视网膜图像分析
作者：赵平 张振宇 刘英奇
单位：赵平(河北医科大学第三医院眼科 石家庄，050051)；张振宇(河北医科大学第三医院眼科 石家庄，050051)；刘英奇(河北医科大学第三医院眼科 石家庄，050051)
关键词：视网膜；光学诊断技术；图像分析
眼科新进展000148
分类号：R774 文献标识码：A
文章编号：1003-5141(2000)01-0087-03▲
光学和电子计算机图像处理技术的发展和联合应用，开创了眼底光学诊断技术的新途径。这一技术使视网膜直观的形态学图像，经数字信息转化，再以一种更形象的崭新图像呈现出来。通过对这种视网膜图像进行分析，可获得客观的、准确的数量化指标，使视网膜疾病的诊断提高到定量分析水平。
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1 眼底地形图
眼底地形图是应用特定光源对眼底进行三维扫描，通过对眼底扫描图像的量化分析，可得到眼底表面相对高度数值，从而描绘出眼底表面不同区域的地形图，包括视网膜地形图和视盘地形图；而对视网膜绝对厚度的定量测量，则可得到视网膜厚度地形图，简称视网膜厚度图。
1.1 地形图分析技术 目前，描绘眼底地形图的技术尚处于发展、完善阶段。80年代末，在共焦激光扫描显微镜技术的基础上，发展了激光断层摄影术(laser tomographic scanner,LTS)和同焦点激光断层分析(confocal laser tomographic analysis,CLTA)，应用于视网膜表面、黄斑裂孔的地形图研究[1-3]。90年代末，该技术的新型商品机—Heidelberg视网膜断层摄影仪(heidelberg retina tomograph,HRT)问世，提高了图像获取的分析速度，并提供了高分辨率的地形图图像及三维测量参数[4]。同时，激光扫描检眼镜(scanning laser ophthalmoscope,SLD)、同焦点激光扫描检眼镜(confocal laser scanning ophthalmoscope,CLSO)及一些商品化仪器，如地形图扫描系统(topographic scanning system,TopSS)、视盘分析仪(optic nerve head analyzer,ONHA)及青光眼镜(glaucoma-scope,G-S)也得到发展，并应用于青光眼、视网膜血管性疾病及黄斑变性的诊断和眼底肿瘤的评估[5-8]。但这些仪器尚不能对视网膜厚度作出定量判断，故其临床应用受到限制[7]。视网膜厚度分析仪(retinal thickness analyzer,RTA)、视神经纤维分析仪(nerve fiber analyzer,NFA)和激光偏光扫描测量仪(scanning laser polarimeter,SLP)使视网膜厚度、视神经纤维层厚度及分布的定量测定成为可能[9-11]。改良的视网膜厚度分析仪(RTA)—扫描视网膜厚度分析仪(scanning retinal thickness analyzer,SRTA)弥补了视网膜厚度分析仪(RTA)，仅能对单个光学切面进行定量分析的不足，可迅速扫描2mm×2mm的视网膜范围，并产生一个详细的视网膜厚度图[12]。最新报道的扫描视网膜厚度分析仪SRTA的新版本，简称新型SRTA，在此基础上进一步改进，实现了同时对视网膜地形图和视网膜厚度进行定量测量[13]。描绘眼底地形图的仪器在结构和特性上不完全相同，但其主要组成都包括光投射系统、摄像系统和计算机分析处理系统。
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1.2 地形图形成原理 不同仪器使用的摄像方法和分析软件不同，描绘的眼底地形图也不完全一致。本文介绍几种新型仪器的眼底地形图形成原理。
