本研究描述了一种工作流程,用于确定和比较单个感兴趣区域(例如,年龄相关性黄斑变性 [AMD] 中的玻璃膜疣和视网膜下玻璃膜疣样沉积物)的自发荧光水平,同时考虑整个眼底的不同自发荧光水平。
眼底自发荧光 (FAF) 成像允许对眼底的内在荧光团进行无创映射,特别是视网膜色素上皮 (RPE),随着基于共聚焦扫描激光检眼镜的定量自发荧光 (QAF) 的出现,现在可以量化。研究显示,在年龄相关性黄斑变性 (AMD) 中,QAF 在后极普遍降低。QAF 与各种 AMD 病变(玻璃膜疣、视网膜下玻璃膜样沉积物)之间的关系尚不清楚。
本文介绍了确定 AMD 病变特异性 QAF 的工作流程。使用多模态 活体 成像方法,包括但不限于光谱域光学相干断层扫描 (SD-OCT)、黄斑体积扫描和 QAF。使用定制的FIJI插件,相应的QAF图像与SD-OCT扫描的近红外图像(特征标志,即船只分叉)对齐。在OCT图像中标记中央凹和视神经头的边缘(并转移到注册的QAF图像中),以便准确定位分析网格。
然后可以在单个 OCT BScan 或 QAF 图像本身上标记 AMD 特异性病变。创建规范 QAF 图以解释整个眼底 QAF 值的变化平均值和标准偏差(对代表性 AMD 组的 QAF 图像进行平均以构建规范标准视网膜 QAF AMD 图)。这些插件记录 X 和 Y 坐标、z 分数(一种数值测量值,用于描述与 AF 贴图平均值相关的 QAF 值,表示与平均值的标准偏差)、平均强度值、标准偏差和标记的像素数。这些工具还可以根据标记病变的边界区域确定 z 分数。该工作流程和分析工具将提高对AMD病理生理学和临床AF图像解释的理解。
眼底自发荧光 (FAF) 成像可对眼底1 的自然和病理性荧光团进行无创映射。最常见的蓝色(488 nm激发)自发荧光(AF)激发视网膜色素上皮(RPE)的脂褐素和黑素颗粒2,3,4。颗粒的分布和增加/减少在正常衰老和各种视网膜疾病(包括年龄相关性黄斑变性 (AMD))中起着核心作用5。
FAF 的进一步发展,即定量眼底自发荧光 (QAF),现在可以准确测定地形分辨的视网膜 AF 强度 4,6。通过将参考纳入 FAF 成像设备的光路,可以比较设备、时间点和被摄体之间的自动对焦强度。该技术导致了 AMD 中假定的致病因素的范式转变,长期以来,人们推测这是由于 RPE 细胞中脂褐素的过度积累7。然而,AF 的组织学和临床定量显示 AMD 的 AF 减少(由于自发荧光脂褐素和黑素寡藻素颗粒的重新分布和丢失),而不是 AF8、9、10 的拟议增加。
监测心房颤动具有临床意义。Von der Emde 等人等人表明,在高危、中度 AMD 眼中,AF 不仅降低,而且在 AMD 过程中进一步降低 8,9。此外,组织学研究表明,大多数受 AMD 影响的 RPE 细胞在 RPE 细胞通过俯冲、脱落、迁移或萎缩而丢失之前表现出颗粒聚集和挤出的特征性行为13,14,15,16。这进一步表明,心房颤动丧失可能是即将疾病进展的触发因素或替代信号。
到目前为止,QAF 研究仅在使用预制网格极坐标系(例如 QAF8/Delori 网格)的后极点上评估了全局 AF 17。使用预制网格测量自动对焦会导致被摄体每只眼睛的预定区域产生多个自动对焦值。以这种方式研究心房颤动值可能会错过心房颤动病理改变区域的局部变化,例如,在玻璃膜疣或视网膜下玻璃膜疣样沉积物 (SDD) 顶部或附近的 AMD 中。玻璃膜疣和更高程度的 SDD 与晚期 AMD 和视力丧失的高风险相关。特别是玻璃膜疣,其典型的周期是多年内体型增加,并可能在萎缩前迅速恶化。可以想象,例如,AMD的整体心房颤动会降低,但在这些特定的疾病相关局灶性病变中和周围会增加甚至进一步减少。
