世界资讯：文献学习-多光谱成像(MSI)的眼科应用

摘要

多光谱成像(MSI)是一种独特的逐层成像技术，可以显示广泛的视网膜和脉络膜病变，包括视网膜血管疾病，视网膜色素上皮变化和脉络膜病变。

(相关资料图)

在此，我们综述了 MSI 的基本成像原理和目前的应用，以及该领域的最新技术进展。MSI 检测正常脉络膜视网膜组织和病变组织的反射信号。无论是高反射还是低反射都揭示了血红蛋白和黑色素等色素的吸收活性以及后玻璃体等界面的反射。

MSI 技术的进展包括创建一个视网膜和脉络膜氧脱氧图，可以更好地理解病变内的血液上静脉血氧饱和度，以及更好地解释 MSI 图像的反射现象，例如本综述中描述的来自Sattler 和 Haller 层的不同反射。

1.引言

一般来说，多光谱成像（MSI）是全光谱成像的应用，可以提高区分组织中不同发色团的能力。

它可以捕获各种波段的图像，并通过吸收与化学键共振的光频率将光谱特征与化学成分相关联。MSI现已应用于精准农业，艺术品修复，环境监测和生物化学。

眼科中的MSI基于发光二极管（LED）成像系统，该系统集成了不连续的窄带光谱光源，并基于后节解剖和病理结构的吸收和反射产生一系列灰度图像。

传统上，眼底荧光素血管造影 （FFA） 和吲哚菁绿血管造影 （ICGA） 已被用作各种视网膜和脉络膜疾病的诊断成像研究；然而，据报道，静脉注射荧光染料的过敏反应包括恶心、干咳、鼻漏到严重的过敏性休克，包括血压下降和意识丧失。

MSI是一种针对脉络膜视网膜疾病的无创无染料成像测试，具有高诊断能力。例如，与FFA相比，MSI诊断糖尿病视网膜病变（DR）的敏感性和特异性分别为97.4%和100%。当使用 ICGA 作为诊断标准时，MSI 在息肉样脉络膜血管病变 （PCV） 诊断中的敏感性和特异性分别为 84.21% 和 93.10%。这种方法可能会降低在进行临床诊断时使用FFA / ICGA的必要性。

自发荧光 （AF） 被认为是诊断视网膜色素上皮 （RPE） 相关疾病的有用非侵入性工具，其基础是使用 476nm 和 550nm 激发滤光片和 499nm 至 576nm 的两个屏障滤光片检测 RPE 中的荧光团33.MSI基于680nm和780nm的RPE中黑色素的成像。42FAF 产生一片灰度图像，显示 RPE 的病理活动。脂褐素水平过高可能导致 FAF 信号增加（超自发荧光），而脂褐素紊乱可能表现为 FAF 信号降低（低自发荧光）;同时，微星可以在眼底不同层呈现一组基于色素物质（包括黑色素）的灰度图像。

MSI作为一种非侵入性成像技术出现，具有改善视网膜层可视化的优点，允许捕获视网膜不同深度的图像，并提供更好的视网膜层可视化。

这可以帮助检测和诊断某些视网膜疾病，如黄斑变性和糖尿病视网膜病变。微星还允许检测视网膜中的细微变化，这些变化可能无法通过传统成像技术看到，10这对于监测视网膜疾病随时间推移的进展特别有用。减少对造影剂的需求允许在不需要造影剂的情况下捕获MSI图像，从而降低对造影剂产生不良反应的风险。

我们提供了MSI在视网膜和脉络膜疾病中的应用的临床摘要。

2.原理与设备

组织穿透深度是指光在被吸收或散射之前可以穿透生物组织的深度。31它是一种物理性质，由光的波长和组织的光学性质决定，例如其吸收、散射和折射率。

通常，较长波长的光比较短波长具有更大的组织穿透深度。较短的波长（如小于500nm的光）通常被人体晶状体散射，视网膜组织的成像可能会被破坏。

眼底的MSI通常涉及3个或更多波长，覆盖超过500nm的可见光和近红外（NIR）光。市售MSI可以使用一系列波长为550 nm至850 nm的单色光生成一系列灰度图像，这些光能够可视化从内限制膜到脉络膜的视网膜。

