眼底成像在脑卒中应用的研究现状及进展

陈广鹏 卢 宏

郑州大学第一附属医院，河南 郑州 450052

1 引言

脑卒中是我国人口的第一大死亡原因[1]。据全国卒中流行病学调查(NESS中国)显示，2013年我国年龄标化的脑卒中患病率、发病率和病死率分别为1 114.8/10万人、246.8/10万人和114.8/10万人[2]。根据已发表的34项研究的Meta分析显示，缺血性卒中年复发风险为4.26%(95%CI3.43%～5.09%)[3]。脑卒中具有高发病率、致残率、高病死率、高复发率等特点，已成为我国负担最严重的疾病[4]。由于卒中治疗选择有限，需要有效的预防策略和早期诊断方法，针对高危人群的一级预防是减轻卒中负担最有效的策略。现已知的危险因素如高血压、糖尿病、高脂血症、吸烟等被用来预测卒中发病风险，但这些危险因素尚不能完全解释一个人的卒中风险[5]。因此，降低卒中风险需要尽可能全面评估导致卒中的每种危险因素。

现有的神经影像如磁共振、CT、DSA等，为卒中诊断和治疗起到了至关重要的作用[6]，但由于空间分辨率的限制，很难直接在活体上观察250 μm以下的微血管结构[7]，加之设备昂贵，且部分检查为有创性，不适合对有卒中风险的人群进行更广泛的筛查。

视网膜与中枢神经系统有相似胚胎学起源、解剖和生理特征：均发育至外胚层，视网膜和视神经由间脑直接延伸发育而来；均包裹在相对封闭的骨性结构里；均有相似的屏障功能和自动调节功能、相对低流速的血液供应和高氧耗[8]。脑卒中会影响视觉的传入或传出通路，从而造成相当一部分患者出现凝视麻痹、视野缺损、皮质盲、眼球震颤、上睑下垂、复视等神经眼科症状[9-10]。

视网膜血管是唯一可在活体上观察到的微循环血管，利用眼底成像技术及标准化评估可以无创的动态观察、量化视网膜及其微循环。越来越多的研究表明：眼底异常可以反映更广泛的血管神经单元的变化，为研究脑卒中打开了一面窗。视网膜病变及视网膜血管异常等眼底病变，有可能作为脑血管病的潜在标志物，用作脑卒中风险分层工具，来改善卒中风险预测[11]。本文综述当前有关视网膜成像在卒中研究领域的最新文献，探讨这些研究的临床意义、最新的视网膜成像技术，旨在评估眼底成像在卒中研究的应用价值。

2 眼底成像所获得的信息

20世纪50年代，得益于电子闪光灯和35 mm照相机的出现，催生了现代的眼底成像技术，利用眼底成像技术可以无创地观察、量化和评估视网膜及其微循环[12]。

早期主要使用人工分类方法对眼底图像进行定性分析，最常见的分级方法有：Keith-Wagener-Barker分级[13]、Scheie分级[14]、Wong-Mitchell分级[15]等。直接观察到的信息包括：视网膜病变和小血管征象，如局部或系统性小动脉缩窄、动静脉交叉、小动脉铜丝征、微动脉瘤、棉絮斑、硬性渗出、眼底出血、视盘水肿等。

随着生物医学工程技术的发展，照相设备的技术进步和计算机辅助分析技术广泛应用，可以获得眼底定量参数，试图更全面的反映视网膜信息。这些参数包括：视网膜血管直径、视神经纤维层厚度和视网膜血管网络参数。其中视网膜血管直径测量，如CRAE(视网膜中央动脉等效值)、CRVE(视网膜中央静脉等效值)，广泛应用于基于人群的大型临床研究中[11，16-22]。基于Murray原理[23]，通过计算机技术分析可以得到如血管弯曲度、分形维度、分支夹角和分支系数等视网膜血管网络参数，用于描述微循环网络。

