撰文 | 徐一
制版 | 赵利
系列报道 | UK Biobank
基于UK Biobank的眼部图像大数据
近日，在英国生物库（UK Biobank）举办的2018科学年度论坛上，有学者介绍了一种最新技术：光学相干层析技术（Optical Coherence tomography, OCT）。它是近十年迅速发展起来的一种成像技术，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。
英国生物库自2009年9月启动大规模眼部数据收集计划，样本来自英国当地的6个研究中心（谢菲尔德、利物浦、伯明翰、克罗伊登、豪恩斯洛和斯旺西），并从2009年12月起获取受试者OCT图像和视网膜呈像。
眼部的检查方法由英国伦敦Moorfields眼科医院的眼科医生设计，使用logMAR（最小分辨角度的对数）测量最佳矫正视力，使用自动折光器（Tomey，日本）测量屈光不正，使用眼部反应分析仪（Reichert Technologies，USA）评估眼内压和角膜生物力学。针对每个样本的数据图像收集流程通常在大约11分钟内完成。根据赫尔辛基宣言的原则，西北多中心研究伦理委员会批准了该研究，英国生物库所有参与者均获得了书面知情同意书。
在英国生物库中，OCT图像谱由2009年至2010年期间使用市售的“光谱域”OCT设备（3D OCT-1000，Topcon）获得，共有67321名受试者（134642只眼）参与。由于OCT文件损坏或志愿者自愿撤销，31张图像数据无效，其余134611张图像进行成功处理。从数据库调出图像所需的平均时间以及完成分段分析时，每次登录每个数据集大约需要120秒，整个数据集的分析在大约28天内完成。
图 | OCT扫描图像示图（来源：推特@uk_biobank）
OCT图像数据存储在英国生物库的中央存储库中，并使用由拓普康先进生物医学成像实验室（TABIL）开发的定制图像分割软件进行视网膜厚度的快速自动分析。目前，这些测量结果已公开供全球研究人员使用
眼部OCT数据的医学贡献
近期，这些OCT眼部数据在一项有关心血管诊疗的最新研究中发挥了关键作用，使医学家可以更容易预测弱势群体的心脏病发作和中风。
这项工作由谷歌研究大脑团队的Lily Peng博士领导，通过使用眼部图像，可以准确预测参与者的心血管健康的指标。该研究十分特别，因为它提供了从眼睛图像中找到更多诊断健康问题的可能，并可能减少对侵入性测试的需求。
左图：眼睛后部的图像显示黄斑（中间的黑斑），视盘（右侧的亮点）和血管（深红色线从右侧的亮点熄灭）。
右图：视网膜图像为灰色，彭博士团队的深度学习算法使用的像素以绿色阴影（图2）突出显示血压预测。研究发现每个CV风险因子预测使用不同的模式，例如用于血压的血管，以及用于其他预测的视盘。
彭博士说：“我们使用英国生物库来训练深度学习模型，从视网膜眼底图像中，预测5年后的重大心血管事件风险。
“我们发现通过利用英国生物库的大型数据集，能够构建出准确预测心血管疾病相关遗传因素的模型，如年龄、性别、吸烟等生活方式因素，或者直接预测主要心血管事件。而英国生物库的眼部数据是这项研究发现的基础之一。”
眼部OCT技术的历程及前景
一直以来，随着超声波检查在眼科领域的广泛应用，科学家们希望发展一种对眼部组织更高分辨率的检测手段。超声生物显微镜(UBM)的出现在一定程度上满足了这一要求，它通过使用更高频率的声波，可以对眼前段进行高分辨率的成像。但是由于高频率声波在生物组织内迅速衰减，它在眼内的探测深度受到一定的限制。
1987年，Takada教授等研究出光学的低相干干涉测量法，它是在纤维光学和光电组件的支持下发展成为进行高分辨率光学测量的方法；Youngquist教授等则研究出光学相干反射计，其光源是一个直接与光纤耦联的超级发光二极管，仪器中含有参考镜面的一个臂位于内部，而另一个臂中的光纤则与类似于照相机的设备相连接。这些理论研究为OCT的出现奠定了理论和技术依据。
由于眼部的光学特点，OCT技术在眼科临床应用发展得最快。1995年以前，麻省理工学院华裔科学家David Huang等教授运用OCT对离体及活体人眼的视网膜、角膜、前房及虹膜等组织进行测量和成像，不断完善OCT技术。经过几年的改进，OCT系统进一步完善，并发展成为一种临床实用的检测工具，制成了商品化仪器，并最终确定了它在眼底及视网膜成像方面的优越性。1995年OCT开始正式用于眼科临床。
OCT作为一种新兴的光学诊断技术，具有非接触性、非侵入性断层成像的优点。而当前，OCT技术的局限性主要表现为没有标准化的数据库可供比较，在屈光间质混浊的情况下很难获得清晰的OCT图像，尤其对定量分析影响较大。
综上，英国生物库领先创建的OCT眼部图像数据库，开创出了光学诊断技术应用于医学科学的新疆土。随着图像分析技术的进一步发展，OCT技术将不断完善和开发，其量化指标的客观性将更为突出，分辨率将进一步提高，将为临床提供更有价值的图像数据资料。
参考文献：
[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] 刘杏,黄时洲. 2006. 眼科临床光学相干断层成像学.广东科技出版社.
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