基于房角镜和扫频光学相干断层成像的眼球房角反射成像技术探究

滕植鑫 施策 沈梅晓 朱德喜

作者单位：温州医科大学附属眼视光医院 325000

青光眼是不可逆性盲的主要世界性难题。据WHO报告显示：2020 年，全球青光眼患者将达到8 000万，其中我国将高达2 200万[1]。中国是青光眼发病的极高危国家[2]。

在青光眼进展期间，特别是开角型青光眼（POAG），前房角的病理变化逐渐发生[3]。因此，在POAG的早期阶段，前房角房水流出通道的闭合通常是无痛且无症状的[4]。眼压通常在很长一段时间内都是正常的[5]。因此，早期对前房房水流出通道进行在体评估测量可以为POAG患者视神经的保护监测提供新的思路[6]。

目前，房角镜检查是评估房角的金标准。但这是一种主观技术，可重复性不高，且对临床医师的技术操作、临床经验要求较高[7]。随着影像学技术的发展，高频超声生物显微镜（Ultrasound biomicroscopy，UBM）和前段光学相干断层成像（Anterior segmentopcical coherence tomography，AS-OCT）凭借较高的图像采集速度、分辨率、灵敏度，可以很好地对角膜、虹膜以及虹膜角膜角进行成像[8，9]。但由于房角内流出通道还包含有小梁网、Schlemm's管等结构[10]，其中小梁网为房角的前壁，精细的网状结构具有筛网的作用。Schlemm's管位于角巩膜的深部，呈环状管，是房水的排出管[5]。目前的AS-OCT中光线是经巩膜入射，由于巩膜对光线的散射，使其对房角的成像存在固有的缺点，即房角内部精细结构一般是无法在OCT的图像中看到[11]。至今，仍然没有一项成熟技术可以对房角内部精细结构进行结构成像，这也是POAG患者的测量盲区。

为此，本研究开发并搭建了中心波长为1 310 nm的扫频光学相干断层成像（SS-OCT），并且基于房角传输的理论，在SS-OCT光学探头处加入房角镜，使得红外光从透明的角膜处入射房角。希望通过该技术可以对虹膜角膜角进行内部细节的成像，为患者提供新的客观定量的影像辅助检查手段。

1 对象与方法

1.1 基于房角镜的SS-OCT的光路设计

SS-OCT是利用干涉的原理进行成像，由扫频光源发出红外光线，经分光器分别入射到样品臂和参考臂，实现对人眼不同位置结构的成像[12]。但是，样品臂光路对眼球房角内的小梁网、Schlemm's管进行成像时，SS-OCT的光路会被巩膜散射，到达房角内的能量将大大降低，影响房角内精细结构的反射成像[13]。除此之外，由于角膜全反射的存在，红外光很难通过透明的角膜进入到房角深处，因此单纯靠SS-OCT无法对房水流出通道进行准确成像。

本研究启发于临床眼科房角检查时，利用房角镜消除了光路在角膜处发生的全反射，将裂隙灯显微镜的光路反射或折射入房角，对房角平面进行显像[5]。SS-OCT的光路也与裂隙灯显微镜相同，实验借助房角镜将1 310 nm的红外光反射或折射入房角，对眼球房角内的横断面包括小梁网、Schlemm's管进行成像。

1.2 G-OCT的开发搭建

图1.Gonioscopic OCT（G-OCT）扫描光路设计示意图房角OCT光路的设计原理以及创新。A：添加房角镜以允许红外光进入房角的内部结构；B：在参考臂增加一个镜头，补偿房角镜加入后样品臂增加的光程；C：添加监视器使房角镜OCT的使用更加便捷Figure 1.Schematic design of the gonioscopic OCT scanning optical path:Innovation of the G-OCT optical path.A:Adding gonioscopic to allow infrared light to enter the internal structure of the corner.B:Adding a lens to the reference arm to compensate the angle of the corner lens to the optical path of the sample arm Impact.C:Adding a monitor makes the use and adjustment of G-OCT more convenient.

图2.SS-OCT扫描光路设计示意图扫频OCT的光路设计特征：中心波长为1 310 nm，扫描速度为60 Hz，设扫描深度为6 mmFigure 2.SS-OCT system organization.Chracteristics of SS-OCT optical path:The center wavelength is 1 310 nm and swept speed is 60 Hz.The designed scanning depth is 6 mm.