图1显示了光谱与眼底切片层的详细相关性。2nm在玻璃体视网膜界面的成像中是有利的。550nm更深入地渗透到神经感觉视网膜，600nm更专注于RPE。680nm穿透脉络膜毛细血管和脉络膜的哈勒层，而780nm在呈现脉络膜萨特勒层的结构方面更有效。MSI和眼底层高度相关，但它们并不直接对应于视网膜的所有层。

差分光吸收（DLA）是表征成像生物组织的波长依赖性光吸收特性的指标。24，39该措施受组织内特定波长的吸收剂浓度的影响。MSI反射率也与人类眼底的DLA有关。

眼底有三种主要色素：黄斑色素（MP）、视网膜/脉络膜血红蛋白、视网膜色素上皮（RPE）和脉络膜黑色素。27与不同生理和病理学相关的化学物质可以通过它们的特定光谱峰组合来识别，这些光谱峰对应于与入射光共振的化学键产生的吸光度带。27

(1)

黄斑色素由两种主要的类胡萝卜素组成，叶黄素和玉米黄质。MP的峰值吸收波长约为460-470 nm，这是MP观察的最佳波长。13

(2)

血红蛋白：大多数MSI相机使用500至700 nm之间的波长来检查视网膜血管层并区分含氧和脱氧血液，类似于使用绿色滤光片的商业眼底相机获得的传统无红图像。32氧合和脱氧血红蛋白的吸收是不同的，因为氧合血红蛋白在较短波长（约 450-500 nm）吸收更多光，而脱氧血红蛋白在较长波长（约 650-700 nm）吸收更多光。通过分析这两种形式的血红蛋白的光吸收差异，多光谱成像可以提供有关成像视网膜组织中血管氧合水平的信息（视网膜氧-脱氧图）。2利用双波长技术（使用在近红外内具有峰值的LED）由于黑色素吸收较低而更深入地渗透到视网膜中，并进一步了解脉络膜脉管系统的氧合状态（脉络膜氧-脱氧图）。氧脱氧图已被用于详细说明视网膜和脉络膜脉管系统中的氧合血红蛋白。含氧血液区域反射率高（外观为白色），而脱氧血液区域反射性低（外观为深色），这意味着未灌注或灌注不足的视网膜。43

(3)

黑色素：黑色素的吸收在 450 至 600 nm 范围内最佳，42但它被这部分光谱中的其他突出的眼部成分（如血红蛋白、叶黄素和视紫红质）所掩盖。超过600 nm，黑色素是唯一突出的视网膜色素，在这些波长下获取的图像可以有效增强含有黑色素的视网膜结构的可视化，特别是潜在的RPE。在大多数微星相机中，选择600nm-700nm来观察RPE中的黑色素，而选择超过700nm的波长来揭示脉络膜中的黑色素。

4.临床应用

糖尿病视网膜病变

研究了MSI对不同严重程度的糖尿病视网膜病变（DR）的诊断价值和分期准确性。在非增殖性（NPDR）阶段，微动脉瘤是微血管损伤的生物标志物。微动脉瘤被MSI定义为小血管流出和毛细血管扩张，临床上以580nm波长观察到。17

成像原理：选择580 nm的成像波长来识别DR中视网膜异常的特征。这主要是基于血红蛋白在DR异常中的反射和吸收特征，如微动脉瘤，视网膜内微血管异常（IRMA）和新生血管形成，被认为是DR进展的主要生物标志物。血红蛋白在550至600nm之间显示出广泛的吸收，42视网膜内的微动脉瘤和出血表现为低反射性病变。在MSI上，微动脉瘤表现为分散的，界限明确的，圆形的，低反射斑点，而视网膜出血表现为较大面积的低反射性病变，形状不规则。硬渗出物在MSI上显示出比棉絮斑更高的反射率，前者的边界更清晰。IRMA被定义为位于主血管干附近的异常扩张的微血管形成，而MSI上的其他地方新生血管形成（NVE）被描述为一个更混乱的网络。

