虹膜成像的研究进展

沈锦琰 陈萱 龚学春 黄晴予 武志峰

虹膜在前房生理学中具有多种作用,包括调节瞳孔大小和进入眼内光线的数量、改变房水流量以及平衡前房免疫系统。病理条件下虹膜形态的变化可以提供诊断依据,此外,虹膜结构与动态特征与闭角型青光眼发病机制相关。然而相对于虹膜结构的重要性,其形态学研究却很少。近来,前节相干光层析成像术(anterior segment optical coherence tomography,AS-OCT)的出现提供了非接触式、快速成像眼部结构的方法,已成为评估眼前节的关键技术[1],在评估虹膜形态变化方面也取得了长足的进步[2]。在过去几十年里,人们提出了不同的成像方法来研究虹膜血管,其中荧光素血管造影(fluorescein angiography,FA)和吲哚青绿血管造影(indocyanine green angiography,ICGA)是客观评估虹膜血管的传统方法,但存在风险。相干光层析血管成像术(optical coherence tomography angiography,OCTA)是一种专门为眼后段开发的新兴成像技术,可以在不使用任何静脉染料的情况下快速捕获眼内血管图像,随着其进一步发展,目前已应用于前节[3],多位研究者探索了OCTA在健康眼和病理条件下虹膜成像的可行性[1,4]。然而,由于现有的OCTA缺乏前节专用的眼部跟踪系统与完善的图像处理软件,仍存在运动伪影与分割误差等局限性,我们期待通过内部软件的不断优化能够实现更好的虹膜自动分割,探索新的OCTA指标为临床评估提供实用价值。本文简要概述了虹膜结构的特点,总结了现有成像技术的应用和局限性,其中重点讨论了OCT和OCTA技术在虹膜成像中的优缺点和未来发展方向。

一、虹膜解剖组织学

掌握虹膜解剖组织学及其血管系统的特点,对于准确评估虹膜图像至关重要。虹膜位于角膜和晶状体之间,将眼睛分隔成前房和后房。距瞳孔缘1.5 mm处有一环形锯齿状隆起,即瞳孔领,它是虹膜最厚的区域同时也是虹膜小环所在之处,其将虹膜划分为两个区域:瞳孔区为靠近瞳孔边界的内部区域;睫状区为延伸至睫状体的外部区域。虹膜前表面有许多深浅、大小、形状不等的凹陷隐窝和放射状血管形成的皱褶也称为虹膜纹理。由于虹膜的黑色素细胞和胶原纤维数量因人而异,因此不同种族人群会表现出不同的虹膜表面特征,例如白种人群中更常见Wolfflin结节、唐氏综合征患者可见刷样斑点[5]。

虹膜的组织结构由前表面、基质、括约肌、开大肌和前后两层虹膜色素上皮构成。括约肌以同心圆的方式环绕瞳孔分布,它由一层薄薄的结缔组织与虹膜前表面相连,其收缩导致瞳孔缩小;开大肌从瞳孔缘到虹膜根部呈放射状排列,其收缩会增加瞳孔直径。后色素上皮层的细胞含有大量黑色素颗粒,并向前延伸使瞳孔领镶有一窄黑色环。但虹膜的颜色主要取决于基质中色素细胞的数量,因为后色素上皮层中的色素是相对恒定的。

虹膜主要是由睫状后长动脉和睫状前动脉的分支供应,它们在虹膜根部吻合,形成一个连续的血管环,称虹膜动脉大环。位于虹膜基质层内的许多动脉细支从虹膜动脉大环发出,经睫状区呈放射状到达瞳孔缘,在瞳孔领处发出许多小支并改变方向呈环形走行,形成虹膜小环,大多数折回形成静脉,最后汇入涡静脉[6]。

二、虹膜前节光学相关断层扫描

OCT最初是为了提供视网膜和视神经等后节横截面图像才开发的,直至1994年Izat报道了第1例使用OCT评估前节的图像。AS-OCT能够可视化包括虹膜在内的前节结构并进行分析。对比旧的成像技术,OCT的出现开启了虹膜形态分析的新纪元,为健康受试者和患者的虹膜评估提供了无创、可靠的成像技术,帮助识别虹膜形态的病理变化,从而帮助医生诊断及追踪疾病。

1.健康眼的虹膜AS-OCT 最近一项基于OCT的健康眼虹膜形态学分析显示了虹膜厚度的扇形变化模式[7]。同时另一项虹膜360度形态研究报道了虹膜厚度、宽度及体积等形态参数因眼部区域、虹膜颜色、年龄和性别而异[8]。在儿童群体中,Nagata等[9]发现虹膜厚度会随着年龄及其他眼部结构而增长,这有助于增加对眼部结构发育的理解。

