掃頻源光學相干斷層掃描血管成像在眼科臨床中的應用進展

王 曦,黃瀟穎,周 言,鄭 政

0引言

Huang等[1]首次于1991年提出的光學相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)技術,徹底改變了視網膜疾病的臨床評估,對整個眼科領域產生了重大影響。自OCT應用以來,隨著技術的不斷改進,已從最初低分辨率的時域OCT快速發展為基于傅立葉域探測的頻域OCT(spectral domain OCT,SD-OCT),再發展為新近的同樣基于傅立葉域探測的掃頻源OCT(swept-source OCT,SS-OCT)[2],能更好地觀察玻璃體、視網膜、脈絡膜及脈絡膜-鞏膜邊界[3]。近年來掃頻源技術已擴展到OCT血管成像(OCT angiography,OCTA),具有非侵入性、掃描速度快、高分辨率成像等優點,可迅速實現對視網膜和脈絡膜微血管系統的分層成像,現已逐步用于臨床對各類眼科疾病的診治與隨訪。本文就目前掃頻源光學相干斷層掃描血管成像(swept-source optical coherence tomography angiography,SS-OCTA)在眼科臨床中的應用研究進展進行闡述及總結。

1 SS-OCTA概述

1.1SS-OCTA的原理OCTA的基本原理是對同一位置進行連續的B掃描,由于紅細胞等血液成分的不斷運動,產生去相關信號,利用基于OCT振幅信號的分頻振幅去相關血管成像(split-spectrum amplitude-decorrelation angiography, SSADA)的核心算法技術,提取血流信號,區分血管組織與靜態的周圍組織,通過運動對比視網膜和脈絡膜血管結構并進行三維重建[4]。SSADA算法將全OCT光譜分割成不同的光譜波段,增加了可用圖像幀的數量[2]。為了增加血流檢測的信噪比,SSADA通過降低軸向的分辨率,減少眼球運動偽影的出現和影響,增加可利用的圖像幀,而無需增加掃描時間[3-4]。目前在臨床中應用較多的頻域光學相干斷層掃描血管成像(SD-OCTA)技術,采用840 nm波長的寬帶光源和光譜儀檢測,掃描速度可達20 000-100 000次/秒A掃描。而SS-OCTA系統采用可調諧的激光器和更長的1 050 nm波長,掃描速度高達100 000-200 000次/秒,是SD-OCTA的2倍,圖像采集時間縮短,減少了運動偽影的出現,穿透力也較SD-OCTA增加[3]。

1.2SS-OCTA與OCTA及傳統眼底血管造影比較與普通的OCTA相比,SS-OCTA掃描速度更快、掃描區域更廣、穿透性更強,可更好地對周邊視網膜和脈絡膜區域的結構和血管變化進行觀察。與傳統的眼底血管造影比較,SS-OCTA具有以下優勢:(1)快速、非侵入性、高分辨率成像;(2)無需靜脈注射造影劑、無相關不良反應產生;(3)可實現對視網膜和脈絡膜多層血管的自動分割;(4)分層量化分析視網膜毛細血管無灌注區面積、新生血管等參數[2,5]。