另外还有新兴的动态视网膜微血管功能测量，如弥散亮度闪烁(diffuse luminance flicker)、眼脉动振幅(ocular pulse amplitu-de)、激光散斑血流图(laser speckle flowgraphy)、扫描激光多普勒流量仪(scanning laser Doppler flowmetry)、视网膜血氧计(retinal oximetry)、顺序和直径响应分析(sequential and diameter response analysis)以及吸入性和静脉内刺激试验的微血管改变(microvascular alterations to both inhaled and intravenous testing)等[24]。这些技术有助于评估视网膜血流、血压饱和度和血管直径的动态测量，从而更全面的分析视网膜微血管床的病理生理机制[25]。

3 眼底成像最新进展

基于人群的眼底与脑卒中相关研究中，存在如下问题：(1)使用半自动分析软件，存在人为因素的偶然误差；(2)视网膜血管直径的测量受多因素影响，如扩瞳、屈光不正、视网膜色素沉着、白内障和其他介质浑浊的存在、摄像技术、相机类型、图像质量等的差异均可能带来变数，影响测量结果[26-27]；(3)视网膜成像需要检查者保持坐姿并配合检查，因此，那些严重残疾或不能配合的患者，无法完成检查，从而出现研究对象的选择偏倚[28]。眼底图像分析是生物医学工程最重要的子领域之一，随着光学成像方式、图像分析技术等软硬件的进步，使人们对眼底微循环病理生理有了更进一步认识，同时也试图解决上述研究问题[29]。以下这些眼底成像新技术的应用已用来改善眼科疾病的早期检测、精确诊断和治疗改进，也为脑卒中研究提供了新的方法，并已逐步应用于脑卒中研究。

3．1自动化的眼底影像评估技术已进行的大多数临床研究中，测量眼底参数的软件，多是半自动化的，需要技术人员的额外输入。随着生物医学工程技术的进步，最近，通过机器学习增强算法、人工智能等技术的应用，有关视网膜定量特征，如视网膜血管直径、弯曲度、分形维度等可以实现完全自动化检测，并通过了一致性评价，从而避免了临床研究人为因素造成的误差[30-32]。

3．2便携式眼底成像设备传统的眼底成像设备需要受试者有维持检查姿势的能力，而手持检眼镜又存在可靠性差等缺点。随着技术进步，目前已开始有非散瞳、手持眼底成像仪上市并应用于卒中研究[28]。另外随着智能手机的普及，基于智能手机的眼底成像技术已在糖尿病视网膜病变识别中发挥了作用[33]。这些便携式设备的出现为卒中患者眼底筛查提供了方便。

3．3远程辅助视网膜分析技术WOLZ等[34]通过远程医疗，将发病2周内的轻型卒中或TIA的视网膜图像上传给有经验的高级眼科顾问进行评价，发现卒中患者中视神经萎缩和视网膜小动脉异常发病率更高。通过应用远程辅助分析技术，可以改善眼科、神经科专科护理，对缺乏医疗资源地区改善卒中防治提供新的方向。

3．4最新的OCT技术已有应用SD-OCT测量视神经纤维层(RNFL)用于卒中研究[35-36]。最新如扫描源OCT(swept-source OCT)、光学相干血管造影(OCTA)、自适应光学OCT等，通过定量研究视网膜神经组织结构、光学特征及功能等微血管网络几何特征，提供更加快速细致、可视化的视网膜微循环，为脑卒中病理生理研究提供了很好的视角[37-38]。

3．5超宽视野扫描激光眼底成像(ultrawidefieldscanninglaserophthalmoscopy)该技术可以捕捉200°范围的超宽视野图像，与传统7个眼底图像拼接技术相比，更容易发现周边视网膜病变，提供了更清晰更完整的视网膜结构，并已显示出了在筛查糖尿病视网膜病变中更高的敏感性[39]。这为研究周边视网膜与脑卒中的关系提供可行性。

