基于光学技术的角膜形态测量在圆锥角膜诊断中应用的研究进展

张笑睿，李林

(1.首都医科大学 基础医学院，北京 100069；2.首都医科大学 生物医学工程学院，北京 100069；3.首都医科大学 临床生物力学应用基础研究北京市重点实验室，北京 100069)

引言

圆锥角膜是一种角膜疾病，其形态学特征为进行性的角膜基质薄弱、角膜表面突出以及角膜地形改变[1]。其病程可被分为潜伏期(又称顿挫期 forme fruste keratoconus，FFKC)、初发期(又称亚临床期subclinical keratoconus)、完成期(又称临床期 clinical keratoconus，CKC)和瘢痕期[2]。完成期的圆锥角膜常有fleischer环、Vogt线等典型临床体征，但潜伏期和初发期体征不明显，其确诊更多依赖设备的检查结果。圆锥角膜多发于15～25岁的青少年时期，国内外调查显示其发病率为0.05%～0.23%[3]。严重的圆锥角膜曾被视为是角膜移植手术的典型指征[4]。当前角膜胶原交联术(corneal cross-linking，CXL)对初发期或完成期圆锥角膜治疗效果较好[5]，但过大的角膜曲度会影响CXL的预后[2]。因此，对圆锥角膜早期诊断尤为重要。

圆锥角膜的病因复杂多样，其具体病因尚不明确。部分研究表明，除一些环境因素，如机械损伤[6]、过敏和紫外线等，角膜表面微生物[7]、炎症因子[8]、胶原蛋白的异常降解[9]和遗传因素[10]也是其发病的重要原因。

1 光学裂隙扫描技术——Orbscan角膜地形图系统

Orbscan角膜地形图系统发明于二十世纪90年代，OrbscanⅡ 是其与Placido盘结合而成[11]。Orbscan角膜地形图系统使用光学裂隙扫描技术测量角膜表面形态，获取角膜前后高度、表面曲率和角膜厚度等参数。光学扫描头以45°的入眼角度发射出左右各20道的裂隙光扫描角膜(见图1)，共计可获得近万个数据点，使用计算机对此进行分析，得出角膜前后面曲率、高度和全角膜厚度等参数。

图1 Orbscan裂隙光扫描过程摄影[11]

Orbscan可以测量角膜后表面的地形。有研究表明，角膜后表面地形同前表面地形一样，对其屈光能力影响较大[12]，故其可为临床医生提供更多的指征来辅助诊断。Rao等[13]对60例疑似圆锥角膜的眼睛和50例健康眼睛使用Orbscan II 进行检测，发现疑似组的角膜后表面高度为(44±2.5)μm，远高于对照组的(21±0.6)μm，故Orbscan II 和角膜摄像机联合使用时，可以更加有效地检测患者的圆锥角膜风险。其次，此系统可以在非接触状态下，快速精确地测量角膜厚度，且更易被患者接受。另外，有研究[14-15]表明，Orbscan 的检查有良好的可重复性，这也印证了Orbscan 系统的可靠性。但在测量角膜曲率方面，Orbscan系统测量得到的正常角膜厚度较Pentacam与超声测量厚，且Mirzajani等[14]研究发现Orbscan对圆锥角膜确诊患者给出的角膜曲率与Pentacam给出的数据有明显的统计学差异；在眼前房深度方面，Hashemi等[15]在研究不同仪器对不同程度的圆锥角膜患者眼前房深度测量数据差别时，发现在圆锥角膜较严重时，Orbscan和Pentacam的测量结果出现明显差别；而在圆锥角膜较轻时，Orbscan和其他设备的测量结果有较好的可替换性，赵春柳[16]的研究也得出了基本相同的结果。隋瑶等[17]用Pentacam和Orbscan II 分别对同一组共80眼进行检测，发现在诊断圆锥角膜时，Pentacam的敏感性要优于Orbscan II。因此，Orbscan逐步被Pentacam所取代。

2 Scheimpflug原理

2.1 Pentacam眼前节测量及分析系统

第一台依据Scheimpflug原理(见图2)设计的角膜检查设备于21世纪初出现[18]，其中Pentacam是比较知名的代表[19]。

图2 Scheimpflug原理光路图与Scheimpflug相机设计简图[18]Fig.2 Light path diagram of Scheimpflug principle and design of scheimpflug camera

Pentacam配备的摄像机可以全角度旋转摄影，依据Scheimpflug原理，可以在不接触患者组织的前提下，高效、快速、准确地对角膜各个层面进行摄影，记录原始图像，并依据图像测量眼前节的各种数据(如角膜前后表面高度、角膜曲率等)，最后再将数据使用预置的算法处理，将设备检查得出的抽象数据转化为直观的等高线彩色图像，有助于医生全面了解患者的眼部状况[20]。通过Pentacam诊断圆锥角膜，在长期诊断实践中，若角膜曲率高、角膜前表面高度高、角膜后表面高度高和角膜厚度低的部位都在同一个位置(即三高一低在一起)，即可确诊圆锥角膜。许多研究[21-23]体现了该规律，图3为右眼中心圆锥角膜Pentacam检查结果，可见角膜曲率高、角膜前后表面高度高以及角膜厚度低的区域基本重合[24]。Pentacam厂家不仅设定了规范的诊断流程，甚至还预设有角膜诊断的数据库。这些规范性的步骤和数据可为医生诊断圆锥角膜提供帮助。

