总视网膜血流量通过多普勒光学相干断层扫描结合半自动分级软件进行测量。
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摘要
摘要
采用傅里叶域光学相干断层扫描（OCT）系统，通过环绕视神经乳头直径为3.40 mm和3.75 mm的双环形扫描（CDCS）进行非接触式视网膜血流测量。该双同心圆扫描在2秒内连续进行6次。CDCS扫描保存了多普勒频移信息，可用于计算血流。标准临床方案要求进行3次OCT光束通过瞳孔鼻上方边缘的CDCS扫描，以及3次通过瞳孔下方边缘的CDCS扫描。这种双角度方案可确保在至少一次扫描中获得每条视网膜分支血管的合适多普勒角度。通过结合CDCS扫描数据（即视盘区域的三维容积OCT扫描）以及视盘的彩色照片，可获取单眼的视网膜血流测量结果。我们开发了一款名为“视网膜循环多普勒光学相干断层扫描”（DOCTORC）的血流测量软件。该半自动化软件用于测量总视网膜血流量、血管横截面积和平均血流速度。每条血管的血流由血管横截面积内的多普勒频移以及血管与OCT光束之间的多普勒角度计算得出。总视网膜血流量通过对视盘周围静脉的血流求和获得。我们在多普勒OCT读图中心获得的结果显示，不同评估者之间以及不同方法之间的可重复性良好（<10%）。总视网膜血流测量可能在青光眼及其他视网膜疾病的管理中具有应用价值。在青光眼患者中，OCT测得的视网膜血流与视野缺损高度相关（R2>0.57，与视野模式偏差相关）。多普勒OCT是一种新方法，可利用广泛可用的傅里叶域OCT设备快速、非接触且可重复地测量总视网膜血流量。这项新技术可能提高在临床研究和常规临床实践中进行此类测量的实用性。
方案
1. 实验方案正文
- 采用RTVue傅里叶域光学相干断层扫描系统（OCT）（Optovue公司，美国加利福尼亚州弗里蒙特）对患者进行扫描，扫描模式包括围绕视盘的环视盘双环扫描（CDCS）和三维视盘扫描。
- 环视盘双环扫描（CDCS）模式由围绕视神经乳头的两个同心圆组成。内环直径为3.40 mm，外环直径为3.75 mm。该扫描模式穿过从视神经乳头发出的所有分支视网膜动静脉。在单次扫描中，双环扫描重复6次，以覆盖约2个心动周期。为计算血流速度，将在OCT图像中检测到的血管上估算多普勒频移和多普勒信号。（图1a，图1b）
- 采用“双角度”扫描方案获取多普勒OCT图像。在“双角度”方案中，3次扫描通过瞳孔的鼻上部入射，另外3次扫描通过瞳孔的鼻下部入射。
- 每次扫描均需评估其信号强度、运动伪影及多普勒角度。若扫描未通过质量检查，技术人员需重新扫描。每只眼共需完成6次符合质量要求的CDCS扫描。“双角度”方案可确保每条血管至少在半数以上的扫描中获得良好的多普勒角度。
- 三维视盘扫描模式为覆盖视盘周围6×6 mm区域的栅格扫描，仅执行一次，用于获取该区域的详细容积成像图（en face图像）。（图1b）
- 同时导入视盘的彩色眼底照片，以辅助区分动脉与静脉。
图 1a. 使用 DOCTORC 通过包绕乳头双环扫描和三维视盘扫描测量总血流量。
- 多普勒角是指探头光束与血管法向量之间的夹角，多普勒信号是指与探头光束轴向平行的流速分量成正比的多普勒频移。因此，可通过多普勒角和多普勒信号估算流速。然而，当多普勒角和多普勒信号低于噪声水平时，二者均会变得不可靠。另一方面，当多普勒角过大时，多普勒频移将超出可测量范围。当多普勒角适当时（对于本研究中使用的 FD-OCT 系统，约为 5–15 度），即可通过多普勒频移和角度准确估算流速。
图 1b.
