Способ исследования объемного микроциркуляторного кровотока в области макулы и диска зрительного нерва Российский патент 2023 года по МПК A61B3/12 A61B5/02 A61B6/03 

Изобретение относится к медицине, а именно, к офтальмологии и предназначено для исследования объемного микроциркуляторного кровотока в области макулы и диска зрительного нерва с помощью оптической когерентной томографии-ангиографии.

Оптическая когерентная томография ангиография (ОКТА) - современный перспективный метод оценки кровоснабжения сетчатки и хориоидеи. Доступные в настоящее время устройства ОКТА способны генерировать высококачественные изображения сосудистых сплетений, которые можно использовать для количественной оценки кровоснабжения сетчатки и хориоидеи в области макулы и диска зрительного нерва (ДЗН), а также радиальной перипапиллярной капиллярной сети хориоидеи [Kashani А.Н., Chen C.L., Gahm J.K., et al. Optical coherence tomography angiography: a comprehensive review of current methods and clinical applications. Prog Retin Eye Res. 2017; 60: 66-100. doi:10.1016/j.preteyeres.2017.07.002; Choi W., Mohler K.J., Potsaid В., et al. Choriocapillaris and choroidal microvasculature imaging with ultrahigh speed OCT angiography. PlosOne. 2013; 8 (12), e81499. doi: 10.1371/journal.pone.0081499]. Эта возможность важна для ранней диагностики различных заболеваний глаз, в том числе осложненной миопии (DaiY, XinC, ZhangQ, ChuZ, ZhouH, ZhouX, QiaoL, WangRK. Impact of ocular magnification on retinal and choriocapillaris blood flow quantification in myopia with swept-source optical coherence tomography angiography. Quant Imaging Med Surg. 2021 Mar; 11(3):948-956. doi: 10.21037/qims-20-1011) и первичной открытоугольной глаукомы (ПОУГ), поскольку нарушение хориоидальной микроциркуляции в области ДЗН считается одним из ключевых факторов ее развития [Goharian I., Sehi М. Is There Any Role for the Choroid in Glaucoma? J. Glaucoma. 2016; 25(5): 452-458 [doi:10.1097/IJG.0000000000000166]. В отличие от флюоресцентной ангиографии, ОКТА - неинвазивный метод, позволяющий оценить кровоснабжение на глубине скана, визуализируя глубокие слои сетчатки, перфузию сетчатки, хориоидею и хориокапилляры [Курышева Н.И. ОКТ-ангиография и ее роль в исследовании ретинальной микроциркуляции при глаукоме (часть первая). Российский офтальмологический журнал. 2018; 11(3):95-100]. ОКТА позволяет визуализировать различия между последовательными сканами, показывающими кровоток, путем анализа интенсивности и изменения времени отражения сигнала, вызванного движущимися частицами (эритроцитами), проходящими по сосудам. Этот метод обеспечивает высокий контраст между областями сосудистого кровотока и окружающими тканями. Для диагностики нарушений гемодинамики глаза при различных заболеваниях в настоящее время проводится анализ одномерных поперечных ОКТА изображений сетчатки и ДЗН, который позволяет рассчитать плотность поверхностных и глубоких сосудистых сплетений в изучаемых зонах глазного дна. Соответствующий диагностический параметр обычно представляет собой площадь, занятую сосудами и капиллярами и выраженную в процентах от общей площади исследуемой зоны в одном поперечном срезе [Курышева Н.И. ОКТ-Ангиография и ее роль в исследовании ретинальной микроциркуляции при глаукоме (часть вторая). Российский офтальмологический журнал. 2018; 11(3):95-100. https://doi.org/10.21516/2072-0076-2018-11-3-95-100]. Однако визуализация микроциркуляции сетчатки и ДЗН в поперечном срезе ОКТА сопряжена с определенными существенными ошибками, в том числе с возникновением проекционных артефактов от крупных кровеносных сосудов в более глубоких слоях и др. [Семенова Н.С., Акопян В.С. Оптическая когерентная томография: от спектральной к sweptsource. Атлас избранных клинических случаев. Москва: Магистраль; 2019].

