光學(xué)相干斷層掃描血管成像中偽影的研究進(jìn)展△

2021-01-29 03:33:12孫晉夫余慧敏孫旭芳

眼科新進(jìn)展 2021年1期

孫晉夫余慧敏孫旭芳

光學(xué)相干斷層掃描血管成像(OCTA)是基于光學(xué)相干斷層掃描(OCT)的一種新的成像技術(shù)，其通過執(zhí)行重復(fù)的B掃描來檢測運(yùn)動對比度，并實(shí)現(xiàn)了血管可視化。在兩次相鄰的B掃描之間，靜止的物體不會產(chǎn)生太大的變化，而運(yùn)動的粒子(如紅細(xì)胞)能夠引起OCT信號變化。由于視網(wǎng)膜中主要的運(yùn)動是血管中的血液流動，通過檢測這些變化的信號，最終實(shí)現(xiàn)了血流信號的可視化[1]。OCTA在提供可靠、高分辨率的視網(wǎng)膜血管圖像的同時(shí)，又具有簡單、快速和非侵入性的特點(diǎn)，使其在眼科的基礎(chǔ)和臨床研究中發(fā)揮重要作用。目前，OCTA已被用于評估一系列視網(wǎng)膜血管疾病，包括糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)、視網(wǎng)膜靜脈阻塞(RVO)、葡萄膜炎、年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)等[2]。

在任何成像系統(tǒng)中，圖像均是與觀察對象和一系列法則相關(guān)聯(lián)的信息轉(zhuǎn)換。然而，在幾乎每種成像方法中，形成的圖像都不完美。圖像中可能存在多余或丟失的信息，或者錯誤的信息轉(zhuǎn)換，這些成像缺陷稱為偽影(artifact)[3]。通常，OCTA圖像的偽影是由以下一個(gè)或多個(gè)因素造成的：(1)眼球運(yùn)動；(2)眼球的固有特性和病理情況；(3)圖像的采集、處理過程和顯示策略[2]。其中，最多見的偽影類型為運(yùn)動偽影(motion artifact)、投射偽影(projection artifact)和分層偽影(segmentation artifact)。本文對不同類型偽影的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，并對未來如何規(guī)避或消除偽影進(jìn)行了討論。

1 運(yùn)動偽影

運(yùn)動是OCTA圖像中一個(gè)非常重要的偽影來源。患者的眼球、頭部或身體的運(yùn)動會導(dǎo)致整個(gè)B掃描廣泛的去相干，由于這些血流以外的運(yùn)動引起的去相干現(xiàn)象稱為運(yùn)動偽影。運(yùn)動可分為兩大類，第一類是眼球的整體運(yùn)動，第二類是眼球內(nèi)的運(yùn)動。前者與眼外肌、頭部、頸部和身體的運(yùn)動有關(guān)，可分解為近似的平移和緩慢的漂移。在沒有其他偽影的情況下，緩慢的漂移可能是OCTA圖像缺乏清晰度的原因。后者則是由于脈絡(luò)膜的搏動性擴(kuò)張和心動周期引起的眼壓波動導(dǎo)致視網(wǎng)膜的位置在軸向不斷變化，這類偽影被稱為Z軸運(yùn)動偽影或需增軸向運(yùn)動偽影。由于脈絡(luò)膜的運(yùn)動不均勻且難以預(yù)測，軸向運(yùn)動偽影很難進(jìn)行辨別和補(bǔ)償[1]。

運(yùn)動偽影表現(xiàn)為血管造影圖像上出現(xiàn)細(xì)的垂直或水平白線，伴隨血管的中斷(interruption)、移位(displacement)、拉伸(stretch)、復(fù)制(doubling)、重影(ghosting)和(或)縫合(quilting)中的一種或多種[4]。眨眼偽影(blink artifact)表現(xiàn)為提示丟失掃描的相應(yīng)水平黑帶；折射漂移偽影(refraction shift artifact)是指由于眨眼和角膜表面折射率的變化導(dǎo)致的相鄰OCT掃描之間的反射強(qiáng)度變化[5]。這些偽影的存在影響了OCTA圖像對血管密度的測量，影響程度隨著偽影面積的增加而增大[6]。

