基于光學技術的角膜形態測量在圓錐角膜診斷中應用的研究進展

張笑睿，李林

(1.首都醫科大學 基礎醫學院，北京 100069；2.首都醫科大學 生物醫學工程學院，北京 100069；3.首都醫科大學 臨床生物力學應用基礎研究北京市重點實驗室，北京 100069)

引言

圓錐角膜是一種角膜疾病，其形態學特征為進行性的角膜基質薄弱、角膜表面突出以及角膜地形改變[1]。其病程可被分為潛伏期(又稱頓挫期 forme fruste keratoconus，FFKC)、初發期(又稱亞臨床期subclinical keratoconus)、完成期(又稱臨床期 clinical keratoconus，CKC)和瘢痕期[2]。完成期的圓錐角膜常有fleischer環、Vogt線等典型臨床體征，但潛伏期和初發期體征不明顯，其確診更多依賴設備的檢查結果。圓錐角膜多發于15～25歲的青少年時期，國內外調查顯示其發病率為0.05%～0.23%[3]。嚴重的圓錐角膜曾被視為是角膜移植手術的典型指征[4]。當前角膜膠原交聯術(corneal cross-linking，CXL)對初發期或完成期圓錐角膜治療效果較好[5]，但過大的角膜曲度會影響CXL的預后[2]。因此，對圓錐角膜早期診斷尤為重要。

圓錐角膜的病因復雜多樣，其具體病因尚不明確。部分研究表明，除一些環境因素，如機械損傷[6]、過敏和紫外線等，角膜表面微生物[7]、炎癥因子[8]、膠原蛋白的異常降解[9]和遺傳因素[10]也是其發病的重要原因。

1 光學裂隙掃描技術——Orbscan角膜地形圖系統

Orbscan角膜地形圖系統發明于二十世紀90年代，OrbscanⅡ 是其與Placido盤結合而成[11]。Orbscan角膜地形圖系統使用光學裂隙掃描技術測量角膜表面形態，獲取角膜前后高度、表面曲率和角膜厚度等參數。光學掃描頭以45°的入眼角度發射出左右各20道的裂隙光掃描角膜(見圖1)，共計可獲得近萬個數據點，使用計算機對此進行分析，得出角膜前后面曲率、高度和全角膜厚度等參數。

圖1 Orbscan裂隙光掃描過程攝影[11]

Orbscan可以測量角膜后表面的地形。有研究表明，角膜后表面地形同前表面地形一樣，對其屈光能力影響較大[12]，故其可為臨床醫生提供更多的指征來輔助診斷。Rao等[13]對60例疑似圓錐角膜的眼睛和50例健康眼睛使用Orbscan II 進行檢測，發現疑似組的角膜后表面高度為(44±2.5)μm，遠高于對照組的(21±0.6)μm，故Orbscan II 和角膜攝像機聯合使用時，可以更加有效地檢測患者的圓錐角膜風險。其次，此系統可以在非接觸狀態下，快速精確地測量角膜厚度，且更易被患者接受。另外，有研究[14-15]表明，Orbscan 的檢查有良好的可重復性，這也印證了Orbscan 系統的可靠性。但在測量角膜曲率方面，Orbscan系統測量得到的正常角膜厚度較Pentacam與超聲測量厚，且Mirzajani等[14]研究發現Orbscan對圓錐角膜確診患者給出的角膜曲率與Pentacam給出的數據有明顯的統計學差異；在眼前房深度方面，Hashemi等[15]在研究不同儀器對不同程度的圓錐角膜患者眼前房深度測量數據差別時，發現在圓錐角膜較嚴重時，Orbscan和Pentacam的測量結果出現明顯差別；而在圓錐角膜較輕時，Orbscan和其他設備的測量結果有較好的可替換性，趙春柳[16]的研究也得出了基本相同的結果。隋瑤等[17]用Pentacam和Orbscan II 分別對同一組共80眼進行檢測，發現在診斷圓錐角膜時，Pentacam的敏感性要優于Orbscan II。因此，Orbscan逐步被Pentacam所取代。

2 Scheimpflug原理

2.1 Pentacam眼前節測量及分析系統

第一臺依據Scheimpflug原理(見圖2)設計的角膜檢查設備于21世紀初出現[18]，其中Pentacam是比較知名的代表[19]。

圖2 Scheimpflug原理光路圖與Scheimpflug相機設計簡圖[18]Fig.2 Light path diagram of Scheimpflug principle and design of scheimpflug camera

Pentacam配備的攝像機可以全角度旋轉攝影，依據Scheimpflug原理，可以在不接觸患者組織的前提下，高效、快速、準確地對角膜各個層面進行攝影，記錄原始圖像，并依據圖像測量眼前節的各種數據(如角膜前后表面高度、角膜曲率等)，最后再將數據使用預置的算法處理，將設備檢查得出的抽象數據轉化為直觀的等高線彩色圖像，有助于醫生全面了解患者的眼部狀況[20]。通過Pentacam診斷圓錐角膜，在長期診斷實踐中，若角膜曲率高、角膜前表面高度高、角膜后表面高度高和角膜厚度低的部位都在同一個位置(即三高一低在一起)，即可確診圓錐角膜。許多研究[21-23]體現了該規律，圖3為右眼中心圓錐角膜Pentacam檢查結果，可見角膜曲率高、角膜前后表面高度高以及角膜厚度低的區域基本重合[24]。Pentacam廠家不僅設定了規范的診斷流程，甚至還預設有角膜診斷的數據庫。這些規范性的步驟和數據可為醫生診斷圓錐角膜提供幫助。

