張笑睿，李林

(1.首都醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京 100069；2.首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069；3.首都醫(yī)科大學(xué) 臨床生物力學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究北京市重點實驗室，北京 100069)

引言

圓錐角膜是一種角膜疾病，其形態(tài)學(xué)特征為進(jìn)行性的角膜基質(zhì)薄弱、角膜表面突出以及角膜地形改變[1]。其病程可被分為潛伏期(又稱頓挫期 forme fruste keratoconus，F(xiàn)FKC)、初發(fā)期(又稱亞臨床期subclinical keratoconus)、完成期(又稱臨床期 clinical keratoconus，CKC)和瘢痕期[2]。完成期的圓錐角膜常有fleischer環(huán)、Vogt線等典型臨床體征，但潛伏期和初發(fā)期體征不明顯，其確診更多依賴設(shè)備的檢查結(jié)果。圓錐角膜多發(fā)于15～25歲的青少年時期，國內(nèi)外調(diào)查顯示其發(fā)病率為0.05%～0.23%[3]。嚴(yán)重的圓錐角膜曾被視為是角膜移植手術(shù)的典型指征[4]。當(dāng)前角膜膠原交聯(lián)術(shù)(corneal cross-linking，CXL)對初發(fā)期或完成期圓錐角膜治療效果較好[5]，但過大的角膜曲度會影響CXL的預(yù)后[2]。因此，對圓錐角膜早期診斷尤為重要。

圓錐角膜的病因復(fù)雜多樣，其具體病因尚不明確。部分研究表明，除一些環(huán)境因素，如機械損傷[6]、過敏和紫外線等，角膜表面微生物[7]、炎癥因子[8]、膠原蛋白的異常降解[9]和遺傳因素[10]也是其發(fā)病的重要原因。

1 光學(xué)裂隙掃描技術(shù)——Orbscan角膜地形圖系統(tǒng)

Orbscan角膜地形圖系統(tǒng)發(fā)明于二十世紀(jì)90年代，OrbscanⅡ 是其與Placido盤結(jié)合而成[11]。Orbscan角膜地形圖系統(tǒng)使用光學(xué)裂隙掃描技術(shù)測量角膜表面形態(tài)，獲取角膜前后高度、表面曲率和角膜厚度等參數(shù)。光學(xué)掃描頭以45°的入眼角度發(fā)射出左右各20道的裂隙光掃描角膜(見圖1)，共計可獲得近萬個數(shù)據(jù)點，使用計算機對此進(jìn)行分析，得出角膜前后面曲率、高度和全角膜厚度等參數(shù)。

圖1 Orbscan裂隙光掃描過程攝影[11]

Orbscan可以測量角膜后表面的地形。有研究表明，角膜后表面地形同前表面地形一樣，對其屈光能力影響較大[12]，故其可為臨床醫(yī)生提供更多的指征來輔助診斷。Rao等[13]對60例疑似圓錐角膜的眼睛和50例健康眼睛使用Orbscan II 進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)疑似組的角膜后表面高度為(44±2.5)μm，遠(yuǎn)高于對照組的(21±0.6)μm，故Orbscan II 和角膜攝像機聯(lián)合使用時，可以更加有效地檢測患者的圓錐角膜風(fēng)險。其次，此系統(tǒng)可以在非接觸狀態(tài)下，快速精確地測量角膜厚度，且更易被患者接受。另外，有研究[14-15]表明，Orbscan 的檢查有良好的可重復(fù)性，這也印證了Orbscan 系統(tǒng)的可靠性。但在測量角膜曲率方面，Orbscan系統(tǒng)測量得到的正常角膜厚度較Pentacam與超聲測量厚，且Mirzajani等[14]研究發(fā)現(xiàn)Orbscan對圓錐角膜確診患者給出的角膜曲率與Pentacam給出的數(shù)據(jù)有明顯的統(tǒng)計學(xué)差異；在眼前房深度方面，Hashemi等[15]在研究不同儀器對不同程度的圓錐角膜患者眼前房深度測量數(shù)據(jù)差別時，發(fā)現(xiàn)在圓錐角膜較嚴(yán)重時，Orbscan和Pentacam的測量結(jié)果出現(xiàn)明顯差別；而在圓錐角膜較輕時，Orbscan和其他設(shè)備的測量結(jié)果有較好的可替換性，趙春柳[16]的研究也得出了基本相同的結(jié)果。隋瑤等[17]用Pentacam和Orbscan II 分別對同一組共80眼進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在診斷圓錐角膜時，Pentacam的敏感性要優(yōu)于Orbscan II。因此，Orbscan逐步被Pentacam所取代。

