视网膜血管床面积在糖尿病视网膜病变中的应用研究进展

蔡立维,苏 钰,陈长征

0 引言

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy, DR)是最常见的威胁视力的视网膜血管性疾病之一,是工业化地区成人失明的主要原因[1]。到2040年,全球患病率预计将上升到10.4%[2]。作为DR常见的并发症,糖尿病性黄斑水肿(diabetic macular edema, DME)是导致DR患者视力丧失和视力相关生活质量下降最常见的原因[3]。因此,DR和DME的病理生理机制、疾病进程和疗效预后一直是研究热点。既往常用的缺血指数(ischemic index, ISI)、无灌注区面积(nonperfusion area, NPA)等由于图像失真、视网膜血管的变异性等会产生较大的测量误差,影响与疾病相关性的评估[4-5]。近年来,有研究提出了视网膜血管床面积(retinal vascular bed area, RVBA)这一新指标[6]。相较于ISI、NPA等,RVBA可能具有更高的稳定性和准确性。目前,RVBA多用于DR的相关研究中,显示出良好的应用前景[7-10]。因此,本文就RVBA在DR中的研究作一综述,以期为RVBA在各种视网膜血管性疾病中的临床研究提供参考。

1 RVBA概述

视网膜血管的异常通常会影响患者的视力,而视网膜缺血是许多视网膜血管性疾病的重要病理机制之一[11]。过去在评估视网膜周边无灌注区时,使用ISI(视网膜无灌注区面积/视网膜总面积)等比值来量化灌注减少的严重程度,以评估DR和DME的发生和进展[12-18]。但是,由于视网膜是一个具有曲面的三维结构,因此任何二维的视网膜图像都存在失真。因为在将一个三维的对象转为二维的投影时,自然会将图像的外围区域“拉伸”,从而导致图像周边的像素比中心的像素更小[12,19]。在小视野图像(如眼底标准30度图像)中,这种差异通常很小,因此可以被忽略。但在超广角(ultra-widefield, UWF)图像中,这种差异将导致测量结果产生较大误差[12,19]。在这种情况下,ISI的计算误差无法避免,因此其在临床研究中运用的有效性和可重复性受到质疑。

为了解决这个问题,Fan等[6]在2018年首次提出了RVBA的的概念。RVBA是在已经进行过周边矫正的UWF荧光素血管造影(ultra-widefield fluorescein angiography, UWFA)图像中对视网膜血管进行分割,然后计算出的视网膜血管的面积总和[6]。它是通过Optos开发的一项立体投影软件来实现的。这个软件可以在保持视网膜角度的同时生成视网膜的二维UWF图像[12],从而做到在图像中精确测量感兴趣的区域或病变,并将结果以平方毫米输出[20]。RVBA是通过Optos投影软件自动生成的指标[6]。首先需要在血管造影的早期(45″)、中期(2′30″)和晚期(5′)捕获以中心凹为中心的UWF200°FA图像,同时在引导眼位(鼻、颞、上和下)下拍摄每个时期的周边视网膜图像。使用软件将早期造影图像转换为立体投影图像。这种投影技术是通过Optos 200Tx和轴长为24mm的Navarro UWF眼睛模型的组合光学模型对每个像素进行光线追踪来实现的[21]。投影通过保留角度来保持视网膜形状,从而校正UWF图像上的外围失真,保证在二维投影图像上测量的角度与在视网膜上测量的角度相同[12]。并用该软件将4幅引导眼位图像自动拼接到标准图像上,从而得到造影早期所有图像的蒙太奇图像。最后,通过Image J软件对UWFA早期矫正后的蒙太奇图像进行二值化处理,使用Optos的软件将分割出的视网膜血管图像的所有像素相加得到RVBA,结果以平方毫米输出。因此,RVBA是一个自动生成的以平方毫米为单位的绝对值,客观性较强,主要反映视网膜血管的直径和长度这两种变量,提示视网膜血管形态上的细微改变。

