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通过光学相干断层扫描血管成像评估视网膜血管反应性

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DOI：

10.3791/60948

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2020年3月26日

 ,  , 
1Department of Ophthalmology, USC Roski Eye Institute, 2USC Ginsberg Institute for Biomedical Therapeutics, Keck School of Medicine of the University of Southern California

本文内容

摘要

本文介绍了一种在活体人体受试者中测量视网膜血管反应性的方法，该方法采用气体吸入激发技术，在获取视网膜图像的同时施加血管活性刺激。

摘要

研究表明，视网膜的血液供应可通过血管收缩和血管舒张动态适应视网膜的代谢需求。这一过程被称为视网膜血管反应性（RVR），由神经血管耦合机制介导，而在糖尿病视网膜病变等视网膜血管性疾病的早期阶段，该耦合功能即已受损。因此，一种在临床上可行的血管功能评估方法在科研与临床实践中均具有重要意义。近年来，随着光学相干断层扫描血管成像技术（OCTA）获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，现已能够实现对视网膜毛细血管水平血管结构的活体成像。OCTA是一种无创、风险极低且无需染料的血管成像方法，具有毛细血管级分辨率。同时，已有多个研究团队证实了RVR在生理和病理状态下的变化。本文所展示的方法旨在利用OCTA技术研究RVR，且无需对常规临床成像流程或设备进行任何改动。该方法可在高碳酸血症或高氧条件下，实现对视网膜及视网膜血管的实时成像。检查过程简便，仅需两名人员操作，耗时不到30分钟，受试者不适感和风险极小。该方法可适配于其他眼科成像设备，具体应用可根据气体混合物的成分和受试人群的不同而调整。该方法的优势在于，能够在活体人体中对视网膜血管功能在毛细血管水平进行研究。其局限性主要来自OCTA及其他视网膜成像技术本身，包括成像伪影和动态范围有限等问题。该方法所获得的结果为视网膜的OCT和OCTA图像，这些图像可采用任何商业OCT或OCTA设备上可行的分析方法进行处理。然而，该通用方法亦可推广至任何形式的眼科成像。

引言

视网膜的代谢需求依赖于由小动脉、毛细血管和小静脉组成的良好调节系统所提供的充足且持续的氧气供应1。多项研究已表明，可通过多种生理2,3,4,5和药理学6,7刺激在活体中评估人类视网膜较大管径血管的功能。此外，在糖尿病视网膜病变等视网膜血管疾病中，该血管系统的功能异常十分常见，研究表明，即使在疾病最早期阶段，视网膜血管反应性（RVR）也已表现出减弱，这一结论已通过气体激发试验9和闪烁光实验5,10,11得到证实8,9。吸烟等视网膜血管危险因素也已被证实与RVR受损12及视网膜血流异常13相关。这些发现具有重要意义，因为视网膜血管疾病的临床症状通常在疾病进展较晚阶段才出现，而目前尚缺乏经过验证的早期临床疾病标志物14。因此，评估RVR可为早期发现可能引发或加重视网膜变性疾病的异常提供有价值的血管完整性指标。

以往的视网膜血管反应（RVR）实验通常依赖于激光血流仪9或配备特殊滤光片的眼底相机15来获取视网膜图像。然而，这些技术主要针对小动脉16和小静脉15等较粗血管进行优化，而气体、微量营养素和分子交换实际发生的部位并非在此。最近一项研究利用自适应光学成像技术实现了对毛细血管RVR的定量分析17，但尽管空间分辨率有所提高，这类图像的视场较小，且尚未获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床18。

光学相干断层扫描血管成像（OCTA）的近期发展提供了一种经美国食品药品监督管理局（FDA）批准、无创且无需染料的血管造影方法，可用于活体评估人类患者和受试者毛细血管水平的变化. OCTA 在临床实践中被广泛接受为一种有效工具，可用于评估糖尿病视网膜病变等视网膜血管疾病中的毛细血管灌注损伤19，视网膜静脉阻塞20，血管炎21 以及其他许多人22因此，OCTA 为评估毛细血管水平的变化提供了极好的机会，而这些变化可能具有显著的空间和时间异质性23 以及在临床环境中病理变化的检测。我们课题组最近证实，OCTA可用于量化毛细血管水平视网膜血管的反应性2 对吸入氧浓度的生理变化，这是一种视网膜血管收缩刺激16,24，以及作为视网膜血管扩张刺激物的二氧化碳3,5.

