滕植鑫 施策 沈梅曉 朱德喜

作者單位：溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院 325000

青光眼是不可逆性盲的主要世界性難題。據(jù)WHO報(bào)告顯示：2020 年，全球青光眼患者將達(dá)到8 000萬(wàn)，其中我國(guó)將高達(dá)2 200萬(wàn)[1]。中國(guó)是青光眼發(fā)病的極高危國(guó)家[2]。

在青光眼進(jìn)展期間，特別是開(kāi)角型青光眼（POAG），前房角的病理變化逐漸發(fā)生[3]。因此，在POAG的早期階段，前房角房水流出通道的閉合通常是無(wú)痛且無(wú)癥狀的[4]。眼壓通常在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是正常的[5]。因此，早期對(duì)前房房水流出通道進(jìn)行在體評(píng)估測(cè)量可以為POAG患者視神經(jīng)的保護(hù)監(jiān)測(cè)提供新的思路[6]。

目前，房角鏡檢查是評(píng)估房角的金標(biāo)準(zhǔn)。但這是一種主觀技術(shù)，可重復(fù)性不高，且對(duì)臨床醫(yī)師的技術(shù)操作、臨床經(jīng)驗(yàn)要求較高[7]。隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高頻超聲生物顯微鏡（Ultrasound biomicroscopy，UBM）和前段光學(xué)相干斷層成像（Anterior segmentopcical coherence tomography，AS-OCT）憑借較高的圖像采集速度、分辨率、靈敏度，可以很好地對(duì)角膜、虹膜以及虹膜角膜角進(jìn)行成像[8，9]。但由于房角內(nèi)流出通道還包含有小梁網(wǎng)、Schlemm's管等結(jié)構(gòu)[10]，其中小梁網(wǎng)為房角的前壁，精細(xì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有篩網(wǎng)的作用。Schlemm's管位于角鞏膜的深部，呈環(huán)狀管，是房水的排出管[5]。目前的AS-OCT中光線是經(jīng)鞏膜入射，由于鞏膜對(duì)光線的散射，使其對(duì)房角的成像存在固有的缺點(diǎn)，即房角內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)一般是無(wú)法在OCT的圖像中看到[11]。至今，仍然沒(méi)有一項(xiàng)成熟技術(shù)可以對(duì)房角內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像，這也是POAG患者的測(cè)量盲區(qū)。

為此，本研究開(kāi)發(fā)并搭建了中心波長(zhǎng)為1 310 nm的掃頻光學(xué)相干斷層成像（SS-OCT），并且基于房角傳輸?shù)睦碚?，在SS-OCT光學(xué)探頭處加入房角鏡，使得紅外光從透明的角膜處入射房角。希望通過(guò)該技術(shù)可以對(duì)虹膜角膜角進(jìn)行內(nèi)部細(xì)節(jié)的成像，為患者提供新的客觀定量的影像輔助檢查手段。

1 對(duì)象與方法

1.1 基于房角鏡的SS-OCT的光路設(shè)計(jì)

SS-OCT是利用干涉的原理進(jìn)行成像，由掃頻光源發(fā)出紅外光線，經(jīng)分光器分別入射到樣品臂和參考臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)人眼不同位置結(jié)構(gòu)的成像[12]。但是，樣品臂光路對(duì)眼球房角內(nèi)的小梁網(wǎng)、Schlemm's管進(jìn)行成像時(shí)，SS-OCT的光路會(huì)被鞏膜散射，到達(dá)房角內(nèi)的能量將大大降低，影響房角內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)的反射成像[13]。除此之外，由于角膜全反射的存在，紅外光很難通過(guò)透明的角膜進(jìn)入到房角深處，因此單純靠SS-OCT無(wú)法對(duì)房水流出通道進(jìn)行準(zhǔn)確成像。

本研究啟發(fā)于臨床眼科房角檢查時(shí)，利用房角鏡消除了光路在角膜處發(fā)生的全反射，將裂隙燈顯微鏡的光路反射或折射入房角，對(duì)房角平面進(jìn)行顯像[5]。SS-OCT的光路也與裂隙燈顯微鏡相同，實(shí)驗(yàn)借助房角鏡將1 310 nm的紅外光反射或折射入房角，對(duì)眼球房角內(nèi)的橫斷面包括小梁網(wǎng)、Schlemm's管進(jìn)行成像。