2 SS-OCTA在眼科臨床中的應用

2.1眼底疾病

2.1.1脈絡膜疾病多種疾病可引起脈絡膜血管和結構的病理性改變,如年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)、息肉狀脈絡膜血管病變(polypoidal choroidal vasculopathy,PCV)、中心性漿液性脈絡膜視網膜病變、病理性近視等。脈絡膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)是脈絡膜疾病最常見的病理改變,其發病機制不明。CNV常發生在黃斑區,嚴重損害視力,早發現、早診斷可最大程度挽救視力。Novais等[6]在研究中發現與SD-OCTA比較,SS-OCTA能更大范圍地檢測出濕性ARMD患者CNV的區域;此外,SS-OCTA使用快速調諧的激光器和1 050 nm的波長,成像深度增加,使視網膜色素上皮層下方的CNV能夠更好地可視化。Bo等[7]發現PCV的息肉樣病變實為新生血管纏結,而非實際的息肉樣病變或動脈瘤擴張,SS-OCTA在檢測PCV的息肉樣病變方面比吲哚菁綠血管造影(indocyanine green angiography,ICGA)更敏感,可為疾病是否處于活動期提供重要線索,但該研究的樣本相對較小,需更大規模的研究進一步驗證。Fujita等[8]觀察到在SS-OCTA上PCV的息肉樣病變可視化為纏結的血管結構,與Bo等[7]研究結果一致;他們的研究結果還發現,在檢測息肉樣病變方面,SS-OCTA與ICGA之間存在極好的一致性。SS-OCTA不僅能用于脈絡膜疾病的診斷,也能用于脈絡膜疾病治療效果的評估,監測疾病的進展。Stattin等[9]對濕性ARMD抗血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)治療后的活動征象與CNV形態的關系進行研究,結果顯示,基于血流密度定性評估的高密度CNV與疾病活動性顯著相關,表明SS-OCTA在指導濕性ARMD治療方面具有潛在作用。

2.1.2糖尿病視網膜病變糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)的主要病理生理學改變有微血管瘤、毛細血管無灌注區(nonperfusion area,NPA)、視網膜內微血管異常及新生血管(neovascularization,NV)等,若未進行及時有效的治療將會嚴重威脅患者視力[10]。熒光素眼底血管造影(fundus fluorescein angiography,FFA)是臨床診斷DR的金標準,但FFA需靜脈注射造影劑,部分患者注射造影劑后會發生相關的不良反應,并且FFA無法實現視網膜和脈絡膜血管分層成像、量化血管密度及病灶面積等[11]。汪睿等[5]研究發現SS-OCTA測得的增殖性DR(proliferative DR,PDR)患眼深層毛細血管叢無灌注區面積為0.878±0.366 mm2,而FFA測得的面積為0.786 mm2,證明SS-OCTA對視網膜進行分層成像有利于對PDR病灶進行更詳細的觀察。Yang等[12]通過超寬視野SS-OCTA檢測到DR臨床前期存在的NPA、毛細血管擴張和彎曲以及NV更常發生在周邊視網膜區域,表明更大的OCTA掃描面積可以為DR早期的視網膜微血管病變提供更多的證據。Xu等[13]利用寬視野SS-OCTA發現DR臨床前期和早期的患者視網膜血管密度較正常人明顯降低,尤其是在周邊視網膜處下降更為明顯,說明糖尿病對視網膜微血管的影響在DR出現之前就已存在,這與Yang等[12]研究結果一致。在未來的臨床工作中,SS-OCTA可作為一種更靈敏的篩查手段,用于糖尿病患者視網膜微血管異常的早期篩查和監測,指導DR的診療、調整預后干預措施等。

2.1.3視網膜靜脈阻塞當視網膜上的血液流出受阻時,就會發生視網膜靜脈阻塞,典型的特征是黃斑水腫、視網膜靜脈擴張和迂曲、視網膜深層和淺層的廣泛出血、棉絨斑、視網膜水腫和NPA等[14]。SS-OCTA可量化并比較視網膜不同深度的毛細血管叢及脈絡膜毛細血管(choriocapillaris,CC)密度。Kim等[15]通過SS-OCTA對41例單眼視網膜分支靜脈阻塞(branch retinal vein occlusion,BRVO)患者進行回顧性分析,發現在黃斑中心凹周圍,BRVO患者患眼和健眼視網膜淺層和深層毛細血管叢(deep capillary plexus,DCP)密度均降低,兩只眼對應位置比較,患眼受損區域的DCP血管密度也顯著減少,缺血性損害對DCP的影響是淺層毛細血管叢(superficial capillary plexus,SCP)的1.77-1.84倍。Chen等[16]利用SS-OCTA回顧性研究了22例單眼BRVO不伴黃斑水腫患者的CC密度,發現BRVO眼和對側眼的CC密度均降低,患眼未受累區域少數網格的CC密度高于對側眼,推測BRVO發生后視網膜循環發生了重建,脈絡膜循環也隨著視網膜循環的改變而重新分布。Kakihara等[17]使用SS-OCTA結合擴展視野成像(extended field imaging,EFI)技術,平均掃描面積增加76.4%,清晰地顯示出更大面積的視網膜血管圖像,能更好地觀察視網膜靜脈阻塞(retinal vein occlusion,RVO)患者患眼視網膜缺血的程度;他們的研究結果表明,與FFA相比,因較大血管的滲漏會掩蓋FFA中的毛細血管無灌注區,EFI-SS-OCTA能夠無創地對RVO患者視網膜毛細血管NPA進行準確地定性和定量評估。但對于EFI-SS-OCTA是否可以替代FFA,需要在更大的隊列中進行進一步的前瞻性研究。