本文旨在介绍一种实验方案，使读者能够利用光学相干断层扫描血管成像技术（OCTA）评估较小动脉和毛细血管床的视网膜血管反应性。本方法改编自Lu等人的研究。25 描述了使用磁共振成像测量脑血管反应性的方法。尽管当前的方法是在OCTA成像过程中开发和使用的2它们适用于其他视网膜成像设备，仅需相对简单且明显的修改即可。

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方案

本研究获得了南加州大学机构审查委员会的批准，并遵循《赫尔辛基宣言》的原则。

1. 气体非重复呼吸装置的设置

用于OCTA分析的呼吸实验装置示意图，包含空气控制单元和非重复呼吸单元。
图1：非重复呼吸装置示意图。 整个系统根据功能以及各部分独立操作的频率被划分为三个独立单元，分别为：空气控制单元、非重复呼吸单元和受试者/成像设备单元 请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 装置组装
    1. 通过内径为35 mm的管子（#2；见材料表）和适配器（#2*），将道格拉斯袋（图1，#1）连接至三通阀（#3）的选定进气口端口。该组合如图1所示，称为“空气控制单元”。
    2. 将二通单向呼吸阀（#6）通过橡胶管（#5）和适配器（#4）连接至弯头接头（#7）的呼吸阀口端。
    3. 将弯头接头连接至气体输送管（#8）。该装置包括二通单向呼吸阀（#6）、自制管路（#5）、适配器（#4）、弯头接头（#7）和气体输送管（#8），如文中所述，统称为“单向呼吸单元”。
      注意：尽量减少受试者口腔与二通单向呼吸阀（#6）膜片之间的无效腔体积。
    4. 通过额外的橡胶管（#5）和适配器（#4）（如前所述，可使各部件相互插入），将空气控制单元的三通阀（#3）出口端口连接至单向呼吸单元的二通单向呼吸阀（#6）入口端口。
    5. 用密封胶带包裹所有松动的连接处，确保密封严实。
    6. 将气体输送管（#8）的开放端连接至咬嘴（#9），如图1中的“受试者/成像设备单元”所示。
      注意：此步骤（1.1.6）可推迟至受试者测试即将开始时（步骤3.5）再执行。
  2. 空气控制单元的非重复呼吸气体准备
    1. 若尚未分离，先将空气控制单元从任何自制管路（#5）或适配器（#4）上断开，以实现隔离。
    2. 确保道格拉斯袋（#1）为空；若非空，则将三通阀（#3）置于配置1（如图1所示），从袋远端向进气口端逐步卷起袋子，将其中空气排空。
    3. 用适当的气体混合物填充道格拉斯袋（#1）。
      1. 若仅需进行室内空气非重复呼吸实验，则将三通阀置于配置2（如图1所示），无需填充道格拉斯袋（#1）。否则，请继续执行步骤1.2.3的后续操作。
      2. 使用合适的适配器和管路，将空气控制单元（如图1所示）的三通阀（#3）出口端口连接至装有所需气体混合物的气瓶。使用卡箍适配器将1/8英寸充气管固定在三通阀（#3）的外径上。
      3. 将三通阀组件设置为配置1（如图1所示），使目标气体从储气瓶流入道格拉斯袋（#1）。打开气瓶阀门。
      4. 当道格拉斯袋（#1）充至目标体积（通常为半满）时，关闭气瓶出口，并将三通阀切换至配置2，以将气体密封在道格拉斯袋（#1）内。随后将空气控制单元与用于充气的管路断开。

2. 准备受试者以进行成像

  1. 受试者同意参与研究后，让其坐在OCTA成像设备后方，并向受试者说明检查流程。
  2. 确认受试者的既往病史，确保其不存在可能增加研究参与风险的现有医学状况。
    注意： 已有的心血管或肺部疾病是可能导致受试者被排除在研究之外的风险因素。必须让受试者明确了解，若出现头晕或其他未预料的不适，可随时因任何原因终止检查。
  3. 根据检测方案确定待评估的眼别。为缩短检测时间并减少非重复呼吸气体可能带来的不适，可仅对单眼进行成像。
  4. 若受试者瞳孔直径约为2.5 mm或更小，应考虑散瞳。尽管散瞳并非强制要求，但有助于提高获取高质量图像的可能性。如需散瞳，可分别滴入一滴0.5%盐酸丙帕他卡因滴眼液、1%托吡卡胺滴眼液和2.5%盐酸去氧肾上腺素滴眼液。通常在10–15分钟内达到充分散瞳。