Известен способ анализа одномерных поперечных ОКТА изображений сетчатки и ДЗН, который позволяет рассчитать плотность поверхностных и глубоких сосудистых сплетений (VesselDensity, VD) в перипапиллярной и парафовеолярной зонах. Показатель представляет собой площадь, занятую сосудами и выраженную в процентах от общей площади исследуемой зоны в конкретном поперечном срезе [Курышева Н.И., Маслова Е.В., Трубилина А.В., Фомин А.В. ОКТ-ангиография и цветовое допплеровское картирование в исследовании гемоперфузии сетчатки и зрительного нерва при глаукоме. Офтальмология. 2016; 13(2): 102-110].

В работах, сравнивающих результаты количественной оценки микроциркуляторного кровотока, которые получены в различных диагностических обследованиях, также используют относительные показатели плотности сосудистых сплетений (VD), выраженные в процентах [Chen X, Wang X, Ни X, Sun X. The evaluation of juvenile ocular hypertension by optical coherence tomography angiography. BMC Ophthalmol. 2020 Oct 21; 20(1):423. doi: 10.1186/s 12886-020-01641-4; ZhouN., Xu X., Wei, W. Optical coherence tomography angiography characteristics of optic disc melanocytoma. BMC Ophthalmol 20, 429 (2020). https://doi.org/10.1186/s12886-020-01676-7]. Показатели VD (%) используются и для сравнения информативности разных ОКТА систем [Kee A.R., Yip V.C.H., Тау E.L.T., et al. Comparison of two different optical coherence tomography angiography devices in detecting healthy versus glaucomatous eyes - an observational cross-sectional study. BMC Ophthalmology. 2020; 20:440]. Однако возможность прямого сравнения с результатами других методов исследования ограничена из-за технических и методических сложностей, обусловленных отсутствием диагностических показателей, выраженных в абсолютных размерных величинах, а косвенные оценки, использующие относительные показатели, с учетом принимаемых допущений дают неточный результат.

Для получения более полной информации о состоянии системы кровоснабжения слоев сетчатки и хориоидеи как трехмерных объектов необходимо анализировать не только одиночные двумерные сканы, но и множество таких последовательно зарегистрированных сканов, представляющих полное ОКТА исследование. В настоящий момент программное обеспечение для ОКТА систем не позволяет количественно интерпретировать полученные таким образом изображения в автоматическом режиме. Это значительно ограничивает диагностические возможности исследования кровотока, в том числе микроциркуляции хориоидеи в области ДЗН. Предлагаются различные подходы к количественной оценке плотности хориокапилляров [Van Melkebeke L., Barbosa-Breda J., Huygens M., Stalmans I. Optical coherence tomography angiography in glaucoma: a review. Ophthalmic Res. 2018; 60: 139-151. doi: 10.1159/0004884951, однако единой адекватной стратегии не существует, и точное количественное определение хориоидальной микроциркуляции пока остается нерешенной проблемой [Bingyao Т., Ralene S., Jacqueline С, et al. Approaches to quantify optical coherence tomography angiography metrics. Ann Transl Med. 2020; 8(18), 1205. doi: 10.21037/atm-20-3246]. Необходимо также добавить, что ОКТА системы ассоциируются с большим количеством различных артефактов, что также может привести к ошибочной интерпретации результатов [Falavarjani G.K. et al. Image artefacts in swept-source optical coherence tomography; angiography. Br J Ophthalmol. 2017; 101: 564-568. doi: 10.1136/biophthalmol-2016-309104].