房角光学相干断层成像技术（G-OCT）系统见图1。基于实验室开发并搭建的扫频OCT见图2和三面房角镜（volk）。本实验开发并搭建的SS-OCT采用了中心波长为1 310 nm的垂直腔面发射激光光源（SL130V1-20024，美国Thorlabs公司），扫描速度为200 kHz，轴向分辨率为5.7 μm，垂直和水平扫描范围为 17 mm和5.86 mm。

由于房角镜后表面与角膜之间存在一定的空腔间隙，因此OCT的红外光进入角膜仍会发生全反射的现象[14]。因此，参考临床检查的使用方法，在角膜表面加入氧氟沙星眼膏（迪克罗），用以耦合房角镜与角膜，消除全反射（见图3）。房角镜的折射率和角膜折射率相近，所述的成像物镜的焦距大于光线在房角镜中走过的路径长度与眼球的角膜顶点到房角距离之和，所述的参考光路的色散与探头光路的色散相同，以此耦合房角镜，消除全反射[15]。

同时，由于房角镜的加入，光线在样品臂会多出一段光程，导致样品臂以及参考臂无法顺利干涉，同时由于不同的光程存在，会造成成像困难的问题[16]。因此在参考臂参考光路中，设置用于光程补偿的透镜，使样品臂光路与参考臂光路光程匹配[17]（见图4）。

1.3 系统验证以及成像分析

1.3.1 模型眼 本研究自行设计了一种模型眼，用于调节光路。采用独特的透明材料进行3D角膜打印。整个模型眼由3D打印完成，并且高度还原人眼眼球尺寸[18]。

图3.房角镜与角膜耦合光路平面示意图(蓝线)主光线（红色）从房角镜反射Figure 3.Two dimensional gonioscopic model in sagittal plane (profile in blue).Optical chief ray (in red) reflects from mirror (grey gradient).

图4.通过Z-max软件对房角镜OCT的样品臂设计Figure 4.Gonioscopic OCT sample arm Zemax ray diagram.OCT,optical coherence tomography.

采用氧氟沙星眼膏（迪可罗），该眼膏为无色透明凝胶，具有一定的黏附性，耦合了房角镜与角膜之间的间隙，但是由于打印材料限制，并无法成功显示房水流出通道，因此由相应视标替代（见图5）。

图5.非生物材料的角膜设计（A）以及位于虹膜角膜之间的视标设计（B）房角镜OCT对模型眼的眼前节成像（C）Figure 5.Non biological cornea (A) and anterior chamber phantom with resolution target at the "iridocorneal angle" (B) and gonioscopic OCT B-scan of anterior segment of the model eye (C).

1.3.2 动物实验 选取日本大耳白5只，6周龄，体质量2 kg，由温州医科大学实验动物中心提供。实验分成2 个过程，第一步利用G-OCT获取日本大耳白的房水流出通道；第二步，通过对兔眼球（选取其中一只进行展示）施压，观察房水流出通道的变化。首先，将长毛大耳白进行肌肉注射麻醉（Pentobarbital sodium，剂量为30 mg/kg）。将麻醉后的兔子放置于兔台，利用开睑器撑开兔子的左眼眼睑。再在兔眼角膜涂上氧氟沙星眼膏，并且正确放置房角镜。最后，通过自行设计的影像定位系统将G-OCT系统定位于兔眼房角。所有兔眼房角的图像拍摄3次。

2 结果

2.1 G-OCT与SS-OCT对兔眼房角成像的对比

图6为G-OCT和SS-OCT对兔眼同一处房角拍摄所得。通过比较发现，图6A处由于兔眼角巩膜对OCT红外光能量的反射，其房水流出通道无法很好地显现；而图6B中，红外光自角膜入射，兔眼的房水流出通道显示更加清晰。

2.2 G-OCT动态兔眼成像的研究

在第二阶段的研究过程中，我们通过对兔眼一侧房角施压，动态观测房角镜下眼内压变化对应于房水通道以及小梁网体积的变化。结合实验一所获取的眼球房角图像与眼球房角的电镜解剖图来确定Schlemm's管位置。从图7 可以明显观测到房水通道（将G-OCT对焦于Schlemm's管，以Schlemm's管的变化为例）。随着压力的变化，房水排出增加，房水流出通道进行容受性收缩。加压前，该处横截面下的Schlemm's管处于收缩状态；加压后5 s，该处横截面下的Schlemm's管垂直于角巩膜方向扩张；加压后10 s，该处横截面下的Schlemm's管平行于角巩膜方向扩张。

图6.SS-OCT与G-OCT的对比图A：常规SS-OCT下对房角的成像，由于房角外巩膜结构对红外光的散射，房角内部结构不清晰；B：G-OCT对房角的成像，通过房角镜的反射作用，使得红外光的能量最大程度地进入房角，房角细节显示清楚Figure 6.Comparison of SS-OCT and G-OCT images.A:The imaging of the angle of the room under conventional SS-OCT is not clear due to the scattering of infrared light by the external sclera structure of the room angle;B:The imaging of the angle of the room under G-OCT,through the reflection of the angle lens,allows the energy of the infrared light to enter the angle of the room to the greatest extent,and the details of the angle of the room are clearly displayed.