由于改进的投影和测量方法,RVBA更能精准地指示视网膜血管床,尤其是周边视网膜血管床的变化,可以用来研究视网膜血管性疾病的主要病理机制。那是否能将此技术应用于ISI等指标的测量呢?Singer等[22]指出,当使用这种方法测量正常人的视网膜时,由于周边血管边界的位置存在一些变异性,并不能得出一个稳定和一致的正常眼视网膜周边血管的范围,影响后续的NPA或ISI等参数的测量。并且在视网膜血管性疾病中,无灌注区可能涉及到远周部视网膜,从而导致远周部血管边界完全消失。由于无法精确测量单个患眼的血管系统的原始生理边界,对NPA或ISI计算会带来巨大且不可接受的误差[4,23]。因此,相对ISI和NPA等指标,RVBA的一致性更好,是更稳定地反映视网膜血管循环的测量指标。已有研究证明,RVBA也许可以作为一个更强大的生物标志物,来弥补上述指标中的缺陷[6]。

2 RVBA在正常眼中的应用

在Fan等[6]对正常眼研究中,将视网膜分为以视盘中心为中心的四个象限:颞上象限、颞下象限、鼻上象限和鼻下象限;还用两个以中心凹为中心、半径为10和15mm的圆将UWFA图像划分为三个区域:后极部(半径为10mm)、中周部(10～15mm)和远周部(>15mm),以评估RVBA在各区域中的分布。整个视网膜的平均RVBA为42.3mm2,颞侧视网膜的RVBA最大,鼻侧视网膜最小。后极部视网膜的RVBA大于中周部和远周部。RVBA与年龄呈负相关,65岁以上受试者RVBA呈减小的趋势。未发现RVBA与性别、眼别、屈光不正、血压或眼压之间有任何关联。这一结果表明,基于UWFA的RVBA也许可以作为一个稳定的生物标志物,在DR等视网膜血管性疾病中得到有效应用。需要注意的是,这种矫正视网膜图像的方法只包含了轴长为24mm的模型眼,所以在轴长更长或更短的眼球中计算出的RVBA数值可能会产生一些测量误差。Min等[24]研究中也证实了这一点。对于轴长为22.56mm的受试者,当投影模型中不结合轴长信息时,其测量的视网膜面积的百分比误差将从1.11%上升到13.41%。而使用结合轴长信息的立体投影技术,则可以更精确地测量视网膜特征。因此,在未来需要对眼底图像进行定量分析的研究中,应该尝试使用结合轴长信息的立体图形投影的算法,以获得更加精确的测量数据。

3 RVBA在DR中的应用

3.1RVBA可反映DR的严重程度DR是一种常见的、威胁视力的视网膜血管性疾病,在糖尿病患者中患病率约为35%[25]。Fan等[7]对62只DR眼进行研究后发现,与正常眼相比,DR眼的视网膜总RVBA更大。既往的研究发现,与非糖尿病患者相比,糖尿病患者的视网膜小动脉和小静脉口径更大;有视网膜病变的患者除了血管直径增加外,动静脉的迂曲程度也增加[26]。在轻度和中度非增殖型DR (nonproliferative diabetic retinopathy, NPDR)中,普遍存在着毛细血管的迂曲、扩张,其它的改变还包括不规则的视网膜血管分支的形成,出现分流血管和毛细血管芽等[27]。DR中的这些微血管病变,包括微血管瘤(microaneurysms, MAs)、视网膜内微血管异常(intraretinal microvascular abnormalities, IRMAs)、静脉串珠、新生血管等,都可能被归入视网膜总RVBA中。因此,与正常眼相比,DR眼的总RVBA增加。但是,DR发生视网膜毛细血管的闭塞是病程发展的必然,将造成视网膜的缺血[11]。从研究结果来看,可能是由于这些微血管病变增加了视网膜血管的总直径和总长度,抵消了无灌注造成的血管减少,最终视网膜总RVBA增加。

然而,与在光学相干断层扫描血管造影(optical coherence tomography angiography, OCTA)中DR眼中心凹周围血管密度降低的这一结果相反[28-29],在以中心凹为中心,半径为3mm的区域内,DR眼的RVBA也较正常对照组增加[7]。这种差异可能是由于RVBA倾向于反映血管形态,而OCTA主要检测血液的流动,并且它只能检测到比0.3mm/s的检测速度更快的血流[30]。在这个区域内发生的微血管病变使DR中的RVBA增加,而在OCTA中血管密度降低可能是由于毛细血管血流速度的减慢以及在OCTA扫描所需的几秒钟内,一些毛细血管段内红细胞的移动刚好发生了间歇性暂停[31-32]。

