致性分析結果顯示，手工測量平均差值為（0.4±8.5）μm，95%一致性界限為-8.1～8.9μm；FWHM平均差值為（0.00±0.11）μm，95%一致性界限為-0.11～0.11μm，FWHM的一致性高于手工測量，在臨床上更易接受。RALD﹑RVOD﹑RVLD與RAOD直徑具有同樣的結論，FWHM的一致性均高于手工測量。

2.3 兩組視網膜動脈參數值比較 見表3。

表3 各組視網膜動脈參數值比較（）

表3 各組視網膜動脈參數值比較（）

RALD（μm） RAOD（μm） WLR（μm） WT（μm） WCSA（μm2）觀察組 107.47±14.42 137.65±15.59 0. 28±0.06 15.09±2.56 5836.11±1378.10對照組 103.32±14.99 133.69±16.36 0.29±0.05 15.18±2.17 5685.20±1255.26 P值 0.165 0.222 0.266 0.842 0.570 t值 1.400 1.229 -1.119 -0.200 0.570

2.4 兩組視網膜靜脈的參數值比較 見表4。

表4 兩組視網膜靜脈的參數值比較（）

表4 兩組視網膜靜脈的參數值比較（）

RVLD（μm） RVOD（μm） WLR（μm） WT（μm） WSCA（μm2）觀察組 142.74±24.93 166.73±26.24 0.17±0.04 12.21±2.07 5987.98±1616.32對照組 133.19±18.76 155.24±20.70 0.16±0.03 11.02±2.25 5052.38±1506.169 P值 0.035 0.018 0.274 0.008 0.004 t值 2.137 2.400 1.101 2.732 2.981

3 討論

本實驗發(fā)現2型糖尿病觀察組不止視網膜靜脈的RVOD﹑RVLD高于對照組，WT﹑WCSA也都明顯高于對照組。符合2型糖尿病患者的靜脈直徑增寬這一認知，還能提供WT和WCSA這一更詳細﹑實用的參考指標。因為血管壁比血管直徑，受血管搏動的影響更小，這樣獲得的結果具有更高的可重復性，擁有更高的研究價值。并且糖尿病患者視網膜血液循環(huán)障礙也常引起血管內皮細胞功能受損，進一步引起內皮細胞表達一氧化氮增加，通過一氧化氮介導視網膜閃光刺激，從而參與血管擴張的調節(jié)過程。也有些研究者認為高血糖可造成視網膜缺氧，乳酸堆積，靜脈擴張是為增加視網膜血液供應而出現的代償機制［6］。由于本次實驗的局限性，未能比較WT和RVOD﹑RVLD的敏感性及出現變化的時序先后，需要進一步研究。

在本實驗中，觀察組視網膜動脈的RAOD﹑RALD高于對照組，這可能與選取樣本是排除了并發(fā)高血壓患者有關。此前的研究認為高血壓與視網膜血管狹窄﹑血管壁增厚具有相關性。所以在去除了高血壓這個最主要的狹窄因素后，出現RAOD﹑RALD擴張的結果。Cheung等［7］研究發(fā)現，隨著血糖和糖化血紅蛋白的升高﹑DR的發(fā)展，視網膜動脈會增寬。所以目前針對糖尿病患者的視網膜動脈直徑變化所得出的結論仍有爭議，需要更大的樣本量及進一步的論證。但是本次實驗中作者提供了一些新的動脈參數，這些數據具有重要的研究價值，為研究DR與視網膜血管直徑的關系拓展了研究內容。應用非侵入性的SD-OCT在人體上獲得的實驗結果與先前的體外實驗的結果是一致的［8］。

SD-OCT檢測配合FWHM分割法是一種可靠的技術，用于測量視網膜血管壁，但是仍有不足之處：（1）由于視網膜血管大都靠近視網膜表面，血管的上壁與表面組織難以區(qū)分開，所以會導致更大的血管外直徑，更厚的血管壁等。（2）FWHM分割法雖然可以降低操作者誤差，但并非完全自動化，仍有操作失誤的可能，并且整個測量過程手工操作步驟過多，過于繁瑣，未實現完全自動化，影響檢測的效率。

［1］ Sun C,Wang JJ, Mackey DA, et al． Retinal vascular caliber:systemic,environmental,and genetic associations．Surv Ophthalmol,2009, 54(1):74-95．

［2］ Hubbard LD,Brothers RJ,King WN,et al．Methods for evaluation of retinal microvascular abnormalities associated with hypertension/sclerosis in the Atherosclerosis Risk in Communities Study．Ophthal-mology, 1999,106(12):2269-2280．

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［4］ Zhu TP,Tong YH,Zhan HJ,et al．Update on retinal vessel structure measurement with spectral-domain optical coherence tomography．Microvasc Res,2014,95:7-14．

［5］ Ritt M,Harazny JM,Ott C,et al．Analysis of retinal arteriolar structure in never-treated patients with essential hypertension．J Hypertens,2008,26(7):1427-1434．

［6］ Saldívar E,Cabrales P,Tsai AG,et al．Microcirculatory changes during chronic adaptation to hypoxia．Am J Physiol Heart Circ Physiol,2003,285(5):H2064-2071．

［7］ Cheung N, Rogers SL, Donaghue KC, et al． Retinal arteriolar dilation predicts retinopathy in adolescents with type 1 diabetes．Diabetes Care, 2008,31(9):1842-1846．

［8］ Endemann DH,Pu Q,De Ciuceis C,et al．Persistent remodeling of resistance arteries in type 2 diabetic patients on antihypertensive treatment．Hypertension,2004,43(2):399-404．