虹膜成像的研究進展

沈錦琰 陳萱 龔學春 黃晴予 武志峰

虹膜在前房生理學中具有多種作用,包括調節瞳孔大小和進入眼內光線的數量、改變房水流量以及平衡前房免疫系統。病理條件下虹膜形態的變化可以提供診斷依據,此外,虹膜結構與動態特征與閉角型青光眼發病機制相關。然而相對于虹膜結構的重要性,其形態學研究卻很少。近來,前節相干光層析成像術(anterior segment optical coherence tomography,AS-OCT)的出現提供了非接觸式、快速成像眼部結構的方法,已成為評估眼前節的關鍵技術[1],在評估虹膜形態變化方面也取得了長足的進步[2]。在過去幾十年里,人們提出了不同的成像方法來研究虹膜血管,其中熒光素血管造影(fluorescein angiography,FA)和吲哚青綠血管造影(indocyanine green angiography,ICGA)是客觀評估虹膜血管的傳統方法,但存在風險。相干光層析血管成像術(optical coherence tomography angiography,OCTA)是一種專門為眼后段開發的新興成像技術,可以在不使用任何靜脈染料的情況下快速捕獲眼內血管圖像,隨著其進一步發展,目前已應用于前節[3],多位研究者探索了OCTA在健康眼和病理條件下虹膜成像的可行性[1,4]。然而,由于現有的OCTA缺乏前節專用的眼部跟蹤系統與完善的圖像處理軟件,仍存在運動偽影與分割誤差等局限性,我們期待通過內部軟件的不斷優化能夠實現更好的虹膜自動分割,探索新的OCTA指標為臨床評估提供實用價值。本文簡要概述了虹膜結構的特點,總結了現有成像技術的應用和局限性,其中重點討論了OCT和OCTA技術在虹膜成像中的優缺點和未來發展方向。

一、虹膜解剖組織學

掌握虹膜解剖組織學及其血管系統的特點,對于準確評估虹膜圖像至關重要。虹膜位于角膜和晶狀體之間,將眼睛分隔成前房和后房。距瞳孔緣1.5 mm處有一環形鋸齒狀隆起,即瞳孔領,它是虹膜最厚的區域同時也是虹膜小環所在之處,其將虹膜劃分為兩個區域:瞳孔區為靠近瞳孔邊界的內部區域;睫狀區為延伸至睫狀體的外部區域。虹膜前表面有許多深淺、大小、形狀不等的凹陷隱窩和放射狀血管形成的皺褶也稱為虹膜紋理。由于虹膜的黑色素細胞和膠原纖維數量因人而異,因此不同種族人群會表現出不同的虹膜表面特征,例如白種人群中更常見Wolfflin結節、唐氏綜合征患者可見刷樣斑點[5]。

虹膜的組織結構由前表面、基質、括約肌、開大肌和前后兩層虹膜色素上皮構成。括約肌以同心圓的方式環繞瞳孔分布,它由一層薄薄的結締組織與虹膜前表面相連,其收縮導致瞳孔縮小;開大肌從瞳孔緣到虹膜根部呈放射狀排列,其收縮會增加瞳孔直徑。后色素上皮層的細胞含有大量黑色素顆粒,并向前延伸使瞳孔領鑲有一窄黑色環。但虹膜的顏色主要取決于基質中色素細胞的數量,因為后色素上皮層中的色素是相對恒定的。

虹膜主要是由睫狀后長動脈和睫狀前動脈的分支供應,它們在虹膜根部吻合,形成一個連續的血管環,稱虹膜動脈大環。位于虹膜基質層內的許多動脈細支從虹膜動脈大環發出,經睫狀區呈放射狀到達瞳孔緣,在瞳孔領處發出許多小支并改變方向呈環形走行,形成虹膜小環,大多數折回形成靜脈,最后匯入渦靜脈[6]。

二、虹膜前節光學相關斷層掃描

OCT最初是為了提供視網膜和視神經等后節橫截面圖像才開發的,直至1994年Izat報道了第1例使用OCT評估前節的圖像。AS-OCT能夠可視化包括虹膜在內的前節結構并進行分析。對比舊的成像技術,OCT的出現開啟了虹膜形態分析的新紀元,為健康受試者和患者的虹膜評估提供了無創、可靠的成像技術,幫助識別虹膜形態的病理變化,從而幫助醫生診斷及追蹤疾病。

1.健康眼的虹膜AS-OCT 最近一項基于OCT的健康眼虹膜形態學分析顯示了虹膜厚度的扇形變化模式[7]。同時另一項虹膜360度形態研究報道了虹膜厚度、寬度及體積等形態參數因眼部區域、虹膜顏色、年齡和性別而異[8]。在兒童群體中,Nagata等[9]發現虹膜厚度會隨著年齡及其他眼部結構而增長,這有助于增加對眼部結構發育的理解。