3. 气体激发实验与图像采集

  1. 在OCTA仪器中为患者创建档案。
  2. 佩戴手套。
  3. 使用酒精棉片擦拭OCTA仪器的头部和下巴托架，以对设备进行消毒。
  4. 从无菌包装中取出吹嘴（#9）。
    注意：尽量避免触碰吹嘴，因为该部件会直接接触受试者口腔内的黏膜。
  5. 将吹嘴（#9）连接至气体输送管路（#8）。
  6. 将脉搏血氧仪置于受试者手指上，并开始监测血氧饱和度和脉搏。
    注意：一旦受试者开始吸入目标气体混合物，检查人员应持续监测脉搏血氧仪读数。若受试者血氧饱和度降至94%以下，应出于安全考虑立即停止实验，并观察受试者直至其指标恢复至基线水平。
  7. 调节OCTA设备的高度，使受试者能够轻松地将下巴置于下巴托（#11）上，且无需过度伸展或屈曲颈部。
  8. 将带有吹嘴（#9）的气体输送管路（#8）穿过头部和下巴托架，使吹嘴（#9）朝向受试者，并将管路从待成像眼对侧的仪器一侧绕过。
  9. 将吹嘴插入患者口中。鼓励受试者练习通过非重复呼吸装置呼吸，以熟悉设备。确保受试者进行深呼吸，以促进气体交换。
  10. 为受试者佩戴鼻夹（#10），以确保其通过吹嘴呼吸。
  11. 根据是否采集室内空气暴露或特定气体混合物暴露下的图像，将三通阀保持在配置2或切换至配置1。为便于后续参考，记录气体吸入开始的时间。
  12. 让受试者根据选定成像的眼别，将下巴置于下巴托（#11）的右侧或左侧区域。
  13. 确保其向前移动头部，直至前额牢固接触头托（#11）。
  14. 根据测试方案确定需采集的OCTA扫描图像。本研究中，在吸入气体1分钟后，采集三幅以黄斑中心凹为中心的3 mm × 3 mm图像。
    1. 让受试者保持头部正对前方不动，并注视视野中心的目标点
    2. 在虹膜实时图像中，将扫描区域居中。
    3. 使用左右箭头调节下巴托的前后位置，使虹膜图像聚焦清晰。
    4. 确保黄斑凹陷位于OCT扫描图像的中心，此状态通常默认已满足。
    5. 采集图像。OCTA仪器的扫描过程通常持续数秒。
    6. 扫描完成后查看OCTA图像，确认图像质量是否足够。信号强度应在OCTA制造商提供的10分制评分中达到7分或以上。
    7. 选择保存图像或重新扫描该眼。
    8. 根据需要重复步骤3.14.1–3.14.7，采集多幅扫描图像。
    9. 允许受试者从仪器前稍作后仰。当无需再使用该气体混合物进行眼部扫描时，取下鼻夹（#10）和吹嘴（#9）。
  15. 在开始CO2气体激发实验前，让受试者休息2分钟。
  16. 按照步骤1.2所述，用第一种目标气体混合物（含5% CO2、21%氧气和74%氮气）填充道格拉斯袋。此步骤完成后，三通阀应处于配置2状态。
  17. 按照图1所示及步骤1.1.4所述，将空气控制单元连接至非重复呼吸单元，完成气体非重复呼吸装置的组装。确保所有接头均使用密封胶带密封，保持气密性。
  18. 重复步骤3.9–3.14，但在步骤3.11指示时，将三通阀设置为配置1。
  19. 在CO2气体激发实验后，给予受试者10分钟休息时间，使其生理指标恢复至基线水平。
  20. 在受试者休息期间，按照步骤1.2所述，用100% O2填充道格拉斯袋。
  21. 重复步骤3.17–3.18，以100% O2气体激发条件进行实验。