4 眼底与脑卒中相关性研究

早在19世纪末，GUNN就认识到了视网膜微血管异常作为心血管疾病标志物的潜力，并最早描述了视网膜微血管特征与高血压、肾和脑血管疾病之间的关系[40]。在1939年，KEITH、WAGENER和BARKER证明视网膜微血管异常的严重程度可以预测高血压患者的病死率，并提出了Keith-Wagener-Barker高血压视网膜病变分级方法。在20世纪80年代以前进行的组织病理学研究表明，患有脑血管疾病(脑出血、脑梗死)的受试者中，在视盘周围的视网膜动脉和脑内壳核、丘脑及桥脑都观察到了类似的病理变化，如纤维蛋白样变性和纤维玻璃样增厚[41]。但早期研究有如下缺陷：(1)基于诊所或医院的研究，样本量小，患者为高度选择，没有适当的对照组，没有排除潜在的混杂因素(如高血压)；(2)早期研究在未治疗的高血压人群中进行，所描述到的严重异常目前已少见(研究总体的变化)；(3)早期的分级方法未被接受或标准化；(4)应用眼底镜检查被证明主观且不可靠[42]。自20世纪90年代开始，采用眼底照相，在基于人群的前瞻性或横断面的大量研究中证实眼底异常与卒中存在密切关系。

4．1视网膜异常与脑卒中社区动脉粥样硬化风险研究(ARIC研究)表明，视网膜异常和临床卒中事件密切相关，调整了年龄、性别、种族、平均动脉压、糖尿病及其他卒中危险因素后，任何患视网膜病变的发生脑卒中的相对危险度RR值为2.58(95%CI1.59～4.20)，其中微动脉瘤、棉絮斑、点状出血、火焰状出血、动静脉交叉与临床卒中关系最为密切，另外发现这种视网膜异常不仅与当前血压而且也与过往血压水平有关[16]。随后的研究纳入了磁共振影像，发现同时具有脑白质病变和视网膜病变的人比同时没有的人发生卒中的风险明显增高，校正RR为18.1(95%CI5.9～55.4)[43]。除了亚临床和临床卒中外，卒中病死率可能与高血压视网膜眼底异常有关，蓝山眼科研究(BMES)和Beaver Dam眼科研究(BDES)报告了非糖尿病患者视网膜病变和卒中病死率相关[44-45]。

另有研究发现，通过频域OCT(SD-OCT)测得的视神经纤维层缺损(RNFLD)与缺血性卒中、脑小血管病等相关[35-36]。北京眼科研究组发现，除RNFLD、视网膜静脉扩张外，黄斑病变也与脑卒中呈正相关，视网膜动脉狭窄、静脉扩张、RNFLD并存的眼底指标与脑卒中高危因素相关[46]。在阿司匹林用于心血管一级预防试验—ASPREE研究的亚组中，眼底成像已作为一种敏感的指标用于评估脑血管病理，识别出脑卒中高危人群，评价药物的疗效[47]。

4．2视网膜血管直径与脑卒中为了反映视网膜血管缩窄，ARIC研究首次将经量化的视网膜动静脉直径等效值(CRAE、CRVE)应用到卒中研究中[48]。随后视网膜血管直径也应用在多个基于人群的卒中研究中，如Beaver Dam眼科研究(BDES)[45]、多种族动脉粥样硬化研究(MESA)[49]、蓝山眼科研究(BMES)[44]、心血管健康研究(CHS)[17]、鹿特丹研究[50]、新加坡马来人眼科研究(SMES)[11]、多中心视网膜卒中研究(MCRS)[51]等。其中，心血管健康研究(CHS)、鹿特丹研究、新加坡马来人眼科研究(SMES)发现视网膜小静脉直径增宽与卒中及卒中病死率风险增加有关，而视网膜小动脉直径与卒中及卒中病死率无关。一项荟萃分析也验证了上述关系：视网膜小静脉增宽与卒中的集中风险比为1.15(95%CI，1.05～1.25)，而视网膜小动脉直径与卒中的集中风险比为1.00(95%CI，0.92～1.08)[52]。将视网膜血管成像加入到现有的卒中模型中，可以改善卒中风险分层，总体改善约10%[11，52]。进一步的研究还表明，视网膜血管变化根据不同的卒中亚型而变化，这表明视网膜血管直径变化反映了特定的脑微血管病变，并且可能提供更准确的卒中亚型分类，甚至帮助急诊科将脑血管病与其他导致局限性神经功能缺损的病因区分开[53]。多项研究发现，视网膜血管异常与脑小血管病相关性，有趣的是，MCRS研究发现，视网膜血管直径变化与大动脉卒中和腔隙性脑梗死均相关，表明视网膜血管结构变化不仅反映了小血管病变，而且可能是大动脉病变在视网膜和脑循环中下游效应的结果[51，54]。