利用AS-OCT測得的虹膜表面特征(如虹膜隱窩、紋理和顏色)與虹膜厚度、體積密切相關[10,11],這些發現可能為基于虹膜以預測閉角型疾病的風險提供另一種方法。有趣的是,AS-OCT還可以分析虹膜的幾何形狀。Shuster等[12]報道具有凹型虹膜結構的眼睛大多來自近視眼且不存在于遠視眼,猜測虹膜結構特征可能與近視有關,這豐富了對近視病理生理學的認識,有助于識別近視的危險因素。

2.前葡萄膜炎的虹膜AS-OCT 虹膜厚度的改變經常被報道為前葡萄膜炎的典型征象。在Fuch’s葡萄膜炎中,除異色癥外,彌漫性虹膜萎縮也很常見,并認為是正確診斷的關鍵,一些研究人員通過AS-OCT測量的虹膜厚度來試圖定量研究這些萎縮性變化,研究表明受累眼的虹膜隱窩變淺進而表面光滑度增加[13]。最近Zarei等[14]提出了“平滑度指數”的自動算法,允許檢查者快速方便地測量AS-OCT圖像中的虹膜表面光滑度,這一指標為正確診斷Fuch’s葡萄膜炎尤其在沒有異色癥的情況下提供了有力證據。

3.青光眼的虹膜AS-OCT 已知虹膜的結構和動態特征在原發性閉角型青光眼(primaryangleclosureglaucoma,PACG)的發病機制中發揮重要作用。據報道,虹膜厚度、曲率和面積的增加與房角閉合相關[15]。新近的一項研究表明虹膜厚度可以區分急性與慢性PACG,前者的周邊虹膜更薄[16]。AS-OCT的出現也為虹膜高褶型青光眼的診斷提供了一種無創簡單的工具,大約三分之一的PACG患者會出現虹膜高褶,而距鞏膜突750 μm的虹膜厚度是與高褶型虹膜顯著相關惟一變量[17]。此外,AS-OCT還可作為追蹤PACG的工具,它能夠檢測周邊虹膜切開術后前房角和虹膜的變化[18]。

4.虹膜腫瘤的AS-OCT 由于虹膜色素上皮層對光源的吸收,AS-OCT在較大或色素腫瘤中存在陰影效應,無法顯示腫瘤病變后邊界,使其在臨床檢查中常常不作為首選。但OCT作為一項非接觸式檢查,可以成為診斷小的非色素性虹膜腫瘤的替代方案[2]。另外,OCT可用于研究虹膜囊腫的結構以及囊腫與前房角的關系,對虹膜囊腫的診斷具有重要價值[19]。

5.虹膜AS-OCT的局限性及挑戰 盡管AS-OCT具有諸多優點,但仍存在一些成像技術上的錯誤和偽影,精準的AS-OCT成像需要滿足一些要求,如控制瞳孔大小、光源的距離以及清晰識別Schwalbe線下的虹膜前表面,不然都會影響后續的虹膜評估。此外,由于目前還不能清晰識別虹膜前表面,AS-OCT仍無法準確評估Schwalbe線下的虹膜周邊厚度和開角距離[20]。

三、傳統虹膜血管成像

1.虹膜熒光素血管造影 早在20世紀60年代末,熒光素血管造影被應用于臨床眼科,不僅成為了觀察視網膜疾病的有力工具,還加深了我們對眼前段以及虹膜血管解剖的了解。1978年,Hayreh等[21]研究了42只正常眼的虹膜FA(iris FA,IFA),與視網膜血管造影不同,IFA表現出更為復雜的模式,其染料充盈的過程存在個體差異,而這種生理性變化可能會被誤解為是病理性的。虹膜瞳孔周圍區域的血管充盈往往比虹膜根部慢得多。染料首先從虹膜根部開始充盈,然后呈放射狀分布,因此IFA的動脈期很容易辨認,但IFA的靜脈期通常與動靜脈期合并,因此無法識別出明顯的靜脈期。另外,虹膜各個部位的充盈速度是不規律的,可以觀察到鼻側最先充盈,顳側最后充盈。此外,還可以觀察到虹膜皺褶與瞳孔邊緣之間存在密集的毛細血管叢。目前臨床上IFA最主要應用于虹膜新生血管(irisneovascularization,NVI)的早期檢測、虹膜腫瘤的監測以及糖尿病患者白內障術后追蹤[21]。在缺血性或增殖性視網膜病變中,患者往往合并虹膜紅變,且視網膜缺血程度與NVI的嚴重程度之間存在顯著的相關性。當屈光介質明顯渾濁的患者在無法辨別眼底的情況下,鑒于視網膜病變和虹膜病變之間的密切關系,IFA可提供間接但可靠的信息。此外,IFA可以直接可視化虹膜腫瘤的血管網絡及其與虹膜血管形成的關系。盡管IFA在臨床實踐中并不常用,但它是客觀評價虹膜血管形態,定性分析虹膜損傷的有效方法。