4. 实验清理

  1. 丢弃装置中的一次性部件：受试者的咬嘴（#9）和鼻夹（#10）。
  2. 使用酒精棉片清洁头托和下颌托（#11）。用消毒湿巾擦拭受试者座椅、OCTA台面及OCTA手柄，以清除任何飞溅的唾液。
  3. 在三通阀（#3）处将装置拆分为基本组件——空气控制单元和非重复呼吸单元。
  4. 由于受试者呼出的空气不应进入空气控制单元的任何部件，因此按照步骤1.2.2排空道格拉斯袋，并将其放置在便于日后取用的位置。如需便于储存，可将洁净硼硅酸盐管（#2）连同接头（#2*）和三通阀（#3）从道格拉斯袋上拆下。至此完成空气控制单元的清洁工作。
  5. 通过断开弯头接头（#7）来移除非重复呼吸单元上的气体输送管路（#8）。将自制橡胶管（#5）和管路接头（#4）从双向非重复呼吸阀（#6）上拆下。然后对弯头接头（#7）进行相同操作，即拆除密封胶带并通过拉拽将各部件分离。
    注意：通过拆解双向非重复呼吸阀以取出内部隔膜进行额外处理，可实现更彻底的清洁。
  6. 为可重复使用部件的清洁准备消毒液浸泡容器
    1. 准备一个足够大的容器，能够完全浸没气体输送管路（#8），并加入适当稀释且充分混合的洗涤型消毒剂。本实验中，将消毒剂与水按1:6425的比例稀释。
  7. 将气体输送管路（#8）、双向非重复呼吸阀（#6）、弯头接头（#7）、自制橡胶管（#5）以及管路接头（#4）全部浸入已配制好的消毒液中，至少浸泡10分钟。
  8. 浸泡结束后取出所有部件，并用清水彻底冲洗。
  9. 将冲洗后的部件置于洁净操作台面上的纸巾上，自然晾干。
  10. 待部件完全风干后，丢弃纸巾，并将所有组件妥善收纳存放。

5. OCTA 数据导出与分析

  1. OCTA 数据导出
    1. 通过将所选的可移动存储设备插入 OCTA 计算机，找到目标受试者及其相应的扫描数据。
    2. 点击导出，在可移动存储设备上创建一个压缩文件夹，其中包含以 .bmp 格式保存的目标受试者数据。
  2. OCTA 数据分析
    1. 在具备进一步图像分析与处理能力的实验室计算机上整理 OCTA 数据。
    2. 使用自定义脚本，通过全局阈值法抑制噪声，并进行额外的特征提取；对 OCTA 图像进行二值化和骨架化处理。
    3. 在后处理图像上计算血管骨架密度（VSD）19,26，该指标为无量纲参数，表示图像中血管的总线性长度，通过以下公式在二值化骨架图像上计算得出：
      VSD 公式，与数据分析或统计汇总相关的数学方程
      其中 i 和 j 表示像素坐标 (i,j)，L(i,j) 表示代表去相关性的白色像素，X(i,j) 表示所有像素，n 表示像素阵列的维度，可假设为 n × n 像素19,26。该公式分母表示像素总数，由骨架图像按公式计算得出，也可视为代表整个图像的物理面积。

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结果

本实验的输出结果包括从脉搏血氧仪获取的手动读数、气体暴露或OCTA扫描的时间记录以及原始OCTA成像数据。OCTA图像由OCT B扫描及其对应的去相关信号组成。数据参数由设备的技术规格决定。实验采用中心波长为1040–1060 nm的扫频光源激光平台OCTA设备，图像横向分辨率为20 µm，光学轴向分辨率为6.3 µm。OCTA数据通常以2D enface格式呈现，如代表性结果图2所示。目前已有多种量化指标可用于在不同受试者及不同实验条件下进行数据比较。代表性指标——血管骨架密度（VSD）与全层视网膜血管造影图一同展示于图2中。当毛细血管因气体暴露发生收缩或舒张时，毛细血管密度也随之改变。与室内空气条件相比，高碳酸血症条件预期会导致VSD升高，而高氧条件预期会导致VSD降低。

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讨论

上述方法描述了一项完整的气体呼吸激发实验方案，可在受控环境中于特定时间点测量受试者的视网膜血管阻力（RVR），且无需对OCTA成像设备进行任何修改，同时使受试者感受到的不适或风险最小化。该实验装置的设计便于根据研究人员的具体需求进行简便调整。例如，可增加额外的管路以适应不同诊室的布局，某些组件（如自制管路或弯头接头）也可省略或替换为其他部件。图1展示了该装置的关键组成部分——空气控制单元、非重复呼吸单元以及受试者/成像设备单元——如何通过一个简单的连接方式相互连接。通过使用道格拉斯袋作为储气装置，可方便地调控气体混合比例。此外，可在装置的多个位置添加辅助监测设备。例如，弯头接头处设有一个可选的采样口，可用于检测受试者呼出气体中的成分（如终末潮气CO2），从而更准确地评估其呼吸状态。该非重复呼吸装置的优势在于其对临床环境和研究需求均具有良好的适应性。尽管本实验采用OCTA成像技术，但该气体实验系统理论上也可与其他成像方式结合使用。

测试过程中气体暴露的顺序可能对避免反应性测量产生偏倚具有重要意义。Tay...