2 Scheimpflug原理

2.1 Pentacam眼前節(jié)測量及分析系統(tǒng)

第一臺依據(jù)Scheimpflug原理(見圖2)設(shè)計的角膜檢查設(shè)備于21世紀(jì)初出現(xiàn)[18]，其中Pentacam是比較知名的代表[19]。

圖2 Scheimpflug原理光路圖與Scheimpflug相機設(shè)計簡圖[18]Fig.2 Light path diagram of Scheimpflug principle and design of scheimpflug camera

Pentacam配備的攝像機可以全角度旋轉(zhuǎn)攝影，依據(jù)Scheimpflug原理，可以在不接觸患者組織的前提下，高效、快速、準(zhǔn)確地對角膜各個層面進(jìn)行攝影，記錄原始圖像，并依據(jù)圖像測量眼前節(jié)的各種數(shù)據(jù)(如角膜前后表面高度、角膜曲率等)，最后再將數(shù)據(jù)使用預(yù)置的算法處理，將設(shè)備檢查得出的抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的等高線彩色圖像，有助于醫(yī)生全面了解患者的眼部狀況[20]。通過Pentacam診斷圓錐角膜，在長期診斷實踐中，若角膜曲率高、角膜前表面高度高、角膜后表面高度高和角膜厚度低的部位都在同一個位置(即三高一低在一起)，即可確診圓錐角膜。許多研究[21-23]體現(xiàn)了該規(guī)律，圖3為右眼中心圓錐角膜Pentacam檢查結(jié)果，可見角膜曲率高、角膜前后表面高度高以及角膜厚度低的區(qū)域基本重合[24]。Pentacam廠家不僅設(shè)定了規(guī)范的診斷流程，甚至還預(yù)設(shè)有角膜診斷的數(shù)據(jù)庫。這些規(guī)范性的步驟和數(shù)據(jù)可為醫(yī)生診斷圓錐角膜提供幫助。

圖3 右眼中心圓錐角膜pentacam檢查結(jié)果[24]Fig.3 Examination of right eye keratoconus by pentacam

在Pentacam系統(tǒng)主界面中，有8個角膜前表面形態(tài)參數(shù)(見表1)。

表1 Pentacam輸出的角膜前表面形態(tài)參數(shù)

王慧宇等[25]對這八個參數(shù)與圓錐角膜發(fā)生的相關(guān)性進(jìn)行了針對性研究，發(fā)現(xiàn)以上八個參數(shù)與圓錐角膜發(fā)生均有較高的相關(guān)性，且ISV的相關(guān)性最高，有較好的診斷價值。 近年來，角膜手術(shù)的進(jìn)步使得其對亞臨床期圓錐角膜的治療效果有顯著提升，但對亞臨床期圓錐角膜的診斷準(zhǔn)確性仍有待解決。Pentacam輸出的參數(shù)對診斷臨床期圓錐角膜有效，但診斷亞臨床期圓錐角膜的效果較差?；诖耍珹mbrósio等[26]在收集大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將Pentacam的輸出參數(shù)進(jìn)行線性組合，提出一個新參數(shù) Belin-Ambrósio 偏差指數(shù)(BADD)。其在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將五個系數(shù),包括角膜前表面高度偏差(Df)、后表面高度偏差(Db)、厚度進(jìn)展偏差(Dp)、角膜最薄厚度偏差(Dt)以及 Ambrósio 相關(guān)厚度偏差(Da)進(jìn)行回歸分析綜合計算[27]。實踐表明BADD對臨床各期的圓錐角膜診斷都有良好的效果，多個研究結(jié)果[28-30]對此給出了較高評價。當(dāng)前BADD更多地被應(yīng)用在Pentacam與Corvis ST 的聯(lián)合診斷中，發(fā)揮出了良好作用。

Pentacam的優(yōu)點在于：首先，其測量數(shù)據(jù)具有更好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。Lackner等[31]發(fā)現(xiàn)Pentacam的測量結(jié)果與被認(rèn)為是臨床角膜厚度測量“金標(biāo)準(zhǔn)”的超聲角膜測厚儀有較好的一致性，其可重復(fù)性相較超聲角膜測厚儀甚至更優(yōu)。Mirzajani等[14]和Mohammad-Reza等[32]對圓錐角膜患者進(jìn)行的類似研究也得到了相同結(jié)論。Pentacam在對健康人角膜中央厚度和邊緣厚度的測量[33]及對健康角膜、亞臨床期圓錐角膜和臨床圓錐角膜的區(qū)分[30]等方面表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和可信度。其次，Pentacam能夠同時測量角膜前后表面曲率，使其在臨床上獲得許多應(yīng)用。安陽等[34]在其研究中也表明Pentacam可測量角膜后表面曲率的特性對散光和圓錐角膜早期診斷的重要作用。最后，其對眼球運動的魯棒性較好。Orbscan 在測量時無法確定人眼是否在追蹤裂隙光，導(dǎo)致測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，而Pentacam 位于中央的鏡頭可以檢測定位瞳孔大小及眼位，動態(tài)監(jiān)視眼球運動及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)[20]。

