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BIOMED OPT EXPRESS：利用OCTA在3秒內(nèi)對(duì)視網(wǎng)膜中央凹旁循環(huán)進(jìn)行成像
研究背景
在過(guò)去的十年里，我們見(jiàn)證了光學(xué)相干斷層造影(OCTA)在視網(wǎng)膜成像方面的興起。與熒光素血管造影不同，OCTA不需要靜脈注射染料，而是利用流動(dòng)血細(xì)胞提供的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)對(duì)比。OCTA在幾秒鐘內(nèi)就可獲取數(shù)據(jù)，使其成為常規(guī)眼科臨床測(cè)試的理想選擇。盡管投影偽影是一個(gè)需要后續(xù)校正處理的問(wèn)題，但OCTA的三維模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)分離的視網(wǎng)膜神經(jīng)叢和絨毛膜毛細(xì)血管進(jìn)行深度分辨可視化，并廣泛應(yīng)用于顯示視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)的毛細(xì)血管，為糖尿病視網(wǎng)膜病變以及年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)中新血管形成過(guò)程提供了大量可研究的細(xì)節(jié)，也為患病和健康眼睛提供了毛細(xì)血管灌注或血管拓?fù)涞目闪炕町悺?/div>
在本研究中，研究人員建立了一個(gè)可以在3秒鐘內(nèi)成像視網(wǎng)膜中央凹旁循環(huán)的中間體——中孔徑AO-OCTA。中間NA需要校正相對(duì)較少的高階像差模式，這適用于無(wú)傳感器設(shè)計(jì)。與基于波前傳感器的儀器相比，無(wú)傳感器AO具有幾個(gè)平移優(yōu)勢(shì)。光學(xué)硬件的復(fù)雜性和成本較低，可以省去傳感器、耦合器和許多中繼鏡。光學(xué)設(shè)計(jì)主要基于透鏡而不是反射鏡，因此占地面積進(jìn)一步減小。該系統(tǒng)結(jié)合了視網(wǎng)膜層的實(shí)時(shí)分割，使我們能夠?qū)Ｗ⒂谝暰W(wǎng)膜叢所在的內(nèi)層。這是相對(duì)于以前的波前優(yōu)化機(jī)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，以前的波前優(yōu)化機(jī)制傾向于優(yōu)化對(duì)反射最強(qiáng)的視網(wǎng)膜外層的聚焦。本研究中，研究人員展示了這種無(wú)傳感器AO-OCTA儀器在產(chǎn)生OCTA圖像方面的優(yōu)勢(shì)，它提高了對(duì)比度、信噪比和毛細(xì)血管口徑的可視化，并降低了投影偽影的發(fā)生率。
研究結(jié)果
用OCTA在兩個(gè)儀器上對(duì)來(lái)自11名受試者(35±2歲)的11只健康眼睛的視網(wǎng)膜血流進(jìn)行成像，該受試者具有1至3屈光度的散焦和1至0.5屈光度的散光，成像范圍為2×2mm的FOV，以視網(wǎng)膜中央凹為中心并聚焦在內(nèi)部視網(wǎng)膜上。僅使用AO-OCTA原型機(jī)，這些眼睛也在不同的偏心度(上視和鼻側(cè)中心凹5度)和視場(chǎng)(3×3毫米、1.5×1.5毫米和0.75×0.75毫米)下成像。
因?yàn)锳O-OCTA原型的焦深(58 μm)比視網(wǎng)膜寬度短，所以特定層聚焦對(duì)于保持高質(zhì)量的OCTA(圖6). 如果用于散焦優(yōu)化的品質(zhì)因數(shù)由外部視網(wǎng)膜反射值支配(圖。6(B))，內(nèi)視網(wǎng)膜血流的OCTA將產(chǎn)生低質(zhì)量的正面血管造影照片(圖。6(D))。