4．3视网膜血管网络参数与脑卒中视网膜微血管表型特征除了反映血管直径的CRAE、CRVE外，还包括分型维度、血管弯曲度等网络参数[55]。其中视网膜分型维度是一种反映微血管分支复杂度和密度的定量测量指标。在多中心视网膜卒中研究(MCRS)亚组研究中，CHEUNG等人在校正了年龄、性别和血管危险因素后发现，较高的视网膜分形维度与急性腔隙性脑梗死独立相关(OR=4.27；95%CI1.49～12.17)，提示视网膜微血管复杂性和密度增加与腔隙性脑卒中有关。但在随后的一些研究中发现，视网膜分型维度的降低和视网膜血管扭曲度的增加与缺血性脑卒中相关[51，57]。出现这种结果差异原因考虑与研究所选样本量及种族差异有关[11]。

4．4动态视网膜血管功能与脑卒中研究已证实视网膜血管结构的改变可以预测卒中风险，但这些改变发生在糖尿病等慢性疾病晚期。应用动态视网膜微血管功能测量，可以预测糖尿病早期的脑小血管功能障碍，并发现视网膜静脉反应性受损预示着卒中发病风险[25]。

4．5眼底与脑小血管病脑小血管疾病是一类脑血管疾病的总称，包含了腔隙性脑梗死、脑白质疏松、脑微出血、血管间隙扩大、脑萎缩等，与卒中、认知下降和痴呆相关[58]。基于人群的研究发现视网膜血管改变与脑小血管病有关。腔隙性脑梗死与不同的视网膜血管改变有关，包括视网膜病变、视网膜小动脉管壁征、视网膜小动脉狭窄、视网膜小静脉增宽和视网膜血管分形维度增加[56]。赵刚等[59]对眼底病变进行Scheie分级，比较脑白质疏松组与对照组的眼底变化，发现眼底病变可以反映脑白质疏松的存在及严重程度。MCGRORY等[60]发现降低的小动脉分形维度与深部白质疏松有显著联系。鹿特丹研究发现，扩大的视网膜静脉直径与脑室旁白质病变、皮层下白质病变随时间的显著进展相关[61]。这些发现与视网膜微血管系统异常可能先于脑白质病变的观点一致，提示视网膜微血管异常可能是脑白质病变发展的先兆。还有研究表明，视网膜小动脉分形维度下降、小动脉迂曲度增加与脑微出血有关，独立于心血管危险因素、脑白质高信号和腔隙性脑梗死，表明这些视网膜参数可能是脑小血管病的早期表现[62]。

5 结语

眼底成像作为一种经济、有效、无创的检查技术，提供了有关微血管系统和神经元结构状态的独特信息，虽不能完全取代CT、磁共振等传统的神经影像技术，但提供了一种互补的方法，在卒中研究中具有巨大潜力。随着眼底光学成像方式、图像分析等技术的发展，将进一步加深人们对视网膜与大脑微血管变化间的认识，从而应用眼底成像改善脑卒中防治。