不同分期糖尿病視網(wǎng)膜病變患者脈絡膜厚度及體積變化的計算機自動分割方法分析

范雯 陳強 戈偉中 劉慶淮 袁松濤

1南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院(江蘇省人民醫(yī)院)眼科，南京 210029；2南京理工大學計算機科學與工程學院，南京 210094；3宜興市人民醫(yī)院眼科，宜興 214200

糖尿病發(fā)病率呈逐年升高趨勢，預計2040年世界范圍內(nèi)糖尿病患者將達到6.42億[1]。糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病引起的主要視網(wǎng)膜血管并發(fā)癥，是全球工作年齡人群視力障礙和盲的主要原因[2]。視網(wǎng)膜的氧氣和營養(yǎng)不僅來源于自身血管，還來源于脈絡膜血管，DR、年齡相關性黃斑變性等大部分視網(wǎng)膜疾病的病理生理學機制都與脈絡膜異常有關[3-4]。然而脈絡膜厚度和體積的變化與DR之間的關系尚未明確。增強深部成像的光相干斷層掃描(enhanced depth imaging optical coherence tomography，EDI-OCT)可將光源聚焦于更深層的脈絡膜，呈現(xiàn)出更清晰的脈絡膜影像。EDI-OCT可清晰顯示全層脈絡膜并進行定量檢測，使人們對視網(wǎng)膜脈絡膜疾病的研究發(fā)生了跨越式進步。近年國內(nèi)外廣泛開展了基于EDI-OCT圖像的脈絡膜厚度相關研究，但各個研究結論并不完全一致。Kim等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著DR嚴重程度的增加，脈絡膜厚度也相應增加，并且有黃斑水腫患者的脈絡膜增厚。而Querques等[6]和Regatieri等[7]研究發(fā)現(xiàn)存在黃斑水腫的DR患者脈絡膜會進一步變薄。脈絡膜體積與視網(wǎng)膜疾病的關系比脈絡膜厚度更重要，但是脈絡膜體積通常無法在機器上直接獲取。本課題組前期通過合并EDI-OCT圖像和128個三維B型掃描的頻域光相干斷層掃描(spectral domain optical coherence tomography，SD-OCT)圖像來進行計算機自動脈絡膜分割，獲得黃斑中心凹下脈絡膜厚度(subfoveal choroidal thickness，SFCT)和脈絡膜體積，相較于傳統(tǒng)手動測量方法展現(xiàn)出高效、便捷、穩(wěn)定、精確的優(yōu)點[8]。本研究擬采用計算機自動分割方法來測量2型糖尿病患者不同DR分型OCT圖像SFCT和脈絡膜體積變化，進一步探索脈絡膜異常在DR的病理生理機制中所扮演的角色，為DR的疾病進展預測和治療提供新的線索。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采用橫斷面研究方法，納入2016年5月至2017年5月于南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院確診的2型糖尿病患者64例88眼，其中，男27例32眼，女37例56眼；年齡44～86歲，平均(62.7±7.4)歲；平均糖尿病病程(13.7±7.2)年。納入標準：(1)年齡>18歲；(2)符合WHO 1999年2型糖尿病診斷標準；(3)接受正規(guī)糖尿病治療，血糖控制平穩(wěn)；(4)無高血壓、高血脂等其他系統(tǒng)性疾病。排除標準：(1)屈光度>+2.00 D或<-2.00 D者；(2)合并年齡相關性黃斑變性、視網(wǎng)膜靜脈阻塞、黃斑前膜、中心性漿液性脈絡膜視網(wǎng)膜病變等其他視網(wǎng)膜脈絡膜疾病者；(3)既往有青光眼、眼部腫瘤、除白內(nèi)障手術外的其他眼部手術史者；(4)既往接受過玻璃體腔注射糖皮質(zhì)激素或抗新生血管藥物治療、黃斑區(qū)格柵樣激光光凝或全視網(wǎng)膜激光光凝治療者；(5)屈光間質(zhì)混濁導致OCT檢查成像質(zhì)量不佳者；(6)合并黃斑水腫的患者。同期納入年齡、性別相匹配的健康志愿者19人32眼作為正常對照組。參照早期DR治療研究組(ETDRS)制定的分級診斷標準[9]，將患者分為糖尿病無DR(non-diabetic retinopathy，NDR)組28眼、非增生型糖尿病視網(wǎng)膜病變(nonproliferative diabetic retinopathy，NPDR)組36眼和增生型糖尿病視網(wǎng)膜病變(proliferative diabetic retinopathy，PDR)組24眼。各組受試者性別構成比、年齡等基線資料比較，差異均無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)(表1)。本研究遵循《赫爾辛基宣言》，研究方案經(jīng)南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院倫理委員會審核批準(批文號：2017-SR-176)。所有受試者均知曉研究目的。