圖6 使用無(wú)傳感器AO和實(shí)時(shí)圖像處理分割視網(wǎng)膜層的聚焦層特定優(yōu)化。(a)基于視網(wǎng)膜內(nèi)層的品質(zhì)因數(shù)聚焦產(chǎn)生具有明亮內(nèi)層的橫截面光學(xué)相干斷層掃描圖像。(b)基于整個(gè)B幀的品質(zhì)因數(shù)將焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)外層視網(wǎng)膜及其高度后向散射橢球區(qū)——視網(wǎng)膜色素上皮復(fù)合體。(c)聚焦內(nèi)視網(wǎng)膜優(yōu)化視網(wǎng)膜OCTA銳度。(d)聚焦于外視網(wǎng)膜模糊了視網(wǎng)膜OCTA。視場(chǎng)為3.3×3.3mm。
相對(duì)于商用儀器，AO-OCTA原型顯著降低了投影偽影的發(fā)生率(圖7中的藍(lán)色箭頭)。在中間毛細(xì)管叢ICP(AO-OCT0.45±0.07 vs . Commercial 0.69±0.02，p<0.01)和深毛細(xì)管叢DCP(AO-OCT 0.07±0.04 vs . Commercial 0.35±0.07，p<0.01)中。AO-OCTA儀器在這個(gè)叢上產(chǎn)生了比商用OCTA更高的對(duì)比度(p<0.01)，在圖7中虛線所包圍的區(qū)域中顯示了更高的細(xì)節(jié)。
圖7 與商用儀器獲取的圖像相比，AO-OCTA原型機(jī)獲取的圖像中，淺血管復(fù)合體(SVC)、中間毛細(xì)血管叢(ICP)和深毛細(xì)血管叢(DCP)顯示出更好的對(duì)比度。左上角被放大，以更好地顯示對(duì)比差異。投影偽影明顯減少(例如。由藍(lán)色箭頭標(biāo)記的位置)而不使用任何投影去除后處理算法。兩種儀器的FOV都是2×2mm。
對(duì)于所有偏心率和觀察視野，觀察到ICP和DCP與SVC毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的高毛細(xì)管對(duì)比度和低相關(guān)性(圖8)，包括最有用的臨床標(biāo)志，即。視網(wǎng)膜中央凹旁和視乳頭周圍區(qū)域。
圖8 來(lái)自FOV的OCTA，從離焦0.5屈光度和散光0.25屈光度的眼睛中獲得，在視網(wǎng)膜中央凹上方5度處為0.75×0.75毫米，在視網(wǎng)膜中央凹與視網(wǎng)膜中央凹之間5度處為1.5×1.5毫米，在視乳頭周圍區(qū)域?yàn)?.3×3.3毫米。在淺血管復(fù)合體、中間毛細(xì)血管叢和深毛細(xì)血管叢中觀察到高毛細(xì)血管對(duì)比。OCTA投影偽影的低發(fā)生率在顱內(nèi)壓和擴(kuò)張型心肌病圖像上可見(jiàn)。
AO-OCTA原型測(cè)量的血管密度在所有叢中都有所降低(p< 0.01，表1)。因?yàn)锳O-OCTA的流量信噪比也相當(dāng)高(表1)，血管密度的降低不能歸因于OCTA信號(hào)的降低。較薄的表觀毛細(xì)血管口徑和使用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)降低投影偽影的發(fā)生率相結(jié)合，共同降低了測(cè)量的血管密度。事實(shí)上，AO-OCTA獲得的毛細(xì)管直徑(表2)介于7米和9米之間，這是更接近真實(shí)口徑的值，而商業(yè)儀器在OCTA生產(chǎn)的毛細(xì)管直徑在12-14米之間。
表1.AO-OCTA和商用OCTA的信噪比和血管密度的比較
表 2. AO-OCTA與商用OCTA視網(wǎng)膜叢毛細(xì)血管口徑的比較
平行條帶配準(zhǔn)也可以應(yīng)用于兩次以上的掃描(圖9)。采集軟件的實(shí)時(shí)渲染功能允許操作員等待正確的采集瞬間出現(xiàn)最少量的閃爍和微抖動(dòng)偽像，并獲取實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)。這降低了重疊微掃描的可能性，這對(duì)平行條帶配準(zhǔn)的成功提出了挑戰(zhàn)。
