《眼科新进展》  2017年8期 788-792   出版日期:2017-08-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R
扫频光学相干断层扫描在眼科的应用进展


    首套光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT)系统于1991年由HUANG等[1]提出。在过去的20 a内,OCT技术从最初的时域OCT(time-domain OCT,TD-OCT)飞速发展成基于傅立叶域探测的频域OCT(spectral domain OCT,SD-OCT),再发展为新近的同样是基于傅立叶域探测的扫频OCT(swept-source OCT,SS-OCT)。尽管目前商业化SD-OCT系统扫描速度可达每秒27 000~70 000 A扫描,但与最新的技术对比,SS-OCT的扫描速度已高达每秒100 000 A扫描。这使得SS-OCT可获得密集的光栅扫描,从而得到三维OCT数据集。与此同时,扫描所得的数据集经过相应程序处理可以得到任意径线的眼底横断面图像,以及视网膜任意层次的层面透视图,如视锥视杆细胞层、神经节细胞层、脉络膜毛细血管层及视盘筛板层成像图。这类层面透视图像使视网膜显微结构可见,这是其他图像目前无法完成的[2]。除了扫描速度提高之外,SS-OCT具备探测深度加深的优点。经相应程序处理所得到的SS-OCT血管造影(SS-OCT angiography,SS-OCTA)及分层扫描(en face OCT)成像系统,可对同一截断面进行多次B扫描,并迅速对视网膜、脉络膜各毛细血管网层面分层成像,同时也可对黄斑区及视盘微循环清晰成像,并准确定位血管位置和深度,确保直观地对视网膜血管进行病理形态学观察。该功能与眼底荧光血管造影(fluorescein fundus angiography,FFA)相似[3]。本文在此就SS-OCT在眼科的应用进行简要综述。
1 SS-OCT与FFA、吲哚青绿血管造影的比较
1.1 SS-OCT技术原理及优势 SS-OCT技术相对SD-OCT技术主要优势表现在以下方面:首先,SS-OCT系统能达到比SD-OCT系统快5~10倍的扫描速度,其轴向分辨率已达到2~6 μm,这样的成像速度使得SS-OCT可获得密集的光栅扫描,从而得到视网膜任意层面的三维OCT数据集。SS-OCT的另一大特色是能利用较长波长的光波,在高散射组织层面灵敏度下降,使得SS-OCT可对眼底高散射组织层面光学成像,如视网膜与脉络膜新生血管相关病变成像。此外,运用不同SS-OCT系统,如SS-OCTA及En face OCT成像系统,对三维OCT扫描数据集进行相关处理分析,可以得到任意径线的眼底断面成像,以及视网膜任意层次的层面透视图,如视锥视杆细胞层、神经节细胞层、脉络膜毛细血管层及视盘筛板层成像图[2]。SS-OCT更好地运用OCTA和En face OCT成像系统,从而成为诊断脉络膜及视网膜血管病变实用的辅助工具[2-3]
1.2 SS-OCT、OCTA与FFA、吲哚青绿血管造影的比较 传统FFA和吲哚青绿血管造影(indocyanine green angiography,ICGA)提供的是二维血管造影图像,因表层和深层毛细血管丛在FFA的二维图像中相互叠加,使FFA不能分层成像视网膜内主要的毛细血管结构,存在不能够区分血管结构层次和直接观察新生血管等局限。另外,由于FFA 和ICGA需要注射造影剂,尽管它们都属于相对安全,但是注射造影剂后仍可能会发生恶心呕吐、过敏等不良反应,其有创性、耗时性等不足使之不能作为理想的常规检查及随访工具[4]