- 通过两个同心圆扫描中血管管腔的相对位置测量每条血管的多普勒角。轴向血流速度分量由相邻光学相干断层扫描（OCT）轴向扫描的相对相位所测得的多普勒频移获得。总血流速度由轴向流速分量和多普勒角计算得出。每条血管的血流量通过将总速度分布对血管横截面积进行积分而计算。将血管形态与三维圆盘扫描的 en face 图像及眼底照片匹配，以确定每条血管为静脉或动脉。通过累加大视网膜静脉中的血流量计算总视网膜血流量。 即，那些管腔直径大于 33 μm.
- 使用 RTVue 软件将同一只眼的所有扫描导出为原始数据。原始 OCT 图像（包括多普勒图像和强度图像）首先使用“视网膜循环的多普勒光学相干断层扫描”（DOCTORC）软件进行图像质量检测。
- 通过内界膜的标准差合并值以及通过整体运动估算的两帧之间的最大差异来测量眼球运动。
- 同时计算信号强度（反射率和平均多普勒角的估算值）。
- 根据重复扫描的平均眼球运动和信号强度，将数据分类为“良好”或“较差”质量。仅对高质量数据进行评分。
- 对于可接受的扫描，对每张 OCT 图像应用自动分割算法以检测血管。
- 使用一种匹配血管的自动算法，在每帧中定位相同的血管。对同一圆周上的帧进行配准，并生成内环和外环的两幅平均图像。反射率图像和多普勒图像均进行平均处理。
- 为提供概览，将检测到的血管投影为线段，叠加至由三维视盘扫描计算得到的 en face 视网膜图像上。
- 评分者在内环和外环平均图像的小范围区域上，结合代表自动分割结果的叠加圆圈，对每条血管进行审查。
- 评分者根据 OCT 图像、en face OCT 图像以及同一只眼的视盘照片，判断两条环形图像上血管的位置、血管直径和血管类型（静脉/动脉）是否匹配正确。
- 若认为必要，评分者可修改上述任一数值。评分者还需判断血管内多普勒信号的质量，并为每次扫描的血管标签给出主观置信评分。
- 根据血管区域内的多普勒信号强度，自动为每条血管分配 0–5 的置信评分。随后由评分者根据血管多普勒信号的强度、血管边界规则性、内环与外环血管尺寸的一致性以及内环与外环多普勒频移符号的一致性进行手动校正。
- 在所有血管均经验证和校正后，应用自动算法，采用我们先前发表文献中改进的方法，计算每条静脉的血流量。1
- 对血管区域内的多普勒信号进行积分，然后在所有帧中取平均值。随后将多普勒血流量计算为总和多普勒信号除以多普勒角。
- 对每条血管，评估6次扫描的主观置信评分、多普勒角及多普勒角的变异系数。仅当超过1次扫描通过质量检查时，该静脉的血流量才被视为有效。对于通过质量检查的血管，其血流量在有效扫描间取平均值。
- 对于结果无效的血管，基于血管面积和有效静脉的平均血流速度估算血流量。平均血流速度通过将有效静脉中的总血流量相加，再除以这些静脉的总面积计算得到。血流量的估算始于平均血流速度，随后根据血流速度对血管面积的依赖性进行校正。较大的血管具有更高的平均血流速度。因此，校正依据我们先前报道的平均速度与血管直径之间的斜率（2.13）进行。2
- 将有效静脉的计算血流量与无效静脉的估算血流量相加，以确定总的视网膜血流量。
- 根据有效静脉面积百分比、眼球运动和信号强度对总的视网膜血流量结果进行评估。
- 通过累加血管面积获得静脉面积和总动脉面积。假设总的视网膜血流量在动脉和静脉中相同，通过将总血流量分别除以动脉面积和静脉面积，计算动脉和静脉的血流速度。
2. 典型结果
从青光眼高级成像研究（Advanced Imaging for Glaucoma Study，AIGS，www.aigstudy.net）中选取正常眼和青光眼样本。共48只眼采用“双角度”扫描方案进行检测，并获得通过图像质量检查的扫描图像。使用DOCTORC软件，可从83%的眼睛中获得有效的血流测量数据。