1.2.1 新型扫描视网膜厚度分析仪(新型SRTA)[13] 新型SRTA以裂隙灯生物显微镜的光学系统为基础，结合使用一组球、柱镜，使543nm波长的氦氖激光束，以一定角度投射在视网膜上。通过玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的反射光被视频摄相机摄取，并形成光学切面图像。激光束以每秒60行视频速率扫描，产生一组共20张的连续光学切面图像。因光学切面的侧向移动与轴向移动成正比，所以，每个光学切面图像的左边和右边分别与玻璃体视网膜界面、脉络膜视网膜界面相对应。对光学切面图像量化分析的数字信息暂时贮存在20个连续的图像缓冲器中，每个图像缓冲器由1 000×180个像素组成。为便于观察，20个图像缓冲器相间组合，形成新的复合光学切面图像，其由10个光学切面组成，包括2mm×2mm视网膜面积。每个光学切面图像都含有玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的相对高度数值，对一组光学切面图像的量化分析，便形成玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的地形图。减去这2个界面的地形图值，即得到视网膜厚度图。
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1.2.2 Heidelberg视网膜断层摄影(HRT)[4，8] HRT是一种新型共焦激光扫描断层摄影仪。该仪器从670nm二极管激光束作光源，通过共焦光学系统，保证所限定区域平面的反射光被光电倍增管接收，并形成与视网膜表面相平行的光学切面图像。进行三维测量前，首先应勾画出需测定的范围和深度。深度可从0.5mm增至4.0mm。在这个范围内，仪器可自动拍摄一系列共32张连续图像，含256×256个像素，包括10°×10°视网膜范围，时间仅需1.6s。如果定量测定视盘结构，断层扫描第一张光学切面图像的聚焦平面应在视网膜表面，而最后一张光学切面图像的聚焦平面应在视杯的底部。所获得的断层扫描图像的信息，经计算机软件处理，既可得到视神经盘的三维图像，又可得到视神经盘的地形图。
1.2.3 神经纤维分析仪(NFA)[10] NFA是一种可进行视网膜神经纤维层厚度分析的共焦激光扫描检眼镜。基本构成由共焦扫描激光检眼镜、偏振测定装置及电子计算机处理系统。光源为近红外二极管激光(波长780nm或840nm)。低强度的偏振激光束可穿透神经纤维层，并从视网膜深层反射回来。具有双折射性的视神经纤维将入射激光束转变成2条平行以不同速度运行的反射光束。穿出视神经纤维层后，慢光束(相对快光束而言)显示一定程度的延迟。延迟量则取决于视神经纤维层的厚度。一次完整扫描可获得34张光学切面图像，由256×256个像素构成，观察10°～20°视网膜范围，厚度约15μm，时间不足1s。图中每个像素的数值代表其延迟量，通过对每个测量位点延迟量的计算，即可得到一张描绘可见范围的延迟图，从而得到视网膜厚度图。
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1.3 眼底地形图的临床应用[1-19] 眼底地形图是利用现代光学诊断技术，对活体眼底组织进行非侵入性、非接触式的光学扫描所获得的含有组织三维信息的眼底图像。它改变了传统的直观眼底观察和眼底拍摄照片的分析方法，实现了眼底检查由定性描述向定量测量的飞跃。该技术为研究眼底组织的病理变化提供了精确的数量化指标，因此，将成为眼底病基础研究、临床诊断和鉴别诊断、疗效判断及追踪观察的客观、可靠的重要手段。
1.3.1 视网膜地形图 视网膜地形图可定量测量视网膜表面的相对高度。通过对玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的地形图分析，可选择性地观察视网膜组织不同层次的病理变化。对各种常见眼底病的地形图分析发现：视网膜分支静脉阻塞患者，表现明显抬高的玻璃体视网膜界面，而在视网膜内无血管和液体遮盖的区域，脉络膜视网膜界面正常；外伤性黄斑裂孔的病人，视网膜表面地形图显示黄斑裂孔的存在，裂孔的边缘玻璃体视网膜界面抬高；视网膜色素上皮脱离患者，具有相对正常的玻璃体视网膜界面，而脉络膜视网膜界面局限性抬高；中心性浆液性脉络膜视网膜病变患者，视网膜表面地形图表现病变区视网膜较周围平坦区视网膜抬高约20%.