大量研究[14,17,31,35]都表明Pentacam相對Orbscan的進(jìn)步優(yōu)勢，使用Pentacam可以獲得更加準(zhǔn)確的角膜地形圖，對圓錐角膜的早期診斷十分有意義。

2.2 可視化角膜力學(xué)分析儀

可視化角膜力學(xué)分析儀(corneal visualization scheimpflug technology, Corvis ST)是目前臨床上測試在體角膜生物力學(xué)特性的常用設(shè)備[36]，其使用高壓氣體沖擊角膜，同時使用Scheimpflug高速相機記錄受沖擊角膜的精確圖像，并借此計算角膜生物力學(xué)特性參數(shù)。角膜壓平的狀態(tài)圖，見圖4。Corvis ST的優(yōu)勢在于能夠?qū)悄みM(jìn)行動態(tài)測量[37]，其對健康眼眼壓的測量結(jié)果與傳統(tǒng)的接觸式眼壓計(如Goldmann壓平式眼壓計等)具有良好的一致性[38]。舒適、快捷、精確的眼壓測量使其快速在臨床獲得普及。但有研究表明，Corvis ST 與眼反應(yīng)分析儀(ORA)對角膜中央厚度(CCT)的測量有統(tǒng)計學(xué)意義的差異[39]，故臨床不建議混用兩種設(shè)備的結(jié)果。

圖4 角膜壓平的狀態(tài)圖

初代Corvis ST有12個輸出參數(shù)，見表2。對于圓錐角膜的診斷而言，僅憑以上參數(shù)診斷準(zhǔn)確度不高[40]。Vinciguerra等[41]在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助邏輯回歸方法提出了Corvis生物力學(xué)指數(shù)(CBI)，并進(jìn)一步驗證了其區(qū)分亞臨床期圓錐角膜和正常角膜的靈敏性和可靠性，且部分研究表明，其對頓挫期圓錐角膜的敏感度高于Corvis輸出的一般參數(shù)[42]。此外，Corvis ST 輸出的其他參數(shù)，包括角膜形變幅度比值[43](DAR)、高度變異指數(shù)[44](IHD)等，都被證實對圓錐角膜診斷具有優(yōu)秀的特異性。綜合性研究表明，這些參數(shù)可提高圓錐角膜的診斷效率，增加亞臨床期圓錐角膜的檢出率[45-46]，為Corvis ST在圓錐角膜診斷方面提供了新思路。

表2 初代Corvis ST輸出參數(shù)

2.3 Pentacam 與 Corvis ST 的聯(lián)合應(yīng)用

Pentacam和Corvis ST 聯(lián)合檢查既能測得角膜生物力學(xué)參數(shù)，又可測量角膜前后表面形態(tài)，可為醫(yī)生診斷提供更豐富的數(shù)據(jù)，是目前臨床比較熱門的研究方向。Ambrósio[47]根據(jù)Pentacam和Corvis ST 兩者給出的數(shù)據(jù),使用隨機森林回歸的方法，提出了斷層掃描生物力學(xué)指數(shù)(tomographic and biomechanical index,TBI)，其對圓錐角膜各期都有很好的診斷能力。大量研究表明[28-29,48]，TBI對正常角膜、亞臨床期圓錐角膜和臨床期圓錐角膜具有較好的區(qū)分能力，其對亞臨床期圓錐角膜的診斷精度高于所有的獨立參數(shù)分析。Zhang等[28]系統(tǒng)對比了BADD、CBI與TBI對圓錐角膜的診斷能力，發(fā)現(xiàn)三個參數(shù)相對各自設(shè)備的經(jīng)典參數(shù)診斷能力均有很大提升，且TBI在三個參數(shù)中表現(xiàn)最為突出。李躍祖等[49]和馮熠等[50]的研究也對Pentacam和Corvis ST 的聯(lián)合診療方式給出了較高評價。