表1 各組受試者一般情況比較Table 1 Comparison of demographics among various groups組別例數(shù)/眼數(shù)性別a(男/女,n/n)年齡b(x±s,歲)糖尿病病程b(x±s,年)正常對照組19/326/1361.2±6.8-NDR組21/289/1261.5±5.912.5±6.4NPDR組26/3612/1463.3±7.813.4±8.2PDR組17/246/1163.0±6.914.6±7.1χ2/F值1.2000.4930.356P值0.7530.6880.702 注:(a: χ2檢驗;b:單因素方差分析) NDR:糖尿病無糖尿病視網(wǎng)膜病變;NPDR:非增生型糖尿病視網(wǎng)膜病變;PDR:增生型糖尿病視網(wǎng)膜病變 Note:(a: χ2 test;b:One-way ANOVA) NDR:non-diabetic retinop-athy;NPDR:nonproliferative diabetic retinopathy;PDR:proliferative di-abetic retinopathy

1.2 方法

1.2.1一般檢查 所有患者均行屈光度、裂隙燈顯微鏡、間接檢眼鏡和SD-OCT檢查。NPDR組和PDR組患者均行熒光素眼底血管造影檢查。

1.2.2脈絡膜厚度和體積測量 采用Cirrus HD-OCT 4000(德國卡爾蔡司公司)cube模式和HD 5 Line Raster EDI模式對所有受檢眼行黃斑區(qū)掃描。通過合并EDI-OCT圖像獲得自動分割脈絡膜的三維SD-OCT圖像，進而分析得到SFCT和脈絡膜體積。采用基于EDI-OCT圖像的脈絡膜分割方法對SD-OCT圖像中的脈絡膜進行指導分割。同一眼的EDI-OCT圖像和SD-OCT圖像均由同一時間同一儀器掃描獲得。

1.2.3數(shù)據(jù)收集及評估 自動分割方法的基本過程如下：(1)對原始圖像進行降噪處理；(2)根據(jù)視網(wǎng)膜層的結構特點，采用基于反射率的方法[10]對視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層(retinal nerve fiber layer，RNFL)和Bruch膜邊界進行分割；(3)根據(jù)圖1中綠色虛線標記的Bruch膜邊界上下移動HD-OCT圖像，使Bruch膜為直線；(4)根據(jù)脈絡膜血管區(qū)域的反射率擬合表面估計脈絡膜區(qū)域的血管位置；(5)在估計得到的脈絡膜血管區(qū)域的下邊界領域采用三維圖搜索算法得到脈絡膜-鞏膜界面；(6)利用Bruch膜和脈絡膜-鞏膜界面邊界計算分割得到SFCT和脈絡膜體積(圖1)。脈絡膜體積為整個cube的脈絡膜層厚度之和。