利用AS-OCT测得的虹膜表面特征(如虹膜隐窝、纹理和颜色)与虹膜厚度、体积密切相关[10,11],这些发现可能为基于虹膜以预测闭角型疾病的风险提供另一种方法。有趣的是,AS-OCT还可以分析虹膜的几何形状。Shuster等[12]报道具有凹型虹膜结构的眼睛大多来自近视眼且不存在于远视眼,猜测虹膜结构特征可能与近视有关,这丰富了对近视病理生理学的认识,有助于识别近视的危险因素。

2.前葡萄膜炎的虹膜AS-OCT 虹膜厚度的改变经常被报道为前葡萄膜炎的典型征象。在Fuch’s葡萄膜炎中,除异色症外,弥漫性虹膜萎缩也很常见,并认为是正确诊断的关键,一些研究人员通过AS-OCT测量的虹膜厚度来试图定量研究这些萎缩性变化,研究表明受累眼的虹膜隐窝变浅进而表面光滑度增加[13]。最近Zarei等[14]提出了“平滑度指数”的自动算法,允许检查者快速方便地测量AS-OCT图像中的虹膜表面光滑度,这一指标为正确诊断Fuch’s葡萄膜炎尤其在没有异色症的情况下提供了有力证据。

3.青光眼的虹膜AS-OCT 已知虹膜的结构和动态特征在原发性闭角型青光眼(primaryangleclosureglaucoma,PACG)的发病机制中发挥重要作用。据报道,虹膜厚度、曲率和面积的增加与房角闭合相关[15]。新近的一项研究表明虹膜厚度可以区分急性与慢性PACG,前者的周边虹膜更薄[16]。AS-OCT的出现也为虹膜高褶型青光眼的诊断提供了一种无创简单的工具,大约三分之一的PACG患者会出现虹膜高褶,而距巩膜突750 μm的虹膜厚度是与高褶型虹膜显著相关惟一变量[17]。此外,AS-OCT还可作为追踪PACG的工具,它能够检测周边虹膜切开术后前房角和虹膜的变化[18]。

4.虹膜肿瘤的AS-OCT 由于虹膜色素上皮层对光源的吸收,AS-OCT在较大或色素肿瘤中存在阴影效应,无法显示肿瘤病变后边界,使其在临床检查中常常不作为首选。但OCT作为一项非接触式检查,可以成为诊断小的非色素性虹膜肿瘤的替代方案[2]。另外,OCT可用于研究虹膜囊肿的结构以及囊肿与前房角的关系,对虹膜囊肿的诊断具有重要价值[19]。

5.虹膜AS-OCT的局限性及挑战 尽管AS-OCT具有诸多优点,但仍存在一些成像技术上的错误和伪影,精准的AS-OCT成像需要满足一些要求,如控制瞳孔大小、光源的距离以及清晰识别Schwalbe线下的虹膜前表面,不然都会影响后续的虹膜评估。此外,由于目前还不能清晰识别虹膜前表面,AS-OCT仍无法准确评估Schwalbe线下的虹膜周边厚度和开角距离[20]。

三、传统虹膜血管成像

1.虹膜荧光素血管造影 早在20世纪60年代末,荧光素血管造影被应用于临床眼科,不仅成为了观察视网膜疾病的有力工具,还加深了我们对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),与视网膜血管造影不同,IFA表现出更为复杂的模式,其染料充盈的过程存在个体差异,而这种生理性变化可能会被误解为是病理性的。虹膜瞳孔周围区域的血管充盈往往比虹膜根部慢得多。染料首先从虹膜根部开始充盈,然后呈放射状分布,因此IFA的动脉期很容易辨认,但IFA的静脉期通常与动静脉期合并,因此无法识别出明显的静脉期。另外,虹膜各个部位的充盈速度是不规律的,可以观察到鼻侧最先充盈,颞侧最后充盈。此外,还可以观察到虹膜皱褶与瞳孔边缘之间存在密集的毛细血管丛。目前临床上IFA最主要应用于虹膜新生血管(irisneovascularization,NVI)的早期检测、虹膜肿瘤的监测以及糖尿病患者白内障术后追踪[21]。在缺血性或增殖性视网膜病变中,患者往往合并虹膜红变,且视网膜缺血程度与NVI的严重程度之间存在显著的相关性。当屈光介质明显浑浊的患者在无法辨别眼底的情况下,鉴于视网膜病变和虹膜病变之间的密切关系,IFA可提供间接但可靠的信息。此外,IFA可以直接可视化虹膜肿瘤的血管网络及其与虹膜血管形成的关系。尽管IFA在临床实践中并不常用,但它是客观评价虹膜血管形态,定性分析虹膜损伤的有效方法。