Известен способ оценки хориоидального кровотока, согласно которому предлагается использовать не показатель плотности сосудистых сплетений, выраженный в процентах, а количественный показатель, выраженный в объемных единицах (векселях), для оценки объема крови в сосудах в области одного ОКТА скана [Iomdina Е. et al. Quantification of choroidal blood flow using the OCT-A system based on voxel scan processing. 2020 International Conference on Biomedical Innovations and Applications (BIA), Varna, Bulgaria, 2020:41-44 https://doi.org/10.1109/BIA50171.2020.9244495]. При этом каждая пиксельная метка на выбранных диагностических изображениях ОКТА (сканах) рассматривается как трехмерная единица, характеризующая область движущейся крови [Iomdina Е., Khoziev D., Luzhnov P. Quantitative assessment of retinal and choroidal blood vessels volume using a voxel processing of optical coherence tomography angiography images. Opt. Eng. 2021; 60(8), 082020. doi: 10.1117/1.ОЕ.60.8.082020]. В работе [Лужнов П.В., Милаш СВ., Иомдина Е.Н., Шамкина Л.А., Тарутта Е.П., Маркосян Г.А. Исследование массива ОКТА сканов для количественного определения параметров глазного кровотока. Российский общенациональный офтальмологический форум, 15-й Сб. науч. тр. Под ред. В.В. Нероева. Москва: Апрель, 2022. Т. 2. С.414-418] предлагается исследование именно множества ОКТА сканов, когда в расчет могут быть приняты все зарегистрированные сканы ОКТА исследования. Этот способ принят за ближайший аналог.

Недостатком ближайшего аналога является наличие на ОКТА сканах артефактов и шумов, проявляющихся в том числе при переходе от одного скана к последующим в массиве зарегистрированных последовательно сканов ОКТА исследования. Значения объемных показателей, рассчитанных с использованием вокселей в рамках одного скана, может скачкообразно изменяться у соседних ОКТА сканов. Это обусловлено артефактами движения, процессами пульсового кровенаполнения, меняющимися условиями регистрации при продолжительном времени накопления множества сканов одного обследования. Такие изменения расчетных значений для соседних номеров сканов могут быть представлены в виде высокочастотных колебаний на графике, отражающем зависимость расчетного значения от номера скана (фиг. 1, Колебания кровотока на множестве ОКТА сканов, синий график). В анализ попадают также пространственные области с крупными кровеносными (артериальными и венозными) сосудами, что также отражается на расчетных объемных показателях в виде скачкообразных изменений их значений.

Для уменьшения влияния описанных артефактов на результат расчета количественных объемных показателей микроциркуляторного кровотока необходимо первоначально проводить их обработку, или фильтрацию изображений сканов [Стругайло В.В. Обзор методов фильтрации и сегментации цифровых изображений. НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012, №5, С. 270-281. doi: 10.7463/0512.0411847]. Причем такая фильтрация должна быть реализована не для отдельных двумерных сканов ОКТА исследования, а с учетом соседних сканов множества, т.е. в трехмерной области исследования.

Задачей изобретения является дальнейшая разработка способа количественной оценки объема микроциркуляторного кровотока в области макулы и диска зрительного нерва.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности количественного анализа объемного кровотока в области макулы и диска зрительного нерва для сравнительного анализа нормальных и патологических изменений.

Технический результат достигается за счет уменьшения высокочастотных артефактов и шумов с помощью фильтрации в трехмерной области исследования и проведения количественной оценки объема кровотока в исследуемой области отдельно для всей сосудистой сети и отдельно для микроциркуляторного русла.

Способ осуществляют следующим образом. Для исследования объема микроциркуляторного кровотока в области макулы и ДЗН проводят ОКТ-ангиографию (ОКТА) и количественную воксельную оценку объемного кровотока. Дополнительно проводят ОКТ области макулы и ДЗН. По двумерным ОКТА-сканам производят медианную фильтрацию изображений сканов в трехмерной области исследования. Накладывают полученные изображения ОКТА на ОКТ-изображение области макулы или ДЗН. Выделяют пространственное расположение крупных кровеносных сосудов. Проводят количественную оценку объемного кровотока отдельно для крупных кровеносных сосудов и для микроциркуляторного русла.

Таким образом, в предложенном способе исследования в алгоритм воксельной оценки кровотока включены данные текущего ОКТА скана и соседних с ним сканов по оси номеров сканов ОКТА исследования. Медианная фильтрация обеспечивает уменьшение высокочастотных артефактов и шумов. Дополнительное проведение ОКТ обеспечивает определение пространственного расположения крупных кровеносных сосудов. Наложение полученных изображений ОКТА на ОКТ-изображение позволяет проводить количественную оценку объема кровотока в исследуемой области отдельно для всей сосудистой сети и отдельно для микроциркуляторного русла.