不同的局部心房颤动模式也可能与疾病进展的预后相关。例如,自发荧光水平可用于评估玻璃膜疣的大小是否正在增加或已经消退为萎缩。已经表明,地理性萎缩中 AF 病灶周围模式的改变在很大程度上影响了萎缩的进展18。此外,局部自发荧光模式可以揭示RPE健康状况的更多细节。光学相干断层扫描 (OCT) 通常显示脉络膜毛细血管的超反射,但 RPE 层看起来完好无损。结合局部 QAF 值和 OCT 的多模式方法可能有助于鉴别具有 RPE 破坏和即将萎缩的高风险病变。
研究中没有进行空间分辨分析的一个原因是,最常用的制造商软件没有提供这些类型分析的工具。不同病变的心房颤动特性取决于AMD疾病分期,可以进一步解释AMD的发病机制。因此,需要一种工具来测量区域性、病变特异性心房颤动。为了准确比较位于整个视网膜的病变,工作流程需要一种方法来解释人体眼底中不同程度的心房颤动19。最核心的是,由于黄斑色素的阴影效应和不同的颗粒计数20,21,AF 特征性较低。
AF 在 ~9°(所有方向上到中央凹的距离)达到峰值,并在外周更大程度上降低4.因此,如果要比较软玻璃膜疣(位于低 AF 区域的中央凹和副中央凹)和 SDD(位于高 AF 区域的中央凹),结果将不具有可比性22。受 Pfau 等人的研究和眼底控制视野测量的灵敏度损失概念(在 AMD 中测量的视力山的灵敏度 [视网膜敏感性随着与中央凹的距离下降])的启发,将 AF 与整个黄斑的标准化 AF 值进行比较23,24。结果报告为 z 分数(感兴趣区域值与均值关系的数值测量值)。
本研究的目的是评估使用一种新工具来测量 AMD 患者不同类型病变中的局部 QAF 水平。该工具旨在测量 OCT 扫描中发现的病变的自发荧光水平。这样可以评估病变(如软玻璃膜疣或 SDD)的局部自发荧光水平,并允许跟踪病变随时间变化的 AF 变化。该工具的潜在用途是启用一种新的结构生物标志物,该生物标志物可以估计 RPE 的健康状况,并可能对所研究的病变具有预后价值。
该研究是根据《赫尔辛基宣言》进行的,并得到了波恩大学伦理委员会的批准(协议代码305/21)。从参与研究的所有受试者那里获得了书面知情同意书。我们要求视频中的所有参与者签署授权书,允许我们在制作在线视频时使用他们的肖像和个人信息。
1. 定量自发荧光(QAF)图像采集
2. 图片导出
3. QAF分析开源插件-安装流水线
注意:所提供的 QAF 软件是为开源软件 ImageJ(FIJI 扩展)26 创建的名为“Spectralis pipeline”的开源插件。
4. 设置 - 数据存储
注意:为了实现无缝的工作流程,建议按如下 方式设置文件夹结构 。首先,为每个研究对象设置一个文件夹。Oculus dexter (OD) 和 oculus sinister (OS) 分别指右眼和左眼,这些缩写在整个工作流程中使用。
5. 将 QAF XML 文件转换为 QAF 映像(使用的插件:QAF_xml_reader)
6. 将 QAF 映像注册到 OCT 映像(使用的插件:Register_OCT_2)
注意:需要此步骤才能将 OCT 图像与 QAF 图像准确对齐,以便对齐 QAF 图像和 OCT BScan 中的病变。
7. 创建用于比较的平均 QAF 图像(使用的插件:StandardRetina/BatchStandardRetina)
注意:QAF 值很大程度上取决于视网膜位置(例如,由黄斑色素引起的中央阴影)。因此,应将玻璃膜疣的QAF值与同一区域的标准QAF值进行比较。作为分析的先决条件, StandardRetina 会创建平均 QAF 图像(例如,来自年龄匹配的对照队列)的面图。生成的 enface 图显示了中央视网膜平均 QAF 值的逐像素图。
8. 注释感兴趣的分析区域(使用的插件:Mark_BScans_OCT)
查看输出