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1.3.2 视网膜厚度图 视网膜厚度图是对视网膜厚度的定量测量。许多眼内疾病都可引起视网膜厚度的改变。临床常见的糖尿病性黄斑水肿、视网膜血管阻塞、葡萄膜炎以及白内障摘出等内眼手术后等都可引起视网膜厚度的增加。而视网膜萎缩性病变，如青光眼在视力损害发生之前即可因视网膜神经节细胞的丧失导致视神经纤维层变薄。因此，定量测量视网膜厚度，视神经纤维层厚度及分布的变化有助于早期视网膜病变和早期青光眼的诊断及病情监测。对糖尿病黄斑水肿病人的视网膜厚度图分析表明，其视网膜厚度是正常人的1.7倍，而且，中心窝凹陷缺乏。对正常人与高眼压患者的视神经纤维层厚度测定结果表明，高眼压患者平均视神经纤维层厚度比正常对照组少30%.而对正常人视网膜神经纤维层厚度与年龄的关系研究发现，正常人视网膜神经纤维层厚度随年龄的增加而减少。
目前，眼底地形图研究尚处于初级阶段，但已显示出具有良好的应用前景。而且，具有检测分析快捷、准确及重复性好等优点。有些仪器在屈光间质不清、小瞳孔情况下也可进行眼底地形图分析。因此，眼底地形图定量分析为眼底检查提供了精确的客观资料。
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2 视网膜数字化成像[20]
近年来，视网膜数字化血管造影取得突破性进展。这种视网膜血管造影图像的数字化技术是将原始的图像(如荧光素和吲哚青绿造影获得的图像)分解为像素，给每个像素设立一个数值，然后再以图像的方式显示在荧屏上，通过计算机及相应软件，对实时图像进行分析。
这一技术的主要优点是：(1)可对不同相机和不同染料获得的图像进行比较；(2)通过使用滤光片，增加低对比度成分和叠加技术显著提高图像的质量；(3)立即在荧屏上显示实时图像或自动打印拷贝。
目前，该技术的临床应用尚处于初级阶段。Coscas等研究证实，该技术可对治疗过程中的不同病变进行定量化的远期随访。例如脉络膜新生血管，其激光治疗区域的边界可准确地描绘出来，并转移到治疗前摄取的荧光造影图像上。治疗前的标志与治疗后的图像的叠加可证实脉络膜血管的治疗效果。这种数字化治疗前后叠加技术的应用，使典型的脉络膜新生血管复发率降低30%.在糖尿病性视网膜病变，该技术可对最早期阶段的微血管瘤、中心凹无血管区的大小、视网膜渗出及黄斑水肿，提供准确和可重复性定量信息，从而客观地评价糖尿病性视网膜病变自然病程的发展趋势及判断治疗效果。
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参考文献：
[1]Bartsch DU,Intaglietta M,Bille JF,et al.Confocal laser tomographic analysis of the retina in eyes with macular hole formation and other focal macular diseases[J].Am J Ophthalmol 1989;108∶277-287.
[2]Dreher AW,Bille JF,Weinreb RN.Active optical depth-resolution improvement of the laser tomographic scanner[J].Appl Optics 1989;28∶804-806.
[3]Kruse FE,Burk ROW,Volcker HE,et al.Reproducibility of topographic measurements of the optic nerve head with laser tomographic scanning[J].Ophthalmology 1989;96∶1320-1324.
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[4]Janknecht P,Funk J.Optic nerve head analysis and heidelberg retina tomograph:accuracy and reproducibility of topographic measurements in a model eye and in volunteers[J].Br J Ophthalmol 1994;78∶760-768.
[5]Fitzke IW,Woon H,Timberlake G,et al.Optical modifications to a scanning laser ophthalmoscope for high maghification,narrow optical section imaging[J].Lasers Light Ophthalmol 1991;4∶7-14.
[6]Woon WH,Fitzke FW,Bird AC,et al.Confocal imaging of the fundus using a scanning laser and ophthalmoscope[J].Br J Ophthalmol 1992;76∶740-747.
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[7]Menezes AV,Giunta M,Chischolm J,et al.Reproducibility of topographic measurements of the macula with a scanning laser ophthalmoscope[J].Ophthalmology 1995;102∶230-235.
[8]马 海.青光眼视盘定量分析的研究进展[J].国外医学眼科学分册 1997；21∶145-150.
[9]Shahidi M,Ogura Y,Blair NP,et al.Retinal thickness analysis for quantitative assessment of diabetic macular edema[J].Arch Ophthalmol 1991;109∶1115-1119.
[10]赵刚平.青光眼神经纤维层厚度的定量检查新技术[J].中国实用眼科杂志 1998；16∶131-135.