1.2 G-OCT的開(kāi)發(fā)搭建

圖1.Gonioscopic OCT（G-OCT）掃描光路設(shè)計(jì)示意圖房角OCT光路的設(shè)計(jì)原理以及創(chuàng)新。A：添加房角鏡以允許紅外光進(jìn)入房角的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；B：在參考臂增加一個(gè)鏡頭，補(bǔ)償房角鏡加入后樣品臂增加的光程；C：添加監(jiān)視器使房角鏡OCT的使用更加便捷Figure 1.Schematic design of the gonioscopic OCT scanning optical path:Innovation of the G-OCT optical path.A:Adding gonioscopic to allow infrared light to enter the internal structure of the corner.B:Adding a lens to the reference arm to compensate the angle of the corner lens to the optical path of the sample arm Impact.C:Adding a monitor makes the use and adjustment of G-OCT more convenient.

圖2.SS-OCT掃描光路設(shè)計(jì)示意圖掃頻OCT的光路設(shè)計(jì)特征：中心波長(zhǎng)為1 310 nm，掃描速度為60 Hz，設(shè)掃描深度為6 mmFigure 2.SS-OCT system organization.Chracteristics of SS-OCT optical path:The center wavelength is 1 310 nm and swept speed is 60 Hz.The designed scanning depth is 6 mm.

房角光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（G-OCT）系統(tǒng)見(jiàn)圖1。基于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并搭建的掃頻OCT見(jiàn)圖2和三面房角鏡（volk）。本實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)并搭建的SS-OCT采用了中心波長(zhǎng)為1 310 nm的垂直腔面發(fā)射激光光源（SL130V1-20024，美國(guó)Thorlabs公司），掃描速度為200 kHz，軸向分辨率為5.7 μm，垂直和水平掃描范圍為 17 mm和5.86 mm。

由于房角鏡后表面與角膜之間存在一定的空腔間隙，因此OCT的紅外光進(jìn)入角膜仍會(huì)發(fā)生全反射的現(xiàn)象[14]。因此，參考臨床檢查的使用方法，在角膜表面加入氧氟沙星眼膏（迪克羅），用以耦合房角鏡與角膜，消除全反射（見(jiàn)圖3）。房角鏡的折射率和角膜折射率相近，所述的成像物鏡的焦距大于光線在房角鏡中走過(guò)的路徑長(zhǎng)度與眼球的角膜頂點(diǎn)到房角距離之和，所述的參考光路的色散與探頭光路的色散相同，以此耦合房角鏡，消除全反射[15]。

同時(shí)，由于房角鏡的加入，光線在樣品臂會(huì)多出一段光程，導(dǎo)致樣品臂以及參考臂無(wú)法順利干涉，同時(shí)由于不同的光程存在，會(huì)造成成像困難的問(wèn)題[16]。因此在參考臂參考光路中，設(shè)置用于光程補(bǔ)償?shù)耐哥R，使樣品臂光路與參考臂光路光程匹配[17]（見(jiàn)圖4）。

1.3 系統(tǒng)驗(yàn)證以及成像分析

1.3.1 模型眼 本研究自行設(shè)計(jì)了一種模型眼，用于調(diào)節(jié)光路。采用獨(dú)特的透明材料進(jìn)行3D角膜打印。整個(gè)模型眼由3D打印完成，并且高度還原人眼眼球尺寸[18]。

圖3.房角鏡與角膜耦合光路平面示意圖(藍(lán)線)主光線（紅色）從房角鏡反射Figure 3.Two dimensional gonioscopic model in sagittal plane (profile in blue).Optical chief ray (in red) reflects from mirror (grey gradient).

圖4.通過(guò)Z-max軟件對(duì)房角鏡OCT的樣品臂設(shè)計(jì)Figure 4.Gonioscopic OCT sample arm Zemax ray diagram.OCT,optical coherence tomography.

采用氧氟沙星眼膏（迪可羅），該眼膏為無(wú)色透明凝膠，具有一定的黏附性，耦合了房角鏡與角膜之間的間隙，但是由于打印材料限制，并無(wú)法成功顯示房水流出通道，因此由相應(yīng)視標(biāo)替代（見(jiàn)圖5）。

圖5.非生物材料的角膜設(shè)計(jì)（A）以及位于虹膜角膜之間的視標(biāo)設(shè)計(jì)（B）房角鏡OCT對(duì)模型眼的眼前節(jié)成像（C）Figure 5.Non biological cornea (A) and anterior chamber phantom with resolution target at the "iridocorneal angle" (B) and gonioscopic OCT B-scan of anterior segment of the model eye (C).