Как в ближайшем аналоге, каждый зарегистрированный пиксель преобразуют в объемную единицу - воксель, представляющий собой параллелепипед с тремя размерами, соответствующими осевому, трансверсальному разрешению ОКТА и шагу между соседними ОКТА-сканами. Затем определяют размер области расчета в плоскости скана по двум координатам и число предшествующих и последующих сканов, учитываемых в расчете, по третьей координате - оси номеров ОКТА сканов. Геометрические величины данной области получают из трансверсального и осевого разрешения ОКТА системы и выбранного шага сканирования. В предложенном способе в границах выбранной области проводят фильтрацию значений количественного объемного показателя, получаемого с использованием воксельной модели, с использованием медианной фильтрации [Стругайло В.В. Обзор методов фильтрации и сегментации цифровых изображений. НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012, №5, С. 270-281. doi: 10.7463/0512.0411847]. На основании проведенной фильтрации (фиг. 1, желтый график) формируют новое значение воксельного показателя кровотока. Процедуру оценки в рамках одной области повторяют последовательно для всего множества точек трехмерной пространственной области, которые входят в область ОКТА исследования. Затем накладывают полученные изображения ОКТА на изображение области ДЗН, полученное при проведении ОКТ, и определяют пространственное расположение крупных артериальных и венозных кровеносных сосудов. Далее на основе полученных данных проводят количественную оценку объема кровотока в области макулы и ДЗН с использованием векселей для двух случаев - отдельно для всей сосудистой сети и отдельно для микроциркуляторного русла.

Для ОКТА исследования используют, например, оптический когерентный томограф Spectralis ОСТ2 с модулем ОКТА (Heidelberg Engineering, Германия). В объеме выбранной области перипапиллярной или макулярной зоны регистрируют 512 сагиттальных двумерных ОКТА-сканов. Результат сканирования представляют в виде множества изображений размером 512×496 пикселей. Количество пикселей, выделенных в каждом из 512 сканирований программным обеспечением ОКТА системы, подсчитывают автоматически. Затем рассчитывают объем элементов микроциркуляторного кровотока - векселей. Для расчета объема вокселя используют следующие характеристики ОКТА Spectralis ОСТ2: осевое разрешение - 5,7 мкм, поперечное разрешение - 3,9 мкм и шаг сканирования 5,7 мкм. Затем производят обработку результатов предложенным способом. На конечном этапе производят расчет объема микроциркуляторного кровотока по всей области исследования или любой ее части, в зависимости от диагноза пациента и цели обследования.

Эффективность и адекватность предложенного способа подтверждены результатами обследования 3 пациентов (6 глаз) в возрасте от 25 до 68 лет без офтальмологической патологии. Для всех пациентов получена серия из 512 сканов, что соответствует максимально возможному разрешению системы ОКТА (Spectralis ОСТ2, Heidelberg Engineering, Germany) в режиме улучшенной глубины изображения (EDI).

