Способ определения величины пульсовых колебаний объема кровотока в области макулы и диска зрительного нерва Российский патент 2023 года по МПК A61B5/02 A61B3/12 

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и предназначено для определения величины пульсовых колебаний объема кровотока в области макулы и диска зрительного нерва с использованием оптической когерентной томографии ангиографии и метода лазерной спекл-флоуграфии (LSFG -laser speckle flowgraphy).

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, а также радиальной перипапиллярной капиллярной сети хориоидеи [Kashani А.Н., Chen C.L., Gahm J.K., etal. 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 особенно важна для ранней диагностики 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], а также других патологий, связанных с локальным нарушением ретинального и хориоидального кровоснабжения. В отличие от флюоресцентной ангиографии, ОКТА - неинвазивный метод, позволяющий оценить кровоснабжение на глубине скана, визуализируя перфузию глубоких слоев 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 система 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, и активно используется благодаря своим возможностям в диагностике ПОУГ и ряда других офтальмологических заболеваний [TripathiS., ArigaM., Srinivasan М.М. Review article: Ocular blood flow in glaucoma. TNOAJ Ophthalmic Sci Res (2020) 58:180-185. doi:10.4103/tjosr.tjosr 81 20]. Использование метода ОКТА позволяет оценить особенности строения и геометрические характеристики сосудистой сети [Popovic N., Vujosevic S., Popovic Т. Regional Patterns in Retinal Microvascular Network Geometry in Health and Disease. Scientific Reports (2019) 9:16340. doi: 10.1038/s41598-019-52659-8], а также пространственный (трехмерный) характер расположения сосудов в исследуемых областях капиллярного русла [Borrelli Е., Sacconi R., Brambati М., Bandello F., Querques G. In vivo rotational three-dimensional ОСТА analysis of microaneurysms in the human diabetic retina. Scientific Reports (2019) 9:16789. doi:10.1038/s41598-019-53357-l]. Для углубленного анализа именно пространственных (3D - трехмерных) характеристик исследователи предлагают различные приемы отображения и использования диагностических данных ОКТА. Так, вработе [Borrelli Е., Sacconi R., Brambati М., Bandello F., Querques G. In vivo rotational three-dimensional ОСТА analysis of microaneurysms in the human diabetic retina. Scientific Reports (2019) 9:16789. doi:10.1038/s41598-019-53357-l] описан метод пространственного отображения сосудистой сети с возможностью осуществление поворота угла зрения для улучшения визуального анализа при ОКТА диагностике. В работе [BorrelliE., Grosso D., Parravano M. etal. Volume rendered 3D ОСТА assessment of macular ischemia in patients with type 1 diabetes and without diabetic retinopathy. Scientific Reports (2021) 11:19793. doi:10.1038/s41598-021-99297-7] при исследовании группы пациентов с диабетической ретинопатией представлена технология, которая помимо 3D визуализации позволяет проводить расчет перфузионных показателей с привязкой к пространственным координатам, а в работе [Sarabi M.S., Khansari М.М., Zhang J., et al. 3D Retinal Vessel Density Mapping With OCT-Angiography. IEEE JOURNAL OF BIOMEDICAL AND HEALTH INFORMATICS (2020) 24(12): 3466-3479. doi:10.1109/JBHI.2020.3023308] описывается методика визуального построения капиллярной сосудистой сети с последующим расчетом перфузионных показателей. Однако следует подчеркнуть, чтопри применении методик анализа диагностических данных ОКТА с элементами 3D авторы либо сводят дополнительные возможности новых алгоритмов к визуальному анализу пространственных изображений, либо к расчету перфузионных показателей, которые характерны для классической ОКТА диагностики [Курышева Н.И. ОКТ-Ангиография и ее роль в исследовании ретинальной микроциркуляции при глаукоме (часть вторая). Российский офтальмологический журнал. (2018) 11(3): 95-100. doi: 10.21516/2072-0076-2018-11-3-95-100] и представляют в качестве результата безразмерные показатели, отражающие плотность сосудистых сплетений, выраженную в процентах. Подобные показатели обычно представляют собой площадь, занятую сосудами (капиллярами) и выраженную в процентах от общей площади исследуемой зоны в одном поперечном срезе, то есть имеют двумерную (а не 3D) основу для вычислений.