为了充分分析结果并从中得出结论,了解 Mark_Bscans_OCT 的输出文件非常重要。前三列在案例 ID、文件的偏侧性和所选的成像方式之后进行标记。第四列按模式引用,并标记为 z 分数。请注意,在撰写本文时,Mark BScans 只能一次性计算所有病变;这些行是指等值壳,其与病变外边缘的距离在电子表格的下列和上列中指定。等壳体在病变周围指定圆周内以 z 分数(在 QAF 的情况下)测量 AF。请注意,等值包中像素的最小值可以在标记为 min 的列中找到,标记为 median、max、mean 和 stdev 的列分别包含等值包中像素值平均值的中位数、最大值、平均值和标准差。列 n 包含等值包中的像素总数。图 1 显示了一名 84 岁男性中度年龄相关性黄斑变性 (iAMD) 患者的单体明显软玻璃膜疣。
图 2 显示了用 QAF-Workflow 工具标记的 SDD 代表性患者的左眼(图 3)。该患者的 SDD 与心房颤动降低相关(z 评分 = -0.4 ± 0.2)。同样,与 StandardRetina 相比,SDD 周围的等值壳表现出降低的 AF(例如,最接近的等壳体 = -0.3 ± 0.3)。对这种现象的一个合理解释可能是 SDD 病变对 RPE 的阴影效应(半透明性降低)。SDD的使用堪称典范。该工具还可以评估其他病变(如玻璃膜疣)的局部心房颤动水平。此外,该工具允许跟踪病变随时间推移的 AF 变化。
图 1:一名 84 岁男性中度年龄相关性黄斑变性 (iAMD) 患者的单体标记软玻璃膜疣。 (A) 带有标记玻璃膜疣的左眼的 QAF 图像。(B)玻璃膜疣特写:棕色中心代表标记的玻璃膜疣,彩色带代表周围的等壳体。下表描述了输出文件。将 QAF 玻璃膜疣值与 StandardRetina 相应偏心率的相应 QAF 值进行比较。这会导致 z 分数表示与未受影响区域平均值的偏差。蓝色框从左到右显示:病例 ID、眼睛的偏侧性、使用的模态和所需的输出(在本例中为 z 分数)。橙色框中的列以毫米为单位显示测量区域的边界(下限 = 下限,上限 = 上限)。绿色框标记显示 QAF 测量值的列。从左到右,它们包含平均值的最小值、中位数、最大值、像素数、平均值和标准差。每行代表一个等壳体,蓝色框中的行表示病变内的值,紫色框内的行表示每个病变周围的等值壳体(从上到下,与病灶的距离增加)。比例尺 = 1 mm. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 2:一名 80 岁女性早期 AMD 患者的 QAF 图像中标记的 SDD。 (A) 在 QAF 图像中可以看到 SDD。(B)在每个标记的病变周围,用颜色编码(浅绿色,深绿色和红色)描绘等壳。(C) 蓝色矩形的放大版本。每个 SDD 的外边缘都标记为蓝色。缩写:QAF=定量自发荧光;AMD = 年龄相关性黄斑变性;SDD = 视网膜下玻璃膜疣样沉积物。比例尺 = 1 mm. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3:确定病变 AF 的工作流程。该图可视化了确定病变特异性 AF 所需的软件插件。(A) 图像显示了颜色编码的 QAF 图像,可用于可视化 QAF 值的分布,但不应用于进一步分析。 (B) 前景为QAF图像,背景为SD-OCT扫描的红外图像。这应该使用容器分叉来可视化对齐。这可以使用 Register_OCT_2 插件来完成。(C) 用于测量病变的 z 评分值的标准视网膜。可以使用 StandardRetina/BatchStandardRetina 创建 StandardRetina。(D) 描绘了带有蓝色箭头指向 SDD 的 BScan,SDD 用黄线突出显示(注意:病变始终标记在 RPE 下方,与 z 方向的位置无关)。(E) 所有标记的病变都印在 QAF 图像上(见图 1)。最后两个步骤是使用 Mark_BScans_OCT 插件完成的。缩写:AF = 自发荧光;QAF = 定量自发荧光;SDD = 视网膜下玻璃膜疣样沉积物;IR = 红外线;RPE = 视网膜色素上皮;SD-OCT = 光谱域光学相干断层扫描。请点击这里查看此图的较大版本.