2.虹膜吲哚青绿血管造影 吲哚青绿(indocyaninegreen,ICG)在790～850 nm处有吸收峰,并在825～835nm处产生荧光,由于在此红外范围内只有10%的光被吸收,因此虹膜ICGA(irisICGA,IICGA)受虹膜色素影响较小,目前已被应用于揭示虹膜血管和血流动力学的特征[22]。整个IICGA过程一般需要5～10 s,首先从虹膜根部开始,与IFA相似,虹膜各个部位充盈速度不等,通常先充盈鼻部,其次是颞部,上下部充盈于鼻颞部的中间期。放射状动脉血管以不完整的环状结构连接于瞳孔边缘,作为虹膜的小动脉环。相对于IFA,IICGA具有更好的色素上皮穿透性,不受虹膜颜色的影响,并且ICG作为血管内蛋白结合分子,可减少渗漏的发生,精确评估虹膜缺血再灌注。Parodi等[23]研究分析了IICGA在检测假性剥脱综合征中虹膜微血管变化的作用,结果显示IICGA可以更好地显示虹膜低灌注和吻合血管,而IFA检测NVI更清晰。但当虹膜色素丰富或血管渗漏明显时IICGA比IFA更清晰地显示NVI的形态特征、分布范围,对NVI的早期诊断提供更有力的证据[24]。

3.传统虹膜血管成像的局限性 由于会发生染料相关的不良反应,包括胃肠道副作用和过敏性休克,而且孕妇或肝肾功能受损的患者也无法行IFA和IICGA,因此这类侵入性检查在临床上很少应用。其次,虹膜血流循环是三个眼部循环系统(视网膜、脉络膜、虹膜)中最慢的,这意味着传统虹膜血管造影需要更多的时间[23]。值得注意的是,由于ICG在虹膜血管中流动和代谢速度很快,若想准确比较疾病或治疗前后虹膜血管的微小变化,需要研究者保证观察时间点高度一致,而这在实际操作中很难做到[23]。最主要的是在操作过程中,看似模糊的虹膜血管常常会给人一种渗漏的错觉,只有熟练的技术人员才能清晰辨认异常血管。

四、虹膜光学相关断层扫描血管成像

随着OCT过去10年的不断发展,OCTA的眼血管成像技术已经问世,它无需静脉注射染料即可评估组织从形态到功能的研究,在临床上主要用于视网膜、脉络膜和视神经等眼后段的血管成像[25]。直至最近几年,OCTA才被应用于眼前段,AS-OCTA同时开发了用于提高速度和图像分辨率的成像技术和评估血流的定量指标,与传统血管造影相比,AS-OCTA以非侵入性和无染料的方式快速获取图像,避免了染料相关的潜在风险;其次,OCTA可以生成不同层面的高分辨率横截面图像,从而对不同深度的血管进行可视化[26]。目前,大多数AS-OCTA研究集中于角膜和结膜疾病,已经证实OCTA是评估角膜血管系统的有力工具,能够在角膜浑浊等情况下捕获裂隙灯无法检测的细微血管异常、周边角膜血管化[26]。然而,OCTA在虹膜中的应用还非常有限,这主要是由于现有设备的技术限制。

1.虹膜OCTA可用的设备和算法 OCTA利用相位差异、信号幅度差异或连续B扫描中OCT信号的变化来检测血流,目前市面上已有几种OCTA仪器,但用于研究虹膜血管系统的只有少数,并且这些仪器的OCTA算法主要评估眼后段,缺乏专门评估眼前节血管的扫描系统。其中分频幅去相关血流成像(RTVue-XRAvanti,Optovue)[27,28]、光学微血管造影(PLEX Elite 9000,Carl Zeiss Meditec)[29,30]、OCTA比率分析(DRITriton,Topcon)可作为获取虹膜OCTA图像的算法。这些不同的系统在扫描速度、扫描区域、分辨率及运动校正、去伪影和自动分割的内部软件也有所不同。对于大部分OCTA设备,由于焦点不匹配的问题,需要专用的前节镜头来成像虹膜[1],但也有报道称不安装前节镜头即可使用视网膜OCTA软件来成像虹膜[31]。若安装了制造商提供的前节镜头仍无法捕获前节OCTA图像时,可以安装补充镜头并用3D打印机制作一个镜头支架将其固定在适当的位置[3]。但无论是否安装前节镜头,都需要操作者手动将仪器的焦点移动到检查组织的水平。