В литературе существуют указания на исследования, целью которых является изучение объемных характеристик кровотока области ДЗН. Так, в работе [Pardon L.P., Cheng Н., Chettry P., Patel N.B. Optic nerve head morphological changes over 12 hours in seated and head-down tilt postures. Invest OphthalmolVisSci. (2020) 61(13): 21. doi:10.1167/iovs.61.13.21] представлен аназиз продолжительной регистрации объемных и геометрических характеристик области ДЗН, а в исследовании [InhoShin, Wang-YuhlOh. Visualization of two-dimensional transverse blood flow direction using optical coherence tomography angiography. Journal ofBiomedicalOptics (2020) 25(12): 126003. doi:10.1117/1.JBO.25.12.126003] показана возможность учета направления кровотока при анализе двумерных ОКТА изображений. Несмотря на это, способов оценки пульсовых колебаний в области ДЗН с учетом 3D параметров, полученных с помощью ОКТА, на сегодняшний день не существует. В то же время такая информация может быть полезной для адекватной и ранней диагностики нарушений кровоснабжения, влияющих на состояние трофики структур глазаи оценки риска развития сосудистых осложнений на глазном дне, в частности, при высокой миопии [Yang YS, Koh JW. Choroidal Blood Flow Change in Eyes with High Myopia. Korean J Ophthalmol. 2015 Oct;29(5):309-14. doi:10.3341/kjo.2015.29.5.309]. Кроме того, контроль пульсовых колебаний кровотока в заднем полюсе глаза позволит выявлятьсвязанные с ними значимыефлуктуации внутриглазного давления, индуцирующие нарушения структур диска зрительного нерва [Langham ME, Farrell R, Krakau T, Silver DM. Ocular pulsatile blood flow, hypotensive drags and differential light sensitivity in glaucoma. In: Krieglstein GM, editor. Glaucoma update IV. New York: Springer; 1991:162-172].

Диагностическую информацию о параметрах пульсовых колебаний в области ДЗН предоставляет метод LSFG, который позволяет неинвазивно проводить количественное измерение гемоперфузии глазного дна в режиме реального времени [Fukami М, Iwase Т, Yamamoto К, et al. Diurnal variation of pulse waveform parameters determined by laser speckle flowgraphy on the optic nerve head in healthy subjects. Medicine (Baltimore). 2017; 96 (44): e8312. doi:10.1097/MD.0000000000008312]. Он может применяеться для изучения кровотока в хориоидальных сосудах [Calzetti G., Fondi K., Bata A.M., et al. Assessment of choroidal blood flow using laser speckle flowgraphy. Br J Ophthalmol (2018) 102: 1679-1683. doi: 10.1136/bjophthalmol-2017-311750], в том числе у пациентов с ПОУГ [Chao Gu, Ailing Li, Ling Yu. Diagnostic performance of laser speckle flowgraphy in glaucoma: a systematic review and meta-analysis. Int Ophthalmol (2021) doi:10.1007/s 10792-021-01954-3; Anraku A., Enomoto N., Tomita G., et al. Ocular and systemic factors affecting laser speckle flowgraphy measurements in the optic nerve head. Trans Vis Sci Tech. (2021) 10 (1):13. doi:10.1167/tvst.l0.1.13; Piltz-Seymour JR. Laser Doppler flowmetry of the optic nerve head in glaucoma.SurvOphthalmol. 1999; 43(Suppl 1): S191-S198], а также в макулярной области при высокой миопии [А. Benavente-Perez,S. L. Hosking,N. S. Logan.Myopes Exhibit Reduced Choroidal Blood Velocity Which Is Highly Responsive to Hypercapnia.Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2008; 49 (13):3581].

Метод LSFG позволяет в реальном времени топографически ориентировано количественно оценивать скорость и объем перфузии в сосудах сетчатки, зрительного нерва и сосудах хориоидеи. Принцип действия основан на регистрации в динамике изменяющейся картины лазерных спеклов на глазном дне под действием инфракрасного лазера. Картина лазерных спеклов на прямую связана с движением (потоком) эритроцитов в тканях и сосудах. Двумерный принцип LSFG не позволяет проводить измерения перфузии и пульсовых колебаний с разрешением по глубине. Низкая разрешающая способность не позволяет визуализировать и дифференцировать капиллярные сплетения (мелкие сосуды) сетчатки и хориоидеи [Fukami М, Iwase Т, Yamamoto K, et al. Diurnal variation of pulse waveform parameters determined by laser speckle flowgraphy on the optic nerve head in healthy subjects. Medicine (Baltimore). 2017; 96 (44): e8312. doi: 10.1097/MD.0000000000008312].