为了评估 DOCTORC 系统的可重复性，另有一组包含 20 只眼的小型数据集由 3 名评估者进行分级。该数据集也用于培训和测试评估者。其中 2 名评估者使用半自动的 DOCTORC 软件，1 名评估者使用先前发表文献中采用的完全手动软件2,3。使用 DOCTORC 软件的两名评估者所确定的全视网膜血流量（表 1）彼此相近，且与使用手动软件的第三位评估者所得结果相似。仅有 65% 的眼睛获得有效结果，原因是部分数据并非基于双角度方案，而是单角度方案2。单角度方案包括 5 次多普勒扫描，其光学相干断层成像（OCT）光束穿过瞳孔中心。因此，多普勒角度通常较小，导致更大比例的血管通常无法进行分级。
对于所有评估者而言，以变异系数衡量的评估者间重复性在青光眼眼和正常眼之间相似（表2）。同样，DOCTORC 方法与手动软件1-5两种方法的重复性测量结果也相似（表2）。对于三位评估者，青光眼眼的总血流量与视野检查的模式标准差之间存在良好的相关性（图2）。
| DOCTORC 软件 手动软件3 | |||
| 条件 | 评估者 1 | 评估者 2 | |
| 正常 | 47.0±9.1 | 48.7±7.2 | 48.0±6.5 |
| 青光眼 | 36.5±5.5 | 36.7±5.9 | 34.9±5.1 |
表1. 使用两种不同软件测量的总视网膜血流量。
| 变异系数 | ||
| 青光眼（7只眼） | ||
| 评估者1 vs. 评估者2 (DOCTORC) | 9.58% | |
| DOCTORC vs. 手动方法3 | ||
| 评估者1 | 8.00% | |
| 评估者2 | 9.74% | |
| 正常（6只眼） | ||
| 评估者1 vs. 评估者2 (DOCTORC) | 5.99% | |
| DOCTORC vs. 手动方法 | ||
| 评估者1 | 8.87% | |
| 评估者2 | 9.98% | |
表2. 全视网膜血流量测量的可重复性。
图2. 青光眼患者总视网膜血流量与视野之间的相关性。a. 评估者1使用DOCTORC软件。视野缺损以模式标准差表示（p=0.048）。b. 评估者2使用DOCTORC软件。视野缺损以模式标准差表示（p=0.032）。
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讨论
青光眼和视网膜血管疾病（如糖尿病性视网膜病变）中会出现血流异常。6-10 视网膜血流量的容积测量可为疾病进程提供有价值的信息。4-6,11,12 DOCTORC 提供了一种实用方法，用于估算总视网膜血流量，该方法基于采用多普勒光学相干断层扫描（Doppler OCT）结合双环扫描模式测量单个血管所得的数据。1-5
在正常眼中，通过多普勒光学相干断层扫描（OCT）测得的平均总视网膜血流量为47–49 μl/min，与使用激光多普勒技术获得的文献值34–65 μl/min相当。13,14 使用新型半自动DOCTORC软件进行的多普勒OCT测量结果，与我们先前发表的手动测量结果高度一致。1-5 DOCTORC测量与手动测量在个体病例中的差异（以变异系数CV衡量）与不同评估者之间的差异相似。这表明差异主要源于评估过程中的主观因素，而非软件本身之间的差异。在手动方法和DOCTORC中，我们仅测量直径大于33 μm的静脉。直径小于33 μm的静脉通常无法通过DOCTORC检测到。这些...
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披露
黄博士从 Optovue 公司获得科研资助、专利使用费、股票期权、差旅资助及讲课费；谭博士和王博士从 Optovue 公司获得专利使用费和科研资助；Koduru 博士和 Sadda 博士从 Optovue 公司获得科研资助。
致谢
本研究由美国国立卫生研究院（NIH）资助项目RO1 013516和Optovue公司资助项目支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| RTVue 傅里叶域光学相干断层扫描仪 | Optovue | 不适用 | 版本 6.1.0.21 或更高，安装有血流双环扫描模式 |
参考文献
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