BIOMED OPT EXPRESS：利用OCTA在3秒内对视网膜中央凹旁循环进行成像

研究背景

在过去的十年里，我们见证了光学相干断层造影(OCTA)在视网膜成像方面的兴起。与荧光素血管造影不同，OCTA不需要静脉注射染料，而是利用流动血细胞提供的内在运动对比。OCTA在几秒钟内就可获取数据，使其成为常规眼科临床测试的理想选择。尽管投影伪影是一个需要后续校正处理的问题，但OCTA的三维模型已经实现了对分离的视网膜神经丛和绒毛膜毛细血管进行深度分辨可视化，并广泛应用于显示视网膜脉管系统的毛细血管，为糖尿病视网膜病变以及年龄相关性黄斑变性(AMD)中新血管形成过程提供了大量可研究的细节，也为患病和健康眼睛提供了毛细血管灌注或血管拓扑的可量化差异。

在本研究中，研究人员建立了一个可以在3秒钟内成像视网膜中央凹旁循环的中间体——中孔径AO-OCTA。中间NA需要校正相对较少的高阶像差模式，这适用于无传感器设计。与基于波前传感器的仪器相比，无传感器AO具有几个平移优势。光学硬件的复杂性和成本较低，可以省去传感器、耦合器和许多中继镜。光学设计主要基于透镜而不是反射镜，因此占地面积进一步减小。该系统结合了视网膜层的实时分割，使我们能够专注于视网膜丛所在的内层。这是相对于以前的波前优化机制的另一个优点，以前的波前优化机制倾向于优化对反射最强的视网膜外层的聚焦。本研究中，研究人员展示了这种无传感器AO-OCTA仪器在产生OCTA图像方面的优势，它提高了对比度、信噪比和毛细血管口径的可视化，并降低了投影伪影的发生率。

研究结果

用OCTA在两个仪器上对来自11名受试者(35±2岁)的11只健康眼睛的视网膜血流进行成像，该受试者具有1至3屈光度的散焦和1至0.5屈光度的散光，成像范围为2×2mm的FOV，以视网膜中央凹为中心并聚焦在内部视网膜上。仅使用AO-OCTA原型机，这些眼睛也在不同的偏心度(上视和鼻侧中心凹5度)和视场(3×3毫米、1.5×1.5毫米和0.75×0.75毫米)下成像。

因为AO-OCTA原型的焦深(58 μm)比视网膜宽度短，所以特定层聚焦对于保持高质量的OCTA(图6). 如果用于散焦优化的品质因数由外部视网膜反射值支配(图。6(B))，内视网膜血流的OCTA将产生低质量的正面血管造影照片(图。6(D))。

图6 使用无传感器AO和实时图像处理分割视网膜层的聚焦层特定优化。(a)基于视网膜内层的品质因数聚焦产生具有明亮内层的横截面光学相干断层扫描图像。(b)基于整个B帧的品质因数将焦点对准外层视网膜及其高度后向散射椭球区——视网膜色素上皮复合体。(c)聚焦内视网膜优化视网膜OCTA锐度。(d)聚焦于外视网膜模糊了视网膜OCTA。视场为3.3×3.3mm。

相对于商用仪器，AO-OCTA原型显著降低了投影伪影的发生率(图7中的蓝色箭头)。在中间毛细管丛ICP(AO-OCT0.45±0.07 vs . Commercial 0.69±0.02，p<0.01)和深毛细管丛DCP(AO-OCT 0.07±0.04 vs . Commercial 0.35±0.07，p<0.01)中。AO-OCTA仪器在这个丛上产生了比商用OCTA更高的对比度(p<0.01)，在图7中虚线所包围的区域中显示了更高的细节。

图7 与商用仪器获取的图像相比，AO-OCTA原型机获取的图像中，浅血管复合体(SVC)、中间毛细血管丛(ICP)和深毛细血管丛(DCP)显示出更好的对比度。左上角被放大，以更好地显示对比差异。投影伪影明显减少(例如。由蓝色箭头标记的位置)而不使用任何投影去除后处理算法。两种仪器的FOV都是2×2mm。

对于所有偏心率和观察视野，观察到ICP和DCP与SVC毛细管网络的高毛细管对比度和低相关性(图8)，包括最有用的临床标志，即。视网膜中央凹旁和视乳头周围区域。


 