Целью LSFG исследования в офтальмологии в основном является изучение и последующая диагностика нарушений процессов пульсовых колебаний кровотока в области ДЗН [Chie Iwase, Takeshi Iwase, Ryo Tomitaetal. Changes in pulse waveforms in response to intraocular pressure elevation determined by laser speckle flowgraphy in healthy subjects. BMC Ophthalmology (2021) 21:303. doi: 10.1186/s 12886-021-02070-7]. При LSFG исследовании период кардиоинтервала разбивается на участки (кадры), на каждом из которых определяется уровень кровенаполнения, затем все эти участки могут быть охарактеризованы интегрально на длительности пульсовой волны [Chielwase, Takeshilwase, RyoTomitaetal. Changes in pulse waveforms in response to intraocular pressure elevation determined by laser speckle flowgraphy in healthy subjects. BMC Ophthalmology (2021) 21:303. doi: 10.1186/sl2886-021-02070-7]. Известны работы, направленные на сравнение метода LSFG с другими методами контроля кровоснабжения структур глаза [Delia Cabrera DeBuc, Abhishek Regeand William E. Smiddy. Use of XyCAM RI for Noninvasive Visualization and Analysis of Retinal Blood Flow Dynamics During Clinical Investigations. EXPERT REVIEW OF MEDICAL DEVICES (2021) 18(3): 225-237. doi: 10.1080/17434440.2021.1892486], в том числе с ОКТА [RyohsukeKohmoto, Tetsuya Sugiyama, Mari Ueki, et al. Correlation between laser speckle flowgraphy and optical coherence tomography angiography measurements in normal and glaucomatous eyes. Clinical Ophthalmology (2019) 13: 1799-1805. doi: 10.2147/OPTH.S213031; Takeyama A, Ishida K, Anraku A, Ishida M, Tomita G. Comparison of Optical Coherence Tomography Angiography and Laser Speckle Flowgraphy for the Diagnosis of Normal-Tension Glaucoma. J Ophthalmol. 2018 Jan 31; 2018:1751857. doi: 10.1155/2018/1751857]. Но при этом представление результатов LSFG только на двумерной плоскости накладывает ограничения на любой 3D анализ пульсового кровенаполнения, не исключая и сопоставление с любыми 3D данными ОКТА исследований. Кроме того, известно, что по мере более глубокого проникновения лазерного пучка в ткани* глаза отраженный свет становится менее интенсивным, поэтому кровоток в кровеносных сосудах, расположенных на поверхности сетчатки, оказывает большее воздействие на изменение спеклов LSFG. При сравнении кровотока в двухкровеносных сосудах с одинаковой скоростью движения крови, расположенных на разных уровнях, кровоток в глубже расположенном кровеносном сосуде будет определяться как более медленный [Sugiyama Т, Araie М, Riva СЕ, Schmetterer L, Orgul S. Use of laser speckle flowgraphy in ocular blood flow research. Acta Ophthalmol. 2010 Nov; 88 (7):723-9. doi:10.1111/j.l755-3768.2009.01586.x].

Известен способ того же назначения, в котором проводят сравнение данных ОКТ, ОКТА и LSFG в области диска зрительного нерва или в макулярной области [Yiming Lu, Нао Zhou, Xiao Zhou, Yuxuan Chen, Ruikang K. Wang; Correlation Between Laser Speckle Flowgraphy and OCT-Derived Retinal and Choroidal Metrics in Healthy Human Eye. Trans. Vis. Sci. Tech.2022;l 1(6): 15. doi: 10.1167/tvst.11.6.15], в котором отражена положительная топографическая корреляция между сигналами LSFG, толщиной хориоидеи и объемом сосудов (ближайший аналог). Однако при этом отсутствует количественная оценка объема пульсовых колебаний в выбранной пространственной области.

Задачей изобретения является дальнейшая разработка способа оценки величины пульсовых колебаний объема кровотока в области макулы и диска зрительного нерва.

Техническим результатом предлагаемого способа является количественная оценка величины пульсовых колебаний объема кровотока в любом выбранном 3D участке области макулы и диска зрительного нерва.