Клинический пример. Пациенту Л., возраст 39 лет, без офтальмологической и сопутствующей патологии, провели ОКТ и ОКТА в области ДЗН с использованием ОКТ системы с ангиографическим модулем SPECTRALIS 2 (Heidelberg Engineering, Германия), затем в объеме выделенной перипапиллярной области размером 3×3×3 мкм зарегистрировали все 512 сагиттальных двумерных ОКТА-сканов. В каждом из 512 сканирований программным обеспечением ОКТА системы автоматически определялось количество пикселей. Каждый зарегистрированный пиксель преобразовали в объемную единицу - воксель, представляющий собой параллелепипед с тремя размерами, соответствующими осевому, трансверсальному разрешению используемой ОКТА системы (SPECTRALIS2) и шагу между соседними ОКТА-сканами: 5,7×3,9×5,7 мкм. Рассчитали объем микроциркуляторного кровотока по сумме объемов всех вокселей. Расчетные характеристики в зависимости от номера ОКТА скана представили графически на плоскости. Затем произвели обработку результатов предложенным способом с использованием алгоритма медианной фильтрации. Для сравнения результатов, полученных до и после обработки, осуществили построение этих результатов на одном графике (фиг. 2, Разброс результатов расчета по множеству ОКТА сканов). Для расчетных величин до обработки (обозначены красным цветом на фиг. 2) наблюдается существенно больший разброс значений по сравнению с данными после обработки (обозначены зеленым на фиг. 2). До обработки разброс составляет в среднем 37%, в то время как после обработки он составляет порядка 9%. Таким образом, для одного скана центральной области ДЗН, с объемом микроциркуляторного кровотока, равного 171805 мкм³, разброс до обработки составляет порядка 63568 мкм³, а после обработки - порядка 15462 мкм³.

На фиг. 3 - Сопоставление данных ОКТА с областью ДЗН, представлено сопоставление диагностических данных с изображением области ДЗН, полученным при исследовании ОКТ, позволяющее выделить пространственное расположение крупных артериальных и венозных кровеносных сосудов (примеры областей таких сосудов выделены черными овальными контурами на фиг. 3). На основании данных, полученных предложенным способом, становится возможным проведение количественной оценки объема кровотока в области макулы и ДЗН отдельно для двух случаев - как для всей сосудистой сети, так и для микроциркуляторного русла. В описываемом примере в области артериального кровеносного сосуда диаметром 86 мкм объем кровотока составляет 753930 мкм³, в то время как в соседней области с микроциркуляторным руслом тот же показатель составляет 372529 мкм³.

Таким образом, использование предлагаемого способа при анализе массивов ОКТА сканов позволяет увеличить точность количественной оценки объема микроциркуляторного кровотока в области макулы и ДЗН за счет уменьшения влияния артефактов и шумов, а оценка кровотока отдельно в микроциркуляторном русле и в крупных сосудах дает возможность целенаправленной диагностики локализации нарушений кровоснабжения (на уровне микроциркуляции или в крупных сосудах). Это может иметь диагностическое значение при высокой миопии, ПОУГ и других заболеваниях глаз, ассоциированных с нарушением гемодинамики в области заднего отдела глаза.

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии и может быть использовано для исследования объема микроциркуляторного кровотока в области макулы и диска зрительного нерва (ДЗН). Для исследования объема микроциркуляторного кровотока в области макулы и ДЗН проводят ОКТ-ангиографию (ОКТА) и количественную воксельную оценку объемного кровотока. Дополнительно проводят оптическую когерентную томографию (ОКТ) области макулы и ДЗН. По двумерным ОКТА-сканам производят медианную фильтрацию изображений сканов в трехмерной области исследования. Накладывают полученные изображения ОКТА на ОКТ-изображение области макулы или ДЗН. Выделяют пространственное расположение крупных кровеносных сосудов. Проводят количественную оценку объемного кровотока отдельно для крупных кровеносных сосудов и для микроциркуляторного русла. Изобретение обеспечивает повышение точности количественного анализа объемного кровотока в области макулы и ДЗН за счет уменьшения высокочастотных артефактов и шумов с помощью фильтрации в трехмерной области исследования. 3 ил., 1 пр.

Способ исследования объема микроциркуляторного кровотока в области макулы и диска зрительного нерва (ДЗН), включающий проведение ОКТ-ангиографии (ОКТА) и количественную воксельную оценку объемного кровотока, отличающийся тем, что дополнительно проводят оптическую когерентную томографию (ОКТ) области макулы и ДЗН, по двумерным ОКТА-сканам производят медианную фильтрацию изображений сканов в трехмерной области исследования, накладывают полученные изображения ОКТА на ОКТ-изображение области макулы и ДЗН, выделяют пространственное расположение крупных кровеносных сосудов и проводят количественную оценку объемного кровотока отдельно для крупных кровеносных сосудов и для микроциркуляторного русла.