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披露

卡尔·蔡司医疗技术公司已向 AHK 提供了与本文主题相关的资助、设备和资金支持。

致谢

本工作获得了美国国立卫生研究院（NIH）K08EY027006、R01EY030564、UH3NS100614项目以及蔡司医疗技术公司（加利福尼亚州都柏林）的研究资助，同时获得了防盲研究组织（纽约州纽约市）的不限制性部门资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
5% CO2 气体 [5% CO2, 21% O2, 74% N2]（压缩气体）依机构而定（Praxair）
Bacdown 消毒清洁剂Decon Labs8001https://deconlabs.com/products/disinfectant-bdd/
Clean-Bor 管（内径 35 mm）Vacumed1011-108http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&skuid=1197
Douglas 袋充气用袖带适配器Vacumed22254http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343
Douglas 袋（200 L 容量）Harvard Apparatus500942https://www.harvardapparatus.com/douglas-bag.html
肘形接头（内径 19 mm/外径 22 mm），自制改装
指夹式脉搏血氧仪（Pro-Series）CMSCMS 500DLhttps://www.walmart.com/ip/Pro-Series-CMS-500DL-Fingertip-Pulse-Oximeter-Blood-Oxygen-Saturation-Monitor-with-silicon-cover-batteries-and-lanyard/479049154
气体输送管（内径 22 mm），自制改装
气体充装管（1/8" 用于压缩气体）
过氧化氢清洁消毒湿巾Clorox Healthcare30824https://www.cloroxpro.com/products/clorox-healthcare/hydrogen-peroxide-cleaner-disinfectants/?gclid=EAIaIQobChMIk-KG4vi15QIVcRh9Ch0NNwLPEAAYASAAEgJIa_D_BwE&gclsrc=aw.ds
润滑性滴眼液RefreshRefresh Plushttps://www.refreshbrand.com/Products/refresh-plus
手动方向控制阀：三通T型旋塞式（内径 28.6 mm，外径 35 mm）Hans Rudolph2100C 系列www.rudolphkc.com
医用 O2（压缩气体）依机构而定
咬嘴（硅胶，型号 #9061）Hans Rudolph602076www.rudolphkc.com
OCTA 成像设备（PLEX Elite 9000）Carl Zeiss Meditec, Dublin, CA, USAhttps://www.zeiss.com/meditec/int/product-portfolio/optical-coherence-tomography-devices/plex-elite-9000-swept-source-oct.html
盐酸去氧肾上腺素滴眼液，USP 2.5%Paragon Bioteck, IncNDC 42702-102-15https://paragonbioteck.com/products/diagnostics/phenylephrine-hydrochloride-ophthalmic-solution-usp-2-5/
塑料鼻夹，无菌泡沫，CS100Sklar Sterile96-2951https://www.sklarcorp.com/disposables/plastic/plastic-nose-clip-sterile-foam-box-of-100.html
盐酸丙帕他卡因滴眼液，USP 0.5%Bausch + LombNDC 24208-730-06https://www.bausch.com/ecp/our-products/rx-pharmaceuticals/generics
减压阀（依气瓶而定 - 5% CO2：Fisherbrand 多级气瓶减压阀）Genstar Technologies Company10575150https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575150?keyword=true
减压阀（依气瓶而定 - 氧气：Fisherbrand 多级气瓶减压阀）Genstar Technologies Company10575145https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575145?keyword=true
橡胶管（内径 19 mm，外径 27 mm），自制
密封胶带 - Parafilm 包裹膜（2" 宽）Cole ParmerPM992https://www.coleparmer.com/i/parafilm-pm992-wrap-2-wide-250-ft-roll/0672050?PubID=VV&persist=True&ip=no&gclid=EAIaIQobChMInY3vqomz5QIVfyCtBh1VSg64EAAYASAAEgJ9n_D_BwE
无菌酒精消毒棉片MedlineMDS090670https://www.medline.com/product/Sterile-Alcohol-Prep-Pads/Swab-Pads/Z05-PF03816
托吡卡胺滴眼液，USP 1%AkornNDC 17478-102-12http://www.akorn.com/prod_detail.php?ndc=17478-102-12
管路适配器，自制
双向非重复呼吸阀（2600 系列 - 内径 28.6 mm，外径 35 mm）Hans Rudolph2600 系列，UM-112078www.rudolphkc.com

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