图8 来自FOV的OCTA，从离焦0.5屈光度和散光0.25屈光度的眼睛中获得，在视网膜中央凹上方5度处为0.75×0.75毫米，在视网膜中央凹与视网膜中央凹之间5度处为1.5×1.5毫米，在视乳头周围区域为3.3×3.3毫米。在浅血管复合体、中间毛细血管丛和深毛细血管丛中观察到高毛细血管对比。OCTA投影伪影的低发生率在颅内压和扩张型心肌病图像上可见。

AO-OCTA原型测量的血管密度在所有丛中都有所降低(p< 0.01，表1)。因为AO-OCTA的流量信噪比也相当高(表1)，血管密度的降低不能归因于OCTA信号的降低。较薄的表观毛细血管口径和使用自适应光学技术降低投影伪影的发生率相结合，共同降低了测量的血管密度。事实上，AO-OCTA获得的毛细管直径(表2)介于7米和9米之间，这是更接近真实口径的值，而商业仪器在OCTA生产的毛细管直径在12-14米之间。

表1.AO-OCTA和商用OCTA的信噪比和血管密度的比较

表 2. AO-OCTA与商用OCTA视网膜丛毛细血管口径的比较

平行条带配准也可以应用于两次以上的扫描(图9)。采集软件的实时渲染功能允许操作员等待正确的采集瞬间出现最少量的闪烁和微抖动伪像，并获取实时呈现的数据。这降低了重叠微扫描的可能性，这对平行条带配准的成功提出了挑战。

图9 浅层血管复合体视网膜血管造影的平行条带配准AO-OCTA原型获得浅血管复合体(SVC)、中间毛细血管丛(ICP)和深毛细血管丛(DCP)的视网膜血管造影平行条配准，在单次扫描中随机观察到高对比度和去除投影和晕影伪影。顶部的一行显示了视网膜内部的流量是在单次扫描的RGB颜色方案(红色SVC流量，绿色ICP，蓝色DCP)。

结果与讨论

本研究中展示了一种高速、光谱域无传感器的AO-OCTA仪器，可同时对所有视网膜丛的视网膜毛细血管进行高分辨率成像。相对于商业OCTA，实现了中间和深层丛的可视化改进。通过添加平行条带配准的后处理运动校正，AO-OCTA以出色的毛细血管分辨率提供了视网膜血流的深度分辨和无运动伪影的血管造影照片。
 

尽管OCTA比荧光素血管造影术有优势，但OCTA局限于较小的FOV因为由于较短的聚焦深度，自适应光学设备进一步限制了OCTA的FOV。而文中所述的基于中NA成像的设计缓解了这一问题，并有可能在单次扫描中实现极具临床价值的FOV，或者通过蒙太奇部分重叠扫描来减少更大视场所需的采集次数。据估计，对于一个中等NA仪器，研究者可以在高达2.5毫米的FOV上均匀地补偿像差，可将单次扫描FOV提升至典型的AO的4倍以上。
 

同时，仪器的另一个限制是扫描速度。因此选用了250kHz高频谱域系统，在默认的扫描密度(600×600×2)下，可以在大约3秒内完成各向同性扫描。
 

AO-OCTA的一个好处是减少了投影伪影。这种伪影表现为表面血管网流动信号在下面的毛细血管丛、外层视网膜和绒毛膜毛细血管上的投射；阻碍了原位流动的可视化。在AO-OCTA中投影减少，因为随着更高的NA实现更紧密的聚焦，入射光束在前向传播期间不太可能被表面血管中的移动血细胞显著干扰。
 

AO-OCTA分辨率的提高有助于可视化血管畸形，如视网膜内微血管异常（IRMAs）、微动脉瘤和扩张的毛细血管，这些在目前的商业OCTA几乎无法识别。IRMAs的存在是早期治疗糖尿病视网膜病变研究(ETDRS)用来确定严重非增生性糖尿病视网膜病变(NPDR)的特征之一。诊断严重阶段意义重大，因为一年内发展为增生性DR的风险为50%。在新生血管性AMD中，AO可以改善OCTA对脉络膜新生血管（CNV）的成像清晰度。此外，AO-OCTA可以提高检测微量血流变化的能力，在这种状态下，OCTA的毛细血管口径可能会减小，而不会完全停止流动和消失。最后，AO-OCTA还可以实现息肉状脉络膜血管病变的息肉状血流成像。

参考文献：Sensorless adaptive-optics optical coherencetomographic angiography. Acner Camino, Pengxiao Zang，et al.,  BIOMED OPT EXPRESS，DOI：10.1364/BOE.396829