運(yùn)動偽影在OCTA圖像中很常見。Holmen等[5]研究顯示，406幅OCTA圖像中的378例(93.1%)出現(xiàn)運(yùn)動偽影，其中有65例為嚴(yán)重偽影，是最常見的偽影類型。Enders等[7]研究顯示，75例中37例出現(xiàn)運(yùn)動偽影；是僅次于投射偽影和分層偽影的位居第三的偽影類型。運(yùn)動偽影評分(motion artifact score，MAS)可以用于評價(jià)運(yùn)動偽影的嚴(yán)重程度，MAS的評價(jià)指標(biāo)既包括由眼球運(yùn)動引起的運(yùn)動偽影(眨眼線、移位)，也包括由于軟件校正眼球運(yùn)動引起的運(yùn)動偽影(拉伸、縫合、血管翻倍)。MAS根據(jù)這5種偽影的有無與程度分為1～4級(見表1)。在視網(wǎng)膜病變OCTA偽影的研究中，Lauermann等[8]發(fā)現(xiàn)，有視網(wǎng)膜病變的患者相比健康人有更高的MAS，其中又以地圖樣萎縮(graphic atrophy,GA)組和RVO組的MAS最高。在Cui等[9]的研究中，針對掃頻OCTA(swept source OCTA，SS-OCTA)修正后的 MAS評分系統(tǒng)分為1～6級(見表2)，當(dāng)MAS評分為 5～6分時(shí)，OCTA圖像對DR診斷價(jià)值大幅下降，DR的程度越嚴(yán)重的患者，其MAS越高。此外，還發(fā)現(xiàn)圖像的下部比上部有更高的MAS，這可能是由長時(shí)間掃描過程中淚膜破裂的增加，眨眼減少和不完全眨眼引起的。

表2 修訂的SS-OCTA MAS評分

運(yùn)動偽影可以通過軟件與算法消除。在AMD患者中，眼球跟蹤(eye-tracking，ET)技術(shù)改善了存在運(yùn)動偽影的OCTA圖像的圖像質(zhì)量，但代價(jià)是采集的時(shí)間更長[10]?；谒惴ê蛙浖倪\(yùn)動校正(motion correction)是校正運(yùn)動偽影的另一種方法[11-12]。Camino等[13]研究顯示，將運(yùn)動校正與眼球跟蹤技術(shù)結(jié)合使用，在去除運(yùn)動偽影方面優(yōu)于單獨(dú)的眼球跟蹤或運(yùn)動校正。此外，Li等[14]提出了一種基于張量投票的方法來有效去除3D OCTA圖像中的運(yùn)動偽影，該方法首先通過血管分層算法提取血管網(wǎng)絡(luò)，并去除運(yùn)動偽影，再用張量投票方法修復(fù)去除偽影導(dǎo)致的血管的不連續(xù)，最終獲得無運(yùn)動偽影的圖像。

2 由于眼球固有特性和病理情況產(chǎn)生的偽影

2.1 投射偽影投射偽影表現(xiàn)為局部血管變形和(或)在本沒有血管的組織區(qū)域出現(xiàn)假血流信號，有時(shí)也被稱為拖尾偽影(tailing artifact)。這種現(xiàn)象可以用血液組織內(nèi)的光散射和光子傳播來解釋，具體又可分為2種情況[15]：其一，由于血液(紅細(xì)胞)的高度散射特性，血液強(qiáng)烈散射探測光束的入射光子。部分光子在被OCT系統(tǒng)檢測之前，可能已經(jīng)被散射了多次，導(dǎo)致這些光子的光程增加。由于OCT根據(jù)光程差來顯示深度分辨信息，這些多次散射光子導(dǎo)致了OCTA圖像中血管形狀拉長。然而，這種投射效應(yīng)只會影響局部血管的形狀，不會影響其他部位的血管造影結(jié)果。第2種類型的投射效應(yīng)導(dǎo)致在本應(yīng)沒有血流信號的部位產(chǎn)生假血流信號。一部分光子與紅細(xì)胞相互作用后經(jīng)歷了前向散射事件，由于散射方向與入射方向偏差角非常小，這些光子被OCT系統(tǒng)捕獲后不會引起其光程長度的顯著變化。這些前向散射光子被儀器捕獲后，將導(dǎo)致兩個(gè)后果：(1)多普勒效應(yīng)導(dǎo)致OCT信號的相位改變；(2)紅細(xì)胞相對于探測光束反射率/折射率的變化導(dǎo)致OCT信號的強(qiáng)度改變。OCT信號的強(qiáng)度和相位發(fā)生變化，導(dǎo)致這些前向散射光子在血管的深層留下了痕跡。當(dāng)血管深層有高反射界面，如光感受器內(nèi)節(jié)/外節(jié)層或視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)細(xì)胞層時(shí)，這種現(xiàn)象更明顯。Bernucci等[16]使用一種血管內(nèi)造影劑代替紅細(xì)胞對大鼠進(jìn)行OCTA圖像分析，也證實(shí)了上述觀點(diǎn)。