圖3 右眼中心圓錐角膜pentacam檢查結果[24]Fig.3 Examination of right eye keratoconus by pentacam

在Pentacam系統主界面中，有8個角膜前表面形態參數(見表1)。

表1 Pentacam輸出的角膜前表面形態參數

王慧宇等[25]對這八個參數與圓錐角膜發生的相關性進行了針對性研究，發現以上八個參數與圓錐角膜發生均有較高的相關性，且ISV的相關性最高，有較好的診斷價值。 近年來，角膜手術的進步使得其對亞臨床期圓錐角膜的治療效果有顯著提升，但對亞臨床期圓錐角膜的診斷準確性仍有待解決。Pentacam輸出的參數對診斷臨床期圓錐角膜有效，但診斷亞臨床期圓錐角膜的效果較差。基于此，Ambrósio等[26]在收集大量數據的基礎上將Pentacam的輸出參數進行線性組合，提出一個新參數 Belin-Ambrósio 偏差指數(BADD)。其在大量數據的基礎上，將五個系數,包括角膜前表面高度偏差(Df)、后表面高度偏差(Db)、厚度進展偏差(Dp)、角膜最薄厚度偏差(Dt)以及 Ambrósio 相關厚度偏差(Da)進行回歸分析綜合計算[27]。實踐表明BADD對臨床各期的圓錐角膜診斷都有良好的效果，多個研究結果[28-30]對此給出了較高評價。當前BADD更多地被應用在Pentacam與Corvis ST 的聯合診斷中，發揮出了良好作用。

Pentacam的優點在于：首先，其測量數據具有更好的準確性和可重復性。Lackner等[31]發現Pentacam的測量結果與被認為是臨床角膜厚度測量“金標準”的超聲角膜測厚儀有較好的一致性，其可重復性相較超聲角膜測厚儀甚至更優。Mirzajani等[14]和Mohammad-Reza等[32]對圓錐角膜患者進行的類似研究也得到了相同結論。Pentacam在對健康人角膜中央厚度和邊緣厚度的測量[33]及對健康角膜、亞臨床期圓錐角膜和臨床圓錐角膜的區分[30]等方面表現出了良好的穩定性和可信度。其次，Pentacam能夠同時測量角膜前后表面曲率，使其在臨床上獲得許多應用。安陽等[34]在其研究中也表明Pentacam可測量角膜后表面曲率的特性對散光和圓錐角膜早期診斷的重要作用。最后，其對眼球運動的魯棒性較好。Orbscan 在測量時無法確定人眼是否在追蹤裂隙光，導致測量結果不夠準確，而Pentacam 位于中央的鏡頭可以檢測定位瞳孔大小及眼位，動態監視眼球運動及校準數據[20]。

大量研究[14,17,31,35]都表明Pentacam相對Orbscan的進步優勢，使用Pentacam可以獲得更加準確的角膜地形圖，對圓錐角膜的早期診斷十分有意義。

2.2 可視化角膜力學分析儀

可視化角膜力學分析儀(corneal visualization scheimpflug technology, Corvis ST)是目前臨床上測試在體角膜生物力學特性的常用設備[36]，其使用高壓氣體沖擊角膜，同時使用Scheimpflug高速相機記錄受沖擊角膜的精確圖像，并借此計算角膜生物力學特性參數。角膜壓平的狀態圖，見圖4。Corvis ST的優勢在于能夠對角膜進行動態測量[37]，其對健康眼眼壓的測量結果與傳統的接觸式眼壓計(如Goldmann壓平式眼壓計等)具有良好的一致性[38]。舒適、快捷、精確的眼壓測量使其快速在臨床獲得普及。但有研究表明，Corvis ST 與眼反應分析儀(ORA)對角膜中央厚度(CCT)的測量有統計學意義的差異[39]，故臨床不建議混用兩種設備的結果。

圖4 角膜壓平的狀態圖

初代Corvis ST有12個輸出參數，見表2。對于圓錐角膜的診斷而言，僅憑以上參數診斷準確度不高[40]。Vinciguerra等[41]在大量數據的基礎上，借助邏輯回歸方法提出了Corvis生物力學指數(CBI)，并進一步驗證了其區分亞臨床期圓錐角膜和正常角膜的靈敏性和可靠性，且部分研究表明，其對頓挫期圓錐角膜的敏感度高于Corvis輸出的一般參數[42]。此外，Corvis ST 輸出的其他參數，包括角膜形變幅度比值[43](DAR)、高度變異指數[44](IHD)等，都被證實對圓錐角膜診斷具有優秀的特異性。綜合性研究表明，這些參數可提高圓錐角膜的診斷效率，增加亞臨床期圓錐角膜的檢出率[45-46]，為Corvis ST在圓錐角膜診斷方面提供了新思路。