2.1.4高度近視近視是一種常見的眼部疾病,主要發生在兒童和成年早期,大多數與眼軸增長過快有關[18]。高度近視(high myopia,HM)常伴隨著潛在的眼底病理性改變,如視網膜脫離、視網膜劈裂、視網膜下新生血管、后鞏膜葡萄腫等,嚴重影響視力[19]。SS-OCTA可有效測量和評估近視患者視網膜及脈絡膜參數的變化,幫助眼科醫生更清楚地了解該疾病的病理生理機制,探索新的治療方案和預防措施。Liu等[20]通過SS-OCTA對98例非病理性近視患者的脈絡膜血管和基質特征進行了評估,觀察到HM患者的三維脈絡膜血管指數(choroidal vessel index,CVI)、脈絡膜血管體積(choroidal vessel volume,CVV)和脈絡膜基質體積均顯著下降,在中心凹下和黃斑區域的脈絡膜變薄,鼻側象限的脈絡膜最薄。Luo等[21]利用SS-OCTA研究發現,相較于中低度近視患者,HM患者的三維CVI、CVV及脈絡膜厚度(choroidal thickness,ChT)均明顯下降,說明隨著近視程度的增加,脈絡膜逐漸變薄,脈絡膜的中、大血管逐漸受損,且脈絡膜血管成分的喪失可能比基質的喪失更嚴重。此外,在黃斑鼻側象限、視盤顳側和下側象限的三維CVI、CVV及ChT值較其他象限降低,作者認為黃斑乳頭束是近視發展的敏感區域,通過監測上述象限脈絡膜參數的變化有助于分析HM的潛在病理生理學特征。Su等[22]的研究結果表明,脈絡膜血管隨著近視度數的增加而逐漸減少,且脈絡膜血流灌注的減少與近視的嚴重程度及脈絡膜變薄有關。而Xu等[23]使用SS-OCTA對近視患者視網膜和脈絡膜血管特征進行研究,發現HM患者SCP的血管密度、SCP及DCP的血管長度密度均降低,CC血流缺失的嚴重程度顯著增加,但與ChT無關。出現這種差異的原因可能與使用不同的OCTA算法有關,也可能是研究數據處理的方法不同。總之,SS-OCTA可更好地觀察到HM患者的視網膜及脈絡膜血流灌注變化,為HM的發生發展機制提供新的研究方向。

2.1.5眼內腫瘤眼內腫瘤是一種嚴重的致盲性疾病,可以損害患者的視力,甚至危及患者生命[24]。眼部超聲檢查是檢測眼內腫瘤的重要輔助手段,但其對較小的病灶評估時分辨率有限,近年來,OCTA技術發展迅速,目前SS-OCTA可用于研究活體組織上脈絡膜和視網膜腫瘤相關的異常血管[25]。Reich等[26]使用SD-OCTA和SS-OCTA對Von Hippel-Lindau病患者視網膜血管母細胞瘤(retinal capillary hemangioblastomas,RCHs)進行檢測和測量,研究結果顯示兩種成像技術均可有效檢測出RCHs,兩者在測量小的RCHs時腫瘤大小無差異,然而,隨著腫瘤大小的增加,深層血管的陰影也隨之增加,因SS-OCTA穿透力更強,減少了陰影偽影,檢測到的腫瘤也更大,因此SS-OCTA可作為RCHs診斷和監測的工具。Pellegrini等[27]研究發現,SS-OCTA可對脈絡膜黑色素瘤(choroidal melanoma,CM)患者內部的微血管結構進行無創性評估,且不受CM的大小、位置和既往治療史影響,表明SS-OCTA是評估CM有效的成像技術。Zhou等[28]在26例脈絡膜骨瘤(choroidal osteoma,CO)患者中使用SS-OCTA發現,腫瘤相關血管的形態學特征表現為具有內部或末端血管纏結的海扇樣血管網,而不是先前描述的CNV,這可能有助于了解其發病機制;同時本研究還發現SS-OCTA對腫瘤相關血管的檢測優于ICGA,SS-OCTA可能被認為是診斷和監測CO的新標準。