投射偽影在OCTA圖像中廣泛存在。Enders等[7]研究顯示，在所有的偽影中，投射偽影的發(fā)生最頻繁(75/75，100%)，且在所有受試者視網(wǎng)膜血管下的所有結(jié)構(gòu)中均存在。在投射偽影的影響下，不同黃斑血管層在OCTA上進(jìn)行準(zhǔn)確分離和量化的過程受到了限制[17]。

目前已有數(shù)種用于去除投射偽影的算法。Holmen等[5]研究顯示，在406幅OCTA圖像中，僅有27例(6.7%)出現(xiàn)投射偽影，這得益于所使用的投射偽影去除算法。Zhang等[15]提出，用檢測到的視網(wǎng)膜外部無血管空間(outer retinal avascular space，ORAS)中的流量信號減去以適當(dāng)比例縮放后的視網(wǎng)膜流量信號來獲取ORAS中的真實(shí)流量信號。這種方法被稱為slab-subtraction(SS)算法，在脈絡(luò)膜新生血管病變的可視化中特別有用。然而，Zhang等[18]指出了SS算法的不足，并提出了一種改進(jìn)的方法來解決投射偽影問題，稱為projection-resolved(PR)算法。該算法能有效識別真實(shí)血管，并排除了投射偽影。與SS算法相比，PR算法保持了深層血管網(wǎng)絡(luò)(如脈絡(luò)膜新生血管)的完整性和連續(xù)性。由于可以減輕來自脈絡(luò)膜新生血管內(nèi)部投射偽影的互相干擾，PR算法允許單獨(dú)計(jì)算不同類型的脈絡(luò)膜新生血管的血管面積，這提供了新的量化指標(biāo)[19]。在DR的OCTA量化指標(biāo)研究中，使用PR算法與不使用相比，能夠得到更加真實(shí)可信的結(jié)果。然而，PR算法仍不完善，需要進(jìn)一步改進(jìn)[20]。此外，Choi等[21]報(bào)道了一種基于均值減法的處理方法，有效去除了小鼠腦OCTA圖像中的投射偽影。然而，此方法可能導(dǎo)致靠近投射偽影部分的毛細(xì)血管信號丟失。未來，該技術(shù)可能在眼科得到應(yīng)用。

2.2 遮蔽偽影與揭露偽影遮蔽偽影(mask artifact)指由于眼球的中層介質(zhì)密度升高，如角膜混濁、黃斑水腫、白內(nèi)障、玻璃體積血或有漂浮物等情況，阻擋了入射的檢測信號，導(dǎo)致待觀測底層的信號丟失[4,9]。在OCTA圖像上表現(xiàn)為局部密度降低的陰影區(qū)域，故也被稱為陰影偽影[5]。例如，在AMD與中心性漿液性脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜病變(CSC)患者中，由于視網(wǎng)膜下液(SRF)對光信號的散射和吸收，使得脈絡(luò)膜毛細(xì)血管層的en face圖像出現(xiàn)陰影偽影。與譜域OCTA(spectral domain OCTA，SD-OCTA)相比，SS-OCTA能夠減少SRF造成的陰影偽影，但不能完全消除[22]。為了實(shí)現(xiàn)陰影偽影的自動檢測，Camino等[23]使用聚乳酸材料遮擋光信號制造人工陰影，然后分析陰影像素的特征，以此訓(xùn)練出一個(gè)基于算法的能夠自動識別陰影區(qū)域的集成分類器。并在DR、葡萄膜炎、AMD和青光眼患者中驗(yàn)證了該算法的有效性。