3 活體鏡下病理檢查——共聚焦顯微鏡

共聚焦顯微鏡是一種光學(xué)顯微鏡，已在角膜炎、青光眼等疾病診斷中得到了廣泛應(yīng)用。其可以通過調(diào)整成像的焦距，對角膜的各個橫斷面進(jìn)行精細(xì)成像，顯示里面的細(xì)小沉淀、雜質(zhì)和細(xì)微損傷等，對有形成分可在活體、非接觸狀態(tài)下起到類似于病理切片的作用，使人們能夠在細(xì)胞層面對角膜進(jìn)行病理性研究。近期部分對圓錐角膜患者角膜形態(tài)變化的研究[51]初步表明了共聚焦顯微鏡在圓錐角膜診斷方面的潛在價值，使其在圓錐角膜診斷方面開始得到初步應(yīng)用。

通過共聚焦顯微鏡可以看到患者角膜的細(xì)微病理變化，借此診斷圓錐角膜。肖啟國等[52]對19例圓錐角膜病眼進(jìn)行了共聚焦顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)所有病例的角膜全層厚度較健康者明顯變薄，且部分患者后基質(zhì)層出現(xiàn)了微小皺褶。楊青華等[53]對行角膜膠原交聯(lián)術(shù)前后的圓錐角膜病眼進(jìn)行觀察(見圖5)，發(fā)現(xiàn)角膜上皮下神經(jīng)纖維、上皮細(xì)胞等在術(shù)前、術(shù)后均有明顯病理改變。朱遠(yuǎn)飛[54]發(fā)現(xiàn)共聚焦顯微鏡能夠清晰地看到角膜交聯(lián)術(shù)前后，角膜基質(zhì)褶皺的變化，并認(rèn)為共聚焦顯微鏡的檢查結(jié)果可以作為角膜交聯(lián)術(shù)手術(shù)效果評估的重要依據(jù)。圓錐角膜病變過程中，角膜產(chǎn)生的微觀物理變化有很多，如基底膜及前彈力層局限性斷裂或破壞，上皮基底細(xì)胞水腫，角膜細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)改變等[55-56]，這些癥狀都可被共聚焦顯微鏡所呈現(xiàn)。其次，共聚焦顯微鏡的分層成像特點，還可以辨別角膜各層厚度，為圓錐角膜病因的進(jìn)一步研究提供支持。

圖5 共聚焦顯微鏡觀察圓錐角膜病眼的

4 基于光學(xué)設(shè)備信息的機器學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用

近年來，學(xué)科交叉尤其是統(tǒng)計學(xué)和計算機科學(xué)在角膜診斷方面的介入，使診斷更加快速、準(zhǔn)確。Saleh等[57]總結(jié)了世界各地AI應(yīng)用于角膜地形檢查的最新結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所有研究算法都表現(xiàn)出了極高的性能與效率。譚安祖等[58]在角膜OCT技術(shù)上應(yīng)用了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，改造后的早期圓錐角膜檢測輔助系統(tǒng)使用VGC-16實現(xiàn)了約68%的圓錐角膜病變識別精度。鄒昊翰等[59]使用2 000余例圖像數(shù)據(jù)對機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(見圖6)，準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，明顯優(yōu)于高資歷住院醫(yī)師(93.5%)。Kamiya等[60]使用數(shù)百張圖片檢驗機器學(xué)習(xí)的效果，發(fā)現(xiàn)其對圓錐角膜的診斷準(zhǔn)確率達(dá)到97%以上，對確定嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確率可達(dá)到80%以上。Gracia等[61]進(jìn)行的類似機器學(xué)習(xí)方法也達(dá)到了89%的總體準(zhǔn)確率。高瑜鴻[62]提出，未來可借助圓錐角膜輔助診斷系統(tǒng)進(jìn)行青少年大規(guī)模圓錐角膜篩查，也可用于個性化疾病管理系統(tǒng)。隨著人工智能技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，將會在輔助診斷方面發(fā)揮越來越重要的作用。

圖6 機器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和模型驗證流程圖Fig.6 Flowchart of training and verifying of machine learning

5 總結(jié)與展望

各式成像系統(tǒng)的進(jìn)步和硬件系統(tǒng)的改善，提高了檢查效率，而人工智能技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了成像質(zhì)量、診斷效率和準(zhǔn)確性。如今，近視患者比例增多，圓錐角膜患病風(fēng)險也隨之提高。光學(xué)設(shè)備對亞臨床期圓錐角膜的準(zhǔn)確診斷，可以實現(xiàn)對患者的早發(fā)現(xiàn)、早治療，并給患者提供相對容易接受的檢查方式。光學(xué)角膜成像技術(shù)非接觸檢查的顯著優(yōu)勢，將使其擁有更廣闊的應(yīng)用前景。