2.虹膜吲哚青綠血管造影 吲哚青綠(indocyaninegreen,ICG)在790～850 nm處有吸收峰,并在825～835nm處產生熒光,由于在此紅外范圍內只有10%的光被吸收,因此虹膜ICGA(irisICGA,IICGA)受虹膜色素影響較小,目前已被應用于揭示虹膜血管和血流動力學的特征[22]。整個IICGA過程一般需要5～10 s,首先從虹膜根部開始,與IFA相似,虹膜各個部位充盈速度不等,通常先充盈鼻部,其次是顳部,上下部充盈于鼻顳部的中間期。放射狀動脈血管以不完整的環狀結構連接于瞳孔邊緣,作為虹膜的小動脈環。相對于IFA,IICGA具有更好的色素上皮穿透性,不受虹膜顏色的影響,并且ICG作為血管內蛋白結合分子,可減少滲漏的發生,精確評估虹膜缺血再灌注。Parodi等[23]研究分析了IICGA在檢測假性剝脫綜合征中虹膜微血管變化的作用,結果顯示IICGA可以更好地顯示虹膜低灌注和吻合血管,而IFA檢測NVI更清晰。但當虹膜色素豐富或血管滲漏明顯時IICGA比IFA更清晰地顯示NVI的形態特征、分布范圍,對NVI的早期診斷提供更有力的證據[24]。

3.傳統虹膜血管成像的局限性 由于會發生染料相關的不良反應,包括胃腸道副作用和過敏性休克,而且孕婦或肝腎功能受損的患者也無法行IFA和IICGA,因此這類侵入性檢查在臨床上很少應用。其次,虹膜血流循環是三個眼部循環系統(視網膜、脈絡膜、虹膜)中最慢的,這意味著傳統虹膜血管造影需要更多的時間[23]。值得注意的是,由于ICG在虹膜血管中流動和代謝速度很快,若想準確比較疾病或治療前后虹膜血管的微小變化,需要研究者保證觀察時間點高度一致,而這在實際操作中很難做到[23]。最主要的是在操作過程中,看似模糊的虹膜血管常常會給人一種滲漏的錯覺,只有熟練的技術人員才能清晰辨認異常血管。

四、虹膜光學相關斷層掃描血管成像

隨著OCT過去10年的不斷發展,OCTA的眼血管成像技術已經問世,它無需靜脈注射染料即可評估組織從形態到功能的研究,在臨床上主要用于視網膜、脈絡膜和視神經等眼后段的血管成像[25]。直至最近幾年,OCTA才被應用于眼前段,AS-OCTA同時開發了用于提高速度和圖像分辨率的成像技術和評估血流的定量指標,與傳統血管造影相比,AS-OCTA以非侵入性和無染料的方式快速獲取圖像,避免了染料相關的潛在風險;其次,OCTA可以生成不同層面的高分辨率橫截面圖像,從而對不同深度的血管進行可視化[26]。目前,大多數AS-OCTA研究集中于角膜和結膜疾病,已經證實OCTA是評估角膜血管系統的有力工具,能夠在角膜渾濁等情況下捕獲裂隙燈無法檢測的細微血管異常、周邊角膜血管化[26]。然而,OCTA在虹膜中的應用還非常有限,這主要是由于現有設備的技術限制。

1.虹膜OCTA可用的設備和算法 OCTA利用相位差異、信號幅度差異或連續B掃描中OCT信號的變化來檢測血流,目前市面上已有幾種OCTA儀器,但用于研究虹膜血管系統的只有少數,并且這些儀器的OCTA算法主要評估眼后段,缺乏專門評估眼前節血管的掃描系統。其中分頻幅去相關血流成像(RTVue-XRAvanti,Optovue)[27,28]、光學微血管造影(PLEX Elite 9000,Carl Zeiss Meditec)[29,30]、OCTA比率分析(DRITriton,Topcon)可作為獲取虹膜OCTA圖像的算法。這些不同的系統在掃描速度、掃描區域、分辨率及運動校正、去偽影和自動分割的內部軟件也有所不同。對于大部分OCTA設備,由于焦點不匹配的問題,需要專用的前節鏡頭來成像虹膜[1],但也有報道稱不安裝前節鏡頭即可使用視網膜OCTA軟件來成像虹膜[31]。若安裝了制造商提供的前節鏡頭仍無法捕獲前節OCTA圖像時,可以安裝補充鏡頭并用3D打印機制作一個鏡頭支架將其固定在適當的位置[3]。但無論是否安裝前節鏡頭,都需要操作者手動將儀器的焦點移動到檢查組織的水平。