與之相反，揭露偽影(unmasking artifact)指某些區(qū)域的信號丟失導(dǎo)致其底層結(jié)構(gòu)的信號增強(qiáng)[9]。例如，在RPE萎縮的患者眼球中，光線更容易穿透萎縮的RPE，導(dǎo)致深層的脈絡(luò)膜血管被顯像。這可能引起OCTA圖像的錯誤解讀。

3 由于圖像的采集、處理過程和顯示策略產(chǎn)生的偽影

3.1 分層偽影為了形成En face圖像，OCTA需要使用分層算法對視網(wǎng)膜各層進(jìn)行分層。目前常用的OCTA設(shè)備將視網(wǎng)膜分為4個(gè)En face區(qū)域：淺層視網(wǎng)膜區(qū)、深層視網(wǎng)膜區(qū)、視網(wǎng)膜外光感受區(qū)和脈絡(luò)膜毛細(xì)血管區(qū)[24]。然而，在病理性眼球中，視網(wǎng)膜的水腫、萎縮、出血和組織浸潤等病理改變破壞了正常的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，在這些視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)改變的情況下，分層算法很容易出現(xiàn)錯誤，即出現(xiàn)了分層偽影，進(jìn)而影響了OCTA圖像的解讀[3]。

分層偽影在患者眼球中遠(yuǎn)比在正常眼球中多見。在成人的黃斑中心凹卵黃樣營養(yǎng)不良(adult-onset foveomacular vitelliform dystrophy，AOFVD)的患者眼球中，卵黃樣病變會導(dǎo)致分層錯誤和假性深毛細(xì)血管叢脫落，并且卵黃樣病變下方的脈絡(luò)膜毛細(xì)血管未被顯像[25]。Lauermann等[8]建立了分層準(zhǔn)確度評分(segmentation accuracy score，SAS)來評價(jià)OCTA圖像中的分層偽影(見表3)。結(jié)果顯示，所有健康受試者的分層準(zhǔn)確率均為100%(SASⅡ)；然而在視網(wǎng)膜病變組中，僅 34.2% 的患者能準(zhǔn)確分層(SASⅠ)，38.9%的患者為SASⅡA型，26.8%的患者為SASⅡB型。

表3 分層準(zhǔn)確度評分(SAS)

隨著人工智能的發(fā)展，一種基于深度學(xué)習(xí)算法(deep learning algorithm，DLA)的人工智能醫(yī)療設(shè)備已被美國食品與藥品管理局批準(zhǔn)用于OCTA圖像質(zhì)量評估和疾病診斷。以MAS和SAS為標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練這種人工智能設(shè)備，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DLA能夠以高靈敏度、高特異度和高準(zhǔn)確性區(qū)分質(zhì)量足夠和不足的OCTA圖像。在未來，DLA與OCTA技術(shù)的結(jié)合能夠?yàn)橐暰W(wǎng)膜成像和圖像分析打開新的可能性的大門[26]。

通過在連續(xù)OCT B掃描圖像中觀察分層輪廓來確定正確的分層位置，可以避免由于分層錯誤帶來的解釋錯誤。許多儀器制造商都有軟件，可以手動修正分層錯誤，但這可能是一個(gè)耗時(shí)的過程[1]。為了解決分層錯誤的問題，Li等[27]報(bào)道了一種血管生成進(jìn)程跟蹤算法，其中使用了一種新的基于TOP-HAT增強(qiáng)和最優(yōu)定向流量(optimally oriented flux，OOF)的血管分層方法，與OCTA研究中廣泛使用的Hessian矩陣法相比，這種新方法明顯降低了小血管分層的錯誤率。Michalewska等[28]報(bào)道稱，在使用SS-OCTA研究全層黃斑裂孔(full-thickness macular holes，F(xiàn)TMHs)的患者時(shí)，所有FTMH的第3和第4期病例中都出現(xiàn)了分層錯誤，而這種偽影可以用設(shè)備的附加軟件刪除。