视网膜静脉阻塞

MSI应用于Xu及其同事对视网膜静脉阻塞的评估，以揭示MSI对RVO的特征。43受试者工作曲线（ROC）分析表明，MSI是RVO的更好判别因子，优于CFP（AUC= 0.911 vs. 0.768，p=0.0318）。MSI在短波光谱图像和氧-脱氧图中揭示了高度明确的血管异常，这与CFP，FFA和OCT结果相符。这初步证明了MSI在评估RVO病理学方面的无创性，简单性和有效性的优势。43MSI允许在治疗中指示光凝时盘旋非灌注区域。图 5 显示了 RVO 中的 MSI 示例。

年龄相关性黄斑变性

RPE 中黑色素破坏的成像很重要，因为它在 AMD 中具有病理意义。

RPE的成像原理基于Prota描述的黑色素的光学化学特性。35黑色素吸收属于传统眼底相机使用的波长光谱，范围为450 nm至700 nm，黑色素被眼睛的其他主要成分（包括晶状体，血红蛋白，玉米黄质，叶黄素和视紫红质）遮挡。使用中长波长的微星（如680纳米）揭示了巩膜的背反射变得更加强烈，黑色素破坏的可见性更加明显。黑色素破坏被定义为色素沉着增加，特别是黑色素结块、堆积或迁移，但不是特定的萎缩。

脉络膜肿瘤

基于已发表的对脉络膜肿瘤不同光谱行为的观察结果，最近分析了反射率值（反射率指数，RI）和边界定义指数（BDI）的定量分析（未发表的数据）。RI称为平均反射灰度，而BDI被定义为肿瘤与其周围视网膜组织之间的平均灰度差异。图7显示了所研究的三种类型的脉络膜肿瘤和脉络膜痣。图1显示了骨瘤（A），脉络膜血管瘤（B），痣（C）和黑色素瘤（D）中不同反射模式的结果。边界还显示了成像模式之间的差异（图H）。量化MSI在鉴别诊断中的应用仍需进一步验证，但试点研究已经为其在脉络膜肿瘤诊断中的应用提供了线索。表3比较了上述临床实体的敏感性、特异性和曲线下面积（AUC）。

5.MSI的未来趋势

多光谱成像有可能彻底改变各种眼部疾病的诊断和治疗。眼科多光谱成像的一些未来趋势包括：

(1)

伪影去除技术：投影去除是提取眼底图像的特定切片，允许更详细的分析和组织特异性光学反射率。

(2)

与其他技术的集成：MSI可能会与其他技术集成，例如谱域OCT和自适应光学，以提供更全面的视网膜视图。这可能有助于在早期阶段识别疾病过程。

(3)

新的影像学体征：MSI可能仍能发现尚未发表的新观察结果。虽然李在el观察到脉络膜传递，25脉络膜血管的更详细的反射率尚未公布。Sattler层被定义为中等大小的脉络膜血管层，这些血管被可视化为中等大小的低信号空间，周围环绕着OCT观察到的超高强度基质。47这种现象可以在MSI上优雅地观察到，Sattler层被视为被超反射率基质包围的低反射率。哈勒层被定义为包含大脉络膜血管的外脉络膜层，其反射率显示在MSI上。区分Sattler层和Haller层的主要标准是盲间隙组织的密度，包括脉络膜黑色素细胞，这有助于脉络膜基质内OCT和MSI信号的散射;47然而，MSI上Sattler层和Haller层的不对称存在仍然值得研究。

6.局限性

MSI技术的局限性包括在逐层视网膜和脉络膜中缺乏精确的对应关系。

MSI不是FFA的替代品。与 FFA 相比，MSI 对视网膜血管病变所有病变的检出率相对较低，例如 DR 中的微动脉瘤和 PRP 后最小 NVE 的消退。我们已将此限制添加到相应的部分。由于硬件限制，MSI 设备通常无法实现高空间分辨率。42此外，由于对神经感觉视网膜中发色团的空间分布（如果有的话）的理解有限，因此几乎无法对MSI进行详细的切片。

参考

Ma F, Yuan M, Kozak I. Multispectral Imaging (MSI): Review of Current Applications. Surv Ophthalmol. 2023 Jun 13:S0039-6257(23)00085-1. doi: 10.1016/j.survophthal.2023.06.004. Epub ahead of print. PMID: 37321478.

关键词：