Технический результат достигается за счет разделения зарегистрированных двумерных ОКТА сканов по трем уровням удаления от поверхности глазного дна, нормирования каждого уровня коэффициентом, определяющим вклад сигнала от него в объем микроциркуляторного кровотока, одновременном сопоставлении этих данных с величиной размаха пульсового колебания в каждой точке по данным LSFG диагностики, и последующего определения показателей пульсовых колебаний объема кровотока для любого участка исследуемой области.

Массив сканов ОКТА подвергают обработке по методике, описанной в работе [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.OE.60.8.082020] и с помощью представленного в этой работе воксельного алгоритма определяют объем микроциркуляторного кровотока в области сканирования. Выделение в области сканирования трех слоев по глубине толщиной 0,25 мм каждый: первый (ближайший к поверхности), второй (средний) и третий (самый глубокий) слой обеспечиает то, что все точки на ОКТА сканах, отражающие кровоток, будут характеризоваться дополнительным признаком принадлежности к первому, второму или третьему слою области сканирования. Дальнейшие приемы способа в итоге позволяют определить величину пульсовых колебаний в той трехмерной области (или нескольких областях), которая представляет диагностический интерес для офтальмолога. В частности, величину пульсовых колебаний можно определить для областей, лежащих на заданной глубине от поверхности глазного дна, как целиком для области ДЗН, так и по выбранным офтальмологом секторам.

Способ осуществляют следующим образом.

Сначала проводят оптическую когерентную томографию ангиографию (ОКТА) с числом сканов 512, размером области сканирования 3 × 3 мм. Определяют объем микроциркуляторного кровотока в области сканирования. Выделяют слои по глубине толщиной по 0,25 мм, каждому слою приписывают коэффициент, определяющий вклад сигнала от него в объем микроциркуляторного -кровотока. Проводят лазерную спекл-флоуметрию (LSFG). Вычисляют амплитуду пульсовой волны в каждой точке изображения области исследования. Производят наложение изображения исследуемой области, полученной при ОКТА исследовании, на изображение области LSFG. Затем в каждой точке массива ОКТА сканов, в которой имеется сосудистая сеть, определяют амплитуду пульсовых колебаний как произведение амплитуды сигнала LSFG в этой точке глазного дна и коэффициента, соответствующего данному слою по глубине. По полученным значениям амплитуды определяют величину пульсовых колебаний путем суммирования значений амплитуды в каждой точке изображения в исследуемой трехмерной области.

Клинический пример 1. Пациенту Л., возраст 39 лет, без офтальмологической и сопутствующей патологии, провели ОКТА в области ДЗН с использованием ОКТ системы с ангиографическим модулем SPECTRALIS2 (Heidelberg Engineering, Германия) в объеме выделенной перипапиллярной области размером 3×3 мм, зарегистрировали все 512 сагиттальных двумерных ОКТА сканов. В каждом из 512 сканирований программным обеспечением ОКТА системы автоматически определяется наличие областей кровотока (крупных и мелких кровеносных сосудов), которые маркируются и отмечаются на сканах в виде цветных пикселей. Всем маркерам, которые характеризуются пространственными координатами, присваивается дополнительный коэффициент глубины слоя, который для первого слоя составляет 0,55, для второго - 0,30, для третьего - 0,15. На следующем этапе пациенту провели LSFG диагностику с использованием лазерного анализатора кровотока глазного дна LSFG-RetFlow (Nidek, Япония), а полученные кадры LSFG исследования сопоставили с ОКТА исследованием (Фиг. 1- Совмещение в области ДЗН результатов ОКТА и LSFG диагностики, 1 - область наложения ОКТА и LSFG, 2 - LSFG, 3 - ОКТА). После этого все пространственные области кровотока из массива ОКТА исследования получили характеристику пульсового кровотока, как показано на Фиг. 2 - Пример характеристики пульсовых колебаний в условных единицах цветовой градации LSFG в зависимости от номера отсчета (кадра LSFG) пульсовой волны. Это позволило произвести расчет объема пульсаций уже не на плоской области ДЗН, а в 3D области исследования, например, только во втором или в третьем слое, как показано на Фиг. 3 - Характеристики пульсовых колебаний в условных единицах цветовой градации LSFG в зависимости от номера отсчета (кадра LSFG) пульсовой волны для второго (слева) и третьего (справа) слоя в области исследования ОКТА. Величина пульсовых колебаний для второго слоя составила 1,032 мм³, для третьего слоя - 0,985 мм³.