, http://www.100md.com
[11]迟启民，富田刚司，北沢克明，等.应用激光偏光扫描测量仪评价正常人视网膜视神经纤维层厚度与年龄的关系[J].中华眼科杂志 1998；34∶199-201.
[12]Zeimer R,Shahidi M,Mori M,et al.A new method for rapid mapping of the retinal thickness at the posterior pole[J].Invest Ophthalmol Vis Sci 1996;37∶1994-2001.
[13]Gieser JP,Rusin MM,Mori M,et al.Clinical assessment of the macula by retinal topography and thickness mapping[J].Am J Ophthalmol 1997;124∶648-659.
[14]Derher AW,Tso PC,Weinreb RN.Reproducibility of topographic measurements of the normal and glaucomatous optic nerve head with the laser tomographic scanner[J].Am J Ophthalmol 1991;111∶221-229.
, 百拇医药
[15]Rohrschneider K,Burk ROW,Kruse FE,et al.Reproducibility of the optic nerve head topography with a new laser tomographic scanning device[J].Ophthalmology 1994;101∶1044-1049.
[16]Shahidi M,Zeimer RC,Mori M.Topography of the retinal thickness in normal subjects[J].Ophthalmology 1990;97∶1120-1124.
[17]Abramson DH,Gombos DS.The topography of bilateral retinoblastoma lesion[J].Retina 1996;16∶232-236.
, 百拇医药
[18]Weinreb RN,Dreher AW,Colemon A,et al.Histopathologic validation of fourierellipsometry measurement of retinal nerve fiber layer thickness[J].Arch Ophthalmol 1990;108∶557-559.
[19]Tjon-Fo-Sang MJ,Vries JD,Lemij HG.Measurement by nerve fiber analyzer of retinal nerve fiber layer thickness in nomal subjects and patients with ocular hypertension[J].Am J Ophthalmol 1996;122∶220-227.
[20]Luntz MH.视网膜和青光眼的数字化成像[J].眼科精粹 1998；26∶15-17.
收稿日期：1998-09-28
修稿日期：1999-04-08, 百拇医药
单位：赵平(河北医科大学第三医院眼科 石家庄，050051)；张振宇(河北医科大学第三医院眼科 石家庄，050051)；刘英奇(河北医科大学第三医院眼科 石家庄，050051)
关键词：视网膜；光学诊断技术；图像分析
眼科新进展000148
分类号：R774 文献标识码：A
文章编号：1003-5141(2000)01-0087-03▲
光学和电子计算机图像处理技术的发展和联合应用，开创了眼底光学诊断技术的新途径。这一技术使视网膜直观的形态学图像，经数字信息转化，再以一种更形象的崭新图像呈现出来。通过对这种视网膜图像进行分析，可获得客观的、准确的数量化指标，使视网膜疾病的诊断提高到定量分析水平。
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1 眼底地形图
眼底地形图是应用特定光源对眼底进行三维扫描，通过对眼底扫描图像的量化分析，可得到眼底表面相对高度数值，从而描绘出眼底表面不同区域的地形图，包括视网膜地形图和视盘地形图；而对视网膜绝对厚度的定量测量，则可得到视网膜厚度地形图，简称视网膜厚度图。