表2 初代Corvis ST輸出參數

2.3 Pentacam 與 Corvis ST 的聯合應用

Pentacam和Corvis ST 聯合檢查既能測得角膜生物力學參數，又可測量角膜前后表面形態，可為醫生診斷提供更豐富的數據，是目前臨床比較熱門的研究方向。Ambrósio[47]根據Pentacam和Corvis ST 兩者給出的數據,使用隨機森林回歸的方法，提出了斷層掃描生物力學指數(tomographic and biomechanical index,TBI)，其對圓錐角膜各期都有很好的診斷能力。大量研究表明[28-29,48]，TBI對正常角膜、亞臨床期圓錐角膜和臨床期圓錐角膜具有較好的區分能力，其對亞臨床期圓錐角膜的診斷精度高于所有的獨立參數分析。Zhang等[28]系統對比了BADD、CBI與TBI對圓錐角膜的診斷能力，發現三個參數相對各自設備的經典參數診斷能力均有很大提升，且TBI在三個參數中表現最為突出。李躍祖等[49]和馮熠等[50]的研究也對Pentacam和Corvis ST 的聯合診療方式給出了較高評價。

3 活體鏡下病理檢查——共聚焦顯微鏡

共聚焦顯微鏡是一種光學顯微鏡，已在角膜炎、青光眼等疾病診斷中得到了廣泛應用。其可以通過調整成像的焦距，對角膜的各個橫斷面進行精細成像，顯示里面的細小沉淀、雜質和細微損傷等，對有形成分可在活體、非接觸狀態下起到類似于病理切片的作用，使人們能夠在細胞層面對角膜進行病理性研究。近期部分對圓錐角膜患者角膜形態變化的研究[51]初步表明了共聚焦顯微鏡在圓錐角膜診斷方面的潛在價值，使其在圓錐角膜診斷方面開始得到初步應用。

通過共聚焦顯微鏡可以看到患者角膜的細微病理變化，借此診斷圓錐角膜。肖啟國等[52]對19例圓錐角膜病眼進行了共聚焦顯微鏡觀察，發現所有病例的角膜全層厚度較健康者明顯變薄，且部分患者后基質層出現了微小皺褶。楊青華等[53]對行角膜膠原交聯術前后的圓錐角膜病眼進行觀察(見圖5)，發現角膜上皮下神經纖維、上皮細胞等在術前、術后均有明顯病理改變。朱遠飛[54]發現共聚焦顯微鏡能夠清晰地看到角膜交聯術前后，角膜基質褶皺的變化，并認為共聚焦顯微鏡的檢查結果可以作為角膜交聯術手術效果評估的重要依據。圓錐角膜病變過程中，角膜產生的微觀物理變化有很多，如基底膜及前彈力層局限性斷裂或破壞，上皮基底細胞水腫，角膜細胞形態、結構改變等[55-56]，這些癥狀都可被共聚焦顯微鏡所呈現。其次，共聚焦顯微鏡的分層成像特點，還可以辨別角膜各層厚度，為圓錐角膜病因的進一步研究提供支持。

圖5 共聚焦顯微鏡觀察圓錐角膜病眼的

4 基于光學設備信息的機器學習方法的應用

近年來，學科交叉尤其是統計學和計算機科學在角膜診斷方面的介入，使診斷更加快速、準確。Saleh等[57]總結了世界各地AI應用于角膜地形檢查的最新結果，發現所有研究算法都表現出了極高的性能與效率。譚安祖等[58]在角膜OCT技術上應用了深度學習技術，改造后的早期圓錐角膜檢測輔助系統使用VGC-16實現了約68%的圓錐角膜病變識別精度。鄒昊翰等[59]使用2 000余例圖像數據對機器學習的數據模型進行訓練和檢驗(見圖6)，準確率達95%以上，明顯優于高資歷住院醫師(93.5%)。Kamiya等[60]使用數百張圖片檢驗機器學習的效果，發現其對圓錐角膜的診斷準確率達到97%以上，對確定嚴重程度的準確率可達到80%以上。Gracia等[61]進行的類似機器學習方法也達到了89%的總體準確率。高瑜鴻[62]提出，未來可借助圓錐角膜輔助診斷系統進行青少年大規模圓錐角膜篩查，也可用于個性化疾病管理系統。隨著人工智能技術應用愈加廣泛，將會在輔助診斷方面發揮越來越重要的作用。

圖6 機器學習的訓練和模型驗證流程圖Fig.6 Flowchart of training and verifying of machine learning

5 總結與展望

各式成像系統的進步和硬件系統的改善，提高了檢查效率，而人工智能技術的應用，進一步提高了成像質量、診斷效率和準確性。如今，近視患者比例增多，圓錐角膜患病風險也隨之提高。光學設備對亞臨床期圓錐角膜的準確診斷，可以實現對患者的早發現、早治療，并給患者提供相對容易接受的檢查方式。光學角膜成像技術非接觸檢查的顯著優勢，將使其擁有更廣闊的應用前景。