1.3.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 選取日本大耳白5只，6周齡，體質(zhì)量2 kg，由溫州醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。實(shí)驗(yàn)分成2 個(gè)過(guò)程，第一步利用G-OCT獲取日本大耳白的房水流出通道；第二步，通過(guò)對(duì)兔眼球（選取其中一只進(jìn)行展示）施壓，觀察房水流出通道的變化。首先，將長(zhǎng)毛大耳白進(jìn)行肌肉注射麻醉（Pentobarbital sodium，劑量為30 mg/kg）。將麻醉后的兔子放置于兔臺(tái)，利用開(kāi)瞼器撐開(kāi)兔子的左眼眼瞼。再在兔眼角膜涂上氧氟沙星眼膏，并且正確放置房角鏡。最后，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的影像定位系統(tǒng)將G-OCT系統(tǒng)定位于兔眼房角。所有兔眼房角的圖像拍攝3次。

2 結(jié)果

2.1 G-OCT與SS-OCT對(duì)兔眼房角成像的對(duì)比

圖6為G-OCT和SS-OCT對(duì)兔眼同一處房角拍攝所得。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，圖6A處由于兔眼角鞏膜對(duì)OCT紅外光能量的反射，其房水流出通道無(wú)法很好地顯現(xiàn)；而圖6B中，紅外光自角膜入射，兔眼的房水流出通道顯示更加清晰。

2.2 G-OCT動(dòng)態(tài)兔眼成像的研究

在第二階段的研究過(guò)程中，我們通過(guò)對(duì)兔眼一側(cè)房角施壓，動(dòng)態(tài)觀測(cè)房角鏡下眼內(nèi)壓變化對(duì)應(yīng)于房水通道以及小梁網(wǎng)體積的變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)一所獲取的眼球房角圖像與眼球房角的電鏡解剖圖來(lái)確定Schlemm's管位置。從圖7 可以明顯觀測(cè)到房水通道（將G-OCT對(duì)焦于Schlemm's管，以Schlemm's管的變化為例）。隨著壓力的變化，房水排出增加，房水流出通道進(jìn)行容受性收縮。加壓前，該處橫截面下的Schlemm's管處于收縮狀態(tài)；加壓后5 s，該處橫截面下的Schlemm's管垂直于角鞏膜方向擴(kuò)張；加壓后10 s，該處橫截面下的Schlemm's管平行于角鞏膜方向擴(kuò)張。

圖6.SS-OCT與G-OCT的對(duì)比圖A：常規(guī)SS-OCT下對(duì)房角的成像，由于房角外鞏膜結(jié)構(gòu)對(duì)紅外光的散射，房角內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清晰；B：G-OCT對(duì)房角的成像，通過(guò)房角鏡的反射作用，使得紅外光的能量最大程度地進(jìn)入房角，房角細(xì)節(jié)顯示清楚Figure 6.Comparison of SS-OCT and G-OCT images.A:The imaging of the angle of the room under conventional SS-OCT is not clear due to the scattering of infrared light by the external sclera structure of the room angle;B:The imaging of the angle of the room under G-OCT,through the reflection of the angle lens,allows the energy of the infrared light to enter the angle of the room to the greatest extent,and the details of the angle of the room are clearly displayed.

圖8 所示為實(shí)驗(yàn)兔在滴入散瞳劑（復(fù)方托吡卡胺眼藥水）后的房水流出通道（將G-OCT對(duì)焦于Schlemm's管，以Schlemm's管的面積為例）跟正常情況下的對(duì)比?？刂浦苓吿幱谙嗤h(huán)境，先對(duì)同一焦面進(jìn)行3次拍攝，所得的圖像經(jīng)過(guò)疊加處理，然后滴入散瞳劑后，瞳孔括約肌舒張，虹膜根部堆積，擠壓房角，Schlemm's管面積變小。

3 討論

利用影像學(xué)方法觀察獲取清晰的在體眼球房水流出通道虹膜角膜角橫斷面圖像有著重要的臨床意義。本研究提供了一種新型的光學(xué)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)眼球虹膜角膜角橫斷面直接成像的目標(biāo)，有望在以后實(shí)現(xiàn)360°虹膜角膜角的成像和三維重建[19]。本研究自行搭建的G-OCT系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)探頭的重新設(shè)計(jì)使得紅外光進(jìn)入房角處的能量衰減較少，使得成像的質(zhì)量更高[20]。