此工作流程提供了使用开源 FIJI 插件工具确定和比较 AMD 特异性病变的 AF 的分步指南。这些插件提供了易于使用的模板,不需要任何编码知识,医生可以在没有技术支持的情况下应用27.据我们所知,这些工具是用于病变特异性 AF 量化的一种工具。
QAF 值在整个视网膜上自然变化,由于视网膜内的脂褐素和黑素分布不均匀、血管 AF 低和黄斑色素分布不均匀,QAF 值在外围较高,在黄斑中较低。由于视网膜中自然发生的 QAF 水平变化很大,因此直接分析病变的绝对 QAF 值不是一种有前途的方法。例如,外周的低自发荧光病变可能仍具有高于黄斑生理性荧光水平的绝对 QAF 值。使用标准视网膜和使用 z 分数来测量玻璃膜疣的荧光水平,可以校正这种自然发生的 QAF 值方差。
z 分数是感兴趣区域值与 StandardRetina 中平均值关系的数值测量。它的计算方法是从同一位置的标准视网膜的平均值中减去个体的平均值,然后将结果除以标准差。这种标准化允许比较不同的 QAF 图像,因为 z 分数表示值与平均值相差多少个标准差。正 z 分数表示该值高于平均值,而负 z 分数表示该值低于平均值。
需要注意的是,可能存在应考虑的潜在陷阱。虽然这种方法解释了整个眼底不同数量的心房颤动水平,但它可能仍然不是测量和比较 RPE 心房颤动的最准确方法。个体具有不同的黄斑色素水平和地形,病变也可能影响上覆视网膜的半透明性28,29。因此,在 SDD 区域测得的 AF 降低(参见代表性结果)是阴影效应的结果,而不是 RPE30,31,32 中荧光团减少的结果。
我们目前正在研究一种工作流程,以使用线性混合模型来考虑视网膜反射率、厚度和量化的黄斑色素(使用绿色和蓝色自动对焦)。此外,到目前为止,QAF 使用年龄依赖性校正因子来解释透镜混浊,忽略了33 岁相似参与者的透镜混浊的个体间差异。因此,我们目前正在研究一种工作流程,用于对透镜状自发荧光和混浊进行个性化校正因子。为了可靠地从小病灶中提取 AF 信息,需要对 QAF 图像进行足够的重测可靠性。为了进一步区分那些可以进行更详细分析的 QAF 图像,我们正在研究可以预测 QAF 图像重测信度的“QAF 图像可靠性指数”。在现阶段,谨慎的方法是获取重复图像并研究病变特异性 AF 的复测可靠性。
由于相邻病变的等壳合并,所提出的额外分析病变等壳体的方法在技术上难以实现。合并等壳体的区域可以根据所考虑的病变进行独特的表征。我们的解决方案是将一种类型的所有病变视为一个病变,并将其外围分析为关节等壳。然而,这种方法大大降低了测量单个玻璃膜疣等壳的能力,并可能被认为是该技术的进一步缺陷。在技术上更复杂的方法来解释合并的等壳或在合并的等壳区域暂停报告AF,可以促进未来在病变周围分析AF。
我们使用AMD作为本研究的模型疾病。该工作流程也可以用于研究其他疾病的病变。到目前为止,QAF 已用于许多脉络膜视网膜疾病,包括隐性 Stargardt 病、Bestrophin-1 相关疾病、各种形式的视网膜色素变性、急性地带性隐匿性外视网膜病变、弹性假黄色瘤等 17,33,34,35,36,37.由于该工作流程使用开源软件,我们鼓励其他人在确定病变特异性心房颤动时重复这项工作,并扩展我们对视网膜疾病的了解。总之,我们提出了一个工作流程来确定和比较整个黄斑不同视网膜病变的 AF 水平。该工作流程为更深入地分析心房颤动铺平了道路,并可促进AMD及其他领域新生物标志物的开发。
莱昂·冯·德·埃姆德(Leon von der Emde)报告说,他收到了海德堡工程公司的付款。Merten Mallwitz没有报告任何财务披露。肯尼斯·R·斯隆(Kenneth R. Sloan)也没有报告任何财务披露。Frank G. Holz 报告了 Acucela、Alcon (C)、Gyroscope Allergan Apellis、Bayer Bioeq/Formycon、CenterVue、Roche/Genentech、Geuder、Ivericbio、NightStarX、Novartis、Optos、Oxurion、Pixium Vision、Stealth BioTherapeutics、Zeiss 和 GRADE Reading center 的咨询/个人付款。Thomas Ach 报告拜耳、Apellis、罗氏和诺华的咨询/个人付款。
这项工作由德国眼科学会(DOG)博士生资助(MW)和NIH/NEI 1R01EY027948(TA)资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
BatchStandardRetina plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
FIJI (Image J) | n.a. | n.a. | n.a. |
Mark_Bscans_OCT plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
Microspft office | Microsoft | n.a. | n.a. |
QAF_xml_reader plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
Register_OCT_2 plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
Spectralis | Heidelberg Engineering | n.a. | QAF extension |
StandardRetina plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
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