2.虹膜OCTA的臨床應用 幾位研究者使用OCTA對健康眼的虹膜血管進行研究,其中虹膜色素沉著和瞳孔大小是影響虹膜血管可視化的因素[1,4]。據報道AS-OCTA可成功描繪繼發于視網膜血管阻塞或增殖性糖尿病視網膜病變的異常虹膜血管以早期發現NVI[32],用于檢測臨床上不明顯的NVI以及抗VEGF治療后NVI的消退,以研究發生NVG等并發癥的風險以及是否需要青光眼手術或經鞏膜睫狀體光凝術等手術干預[30]。此外,AS-OCTA已被證明可用于測量活動性葡萄膜炎期間的虹膜血管擴張和血流增加,這意味著虹膜血管口徑可能是量化前房炎癥和監測治療反應的另一種客觀指標,進一步增加AS-OCTA成像在葡萄膜炎和相關鞏膜炎或鞏膜外層炎的的應用價值[33]。其他潛在的臨床適應癥包括區分虹膜痣、虹膜囊腫和黑色素瘤[34],或在隨訪期間監測虹膜腫瘤的生長和血管分布[31]。雖然在高度色素沉著的病變和非常厚的腫瘤中無法顯示全部血管,但已經證明了OCTA可視化黑色素細胞瘤及其血管分布的能力[31]。也有研究報道在進行復雜的斜視或環扎手術前后使用虹膜AS-OCTA能夠確定眼前節缺血的風險[27,29]。最新的一篇研究稱OCTA測量的虹膜微血管的數量變化可能預示近視的發展[35]。

隨著成像技術的不斷改進,新近的掃頻OCTA(sweptsourceOCTA,SS-OCTA)已應用于臨床,它采用可調諧濾波器來實現波長掃描光源,其顯著優勢在于采集速度更快、深度分辨率更高、穿透性更強。與光譜域OCTA(spectraldomainOCTA,SD-OCTA)相比,SS-OCTA中使用的更快的速度和更長的波長有助于在角膜水腫、角膜渾濁或厚虹膜眼中捕獲更好的虹膜血管圖像[1]。值得注意的是,SS-OCTA系統還能夠基于不同顏色來區分虹膜深淺血管的分布,這可能有助于研究者區分基質表面的異常NVI與正常血管[1]。但目前,SS-OCTA的前節應用并不普遍。

3.虹膜OCTA的局限性與挑戰 如前所述,OCTA系統主要用于眼后段成像,若要將其應用于前節首先需要調整OCTA算法并使用眼前節適配鏡頭,由于這些系統的內部軟件針對后段進行了校準,因此AS-OCTA可能會出現分割誤差而影響后續的血管密度計算。其次,當前的OCTA系統只有專門為后段設計的眼部跟蹤系統,將其應用于前節會引起運動偏差,若在掃描過程中發生眼球運動會導致血管中斷從而影響圖像質量。雖然目前圖像處理軟件有助于解決這一難題,但未來仍需要開發專門的眼前節跟蹤系統,因為它能夠顯著減少運動偽影,進而提高圖像質量[36]。第三,OCTA掃描可見血管的數量與虹膜色素沉著呈負相關,因此對高色素沉著的虹膜或致密的虹膜腫瘤進行清晰的成像仍然是一大難題[31]。AS-OCTA成像是一個新領域,仍有許多挑戰需要克服,隨著掃描速度的提升和內部軟件的優化,用于虹膜成像的OCTA將很快成為現實。

五、虹膜成像的總結與展望

隨著無創性成像技術的發展,人們對虹膜結構和血管及其臨床意義的認識也在不斷加深。AS-OCT的出現開啟了虹膜形態分析的新紀元,幫助我們識別虹膜形態的病理變化。目前評估眼前段血管系統的金標準是虹膜血管造影(包括IFA和IICGA),但這種傳統的造影方法是侵入性的且需要熟練的操作技術,臨床上并不常用[21]。AS-OCTA可以快速、非侵入性地成像虹膜血管系統,生成高分辨率橫截面圖像并對不同深度的血管進行可視化,大大提高了我們對虹膜血管在糖尿病性視網膜病變[32]、葡萄膜炎等[33]疾病發病機制中作用的理解,并對治療方案的制定具有一定的指導意義。然而,還需要進一步的研究來探索虹膜OCTA的優勢、局限性以及不同OCTA系統用于掃描虹膜血管之間的差異。AS-OCTA是一個新的成像領域,仍需要開發新的虹膜OCTA軟件以及專門的眼部跟蹤系統來減少運動偽影從而實現更好的虹膜自動分割。