同时,他们的研究中还报道了RVBA与DR的严重程度相关[7]。增殖型DR(proliferative diabetic retinopathy, PDR)眼的视网膜总RVBA高于NPDR眼,RVBA由56.2mm2增加到66.1mm2[7]。这可能是因为与NPDR相比,PDR中有较多视网膜新生血管形成。有视盘新生血管(neovascularization of the optic disc, NVD)的眼比没有NVD的眼RVBA更大,表明RVBA确实与DR中的血管生成相关[7]。PDR眼的RVBA在后极部比NPDR眼大,但在中周部和远周部两组没有显著差异。这可能是因为PDR中存在大量的无灌注区,且主要位于周边,抵消了该区域中部分血管生成引起的RVBA的增加,因此两组的RVBA在中周部和远周部相似。值得注意的是,研究中排除了有玻璃体积血等可能影响图片质量的PDR眼。由于玻璃体积血会遮挡造影过程中的部分视网膜血管,从而可能导致PDR眼的RVBA降低,并且其降低程度可能随着积血范围的增大而增加,甚至低于NPDR眼。因此,对于能否直接得出PDR眼的视网膜总RVBA高于NPDR眼这一结论应持谨慎态度。并且,随着病程的发展,重度NPDR常常已经开始出现大量无灌注区[17],会抵消一部分由于血管扩张和/或新生血管的形成引起的RVBA的增加,此时重度NPDR的视网膜总RVBA是否仍大于轻、中度NPDR仍有待探索。未来可能需要进一步的研究,对NPDR的各个时期、PDR的早期和发生玻璃体积血后的视网膜总RVBA以及每个时期视网膜不同区域的RVBA分别进行定量评估,使RVBA能更精准地反映DR的严重程度。

3.2RVBA可用于监测DME的发生和进展DME是DR视力损害的主要原因。在糖尿病超过20a的患者中有29%会发生DME[33]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)介导的通路在DME的发病机制中起着重要作用[34]。视网膜血管异常可能是VEGF过表达的原因和后果,直接反映了视网膜的循环状态[35]。因此,视网膜血管形态的变化与DME发生进展之间可能具有潜在的关系。在Fan等[8]一项研究中,与健康对照组相比,DME患者视网膜的总RVBA增加,为54.7mm2,并与黄斑中心凹厚度(central macular thickness, CMT)或黄斑体积(macular volume, MV)呈正相关。研究证实DR在发生DME前,视网膜小动脉和小静脉会出现明显扩张和延长[36]。Kurt等[37]也发现,在患有DME的眼中,玻璃体内和皮下注射曲安奈德都会导致视网膜动脉和静脉的显著收缩,CMT降低。颞侧视网膜的RVBA大于鼻侧视网膜。这可能是因为与鼻侧相比,MAs、IRMAs和新生血管等多发生在颞侧视网膜[38]。

另外,不论是在对DR的严重程度还是在对DME的研究中,均没有发现视网膜的RVBA与NPA或ISI的相关性[7-8]。因此,RVBA可能不能作为指示缺血严重程度的替代指标。这可能也是因为RVBA的增加或减少取决于局部缺血和血管生成之间的“竞争”,而不单单受缺血影响。虽然一些区域发生了无灌注,但RVBA可能由于邻近区域的血管扩张和/或新生血管的形成反而增加。血液供应的补偿抵消了血管的损失,因此RVBA的大小与无灌注的严重程度并不平行。但是,NPA或ISI可能也不是反映DR缺血程度的准确指标。如前所述,在DR等视网膜血管性疾病中,无灌注区可能涉及到远周部视网膜,从而导致远周部血管边界完全消失。由于无法精确测量单个患眼的血管系统的原始生理边界,对NPA或ISI计算会带来巨大的误差[4,23]。另外,DR患者眼中视网膜大部分的氧合/血液供应可能都减少,而不仅仅是无灌注区[39]。因此,RVBA这一新的指标能否更准确地描述视网膜血管的灌注状态,需要在更大队列中进行进一步研究。NPA或ISI的量化方式也需要进一步精进,从而更准确地反映视网膜血管性疾病的缺血程度,监测疾病的发展。