1.1 地形图分析技术 目前，描绘眼底地形图的技术尚处于发展、完善阶段。80年代末，在共焦激光扫描显微镜技术的基础上，发展了激光断层摄影术(laser tomographic scanner,LTS)和同焦点激光断层分析(confocal laser tomographic analysis,CLTA)，应用于视网膜表面、黄斑裂孔的地形图研究[1-3]。90年代末，该技术的新型商品机—Heidelberg视网膜断层摄影仪(heidelberg retina tomograph,HRT)问世，提高了图像获取的分析速度，并提供了高分辨率的地形图图像及三维测量参数[4]。同时，激光扫描检眼镜(scanning laser ophthalmoscope,SLD)、同焦点激光扫描检眼镜(confocal laser scanning ophthalmoscope,CLSO)及一些商品化仪器，如地形图扫描系统(topographic scanning system,TopSS)、视盘分析仪(optic nerve head analyzer,ONHA)及青光眼镜(glaucoma-scope,G-S)也得到发展，并应用于青光眼、视网膜血管性疾病及黄斑变性的诊断和眼底肿瘤的评估[5-8]。但这些仪器尚不能对视网膜厚度作出定量判断，故其临床应用受到限制[7]。视网膜厚度分析仪(retinal thickness analyzer,RTA)、视神经纤维分析仪(nerve fiber analyzer,NFA)和激光偏光扫描测量仪(scanning laser polarimeter,SLP)使视网膜厚度、视神经纤维层厚度及分布的定量测定成为可能[9-11]。改良的视网膜厚度分析仪(RTA)—扫描视网膜厚度分析仪(scanning retinal thickness analyzer,SRTA)弥补了视网膜厚度分析仪(RTA)，仅能对单个光学切面进行定量分析的不足，可迅速扫描2mm×2mm的视网膜范围，并产生一个详细的视网膜厚度图[12]。最新报道的扫描视网膜厚度分析仪SRTA的新版本，简称新型SRTA，在此基础上进一步改进，实现了同时对视网膜地形图和视网膜厚度进行定量测量[13]。描绘眼底地形图的仪器在结构和特性上不完全相同，但其主要组成都包括光投射系统、摄像系统和计算机分析处理系统。
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1.2 地形图形成原理 不同仪器使用的摄像方法和分析软件不同，描绘的眼底地形图也不完全一致。本文介绍几种新型仪器的眼底地形图形成原理。
1.2.1 新型扫描视网膜厚度分析仪(新型SRTA)[13] 新型SRTA以裂隙灯生物显微镜的光学系统为基础，结合使用一组球、柱镜，使543nm波长的氦氖激光束，以一定角度投射在视网膜上。通过玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的反射光被视频摄相机摄取，并形成光学切面图像。激光束以每秒60行视频速率扫描，产生一组共20张的连续光学切面图像。因光学切面的侧向移动与轴向移动成正比，所以，每个光学切面图像的左边和右边分别与玻璃体视网膜界面、脉络膜视网膜界面相对应。对光学切面图像量化分析的数字信息暂时贮存在20个连续的图像缓冲器中，每个图像缓冲器由1 000×180个像素组成。为便于观察，20个图像缓冲器相间组合，形成新的复合光学切面图像，其由10个光学切面组成，包括2mm×2mm视网膜面积。每个光学切面图像都含有玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的相对高度数值，对一组光学切面图像的量化分析，便形成玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的地形图。减去这2个界面的地形图值，即得到视网膜厚度图。
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1.2.2 Heidelberg视网膜断层摄影(HRT)[4，8] HRT是一种新型共焦激光扫描断层摄影仪。该仪器从670nm二极管激光束作光源，通过共焦光学系统，保证所限定区域平面的反射光被光电倍增管接收，并形成与视网膜表面相平行的光学切面图像。进行三维测量前，首先应勾画出需测定的范围和深度。深度可从0.5mm增至4.0mm。在这个范围内，仪器可自动拍摄一系列共32张连续图像，含256×256个像素，包括10°×10°视网膜范围，时间仅需1.6s。如果定量测定视盘结构，断层扫描第一张光学切面图像的聚焦平面应在视网膜表面，而最后一张光学切面图像的聚焦平面应在视杯的底部。所获得的断层扫描图像的信息，经计算机软件处理，既可得到视神经盘的三维图像，又可得到视神经盘的地形图。