图8 所示为实验兔在滴入散瞳剂（复方托吡卡胺眼药水）后的房水流出通道（将G-OCT对焦于Schlemm's管，以Schlemm's管的面积为例）跟正常情况下的对比。控制周边处于相同环境，先对同一焦面进行3次拍摄，所得的图像经过叠加处理，然后滴入散瞳剂后，瞳孔括约肌舒张，虹膜根部堆积，挤压房角，Schlemm's管面积变小。

3 讨论

利用影像学方法观察获取清晰的在体眼球房水流出通道虹膜角膜角横断面图像有着重要的临床意义。本研究提供了一种新型的光学成像系统，实现了对眼球虹膜角膜角横断面直接成像的目标，有望在以后实现360°虹膜角膜角的成像和三维重建[19]。本研究自行搭建的G-OCT系统最大的优势在于对探头的重新设计使得红外光进入房角处的能量衰减较少，使得成像的质量更高[20]。

图7.眼球给予压力后的Schlemm's管的面积变化A：加压前，该处横截面下的Schlmm's管处于收缩状态；B：加压后5 s，该处横截面下的Schlmm's管垂直于角巩膜方向扩张；C：加压后10 s，该处横截面下的Schlmm's管平行于角巩膜方向扩张Figure 7.Area change of Schlemm's tube after eyeball test.A:Before compression,the Schlmm's tube under the cross section is in a contracted state;B:5 s after compression,the Schlmm's tube under the cross section is expanded perpendicular to the scleral direction;C:10 s after compression,the Schlmm's tube below the cross section expands parallel to the scleral direction.

图8.房角内小梁网与Schlemm's管的横截面积在滴入散瞳剂后的变化Figure 8.Dynamic changes of trabecular meshwork and Schlemm's tube during the infusion of the mydriatic.

在G-OCT的设计过程中，面临的主要问题是，无论是模型眼还是动物眼球，由于房角反射镜焦点的不确定性，很难保证红外光的入射为垂直于眼周方向。当探头与房角反射镜稍有角度的偏差，便会造成红外光入射角度的较大改变，由此横断面的信息获取便由垂直面变成了斜面，Schlemm's管、小梁网的形状和面积则会由此改变[19]。可通过改变探头与房角反射镜的角度，以此获取相应角度下虹膜角膜角的横切面图像，通过分析该角度与横切面图像的关系来完善G-OCT系统[21]。

然而，在G-OCT的基础上，本研究凭借其与角膜相接触的优势可以动态地观测随着眼压变化，房角内小梁网与Schlemm's管的形状与体积的变化。在动物体内观察到随着眼内压的升高，小梁网的面积变大，Schlemm's管的体积变大，而随着眼压的恢复，它们的形状与体积得以恢复[22]。由此可见，小梁网与Schlemm's管可以作为一个调节眼内压平衡的重要结构，这也可以解释闭角型青光眼的患者，由于小梁网与Schlemm's管处于关闭或狭窄状态，眼内压无法处于平衡稳定的状态，导致眼压过高。而过高的眼内压往往会造成严重的视神经损耗[23]。

本研究也存在一些不足。首先，该系统并没有在人体上进行实验，未来可能需要在临床上进行进一步验证。其次，对Schlemm's管的形状与体积的变化，并没有采取客观量化的方法，未来软件的研发可以解决这个问题。

综上所述，使用G-OCT早期监测房角内小梁网与Schlemm's管的结构是具有重要的意义。未来可以应用于在体实验及临床，这将对监测青光眼患者的严重程度、随访都具有重要的意义。

利益冲突申明本研究无任何利益冲突

作者贡献声明滕植鑫：收集数据，参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文；根据编辑部的修改意见进行修改。施策：参与试验模型的搭建、构建试验思路。沈梅晓：参与选题、设计和修改论文的结果结论。朱德喜：修改论文中关键性结果结论，根据编辑部的修改意见进行核修