    与FFA相比,OCTA是一种新型的、无创性的眼底血管造影技术。而SS-OCT系统使用波长扫描激光光源和平衡探测型光电探测器来干涉光谱,取代了传统OCT的单个光子探测器,可在更长的波段范围对眼底组织进行成像,并且组织对这些较长波段的光有更小的散射,因而增加了成像深度,弥补传统OCT技术以及FFA、ICGA造影技术在眼底血管疾病检测方面存在的缺陷[5]
2 SS-OCT在眼科疾病的应用
2.1 眼前节疾病 以往OCT在眼科主要应用于眼底视网膜及黄斑部病变的诊疗,随着技术的不断更新,眼前节OCT在眼科疾病诊断、治疗及随访中的应用日益广泛。目前,眼前节SD-OCT可用于角膜移植术后[6]、圆锥角膜[7]及前房参数测量[8]检测,评估角膜生理状态及青光眼等相关眼病。但是,SD-OCT在角膜混浊及房角结构等组织结构的成像质量较低,不能提供较为清晰的成像[6]。基于傅立叶的SS-OCT通过光谱仪,可以将干涉信号中的不同波长信息采集到图像传感器上。图像的深度信息和光的波长信息是通过傅立叶变换,可以获得不同深度的OCT图像,如此可提高采集速度和采集信号的信噪比。在检测角膜移植术后角膜瓣的过程中,研究者[9-10]运用波长可调式SS-OCT系统(CASIA SS-1000;Tomey,Erlangen,Germany),在近红外线波长范围内(集中在1310 nm)以单位区间为6 mm×16 mm×16 mm的扫描参数对角膜成像。每秒30 000 A扫描的轴向扫描速率,致使其 “角膜地图”式图像采集时间为0.3 s,“眼前节”式图像采集时间为0.2~4.8 s。同时,通过设定不同层面的A扫描或B扫描频率,可获得高分辨率的三维层面成像图(3-D En face SS-OCT)。其内置软件系统自动分析所获取的三维 OCT数据集后,可获得角膜屈光力、角膜测厚、角膜地形图等结果,并自动定量评估眼前节结构[7-8,10-11]。研究结果表明,三维式眼前节SS-OCT中央角膜厚度等检测结果与旋转Scheimpflug系统测量值之间存在正相关,且SS-OCT可为角膜移植术后患者提供更可靠、可重复的眼前节检查,有望作为角膜移植患者术后随访常规诊断工具。在新型高速、高频率OCT的支持下,临床医师也可以获得前房的三维图像[10-11],进行精准的个体化治疗。此外,随着进一步技术更新,眼前节SS-OCT系统有望突破预测LASIK术后患者的人工晶状体度数并测量其角膜地形图这一局限,为眼前节疾病诊治发挥更为重要的作用。
2.2 玻璃体疾病 SS-OCT系统的扫描速度比SD-OCT系统快5~10倍,可增强玻璃体成像,在不同视窗下能更好观察玻璃体结构成像[12],目前已经应用于诊断多种玻璃体相关疾病如玻璃体后脱离、玻璃体黄斑牵拉综合征、特发性黄斑前膜以及视网膜裂孔等。此外,运用均衡算法可以将高动态范围图像转化为可显示范围之内的图像,同时也保留了其对比度、亮度等有效细节[2,12]。运用SS-OCT玻璃体增强成像(enhanced vitreous visualization,EVV)新技术,使玻璃体结构可视化[12],能更好地对玻璃体后界膜、玻璃体后间隙、中心凹囊样变和黄斑前膜等病理结构成像,有助于加深了解玻璃体后脱离、玻璃体混浊以及后部前皮质玻璃体囊袋(posterior precortical vitreous pocket,PPVP)等疾病的病因学[12-13]
    PPVP最早是由非侵入性的SD-OCT,在玻璃体切割术后于玻璃体内注射曲安奈德的人群中检测发现[14]。此后,研究表明PPVP在玻璃体黄斑相关病变进程中起着较为关键的作用[15]。近年来,研究者运用SS-OCT检测发现,对比健康个体而言,近视人群眼底存在PPVP增强区域。高度近视伴有严重后巩膜葡萄肿易导致其黄斑中心凹视网膜脱离,往往是由玻璃体性视网膜牵拉所致[16-17]。此外,MCNABB等[18]运用宽视野SS-OCT扫描可检测周边视网膜疾病病理改变,如视网膜劈裂、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)、脉络膜黑色素瘤等。同样的,SS-OCT也可直观、清晰地显示其他玻璃体视网膜相关疾病如黄斑前膜、玻璃体性黄斑牵拉综合征和增殖期糖尿病牵拉性视网膜脱离等,可以精准地评估玻璃体相关疾病的转归,对视网膜和黄斑继发性损害做到及早预防、及时治疗[6]