2.2青光眼青光眼是一種慢性進行性視神經病變,其特點為視盤和視網膜神經纖維層(retinal nerve fiber layer,RNFL)形態學改變、視野特征性缺損縮小,是全球首位不可逆性致盲眼病,原發性開角型青光眼(primary open angle glaucoma,POAG)是最為常見青光眼類型[29-30]。Jia等[31]利用SS-OCTA比較了正常人和早期青光眼患者視盤血流灌注的差異,發現前者視盤及視盤周圍有密集的微血管網絡,而后者的血流灌注明顯減少、視盤血流指數降低,并與視野模式標準偏差呈正相關,提示視盤血流減少與青光眼的嚴重程度有關。Suh等[32]對POAG患者195眼視盤區微血管缺失(optic disc microvasculature dropout,MvD-D)進行檢測,SS-OCTA檢出率為83.6%,且MvD-D組較無MvD-D組視野平均缺損值更大、視網膜神經纖維層厚度變薄、局限性篩板缺損及視盤旁深層微血管缺失發生率增加,證實了SS-OCTA在檢測視盤微血管損傷方面非常有前景。Li等[33]研究了SS-OCTA在檢測青光眼進展中的價值,該團隊利用SS-OCTA測量了中央凹無血管區(foveal avascular zone,FAZ)面積及視盤周圍毛細血管密度,發現視野缺損進展與年齡及平均偏差值有關,FAZ面積擴大與RNFL及神經節細胞-內叢狀層變薄呈正相關,但與青光眼功能惡化無關,證明SS-OCTA可用于監測該疾病的進展。

2.3神經退行性疾病在胚胎發育期間,視網膜和視神經起源于發育中的大腦,特別是胚胎間腦,因此被認為是中樞神經系統的一部分。視網膜與大腦的微血管系統具有相似的特征,因而視網膜可以作為檢測神經退行性疾病發生微血管損傷的“窗口”。在許多神經退行性疾病中,眼部癥狀往往先于大腦癥狀出現,這表明眼科檢查可以提供一種早期診斷的手段[34-35]。Zhang等[36]應用SS-OCTA對早期帕金森病(Parkinson disease,PD)患者的視網膜淺層、深層血流密度及視網膜神經纖維層、神經節細胞-內叢狀層、內核層厚度進行研究,發現早期PD組視網膜淺層和深層血流密度均下降,且與視網膜層厚度變薄相關,說明SS-OCTA測得的視網膜參數可作為PD診斷和分期的影像學生物標志物。Zhang等[37]在另一項研究中使用SS-OCTA評估了脈絡膜微血管狀態在早期PD患者中的變化,發現早期PD患者CC密度、CVV和CVI明顯降低,推測脈絡膜低灌注可能是脈絡膜血容量減少的原因,提示脈絡膜血管參數的變化可能有助于解釋PD對視網膜的病理生理影響;該研究還發現視網膜外層厚度(outer retinal thickness,ORT)與對比敏感度之間呈正相關。Kwapong等[38]分析了腦白質病變(white matter lesions,WMLs)患者SS-OCTA上視網膜厚度及脈絡膜的變化情況,研究結果表明,WMLs患者的CC灌注明顯減少,并與ORT之間存在顯著的相關性;用SS-OCTA來評估WMLs患者視網膜和脈絡膜的變化,可能被證明是早期檢測認知衰退和其他神經退行性疾病的潛在有價值的工具。