Клинический пример 2. Пациенту К., возраст 28 лет, миопия средней степени, провели ОКТА в области ДЗН с использованием ОКТ системы с ангиографическим модулем SPECTRALIS2 (Heidelberg Engineering, Германия) в объеме выделенной перипапиллярной области размером 3×3 мм, зарегистрировали все 512 сагиттальных двумерных ОКТА сканов. В каждом из 512 сканирований программным обеспечением ОКТА системы автоматически определяется наличие областей кровотока (крупных и мелких кровеносных сосудов), которые маркируются и отмечаются на сканах в виде цветных пикселей. Всем маркерам, которые характеризуются пространственными координатами, присваивается дополнительный коэффициент глубины слоя, который для первого слоя составил 0,55, для второго - 0,30, для третьего - 0,15. На следующем этапе пациенту провели LSFG диагностику с использованием лазерного анализатора кровотока глазного дна LSFG-RetFlow (Nidek, Япония), а полученные кадры LSFG исследования сопоставили с ОКТА исследованием (Фиг. 4 - Проведение анализа результатов ОКТА и LSFG диагностики для заданной области исследования). После этого все пространственные области кровотока из массива ОКТА исследования получают характеристику. пульсового кровотока. Это позволило произвести расчет объема пульсаций в 3D области исследования, например, только в области, выделенной на Фиг. 4 зеленым контуром и представляющей в проекции на поверхность глазного дна прямоугольник со сторонами 400 × 400 мкм. Определенная предлагаемым способом величина пульсовых колебаний этой области исследования, включающей крупный кровеносный сосуд, составила 0,018 мм³.

Таким образом, за счет комбинации ОКТА и LSFG сигналов предлагаемый способ позволяет произвести количественную оценку объема пульсовых колебаний в выбранной пространственной области.

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и предназначено для определения величины пульсовых колебаний объема кровотока в области макулы и диска зрительного нерва. Сначала проводят оптическую когерентную томографию ангиографию (ОКТА) с числом сканов 512, размером области сканирования 3x3 мм. Определяют объем микроциркуляторного кровотока в области сканирования. Выделяют слои по глубине толщиной по 0,25 мм, каждому слою приписывают коэффициент, определяющий вклад сигнала от него в объем микроциркуляторного кровотока. Проводят лазерную спекл-флоуметрию (LSFG). Вычисляют амплитуду пульсовой волны в каждой точке изображения области исследования. Производят наложение изображения исследуемой области, полученной при ОКТА исследовании, на изображение области LSFG. Затем в каждой точке массива ОКТА сканов, в которой имеется сосудистая сеть, определяют амплитуду пульсовых колебаний как произведение амплитуды сигнала LSFG в этой точке глазного дна и коэффициента, соответствующего данному слою по глубине. По полученным значениям амплитуды определяют величину пульсовых колебаний путем суммирования значений амплитуды в каждой точке изображения в исследуемой трехмерной области. Изобретение обеспечивает количественную оценку величины пульсовых колебаний объема кровотока в любом выбранном трехмерном участке области макулы и диска зрительного нерва за счет совместного применения ОКТА и LSFG. 4 ил., 2 пр.

Способ определения величины пульсовых колебаний объема кровотока в области макулы и диска зрительного нерва, отличающийся тем, что сначала проводят оптическую когерентную томографию ангиографию (ОКТА) с числом сканов 512, размером области сканирования 3×3 мм, определяют объем микроциркуляторного кровотока в области сканирования, выделяют слои по глубине толщиной по 0,25 мм, каждому слою приписывают коэффициент, определяющий вклад сигнала от него в объем микроциркуляторного кровотока, проводят лазерную спекл-флоуметрию (LSFG), вычисляют амплитуду пульсовой волны в каждой точке изображения области исследования, производят наложение изображения исследуемой области, полученной при ОКТА исследовании, на изображение области LSFG, затем в каждой точке массива ОКТА сканов, в которой имеется сосудистая сеть, определяют амплитуду пульсовых колебаний как произведение амплитуды сигнала LSFG в этой точке глазного дна и коэффициента, соответствующего данному слою по глубине, по полученным значениям амплитуды определяют величину пульсовых колебаний путем суммирования значений амплитуды в каждой точке изображения в исследуемой трехмерной области.