圖9 淺層血管復(fù)合體視網(wǎng)膜血管造影的平行條帶配準(zhǔn)AO-OCTA原型獲得淺血管復(fù)合體(SVC)、中間毛細(xì)血管叢(ICP)和深毛細(xì)血管叢(DCP)的視網(wǎng)膜血管造影平行條配準(zhǔn)，在單次掃描中隨機(jī)觀察到高對(duì)比度和去除投影和暈影偽影。頂部的一行顯示了視網(wǎng)膜內(nèi)部的流量是在單次掃描的RGB顏色方案(紅色SVC流量，綠色I(xiàn)CP，藍(lán)色DCP)。
結(jié)果與討論
本研究中展示了一種高速、光譜域無(wú)傳感器的AO-OCTA儀器，可同時(shí)對(duì)所有視網(wǎng)膜叢的視網(wǎng)膜毛細(xì)血管進(jìn)行高分辨率成像。相對(duì)于商業(yè)OCTA，實(shí)現(xiàn)了中間和深層叢的可視化改進(jìn)。通過(guò)添加平行條帶配準(zhǔn)的后處理運(yùn)動(dòng)校正，AO-OCTA以出色的毛細(xì)血管分辨率提供了視網(wǎng)膜血流的深度分辨和無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影的血管造影照片。
盡管OCTA比熒光素血管造影術(shù)有優(yōu)勢(shì)，但OCTA局限于較小的FOV因?yàn)橛捎谳^短的聚焦深度，自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備進(jìn)一步限制了OCTA的FOV。而文中所述的基于中NA成像的設(shè)計(jì)緩解了這一問(wèn)題，并有可能在單次掃描中實(shí)現(xiàn)極具臨床價(jià)值的FOV，或者通過(guò)蒙太奇部分重疊掃描來(lái)減少更大視場(chǎng)所需的采集次數(shù)。據(jù)估計(jì)，對(duì)于一個(gè)中等NA儀器，研究者可以在高達(dá)2.5毫米的FOV上均勻地補(bǔ)償像差，可將單次掃描FOV提升至典型的AO的4倍以上。
同時(shí)，儀器的另一個(gè)限制是掃描速度。因此選用了250kHz高頻譜域系統(tǒng)，在默認(rèn)的掃描密度(600×600×2)下，可以在大約3秒內(nèi)完成各向同性掃描。
AO-OCTA的一個(gè)好處是減少了投影偽影。這種偽影表現(xiàn)為表面血管網(wǎng)流動(dòng)信號(hào)在下面的毛細(xì)血管叢、外層視網(wǎng)膜和絨毛膜毛細(xì)血管上的投射；阻礙了原位流動(dòng)的可視化。在AO-OCTA中投影減少，因?yàn)殡S著更高的NA實(shí)現(xiàn)更緊密的聚焦，入射光束在前向傳播期間不太可能被表面血管中的移動(dòng)血細(xì)胞顯著干擾。
AO-OCTA分辨率的提高有助于可視化血管畸形，如視網(wǎng)膜內(nèi)微血管異常（IRMAs）、微動(dòng)脈瘤和擴(kuò)張的毛細(xì)血管，這些在目前的商業(yè)OCTA幾乎無(wú)法識(shí)別。IRMAs的存在是早期治療糖尿病視網(wǎng)膜病變研究(ETDRS)用來(lái)確定嚴(yán)重非增生性糖尿病視網(wǎng)膜病變(NPDR)的特征之一。診斷嚴(yán)重階段意義重大，因?yàn)橐荒陜?nèi)發(fā)展為增生性DR的風(fēng)險(xiǎn)為50%。在新生血管性AMD中，AO可以改善OCTA對(duì)脈絡(luò)膜新生血管（CNV）的成像清晰度。此外，AO-OCTA可以提高檢測(cè)微量血流變化的能力，在這種狀態(tài)下，OCTA的毛細(xì)血管口徑可能會(huì)減小，而不會(huì)完全停止流動(dòng)和消失。最后，AO-OCTA還可以實(shí)現(xiàn)息肉狀脈絡(luò)膜血管病變的息肉狀血流成像。
參考文獻(xiàn)：Sensorless adaptive-optics optical coherencetomographic angiography. Acner Camino, Pengxiao Zang，et al., BIOMED OPT EXPRESS，DOI：10.1364/BOE.396829
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