2.4眼前節疾病前節OCTA不僅可以用于研究正常眼的結膜、角膜、虹膜和鞏膜血管,也可以用于診斷和監測眼前節血管的病理狀況。近年來,隨著OCTA技術的不斷發展,圖像捕獲速度和分辨率得到提高,前節OCTA在臨床應用中的作用越來越大[39]。Akagi等[40]采集了10例正常人10眼角膜緣周圍結膜和鞏膜血管的前節SS-OCTA圖像,淺層(結膜上皮-200 μm)血管形態顯示為自角膜緣向周邊離心性延伸,深層(200-1 000 μm)血管形態為不同于淺層的節段性血流模式;此外,SS-OCTA全信號血流圖像與鞏膜FA圖像相似,深層SS-OCTA血流圖像具有與房水ICGA圖像相似的特征,后者可能反映了房水流出通路的組成部分。Ang等[41]研究發現,SS-OCTA在評估配戴角膜接觸鏡繼發角膜NV患者圖像質量方面具有較高的可重復性,并能區分角膜深、淺血管的形成,表明SS-OCTA可用于檢查角膜NV,并可能在檢測早期角膜緣干細胞損傷發揮一定的作用。Nanji等[42]使用SD-OCTA和SS-OCTA對不同嚴重程度、分布、病因的角膜NV進行血管密度和深度測量,與裂隙燈攝影(slit lamp photography,SLP)估計的NV深度進行比較,發現兩種OCTA與SLP估計的血管深度具有極好的一致性,雖然SD-OCTA測量的血管密度是SS-OCTA的1.6倍,但在1例有明顯角膜瘢痕的深部NV患者,SS-OCTA測量到的血管密度是SD-OCTA的3倍,說明SS-OCTA具有更好的穿透性,其在診斷和監測角膜NV治療方面具有潛在的臨床應用價值。Shiozaki等[43]應用前節SS-OCTA觀察抗VEGF治療后虹膜新生血管(iris neovascularization,INV)的變化,結果顯示抗VEGF治療后INV全部消退,INV眼的血管密度明顯降低,證明前節SS-OCTA可識別虹膜灌注變化以達到預測虹膜血管疾病發展的目的。

3總結及展望

SS-OCTA作為一種新型的無創血管成像技術,極大地增加了我們對視網膜及脈絡膜微血管系統的理解,其與傳統的眼底血管造影相比,具有無創、無需造影劑、掃描速度快、自動化血管分層成像、高分辨率、量化分析血管參數等優勢;為眼科臨床相關疾病的早期診斷、治療和隨訪疾病提供了一種新的手段,彌補了FFA不能很好地觀察到視網膜深層毛細血管顯影情況這一缺陷;同時,得益于算法的不斷改進,血流檢測的信噪比提高,我們對眼底疾病的發病機制、病程演變、治療等認識也隨之加深。但SS-OCTA也有一定的局限性,主要表現為以下幾個方面:(1)SS-OCTA檢查對患者屈光介質狀態及固視要求較高,部分屈光介質混濁明顯或固視差的患者,會出現圖像偽影;(2)穿透深度有限,SS-OCTA對脈絡膜深層血管流動信號的檢測局限于視網膜色素上皮層萎縮的區域[44-45];(3)SS-OCTA無造影劑循環和滲漏,對視網膜血管屏障功能的觀察能力較傳統血管造影檢查降低;(4)無法對激光斑和無灌注區做出區分。

綜上所述,SS-OCTA有助于增加我們對多種視網膜及脈絡膜疾病特征的理解,包括CNV、DR、RVO及神經退行性疾病等,有著廣闊的臨床應用前景。此外,SS-OCTA還可精準定量評估中心性漿液性脈絡膜視網膜病變、病理性近視、Vogt-小柳原田病等眼部疾病脈絡膜的厚度和血管變化,但該技術在缺血性視神經病變中應用較少,期望在以后的發展中有更多深入的研究。相信在未來隨著技術不斷的開發和完善,SS-OCTA可廣泛應用于臨床,這一新的血管成像技術將在眼科臨床實踐中發揮更為重要的作用。