3.3RVBA可用于监测抗VEGF药物治疗的效果多项临床研究表明,抗VEGF药物可以有效地促进PDR患者新生血管的消退和DR严重程度的改善[40-41],在治疗DME方面也显示出良好的视觉效果[34]。Fan等[9]在治疗PDR的研究表明,抗VEGF治疗6mo后,视网膜的总RVBA从67.1mm2下降到43.6mm2,并且在后极部、中周部、远周部均呈现出相似的趋势。VEGF有助于稳定和维持较小的血管的功能,并且它是促进新生毛细血管形成的主要因素[42]。因此本研究中抗VEGF治疗后RBVA的下降可能主要是由于新生血管等微血管病变得到了改善[43]。

在另一项关于抗VEGF药物治疗DME的研究表明,基线时较大的视网膜总RVBA和更差的DME预后之间存在显著相关性[10],并且这种相关性也存在于上方、下方、颞下和鼻上视网膜。如前所述,RVBA增加表示视网膜血管床增加,这可能是由于血管扩张或延长或两者兼之。而DME的发生、发展或消退与血管形态变化之间的确实存在着联系。在发生DME之前,视网膜血管存在显著的扩张和延长[36]。在患有DME的眼睛中单次注射雷珠单抗或贝伐单抗都会显著缩小视网膜血管直径[44]。这些结果表明,RVBA也许可以作为接受抗VEGF治疗的DME的长期解剖结果的独立预测因子。

4 不足与展望

RVBA具有稳定、变异性小、受生理因素影响少等优势;并且图像通过软件进行自动矫正和测量,结果的客观性较强,在研究DR等视网膜血管性病变中具有广大的应用前景。然而,RVBA的研究也有一定的局限性:(1)RVBA的测量技术仍待进一步改善。RVBA的测量基于二值化。由于小直径的毛细血管与背景对比度较低,不能被提取并纳入定量,RVBA的测量主要由较大直径的血管组成,导致结果存在一定的误差。(2)对于RVBA能否作为反映视网膜缺血的新指标,需要在更大队列中进行进一步研究。既往的研究表明RVBA与DR进展中的NPA或ISI无关。这可能是因为RVBA倾向于反映实际的血管形态,而不是血流动力学。虽然某些区域发生无灌注时,但由于相邻区域的血管扩张和/或新生血管形成,视网膜RVBA可能增加。血液供应的补偿反过来减少了一部分无灌注,导致RVBA的大小与视网膜无灌注的严重程度并不一致[7]。(3)虽然与OCTA的指标相比,RVBA有一定程度的优势,但是由于造影是一项有创性的操作,有许多禁忌证及风险,且检查耗时更多,因此其在临床研究中的运用也受到一定的限制。最后,需要更多的研究将RVBA用于视网膜血管性疾病中大血管的改变。目前关于RVBA的研究主要在DR中进行,而DR主要涉及微血管病变。在视网膜静脉阻塞(retinal vein occlusion, RVO)等涉及大血管病变的视网膜血管性疾病中,RVBA的相关研究仍显不足。未来的研究也许可以将RVBA用于非缺血性和缺血性RVO的定量评估,以预测疾病的进展。

目前,RVBA在临床上主要用于DR的研究,它倾向于反映实际的血管形态,其增加或减少取决于局部缺血和血管生成之间的“竞争”。与ISI、NPA等指标相比,RVBA可能具有更高的稳定性和准确性。在未来的研究中,可以尝试使用结合眼球轴长信息的立体投影技术,以获得更加精确的RVBA测量数据。同时,为了使RVBA更精准地反映DR的严重程度,可以对NPDR的各个时期、PDR的早期和发生玻璃体积血后的视网膜总RVBA以及每个时期视网膜不同区域的RVBA分别进行定量评估。另外,RVBA这一新的指标能否更准确地描述视网膜的缺血程度,需要在更大队列中进行进一步研究。总之,作为视网膜血管性疾病背景下的潜在生物标志物,我们期待未来RVBA在DR、RVO等视网膜血管性疾病中提供更多有用的参考价值。