導語：俗話說，“眼睛是心靈的窗戶”。如今，科學家給出了這句話的最新釋義：使用眼部圖像，就能預測一個人的心血管健康狀況。
撰文 | 徐一
製版 | 趙利
系列報道 | UK Biobank
基於UK Biobank的眼部圖像大數據
近日，在英國生物庫（UK Biobank）舉辦的2018科學年度論壇上，有學者介紹了一種最新技術：光學相干層析技術（Optical Coherence tomography, OCT）。它是近十年迅速發展起來的一種成像技術，它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結構圖像。
英國生物庫自2009年9月啟動大規模眼部數據收集計劃，樣本來自英國當地的6個研究中心（謝菲爾德、利物浦、伯明翰、克羅伊登、豪恩斯洛和斯旺西），並從2009年12月起獲取受試者OCT圖像和視網膜呈像。
眼部的檢查方法由英國倫敦Moorfields眼科醫院的眼科醫生設計，使用logMAR（最小分辨角度的對數）測量最佳矯正視力，使用自動折光器（Tomey，日本）測量屈光不正，使用眼部反應分析儀（Reichert Technologies，USA）評估眼內壓和角膜生物力學。針對每個樣本的數據圖像收集流程通常在大約11分鐘內完成。根據赫爾辛基宣言的原則，西北多中心研究倫理委員會批准了該研究，英國生物庫所有參與者均獲得了書面知情同意書。
在英國生物庫中，OCT圖像譜由2009年至2010年期間使用市售的“光譜域”OCT設備（3D OCT-1000，Topcon）獲得，共有67321名受試者（134642隻眼）參與。由於OCT文件損壞或志願者自願撤銷，31張圖像數據無效，其餘134611張圖像進行成功處理。從數據庫調出圖像所需的平均時間以及完成分段分析時，每次登錄每個數據集大約需要120秒，整個數據集的分析在大約28天內完成。
圖 | OCT掃描圖像示圖（來源：推特@uk_biobank）
OCT圖像數據存儲在英國生物庫的中央存儲庫中，並使用由拓普康先進生物醫學成像實驗室（TABIL）開發的定製圖像分割軟件進行視網膜厚度的快速自動分析。目前，這些測量結果已公開供全球研究人員使用，並大大提高了英國生物庫的豐富性。其收集生物影像數據中運用到的自動分析方法或適用於未來基於大規模人群的流行病學研究，臨床試驗和採用OCT成像的篩查方案。
眼部OCT數據的醫學貢獻
近期，這些OCT眼部數據在一項有關心血管診療的最新研究中發揮了關鍵作用，使醫學家可以更容易預測弱勢群體的心臟病發作和中風。
這項工作由谷歌研究大腦團隊的Lily Peng博士領導，通過使用眼部圖像，可以準確預測參與者的心血管健康的指標。該研究十分特別，因為它提供了從眼睛圖像中找到更多診斷健康問題的可能，並可能減少對侵入性測試的需求。
左圖：眼睛後部的圖像顯示黃斑（中間的黑斑），視盤（右側的亮點）和血管（深紅色線從右側的亮點熄滅）。
右圖：視網膜圖像為灰色，彭博士團隊的深度學習算法使用的像素以綠色陰影（圖2）突出顯示血壓預測。研究發現每個CV風險因子預測使用不同的模式，例如用於血壓的血管，以及用於其他預測的視盤。
彭博士說：“我們使用英國生物庫來訓練深度學習模型，從視網膜眼底圖像中，預測5年後的重大心血管事件風險。
“我們發現通過利用英國生物庫的大型數據集，能夠構建出準確預測心血管疾病相關遺傳因素的模型，如年齡、性別、吸菸等生活方式因素，或者直接預測主要心血管事件。而英國生物庫的眼部數據是這項研究發現的基礎之一。”
眼部OCT技術的歷程及前景
一直以來，隨著超聲波檢查在眼科領域的廣泛應用，科學家們希望發展一種對眼部組織更高分辨率的檢測手段。超聲生物顯微鏡(UBM)的出現在一定程度上滿足了這一要求，它通過使用更高頻率的聲波，可以對眼前段進行高分辨率的成像。但是由於高頻率聲波在生物組織內迅速衰減，它在眼內的探測深度受到一定的限制。
1987年，Takada教授等研究出光學的低相干干涉測量法，它是在纖維光學和光電組件的支持下發展成為進行高分辨率光學測量的方法；Youngquist教授等則研究出光學相干反射計，其光源是一個直接與光纖耦聯的超級發光二極管，儀器中含有參考鏡面的一個臂位於內部，而另一個臂中的光纖則與類似於照相機的設備相連接。這些理論研究為OCT的出現奠定了理論和技術依據。
由於眼部的光學特點，OCT技術在眼科臨床應用發展得最快。1995年以前，麻省理工學院華裔科學家David Huang等教授運用OCT對離體及活體人眼的視網膜、角膜、前房及虹膜等組織進行測量和成像，不斷完善OCT技術。經過幾年的改進，OCT系統進一步完善，並發展成為一種臨床實用的檢測工具，製成了商品化儀器，並最終確定了它在眼底及視網膜成像方面的優越性。1995年OCT開始正式用於眼科臨床。
OCT作為一種新興的光學診斷技術，具有非接觸性、非侵入性斷層成像的優點。而當前，OCT技術的侷限性主要表現為沒有標準化的數據庫可供比較，在屈光間質混濁的情況下很難獲得清晰的OCT圖像，尤其對定量分析影響較大。
綜上，英國生物庫領先創建的OCT眼部圖像數據庫，開創出了光學診斷技術應用於醫學科學的新疆土。隨著圖像分析技術的進一步發展，OCT技術將不斷完善和開發，其量化指標的客觀性將更為突出，分辨率將進一步提高，將為臨床提供更有價值的圖像數據資料。
參考文獻：
[1] Keane, Pearse A. et al. 2016. “Optical Coherence Tomography in the UK Biobank Study-Rapid Automated Analysis of Retinal Thickness for Large Population-Based Studies.”. PLoS ONE, 11(10), e0164095. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0164095.
[2] 劉杏,黃時洲. 2006. 眼科臨床光學相干斷層成像學.廣東科技出版社.
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