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。
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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。
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。
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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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

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。
2. 准备受试者以进行成像
3. 气体激发实验与图像采集
4. 实验清理
5. OCTA 数据导出与分析

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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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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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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。
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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