2.3 视网膜疾病
2.3.1 DR DR早期以微血管病变为主,增殖期以新生血管及缺血为主[19]。FFA是检查视网膜循环及血管结构的主要手段,目前仍是临床探查DR的金标准。然而,FFA提供的是二维血管造影图像,不能够划分视网膜血管结构层次和直接观察新生血管等局限。另外,由于FFA需要注射造影剂,其有创性、耗时性等不足使之不能作为理想的常规检查及随访工具[20]。传统的SD-OCT产生水平或垂直的断层扫描视图像,与组织切片相似。其成像质量受到每分钟成像片段数的限制—每分钟扫描层次越多,成像越精准。这一限制致使SD-OCT无法在同一平面上构建整个黄斑区所有MAs高分辨率的二维成像图[21-23]。SS-OCT系统使用波长扫描激光光源可在更长的波段范围对眼底组织进行成像,因而增加了成像深度[2]。此外,应用不同的SS-OCT系统,如En face SS-OCT和SS-OCTA等成像系统,可检测不同的微血管病变,量化视网膜血管丛血流速度和病灶面积,直观地对视网膜血管进行病理形态学观察[23-24]。ALSHEIKH等[24]运用SS-OCT系统检测糖尿病患者的黄斑灌注改变情况,发现DR 患者的黄斑旁中心凹和中心凹周围的血管密度降低,黄斑无血管区总面积和中心凹无血管区依次扩大[24-25]。在检测非增生型DR的微动脉瘤应用过程中,SS-OCT微动脉瘤检出率为88%,比金标准FFA检测率低。但综合考虑SS-OCT具有采集时间短、成像成本低、安全无创等优势,更便于糖尿病患者的筛查与随访[26]。因此,SS-OCT可以量化检测非增生型DR或增生型DR的微动脉瘤、早期视网膜新生血管、黄斑毛细血管扩张及糖尿病黄斑病变等微循环病理形态学变化,追踪观察DR新生血管的形成过程。今后有关DR病因学的纵向研究可以使用这些已有的检测指标来评估DR微循环变化和治疗效果。临床工作中,SS-OCT也可用作常规检查,指导糖尿病筛查及视网膜黄斑微循环相关疾病诊疗及疗效评估。
2.3.2 动静脉血管阻塞 研究表明OCTA除了可以很好地检测DR微循环结构之外,也可以应用于检测视网膜静脉阻塞(retina vein occlusion,RVO)或视网膜动脉阻塞(retina artery occlusion,RAO)等病变。可探测血管灌注异常,如血管畸形、血管闭锁、血管无灌注及棉绒斑等病理改变,这些检测结果与FFA基本一致。此外,SS-OCT能够发现FFA不能显示的浅层毛细血管的灌注缺损,也可检测出更早期的视网膜新生血管,并能对新生血管芽形态清晰成像[27-28]。目前OCTA存在的局限是其成像范围比FFA成像范围小,不能动态分析血管径流时速以及血管渗漏等信息。但使用OCTA可以准确辨别RVO的视网膜各血管循环系统,并精确定位视网膜不同层面无灌注区[29]。同时,SS-OCT使用定时可调扫描分析系统(variable inter-scan time analysis,VISTA),以中心波长为1050 nm、400 kHz A-扫描的扫描频率,定量测定各血管流量,以此评估不同视网膜病变的损伤程度。此外,血管密度图成像系统可以量化这些血管灌注异常病理征象,很有可能会成为另一种检测视网膜血管病变的诊断工具[30]