图3 右眼中心圆锥角膜pentacam检查结果[24]Fig.3 Examination of right eye keratoconus by pentacam

在Pentacam系统主界面中，有8个角膜前表面形态参数(见表1)。

表1 Pentacam输出的角膜前表面形态参数

王慧宇等[25]对这八个参数与圆锥角膜发生的相关性进行了针对性研究，发现以上八个参数与圆锥角膜发生均有较高的相关性，且ISV的相关性最高，有较好的诊断价值。 近年来，角膜手术的进步使得其对亚临床期圆锥角膜的治疗效果有显著提升，但对亚临床期圆锥角膜的诊断准确性仍有待解决。Pentacam输出的参数对诊断临床期圆锥角膜有效，但诊断亚临床期圆锥角膜的效果较差。基于此，Ambrósio等[26]在收集大量数据的基础上将Pentacam的输出参数进行线性组合，提出一个新参数 Belin-Ambrósio 偏差指数(BADD)。其在大量数据的基础上，将五个系数,包括角膜前表面高度偏差(Df)、后表面高度偏差(Db)、厚度进展偏差(Dp)、角膜最薄厚度偏差(Dt)以及 Ambrósio 相关厚度偏差(Da)进行回归分析综合计算[27]。实践表明BADD对临床各期的圆锥角膜诊断都有良好的效果，多个研究结果[28-30]对此给出了较高评价。当前BADD更多地被应用在Pentacam与Corvis ST 的联合诊断中，发挥出了良好作用。

Pentacam的优点在于：首先，其测量数据具有更好的准确性和可重复性。Lackner等[31]发现Pentacam的测量结果与被认为是临床角膜厚度测量“金标准”的超声角膜测厚仪有较好的一致性，其可重复性相较超声角膜测厚仪甚至更优。Mirzajani等[14]和Mohammad-Reza等[32]对圆锥角膜患者进行的类似研究也得到了相同结论。Pentacam在对健康人角膜中央厚度和边缘厚度的测量[33]及对健康角膜、亚临床期圆锥角膜和临床圆锥角膜的区分[30]等方面表现出了良好的稳定性和可信度。其次，Pentacam能够同时测量角膜前后表面曲率，使其在临床上获得许多应用。安阳等[34]在其研究中也表明Pentacam可测量角膜后表面曲率的特性对散光和圆锥角膜早期诊断的重要作用。最后，其对眼球运动的鲁棒性较好。Orbscan 在测量时无法确定人眼是否在追踪裂隙光，导致测量结果不够准确，而Pentacam 位于中央的镜头可以检测定位瞳孔大小及眼位，动态监视眼球运动及校准数据[20]。

大量研究[14,17,31,35]都表明Pentacam相对Orbscan的进步优势，使用Pentacam可以获得更加准确的角膜地形图，对圆锥角膜的早期诊断十分有意义。

2.2 可视化角膜力学分析仪

可视化角膜力学分析仪(corneal visualization scheimpflug technology, Corvis ST)是目前临床上测试在体角膜生物力学特性的常用设备[36]，其使用高压气体冲击角膜，同时使用Scheimpflug高速相机记录受冲击角膜的精确图像，并借此计算角膜生物力学特性参数。角膜压平的状态图，见图4。Corvis ST的优势在于能够对角膜进行动态测量[37]，其对健康眼眼压的测量结果与传统的接触式眼压计(如Goldmann压平式眼压计等)具有良好的一致性[38]。舒适、快捷、精确的眼压测量使其快速在临床获得普及。但有研究表明，Corvis ST 与眼反应分析仪(ORA)对角膜中央厚度(CCT)的测量有统计学意义的差异[39]，故临床不建议混用两种设备的结果。

图4 角膜压平的状态图

初代Corvis ST有12个输出参数，见表2。对于圆锥角膜的诊断而言，仅凭以上参数诊断准确度不高[40]。Vinciguerra等[41]在大量数据的基础上，借助逻辑回归方法提出了Corvis生物力学指数(CBI)，并进一步验证了其区分亚临床期圆锥角膜和正常角膜的灵敏性和可靠性，且部分研究表明，其对顿挫期圆锥角膜的敏感度高于Corvis输出的一般参数[42]。此外，Corvis ST 输出的其他参数，包括角膜形变幅度比值[43](DAR)、高度变异指数[44](IHD)等，都被证实对圆锥角膜诊断具有优秀的特异性。综合性研究表明，这些参数可提高圆锥角膜的诊断效率，增加亚临床期圆锥角膜的检出率[45-46]，为Corvis ST在圆锥角膜诊断方面提供了新思路。