圖1 脈絡膜自動分割方法示意圖 綠色虛線為脈絡膜內(nèi)界面，紅色實線為脈絡膜鞏膜界面，黃色實線為SFCT測量線Figure 1 Diagrammatic sketch of automatic segmentation of choroidThe green dotted line was the inner interface of choroid.The red line was the choroid-sclera interface.The yellow line was the SFCT measurement line

1.3 統(tǒng)計學方法

2 結果

2.1 各組SFCT比較

正常對照組、NDR組、NPDR組和PDR組平均SFCT總體比較差異有統(tǒng)計學意義(F=14.615，P<0.001)，其中NDR組和NPDR組SFCT較正常對照組變薄，PDR組SFCT較NDR組增厚，差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)；PDR組與正常對照組SFCT比較，差異無統(tǒng)計學意義(P=0.076)(表2)。

表2 各組受試者SFCT和脈絡膜體積比較(x±s)Table 2 Comparison of SFCT and choroidal volume amongvarious groups (x±s)組別眼數(shù)SFCT(μm)脈絡膜體積(mm3)正常對照組32277.8±45.38.8±1.0NDR組28220.9±38.7a7.6±1.3aNPDR組36231.8±26.7a8.2±0.9aPDR組24252.0±42.2b8.7±1.0bF值14.6157.711P值<0.001<0.001 注:與正常對照組相比,aP<0.05;與NDR組相比,bP<0.05(單因素方差分析,Games-Howell檢驗) SFCT:黃斑中心凹下脈絡膜厚度;NDR:糖尿病無糖尿病視網(wǎng)膜病變;NPDR:非增生型糖尿病視網(wǎng)膜病變;PDR:增生型糖尿病視網(wǎng)膜病變 Note:Compared with normal control group,aP<0.05;compared with NDR group,bP<0.05 (One-way ANOVA,Games-Howell test) SFCT:subfoveal choroidal thickness;NDR:non-diabetic retinopathy;NPDR:nonproliferative diabetic retinopathy;PDR:proliferative diabetic retinopathy

2.2 各組脈絡膜體積比較

正常對照組、NDR組、NPDR組和PDR組平均脈絡膜體積總體比較差異有統(tǒng)計學意義(F=7.711，P<0.001)，其中NDR組和NPDR組脈絡膜體積較正常對照組變小，差異均有統(tǒng)計學意義(P=0.002、0.031)；PDR組脈絡膜體積較NDR組增大，差異有統(tǒng)計學意義(P=0.010)；PDR組與正常對照組脈絡膜體積比較，差異無統(tǒng)計學意義(P=0.946)(表2)。

3 討論

脈絡膜是眼內(nèi)的一個血管組織層，是視網(wǎng)膜外層組織的主要氧氣和營養(yǎng)來源，其與青光眼、年齡相關性黃斑變性和小柳-原田綜合征等多種眼病相關，在DR的發(fā)病機制中也起著重要作用。糖尿病患者體內(nèi)持續(xù)的高糖環(huán)境會對脈絡膜血管組織造成損傷，使脈絡膜毛細血管擴張和阻塞，形成無灌注區(qū)和新生血管等[11]。此外，脈絡膜的損傷可能破壞緊鄰的血-視網(wǎng)膜外屏障，導致視網(wǎng)膜下液形成，由于內(nèi)、外屏障關系緊密，一旦外屏障遭到破壞，將進一步導致內(nèi)屏障的損傷[12]。Manjunath等[13]的研究也顯示，脈絡膜血管異?？梢鸸飧惺芷骷毎δ苷系K，甚至壞死。EDI模式的發(fā)展使得OCT的光束聚焦于更深層的脈絡膜和鞏膜，能呈現(xiàn)出更清晰的脈絡膜影像，為脈絡膜厚度和體積的測量提供了新方法。目前Spectralis OCT儀和Cirrus HD-OCT儀均帶有EDI模式[14-15]，但其自帶的分析軟件無法完成SFCT的自動測量和分析，而對于更有意義的脈絡膜體積亦缺少直接的測算方法，無法進行隨訪和評估。本研究采用我們團隊自行設計的計算機自動分割方法來獲取SFCT和脈絡膜體積，基于EDI-OCT圖像對脈絡膜邊界的清晰顯影和SD-OCT圖像的三維數(shù)據(jù)，將兩者圖像疊合并計算脈絡膜體積。自動分割方法可以更加精確和便捷地對脈絡膜的厚度和體積等參數(shù)進行測量，從而輔助脈絡膜疾病的診斷。在脈絡膜邊界分割和脈絡膜厚度、體積的測量方面，自動分割方法和專家人工測量方法的準確性一致[8]，由于使用三維圖像搜索，所以自動分割方法獲得的脈絡膜表面比人工獲得的更加光滑，使得自動分割方法的穩(wěn)定性優(yōu)于人工測量，并且更節(jié)省人力和時間。

