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光学相干断层扫描血管造影通过血管密度和正面分割分析动物模型中的角膜血管化

2020年04月24日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:光学相干断层扫描血管造影(OCTA)是一种新颖的非侵入性血管造影技术,最近因其在眼前节成像中的实用性而受到广泛研究。在这项研究中,我们将裂谱振幅去相关血管造影(SSADA)OCTA和光学微血管造影(OMAG SD)OCTA系统与当前的血管造影技术-吲哚菁绿血管造影(ICGA)进行了比较,以评估动物模型中的角膜血管形成。

摘要:光学相干断层扫描血管造影(OCTA)是一种新颖的非侵入性血管造影技术,最近因其在眼前节成像中的实用性而受到广泛研究。在这项研究中,我们将裂谱振幅去相关血管造影(SSADA)OCTA和光学微血管造影(OMAG SD)OCTA系统与当前的血管造影技术-吲哚菁绿血管造影(ICGA)进行了比较,以评估动物模型中的角膜血管形成。方法:使用SSADA OCTA、OMAG OCTA和ICGA对16只兔(每只动物一只眼)在角膜的同一感兴趣区域连续时间点进行角膜血管成像。然后,分析了所有血管密度测量的扫描图像,并使用配对t检验和Bland-Altman图来检验显著性差异。还提取了每个OCTA扫描的正面分割图像,并在每50μm分割处进行匹配,以比较各个深度处的血管密度。结果: Bland-Altman图显示三种成像技术在计算所有血管密度测量值时都有很好的一致性(P>0.05),从临床角度来看,95%的一致性范围是可以接受的。无显著性差异,ICGA与OMAG OCTA比SSADA OCTA系统更具可比性。而且,当比较OCTA系统之间的正面分割血管密度测量值时,可以获得良好的相关值(r> 0.9)。结论:比较两种OCTA系统和ICGA的血管密度定量。对不同深度血管的分割分析表明,两个OCTA系统的相对性能不同。这项研究的意义可能有助于开发更好的眼前段OCTA算法及其在临床转化研究中的应用。


背景:角膜血管化是一种威胁视力的疾病,涉及在炎症、感染、创伤或缺氧反应下,血管在典型的无血管角膜中的病理性生长。它会损害光的传输,促进疤痕的形成并导致持续的炎症,从而影响视力。角膜血管病患者的常规治疗方案和视力损失的预防仍是临床医生面临的一个关键挑战。最近已经尝试针对角膜血管化的分子机制的新型药物疗法。 然而,在任何干预之前和之后,定量评估或客观评估角膜血管形成的能力仍然有限。因此,非常需要一种可靠的成像系统来评估和量化角膜血管形成及其对治疗的反应。


角膜血管形成通常是通过分析裂隙灯生物显微镜拍摄的角膜图像来评估的。然而,它们并不代表角膜血管系统的客观表现,特别是在有角膜疤痕、沉积物或水肿的情况下。吲哚菁绿血管造影(ICGA)和荧光素血管造影(FA)已显示出通过静脉内注射染料来描绘角膜血管和检测角膜血管的面积。其中,ICG(吲哚菁绿)比荧光素更大,结合蛋白更多,在血管中保留的时间更长,可以更好地描绘血管。ICGA也显示出比FA更好的图像质量。然而,这两种血管造影方法只能测量二维的血管区域,并且可能与不良的全身副作用相关。光学相干断层血管造影(OCTA)是一种新兴的眼前段血管诊断工具,它克服了传统技术的局限性,通过无创手段提供三维结构和血管信息。这项技术最近被应用于眼前段的成像,并被认为比传统的成像方式更优越。


但是,自动分割算法的量化和改进仍然是OCTA研究和开发的活跃领域。众所周知,由于在疾病情况下自动分割算法的性能不佳,视网膜OCTA的解剖分割和病理定位较差,因此很难解释。此外,OCTA目前面临方法和技术问题的挑战,例如常规血管造影术中不存在的血管重复,运动伪像和血管不连续性。由于OCTA系统在眼前段的应用尚未实现,因此OCTA的上述缺点预计会导致角膜血管扫描过程中的分割误差增大。


在不同的OCTA系统中,血管造影算法可能在穿透深度和提高精细血管分辨率方面有所不同,这可以提供不同的诊断灵敏度。在将来的研究或临床应用中决定使用何种OCTA系统类型时,此信息可能会很有用。之前,我们比较了角膜血管形成的临床研究系统,并在一个小型的试点研究中评估了人眼血管密度的测量。然而,将这些系统与ICGA进行比较,研究其对动物模型分割的影响仍然是必要的。此外,目前还没有研究比较不同OCTA系统的分割方法。因此,有必要评估和比较OCTA系统用于角膜血管成像的能力和局限性。