表2 初代Corvis ST输出参数

2.3 Pentacam 与 Corvis ST 的联合应用

Pentacam和Corvis ST 联合检查既能测得角膜生物力学参数，又可测量角膜前后表面形态，可为医生诊断提供更丰富的数据，是目前临床比较热门的研究方向。Ambrósio[47]根据Pentacam和Corvis ST 两者给出的数据,使用随机森林回归的方法，提出了断层扫描生物力学指数(tomographic and biomechanical index,TBI)，其对圆锥角膜各期都有很好的诊断能力。大量研究表明[28-29,48]，TBI对正常角膜、亚临床期圆锥角膜和临床期圆锥角膜具有较好的区分能力，其对亚临床期圆锥角膜的诊断精度高于所有的独立参数分析。Zhang等[28]系统对比了BADD、CBI与TBI对圆锥角膜的诊断能力，发现三个参数相对各自设备的经典参数诊断能力均有很大提升，且TBI在三个参数中表现最为突出。李跃祖等[49]和冯熠等[50]的研究也对Pentacam和Corvis ST 的联合诊疗方式给出了较高评价。

3 活体镜下病理检查——共聚焦显微镜

共聚焦显微镜是一种光学显微镜，已在角膜炎、青光眼等疾病诊断中得到了广泛应用。其可以通过调整成像的焦距，对角膜的各个横断面进行精细成像，显示里面的细小沉淀、杂质和细微损伤等，对有形成分可在活体、非接触状态下起到类似于病理切片的作用，使人们能够在细胞层面对角膜进行病理性研究。近期部分对圆锥角膜患者角膜形态变化的研究[51]初步表明了共聚焦显微镜在圆锥角膜诊断方面的潜在价值，使其在圆锥角膜诊断方面开始得到初步应用。

通过共聚焦显微镜可以看到患者角膜的细微病理变化，借此诊断圆锥角膜。肖启国等[52]对19例圆锥角膜病眼进行了共聚焦显微镜观察，发现所有病例的角膜全层厚度较健康者明显变薄，且部分患者后基质层出现了微小皱褶。杨青华等[53]对行角膜胶原交联术前后的圆锥角膜病眼进行观察(见图5)，发现角膜上皮下神经纤维、上皮细胞等在术前、术后均有明显病理改变。朱远飞[54]发现共聚焦显微镜能够清晰地看到角膜交联术前后，角膜基质褶皱的变化，并认为共聚焦显微镜的检查结果可以作为角膜交联术手术效果评估的重要依据。圆锥角膜病变过程中，角膜产生的微观物理变化有很多，如基底膜及前弹力层局限性断裂或破坏，上皮基底细胞水肿，角膜细胞形态、结构改变等[55-56]，这些症状都可被共聚焦显微镜所呈现。其次，共聚焦显微镜的分层成像特点，还可以辨别角膜各层厚度，为圆锥角膜病因的进一步研究提供支持。

图5 共聚焦显微镜观察圆锥角膜病眼的

4 基于光学设备信息的机器学习方法的应用

近年来，学科交叉尤其是统计学和计算机科学在角膜诊断方面的介入，使诊断更加快速、准确。Saleh等[57]总结了世界各地AI应用于角膜地形检查的最新结果，发现所有研究算法都表现出了极高的性能与效率。谭安祖等[58]在角膜OCT技术上应用了深度学习技术，改造后的早期圆锥角膜检测辅助系统使用VGC-16实现了约68%的圆锥角膜病变识别精度。邹昊翰等[59]使用2 000余例图像数据对机器学习的数据模型进行训练和检验(见图6)，准确率达95%以上，明显优于高资历住院医师(93.5%)。Kamiya等[60]使用数百张图片检验机器学习的效果，发现其对圆锥角膜的诊断准确率达到97%以上，对确定严重程度的准确率可达到80%以上。Gracia等[61]进行的类似机器学习方法也达到了89%的总体准确率。高瑜鸿[62]提出，未来可借助圆锥角膜辅助诊断系统进行青少年大规模圆锥角膜筛查，也可用于个性化疾病管理系统。随着人工智能技术应用愈加广泛，将会在辅助诊断方面发挥越来越重要的作用。

图6 机器学习的训练和模型验证流程图Fig.6 Flowchart of training and verifying of machine learning

5 总结与展望

各式成像系统的进步和硬件系统的改善，提高了检查效率，而人工智能技术的应用，进一步提高了成像质量、诊断效率和准确性。如今，近视患者比例增多，圆锥角膜患病风险也随之提高。光学设备对亚临床期圆锥角膜的准确诊断，可以实现对患者的早发现、早治疗，并给患者提供相对容易接受的检查方式。光学角膜成像技术非接触检查的显著优势，将使其拥有更广阔的应用前景。