2.4 脉络膜疾病 通过OCT的眼底视盘和黄斑、神经纤维层的图像可以为许多眼科疾病的诊疗及病情检测提供有效的帮助,但不能清晰地提供脉络膜及视网膜血管的信息[31]。传统OCTA可能会遗漏流速慢的毛细血管,同时,眼球运动后或血细胞运动阴影以及视网膜出血所产生的伪影会影响图像结果的判读。此外,视网膜色素上皮层信号衰减特性致使OCTA不能够清晰准确地检测1型脉络膜新生血管,高速扫描的SS-OCT可克服以上局限性[2]。而SS-OCT系统使用波长扫描激光光源和平衡探测型光电探测器来干涉光谱,取代了传统OCT的单个光子探测器,从而可在更长的波段范围对眼底组织进行成像,并且组织对这些较长波段的光有更小的散射,因而增加了成像深度,明显改善了脉络膜血管结构成像质量[2,32]。与波长为840 nm的SD-OCT相比,SS-OCT在1050 nm波长的超高速扫描条件下获得的En face OCTA图像可提供更为精准的脉络膜新生血管病变成像[2,32]。研究发现SS-OCTA可以鉴别出无症状年龄相关性黄斑变性患者1型新生血管,并且与ICGA显示的结果一致[33]。研究表明,与传统OCTA相比,无论是在鉴别3种类型脉络膜新生血管和检测黄斑水肿,还是在观察抗血管内皮生长因子(anti-VEGF)治疗效果[34],SS-OCTA可以提供更为清晰、有效成像图。此外,通过不同等级C扫描,En face SS-OCT成像系统可探测其他传统临床眼底检查所检测不到的慢性病理改变,如脉络膜血管扩张、局灶性脉络膜毛细血管萎缩和深部脉络膜血管向内位移等[26-28]。因此,SS-OCTA系统探测脉络膜结构相关病理改变成像效果明显优于SD-OCTA。同时,由于采集时间短,成像成本低,与需要注射造影剂的血管造影技术相比更安全、更方便舒适,能够更好协助脉络膜相关疾病的诊断与随访。
2.5 青光眼 研究表明,通过OCTA探查原发性开角型青光眼(primary open-angle glancoma,POAG)患者的视盘及视盘旁放射状毛细虚构网络血管灌注异常,为POAG的血管学说提供了有利的证据支持。越来越多的研究表明,血管因素在POAG的病变过程中占有重要作用。研究者运用OCTA探查POAG患者的视盘及视盘旁放射状毛细血管网络结构并测量视盘灌注指标,包括视盘血流值和血管密度。结果显示,与正常组相比,视盘区毛细血管网络的血流值与血管密度在POAG患者中明显降低,该结果与视野显著相关,且与青光眼严重程度呈正相关。使用SS-OCT,对比11例青光眼患者与24位健康个体,发现正常视盘及视盘周围的视网膜有一稠密的毛细血管网络,而在青光眼患者中该毛细血管网络显著减弱,且青光眼眼底视盘血流值减少了25%[35]。以上研究证实,SS-OCTA可定量检测青光眼眼底视盘毛细血管结构灌注异常,为青光眼的血管学说提供了定量检测指标[35-37]
3 总结及展望
    综上所述,SS-OCT作为一种新型的非接触无创的光学诊断技术,可用于活体眼组织显微镜结构断层成像并获得精准三维图像,达到光学在体活检的效果。SS-OCT具备扫描速度和采集信号的信噪比提高等优势,可更好地应用于眼前节评估。除了扫描速度提高之外,SS-OCT具备探测深度加深的优点,使得获得密集的光栅扫描成为可能,从而得到视网膜三维数据集。同时,运用不同SS-OCT系统处理扫描所得的三维数据集,可以得到任意径线的横断面成像图及任意层次的层面透视图。如运用EVV系统,使玻璃体结构可视化。运用SS-OCTA及En face OCT成像系统,对同一截断面进行多次B扫描,迅速对视网膜、脉络膜各毛细血管网层面分层成像,同时也可对黄斑区及视盘微循环清晰成像,更好地帮助诊疗以往传统SD-OCT所不能及的某些病变。此外,该技术还为多种眼部疾病如青光眼、眼肿瘤的病理形态学观察提供精准的微结构成像图。然而,SS-OCT微动脉瘤检出率略低于FFA,但OCTA可以准确定位病变血管位置及深度,另外由于采集时间短,成像成本低,与需要注射造影剂的血管造影技术相比,SS-OCTA更安全、更方便舒适,能够更好协助视网膜及脉络膜相关疾病的诊断与随访。目前SS-OCT因价格昂贵未推广应用,相信在不久的将来可普遍应用于临床,为眼相关疾病的诊治及及预后随访提供精准的参考依据。总而言之,SS-OCT将在眼疾病诊治领域发挥更为重要的作用。