利用光学相干层析血管造影成像对老年性黄斑病变血管密度量化研究

秦 嘉

（佛山科学技术学院物理与光电工程学院 广东 佛山 528225）

1 引言

在人体血液微循环系统中，微小动静脉之间的血液循环是基层的结构和功能单元。当微循环的结构与功能发生变化（损伤甚至病变），人体相对应的结构或者位置也会发生变化或产生一定的反应。因此，通过观察人体组织微循环变化，可以为临床疾病早期诊断以及预防提供相关依据。

增龄性黄斑变性（Age-related macular degeneration，简称AMD）是年龄大于50岁的老年人中第一大致盲眼病。据《2018-2024年中国黄斑眼病治疗行业市场运营模式分析及发展趋势预测研究报告》数据显示，中国目前60岁以上人口超过2.3亿，AMD患病率高达13.36%，按照比例计算，AMD患者约3073万人。当萎缩累及眼睛中心视觉时，脉络膜新生微血管生成或地图样萎缩（Geographic Atrophy, GA）是导致患者视力逐渐丧失的主要原因[1]。AMD早晚期都具有脉络膜血流缺失的特性[2]，因而有理论认为脉络膜微血管异常在AMD中起重要作用，因此观测和分析眼底微血管，尤其是脉络膜微血管将有助于理解AMD的发生发展，对了解AMD初始病因有巨大帮助，但传统的标准临床成像方式，如荧光素与吲哚菁绿血管造影、眼底自体荧光缺乏可表征眼底微血管尤其是脉络膜血管早期改变所需的分辨率，且有毒副作用。此外，传统的横断面光学相干层析成像（OCT）结构成像不具备血管造影功能。

OCT血管造影（OCT Angiography, OCTA）可对视网膜及脉络膜血管进行无创、功能性成像[3-5]，且已用于干性AMD患者血管改变的可视化[3]。其中，谱域光学相干层析成像技术（SD-OCT）起源于1995年提出的光谱干涉仪[6]，是医学上非常有发展前景的成像方式，具有高分辨率、实时性、非接触性、扫描速度快、成像速度快等优点，可实现对生物医学的组织结构进行层析成像，清晰地呈现各深层组织的结构信息与血管血流信息。

病变区域的体积、血管密度、血管曲度等方面是判断病变程度的重要标准，使用快捷有效的处理图像方法实现病变区域的定量测量是必不可少的。Image J，是一种快捷、有效及方便的处理图像的软件，是由美国国家心理健康研究所开发的免费的科学图像分析工具，可在选定区域内计算和分析对象的一系列几何特征，广泛用于生物学研究领域，可以显示，编辑，分析，处理图像，分析图像的相关长度，区域面积等等[7]。

本文利用SD-OCT系统获取不同类型的眼科患者的视网膜血管造影图像，然后采用Image J图像处理软件对图像进行处理，获取病变区域的血管参数信息，初步探究病变区域OCT图像的定量分析的可行性；并利用SD-OCT获取脉络膜图像，定性分析脉络膜血管变化与黄斑病变的关联性。

2 基本原理和实验

2.1 实验系统基本原理

SD-OCT系统是由5个部分组成的，如图1所示，分别是低相干宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂、以及光谱仪。参考臂是由准直透镜和反射镜组成，样品臂由物镜、准直透镜和振镜组成，光谱仪由衍射光栅、透镜、阵列CCD等组成，是SD-OCT系统的核心。宽带光源的出射光进入22光纤耦合器后以50/50分光比分束后分别进入有反射镜的参考臂和具有待测样品的样品臂，产生的参考光与样品信号光经耦合后产生干涉信号，信号经光栅分光并聚焦在阵列CCD，由阵列CCD采集经采集卡输入计算机。先由采集的干涉光谱信号经快速傅里叶变换获得深度信息，再经扫描振镜扫描后获得二维、三维层析图像。

如公式（2-1）所示，若样品具有多层结构，在理想状态下，样品反射光等于不同深度反射光之和，代表样品深度处的后向散射幅度，则样品反射光信号强度为[8-9]：

2.2 受试对象

受试对象分别为一位正常人、一位AMD-GA患者和一位潜在患有GA的老年人。

2.3 实验装置与方法

采用SD-OCTA系统（PLEX Elite 9000；Carl Zeiss Meditec公司）进行血管造影图像采集，其中心波长为1060nm，扫描速度为100000线/秒。该系统轴向与横向分辨率在组织中为～5μm，在视网膜表面为～14μm。本研究所采用扫描模式为6mm×6mm视场，该视场包括慢轴上500个B扫描位置，各B扫描包括500个A扫描（快轴）。于各B扫描位置重复扫描两次，进行血流提取[10]，获得血管造影图像。其扫描深度为3mm。

2.4 图像处理

使用Image J打开血管造影图片，然后将图片转化为灰度图（Image/Type/8-bit）；再调整图片的对比度（Image/Adjust/Brightness/Contrast）；然后对图片进行阈值处理，将图片转换成二值图；可以采用自动阈值（Process/Binary/Make Binary），也可以使用手动阈值（Image/Adjust/Threshold）的方法。在本文中，我们通过使用均值阈值算法实现图像的二值化处理[11]。然后计算二维投影图里的血管面积密度，即血管所占的面积占整体选取面积的百分比。