3.2 低OCT信號在理想的無偽影條件下，OCTA圖像中較亮的像素代表血流信號，較暗的像素代表低或無血流。而低OCT信號在OCTA圖像局部表現(xiàn)為較暗的像素，意味著實(shí)際上較暗的像素不一定代表無血流信號。Kolb等[29]討論了引起低OCT信號的各種原因，并論證了在寬場OCT中更容易發(fā)生低OCT信號。其中占主導(dǎo)地位的原因是光暈，指OCT儀器與眼球間不正確的工作距離導(dǎo)致檢測光束被虹膜阻擋。目前OCTA常使用的是3 mm×3 mm或6 mm×6 mm的小視野，在未來，更大視野的寬場OCTA可能是OCTA技術(shù)的發(fā)展方向，故低OCT信號是一個(gè)值得關(guān)注的問題。低OCT信號對OCTA圖像的影響主要有三方面[30]：(1)低信號區(qū)域不同視網(wǎng)膜層之間對比度降低，導(dǎo)致分層偽影出現(xiàn)；(2)低信噪比導(dǎo)致噪聲；(3)閾值偽影。分層偽影前文已闡述過，此處主要介紹噪聲和閾值偽影。

除了血流以外，噪聲的隨機(jī)波動也可能被OCTA檢測到，從而產(chǎn)生如同雪花的虛假信號[3]。在圖像上的低信號區(qū)域，即信噪比較低的部分，這種效應(yīng)更加明顯。一些因素，如白內(nèi)障降低了OCT信號強(qiáng)度，但不會影響儀器噪聲。雖然低信號本身不會產(chǎn)生偽影，但其導(dǎo)致圖像中伴隨更明顯的噪聲，這種后果屬于一種偽影。為了減少噪聲的影響，可以從兩方面考慮：(1)通過設(shè)置閾值來僅處理具有足夠信號強(qiáng)度的區(qū)域，并刪除那些來自低信號區(qū)域的數(shù)據(jù)。這種效應(yīng)被稱為閾值偽影。這種方法存在弊端，因其意味著只有OCT信號較強(qiáng)的區(qū)域才可能形成可靠的OCTA圖像。(2)提高信噪比。一些儀器能夠通過特定的手段降低噪聲，對患者進(jìn)行眼部潤滑后重新成像或優(yōu)化OCT成像技術(shù)則常?？梢蕴岣咝盘枏?qiáng)度。

3.3 其他由于圖像的采集、處理過程和顯示策略產(chǎn)生的偽影血管復(fù)制常由眼球運(yùn)動的軟件校正引起，表現(xiàn)為每根血管在en face圖像中可見2個(gè)拷貝。對齊誤差，表現(xiàn)為圖像上半部分與下半部分看起來有不同的深度，這可能是去除投射偽影的圖像處理過程造成的[4,9]。

4 其他偽影

技術(shù)人員不正確的操作也會導(dǎo)致偽影出現(xiàn)[5]。散焦偽影(defocus artifact)是指整個(gè)B掃描的反射強(qiáng)度降低，血管造影上的小毛細(xì)血管全局性丟失。偏心偽影(decentration artifact)是由于掃描位置偏離黃斑中心，表現(xiàn)為中心凹的移位以及視野的丟失。Z偏移偽影(Zoffset artifact)是由于錯誤的頭部位置導(dǎo)致en face圖像在OCT窗口中垂直移位，又稱為窗外偽影(out of window artifact)[7]。傾斜偽影(tilt artifact)指只有一半橫斷面OCT掃描在焦點(diǎn)上，常與頭部位置、入射角和高度近視有關(guān)[5]。這些偽影通過訓(xùn)練技術(shù)人員即可分辨與消除。

5 小結(jié)與展望

與傳統(tǒng)的熒光素眼底血管造影和吲哚菁綠血管造影技術(shù)相比，OCTA不使用染料、操作簡單、快速，具有極強(qiáng)的可重復(fù)性，為多種視網(wǎng)膜疾病的預(yù)測與定期評估提供便利。OCTA還能以前所未有的高分辨率解析毛細(xì)血管、新生血管等細(xì)節(jié)信息，可靠性極高，是近年來眼科成像領(lǐng)域最令人驚喜的進(jìn)展之一。由于其依賴光信號的成像特點(diǎn)，偽影在OCTA中十分常見。OCTA全新的成像機(jī)制與偽影的存在給醫(yī)務(wù)工作者帶來了較大的學(xué)習(xí)難度。