本研究中排除了屈光度、年齡、糖尿病病程等對脈絡膜的影響，并設立年齡、性別相匹配的對照組來排除混雜因素的影響。本研究結果顯示，NDR組和NPDR組SFCT較正常對照組變薄，與之前報道結果一致[5,16-18]。組織病理學證據(jù)表明，在DR早期患者中存在脈絡膜毛細血管萎縮和內(nèi)皮細胞損傷[19]；激光多普勒血流計檢查結果顯示，DR早期患者脈絡膜血流量下降[20]；上述研究結果表明早期DR患者脈絡膜變薄可能是由于脈絡膜缺氧引起的血管收縮和毛細血管病變。另一方面，脈絡膜變薄會加重缺氧，從而提高VEGF和其他細胞因子的水平，進一步導致血-視網(wǎng)膜屏障破壞和DR的進展[21]。本研究結果也顯示，NDR組、NPDR組的SFCT顯著小于正常對照組，且NDR組和NPDR組脈絡膜體積較正常對照組明顯減小。而Lee等[22]的研究結果顯示，NDR組與正常對照組SFCT比較差異無統(tǒng)計學意義，可能是由于該研究中受試者年齡較小，疾病初期脈絡膜循環(huán)的改變尚未達到有顯著差異的程度。Savage等[23]的研究結果表明，PDR患者的脈絡膜血流量增加，本研究同樣提示PDR組SFCT較NDR組增厚，脈絡膜體積較NDR組增大，可能與脈絡膜血管擴張和血流量增加引起的脈絡膜增厚有關。但本研究未結合吲哚菁綠熒光血管造影或血管多普勒等相關檢查結果進行綜合分析，對于機制的推測證據(jù)仍存在不足，未來我們將進行更深入的驗證。由于本研究樣本量不夠大，涉及的人群也比較局限，未來仍需進一步行多中心、大樣本、前瞻性試驗檢測糖尿病患者脈絡膜厚度及體積的總體人群變化，進一步探索糖尿病患者脈絡膜的病理改變及其影響DR的具體機制。

綜上所述，本研究采用計算機自動分割方法測定并分析了不同分型DR患者的脈絡膜厚度和體積，發(fā)現(xiàn)早期DR患者SFCT變薄，脈絡膜體積縮小，隨病變程度加重，SFCT逐漸增厚，脈絡膜體積增加。脈絡膜變薄或損壞都將影響視網(wǎng)膜，導致其缺氧，出現(xiàn)DR及病情進展。了解脈絡膜在糖尿病患者視網(wǎng)膜中的作用及其參與DR的病理生理機制，可以幫助我們更好地了解DR的病程。

利益沖突所有作者均聲明不存在任何利益沖突

作者貢獻聲明范雯：醞釀和設計試驗、實施研究、分析和解釋數(shù)據(jù)、文章撰寫；陳強：分析和解釋數(shù)據(jù)；戈偉中：采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析；劉慶淮：指導研究、文章審閱和修改；袁松濤：參與設計試驗，對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