2.虹膜OCTA的临床应用 几位研究者使用OCTA对健康眼的虹膜血管进行研究,其中虹膜色素沉着和瞳孔大小是影响虹膜血管可视化的因素[1,4]。据报道AS-OCTA可成功描绘继发于视网膜血管阻塞或增殖性糖尿病视网膜病变的异常虹膜血管以早期发现NVI[32],用于检测临床上不明显的NVI以及抗VEGF治疗后NVI的消退,以研究发生NVG等并发症的风险以及是否需要青光眼手术或经巩膜睫状体光凝术等手术干预[30]。此外,AS-OCTA已被证明可用于测量活动性葡萄膜炎期间的虹膜血管扩张和血流增加,这意味着虹膜血管口径可能是量化前房炎症和监测治疗反应的另一种客观指标,进一步增加AS-OCTA成像在葡萄膜炎和相关巩膜炎或巩膜外层炎的的应用价值[33]。其他潜在的临床适应症包括区分虹膜痣、虹膜囊肿和黑色素瘤[34],或在随访期间监测虹膜肿瘤的生长和血管分布[31]。虽然在高度色素沉着的病变和非常厚的肿瘤中无法显示全部血管,但已经证明了OCTA可视化黑色素细胞瘤及其血管分布的能力[31]。也有研究报道在进行复杂的斜视或环扎手术前后使用虹膜AS-OCTA能够确定眼前节缺血的风险[27,29]。最新的一篇研究称OCTA测量的虹膜微血管的数量变化可能预示近视的发展[35]。

随着成像技术的不断改进,新近的扫频OCTA(sweptsourceOCTA,SS-OCTA)已应用于临床,它采用可调谐滤波器来实现波长扫描光源,其显著优势在于采集速度更快、深度分辨率更高、穿透性更强。与光谱域OCTA(spectraldomainOCTA,SD-OCTA)相比,SS-OCTA中使用的更快的速度和更长的波长有助于在角膜水肿、角膜浑浊或厚虹膜眼中捕获更好的虹膜血管图像[1]。值得注意的是,SS-OCTA系统还能够基于不同颜色来区分虹膜深浅血管的分布,这可能有助于研究者区分基质表面的异常NVI与正常血管[1]。但目前,SS-OCTA的前节应用并不普遍。

3.虹膜OCTA的局限性与挑战 如前所述,OCTA系统主要用于眼后段成像,若要将其应用于前节首先需要调整OCTA算法并使用眼前节适配镜头,由于这些系统的内部软件针对后段进行了校准,因此AS-OCTA可能会出现分割误差而影响后续的血管密度计算。其次,当前的OCTA系统只有专门为后段设计的眼部跟踪系统,将其应用于前节会引起运动偏差,若在扫描过程中发生眼球运动会导致血管中断从而影响图像质量。虽然目前图像处理软件有助于解决这一难题,但未来仍需要开发专门的眼前节跟踪系统,因为它能够显著减少运动伪影,进而提高图像质量[36]。第三,OCTA扫描可见血管的数量与虹膜色素沉着呈负相关,因此对高色素沉着的虹膜或致密的虹膜肿瘤进行清晰的成像仍然是一大难题[31]。AS-OCTA成像是一个新领域,仍有许多挑战需要克服,随着扫描速度的提升和内部软件的优化,用于虹膜成像的OCTA将很快成为现实。

五、虹膜成像的总结与展望

随着无创性成像技术的发展,人们对虹膜结构和血管及其临床意义的认识也在不断加深。AS-OCT的出现开启了虹膜形态分析的新纪元,帮助我们识别虹膜形态的病理变化。目前评估眼前段血管系统的金标准是虹膜血管造影(包括IFA和IICGA),但这种传统的造影方法是侵入性的且需要熟练的操作技术,临床上并不常用[21]。AS-OCTA可以快速、非侵入性地成像虹膜血管系统,生成高分辨率横截面图像并对不同深度的血管进行可视化,大大提高了我们对虹膜血管在糖尿病性视网膜病变[32]、葡萄膜炎等[33]疾病发病机制中作用的理解,并对治疗方案的制定具有一定的指导意义。然而,还需要进一步的研究来探索虹膜OCTA的优势、局限性以及不同OCTA系统用于扫描虹膜血管之间的差异。AS-OCTA是一个新的成像领域,仍需要开发新的虹膜OCTA软件以及专门的眼部跟踪系统来减少运动伪影从而实现更好的虹膜自动分割。