圖7.眼球給予壓力后的Schlemm's管的面積變化A：加壓前，該處橫截面下的Schlmm's管處于收縮狀態(tài)；B：加壓后5 s，該處橫截面下的Schlmm's管垂直于角鞏膜方向擴(kuò)張；C：加壓后10 s，該處橫截面下的Schlmm's管平行于角鞏膜方向擴(kuò)張F(tuán)igure 7.Area change of Schlemm's tube after eyeball test.A:Before compression,the Schlmm's tube under the cross section is in a contracted state;B:5 s after compression,the Schlmm's tube under the cross section is expanded perpendicular to the scleral direction;C:10 s after compression,the Schlmm's tube below the cross section expands parallel to the scleral direction.

圖8.房角內(nèi)小梁網(wǎng)與Schlemm's管的橫截面積在滴入散瞳劑后的變化Figure 8.Dynamic changes of trabecular meshwork and Schlemm's tube during the infusion of the mydriatic.

在G-OCT的設(shè)計(jì)過(guò)程中，面臨的主要問(wèn)題是，無(wú)論是模型眼還是動(dòng)物眼球，由于房角反射鏡焦點(diǎn)的不確定性，很難保證紅外光的入射為垂直于眼周方向。當(dāng)探頭與房角反射鏡稍有角度的偏差，便會(huì)造成紅外光入射角度的較大改變，由此橫斷面的信息獲取便由垂直面變成了斜面，Schlemm's管、小梁網(wǎng)的形狀和面積則會(huì)由此改變[19]?？赏ㄟ^(guò)改變探頭與房角反射鏡的角度，以此獲取相應(yīng)角度下虹膜角膜角的橫切面圖像，通過(guò)分析該角度與橫切面圖像的關(guān)系來(lái)完善G-OCT系統(tǒng)[21]。

然而，在G-OCT的基礎(chǔ)上，本研究憑借其與角膜相接觸的優(yōu)勢(shì)可以動(dòng)態(tài)地觀測(cè)隨著眼壓變化，房角內(nèi)小梁網(wǎng)與Schlemm's管的形狀與體積的變化。在動(dòng)物體內(nèi)觀察到隨著眼內(nèi)壓的升高，小梁網(wǎng)的面積變大，Schlemm's管的體積變大，而隨著眼壓的恢復(fù)，它們的形狀與體積得以恢復(fù)[22]。由此可見(jiàn)，小梁網(wǎng)與Schlemm's管可以作為一個(gè)調(diào)節(jié)眼內(nèi)壓平衡的重要結(jié)構(gòu)，這也可以解釋閉角型青光眼的患者，由于小梁網(wǎng)與Schlemm's管處于關(guān)閉或狹窄狀態(tài)，眼內(nèi)壓無(wú)法處于平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致眼壓過(guò)高。而過(guò)高的眼內(nèi)壓往往會(huì)造成嚴(yán)重的視神經(jīng)損耗[23]。

本研究也存在一些不足。首先，該系統(tǒng)并沒(méi)有在人體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，未來(lái)可能需要在臨床上進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。其次，對(duì)Schlemm's管的形狀與體積的變化，并沒(méi)有采取客觀量化的方法，未來(lái)軟件的研發(fā)可以解決這個(gè)問(wèn)題。

綜上所述，使用G-OCT早期監(jiān)測(cè)房角內(nèi)小梁網(wǎng)與Schlemm's管的結(jié)構(gòu)是具有重要的意義。未來(lái)可以應(yīng)用于在體實(shí)驗(yàn)及臨床，這將對(duì)監(jiān)測(cè)青光眼患者的嚴(yán)重程度、隨訪都具有重要的意義。

利益沖突申明本研究無(wú)任何利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明滕植鑫：收集數(shù)據(jù)，參與選題、設(shè)計(jì)及資料的分析和解釋；撰寫論文；根據(jù)編輯部的修改意見(jiàn)進(jìn)行修改。施策：參與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱?、?gòu)建試驗(yàn)思路。沈梅曉：參與選題、設(shè)計(jì)和修改論文的結(jié)果結(jié)論。朱德喜：修改論文中關(guān)鍵性結(jié)果結(jié)論，根據(jù)編輯部的修改意見(jiàn)進(jìn)行核修