1.2.3 神经纤维分析仪(NFA)[10] NFA是一种可进行视网膜神经纤维层厚度分析的共焦激光扫描检眼镜。基本构成由共焦扫描激光检眼镜、偏振测定装置及电子计算机处理系统。光源为近红外二极管激光(波长780nm或840nm)。低强度的偏振激光束可穿透神经纤维层，并从视网膜深层反射回来。具有双折射性的视神经纤维将入射激光束转变成2条平行以不同速度运行的反射光束。穿出视神经纤维层后，慢光束(相对快光束而言)显示一定程度的延迟。延迟量则取决于视神经纤维层的厚度。一次完整扫描可获得34张光学切面图像，由256×256个像素构成，观察10°～20°视网膜范围，厚度约15μm，时间不足1s。图中每个像素的数值代表其延迟量，通过对每个测量位点延迟量的计算，即可得到一张描绘可见范围的延迟图，从而得到视网膜厚度图。
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1.3 眼底地形图的临床应用[1-19] 眼底地形图是利用现代光学诊断技术，对活体眼底组织进行非侵入性、非接触式的光学扫描所获得的含有组织三维信息的眼底图像。它改变了传统的直观眼底观察和眼底拍摄照片的分析方法，实现了眼底检查由定性描述向定量测量的飞跃。该技术为研究眼底组织的病理变化提供了精确的数量化指标，因此，将成为眼底病基础研究、临床诊断和鉴别诊断、疗效判断及追踪观察的客观、可靠的重要手段。
1.3.1 视网膜地形图 视网膜地形图可定量测量视网膜表面的相对高度。通过对玻璃体视网膜界面和脉络膜视网膜界面的地形图分析，可选择性地观察视网膜组织不同层次的病理变化。对各种常见眼底病的地形图分析发现：视网膜分支静脉阻塞患者，表现明显抬高的玻璃体视网膜界面，而在视网膜内无血管和液体遮盖的区域，脉络膜视网膜界面正常；外伤性黄斑裂孔的病人，视网膜表面地形图显示黄斑裂孔的存在，裂孔的边缘玻璃体视网膜界面抬高；视网膜色素上皮脱离患者，具有相对正常的玻璃体视网膜界面，而脉络膜视网膜界面局限性抬高；中心性浆液性脉络膜视网膜病变患者，视网膜表面地形图表现病变区视网膜较周围平坦区视网膜抬高约20%.
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1.3.2 视网膜厚度图 视网膜厚度图是对视网膜厚度的定量测量。许多眼内疾病都可引起视网膜厚度的改变。临床常见的糖尿病性黄斑水肿、视网膜血管阻塞、葡萄膜炎以及白内障摘出等内眼手术后等都可引起视网膜厚度的增加。而视网膜萎缩性病变，如青光眼在视力损害发生之前即可因视网膜神经节细胞的丧失导致视神经纤维层变薄。因此，定量测量视网膜厚度，视神经纤维层厚度及分布的变化有助于早期视网膜病变和早期青光眼的诊断及病情监测。对糖尿病黄斑水肿病人的视网膜厚度图分析表明，其视网膜厚度是正常人的1.7倍，而且，中心窝凹陷缺乏。对正常人与高眼压患者的视神经纤维层厚度测定结果表明，高眼压患者平均视神经纤维层厚度比正常对照组少30%.而对正常人视网膜神经纤维层厚度与年龄的关系研究发现，正常人视网膜神经纤维层厚度随年龄的增加而减少。
目前，眼底地形图研究尚处于初级阶段，但已显示出具有良好的应用前景。而且，具有检测分析快捷、准确及重复性好等优点。有些仪器在屈光间质不清、小瞳孔情况下也可进行眼底地形图分析。因此，眼底地形图定量分析为眼底检查提供了精确的客观资料。
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2 视网膜数字化成像[20]
近年来，视网膜数字化血管造影取得突破性进展。这种视网膜血管造影图像的数字化技术是将原始的图像(如荧光素和吲哚青绿造影获得的图像)分解为像素，给每个像素设立一个数值，然后再以图像的方式显示在荧屏上，通过计算机及相应软件，对实时图像进行分析。
这一技术的主要优点是：(1)可对不同相机和不同染料获得的图像进行比较；(2)通过使用滤光片，增加低对比度成分和叠加技术显著提高图像的质量；(3)立即在荧屏上显示实时图像或自动打印拷贝。
目前，该技术的临床应用尚处于初级阶段。Coscas等研究证实，该技术可对治疗过程中的不同病变进行定量化的远期随访。例如脉络膜新生血管，其激光治疗区域的边界可准确地描绘出来，并转移到治疗前摄取的荧光造影图像上。治疗前的标志与治疗后的图像的叠加可证实脉络膜血管的治疗效果。这种数字化治疗前后叠加技术的应用，使典型的脉络膜新生血管复发率降低30%.在糖尿病性视网膜病变，该技术可对最早期阶段的微血管瘤、中心凹无血管区的大小、视网膜渗出及黄斑水肿，提供准确和可重复性定量信息，从而客观地评价糖尿病性视网膜病变自然病程的发展趋势及判断治疗效果。
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收稿日期：1998-09-28
修稿日期：1999-04-08, 百拇医药