3 分析与讨论

3.1 人眼视网膜血管造影图分析

获取的视网膜血管造影图像如图2所示，AMD-GA患者（图2(b)-2，2(b)-3）与正常人的表层、深层视网膜血管造影图（图2(a)-2，2(a)-3）之间的对比，可初步体现AMD-GA患者图方框区域处血管显示对比正常人的图有明显的差异，AMD-GA患者的血管直观显示比正常人图少。血管区域明显在画框处血管较少（甚至没有），画框区域为黄斑病变区域。

在另外一位潜在患有GA的老年人的视网膜血管造影表层图（图2(c)-2）和视网膜血管造影深层图（图2(c)-3）中，老年人的视网膜血管造影深层图对比正常人血管数量上有所减少，不排除是血管有所退化的原因以及有患病风险。由于患者是个80岁的老人，存在着GA患病风险和可能性，需要进一步的观察与确诊。

3.2 人眼视网膜血管造影阈值图分析

利用Image J软件对图2中视网膜血管造影图像进行处理后的阈值图如图3所示，读取对应的血管密度信息结果如表2所示。

表2 人眼视网膜血管造影阈值图像血管密度分析结果

AMD-GA患者与正常人的表层、深层视网膜血管阈值图之间的对比（图3(b)-1，3(b)-2 V.S.图3(a)-1，3(a)-2），可以定性地看出方框处的检测区域处的（为病变区域①，病变区域②）血管量明显少于正常人的检测区域图，而且病变区域①比病变区域②血管量减少的要多。

在潜在患有GA的老年人的视网膜表层血管阈值图（图3(c)-1）和视网膜深层血管阈值图（图3(c)-2）中，在对应的阴影区域（画框区域）里血管量有所减少，因此初步判定有一定量的血管退化；视网膜深层血管阈值图相对于正常人视网膜深层血管阈值图，在血管退化方面较为明显。

血管密度结果（表2）中，AMD-GA患者视网膜表层血管密度53.628%，正常视网膜表层血管密度58.579%，AMD-GA患者视网膜深层血管密度48.605%，正常视网膜深层血管密度52.374%。AMD-GA患者的视网膜血管密度在检测区域明显比正常人的血管密度少，明显具有血管退化的病变状况。潜在患有GA的老年人的视网膜表层和深层血管密度与正常人相比，有轻微的差异（56.102%对比58.579%；51.859%对比52.374%表征了血管有轻微退化；虽然没有明显的病变区域，但是存在患病风险（脉络膜毛细血管图存在血管缺失区域），需要定期进行检查，以及做好预防措施。

图4为不同类型受试者的视网膜血管密度对比图。不难看出，无论视网膜表层还是深层，AMD-GA患者的视网膜表层和深层血管密度都低于潜在患有GA的老人和正常人。其中，和正常人比无论是表层还是深层视网膜血管密度都有差距显著。潜在患有GA的老年人眼和正常人眼相比，视网膜深层血管和表层血管有轻微的缺失。

3.3 AMD-GA患者视网膜血管造影阈值图血管密度分析

使用Image J软件处理AMD-GA患者视网膜表层阈值图，计算病变区域和正常区域的血管密度（根据图3(b)），结果如表3所示。

表3 AMD-GA患者血管密度分析

病变区域①的血管密度13.989%，而病变区域②的血管密度38.901%，可以在AMD-GA患者表层阈值图（图3(b)-1）以及AMD-GA患者深层阈值图（图3(b)-2）看出，病变区域①相比病变区域②血管密度明显少。正常区域对比病变区域的血管密度差别更加明显，正常区域的血管密度的均值60.412%，是病变区域①的4.3倍，是病变区域②的1.55倍。视网膜血管密度的变化随病变程度的变化而变化。

3.4 人眼脉络膜血管造影图像分析

利用SD-OCT获取的脉络膜血管造影图如图5所示。上述视网膜血管密度进行定量分析后，通过对比AMD-GA患者的脉络膜毛细血管图（图5(b)-1）、深层脉络膜血管图（图5(b)-2），潜在患有GA的老年人的脉络膜毛细血管图（图5(c)-1）、深层脉络膜血管图（图5(c)-2）与正常人的脉络膜毛细血管图（图5(a)-1）、深层脉络膜血管图（图5(a)-2），明显看出，比起视网膜层的OCTA图，脉络膜毛细血管OCTA图更能体现出AMD-GA患者的眼睛与正常人眼的差异性。潜在患有GA的老年人的脉络膜毛细血管层较正常人眼也在局部区域有明显的变化。

这也初步验证了脉络膜微血管异常在AMD-GA中起重要作用的理论推测，说明利用SD-OCT可以用于追踪观察AMD-GA患者脉络膜血管异常，通过长期的追踪观察，以进一步探究其发病机理。

4 结论

通过上述对黄斑病变患者眼底OCTA图和潜在患者眼底OCTA图，对比正常人眼图的图像处理，定量评估出了病变区域的血管密度远低于正常区域的血管密度。黄斑病变患者的血管密度与正常人的血管密度差距明显，不同的分层结构血管密度不同。而且病变区域的病变程度不同，血管密度的差异不同。在有疑似病变的早期，也可以从视网膜血管密度看出微小变化。进一步地，本研究还发现了AMD-GA患者的脉络膜微血管较正常人具有明显异常，脉络膜毛细血管局部退化严重，在病变区呈现出脉络膜大血管层。并且，在早期，疑似GA患者的脉络膜毛细血管病变也显现出较正常人的明显退化，这对早期诊断出GA、及早进行脉络膜毛细血管的针对性治疗、探究AMD的发病机理具有重要启示。上述一系列结果可以协助医生对GA疾病的初步诊断、治疗以及病因病理的揭示提供重要的参考依据。