OCTA 系统:通常,OCTA系统的工作原理可分为三类:(i)基于OCT信号即复杂信号的幅度和相位的血管造影; (ii)基于OCT信号幅度的血管造影,以及(iii)基于OCT信号相位的血管造影。分裂频谱幅度去相关算法(SSADA)基于OCT信号的幅度,通过使用分裂频谱平均算法增强了OCT信号的信噪比和流量检测。该算法基于将整个OCT频谱分成几个较窄的频带,分别使用这些频带从中计算B扫描间去相关,然后取平均。它的横向分辨率为15 μm,轴向分辨率为3 μm,使用以840 nm为中心、光束宽度为22 μm的光源每秒扫描70000次。另一方面,OMAG OCTA系统同时使用幅度和相位信息作为复合信号来生成血管造影信号,从而对图像血管细节具有更高的灵敏度。它使用改进的Hilbert变换从静态背景中分离出运动的散射信号。该系统的横向分辨率为20μm,轴向分辨率为7μm,采用880nm的光源53000A/s扫描捕获图像。


图像采集:该研究采用12-15周龄,体重2.5-3.5kg的16只临床健康的成年新西兰白兔。在实验之前,对所有动物的两只眼睛进行了常规临床评估和术前眼科检查。我们在已建立的角膜血管形成兔模型中进行了连续的随访成像。每只兔子的右眼在全身麻醉下进行角膜缝合,包括肌肉注射盐酸噻嗪(5 mg/kg)和盐酸氯胺酮(50 mg/kg),并辅以局部麻醉(0.4%盐酸氧丁普鲁卡因)。将10-0不可吸收的尼龙缝合线以倒三角形的方式逐步缝合到角膜上部的基质层,以引导角膜的血管生长。抗生素滴眼液(0.3%妥布霉素滴眼液)在整个随访期间每日两次。在缝合诱导实验后,对缝合眼进行为期两周的随访,观察其角膜血管生成情况。角膜中的新血管从第一周开始生长,并在第二周到达角膜中央。 缝合处保持完整,以防止在疾病模型中中断或去除血管生长诱导因子。


在整个随访期内,每周两次在麻醉情形下用裂隙灯(SLP),OMAG OCTA,SSADA OCTA和ICGA对兔眼角膜进行成像。 之后,处死兔子进行组织学研究。


使用数字裂隙灯相机在标准漫射照明下捕获彩色SLP图像。图1在第1周和第2周在相同感兴趣区域的时间点期间拍摄的具有代表性的OCTA图像。从两个系统的每个OCTA中提取在角膜B扫描每50μm处分割的相同代表性图像,并进行比较,如图2所示。SSADA系统中的分割算法是基于黄斑B扫描层分割的,而OMAG OCTA分割是基于为研究目的而开发的自定义并行层分割的。

在(a)第2周和(b)第1周随访成像时拍摄的OCTA扫描的代表性示例。在第2周的时间点(图1a)和第1周的时间点(图1b)拍摄的OCTA图像示例,用全角膜横截面分割比较SSADA OCTA(左)和OMAG OCTA系统(右)。与OMAG OCTA相比,SSADA OCTA具有更高的图像质量性能。SSADA B扫描中突出显示的红色区域表示与正面图像中水平绿色线标记的横截面相对应的血流量。 确认角膜血管存在于基质层深处。

正面OCTA分割图像的比较。图示了对于图1a中在第2周随访时间点成像的OCTA图像,在SSADA OCTA系统中每50μm深度处对OMAG OCTA系统执行的正面和相应的横截面分割。图1b在第1周的随访时间点的类似分割图如图2c所示,使用SSADA OCTA,图2d使用OMAG OCTA。SSADA横截面B扫描中的分割线标记为绿色,而OMAG B扫描中的分割线则标记为红色。 如图2a和c所示,从表层投射的SSADA OCTA在较深层分割的正面图像中存在血管。


图像处理:使用MATLAB R2017b执行所有图像处理,类似于先前描述的技术。来自SSADA系统的OCTA图像是从OMAG系统以便携式网络图形和位图图像文件格式提取的。

裂隙灯摄影(SLP),吲哚菁绿色血管造影(ICGA)和光学相干断层扫描(OCTA)的说明性示例。(a) SLP,(b)ICGA,(c)OMAG OCTA和(d)SSADA OCTA图像在第2周的时间点在兔角膜的相同ROI上成像。


结果:总体而言,比较两种OCTA技术和ICGA的血管密度值总体上显示出一致性。 使用配对t检验,表明SSADA OCTA和OMAG OCTA,SSADA OCTA和ICGA以及OMAG OCTA和ICGA之间的测量比较没有显著差异并且具有良好的相关值。


结论:在这项实验研究中,我们比较并验证了两种OCTA系统与ICGA在动物模型中描绘角膜血管的效果。两种系统的总血管密度测量结果均与ICGA技术相当,在同一区域的角膜血管形成区域,ICGA和OMAG OCTA之间的差异小于ICGA和SSADA OCTA系统。两种系统的正面分割分析显示,相对于OMAG OCTA,SSADA OCTA在浅层血管造影层中低估了血管密度,而在深层血管系统中,OMAG OCTA低估了血管密度。需要进行进一步的研究以验证OCTA系统与组织学之间的差异,比较可重复性评估并使用针对角膜的分割算法。将OCTA与其他已建立的成像技术一起评估为多模式平台,将为我们提供更好的理解,以正确评估角膜和眼表疾病的血管系统。这将使OCTA作为一种更精确、更有效的角膜诊断方法进入临床实践。

原文出自:https://rd.springer.com/article/10.1186/s40662-018-0128-8

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