氧是人体中唯一作为主要生物氧化剂的分子，也是维持细胞活性的重要物质。由于氧气不能储存在组织中，因此必须保证持续充足的供应。作为代谢最活跃的组织之一，视网膜比其他组织消耗氧气的速度更快。这种现象意味着氧气动力学的细微变化，例如氧气的供给（Oxygen Delivery，DO2）、氧气的代谢（Oxygen Metabolism，MO2）和氧气提取分数（Oxygen Extraction Fraction，OEF），都会对视网膜造成严重损害。在以往的研究中， 视网膜血氧饱和度(SO2)经常应用于视网膜氧动力学估计。然而，单独使用SO2是不可靠的。对于氧动力学分析，不仅需要诸如SO2和血液流速（Blood Flow Velocity，BFV）等功能信息，还需要血管直径等结构信息。尽管已经多次尝试开发新的视网膜成像技术，但大多数当前技术仅限于进行结构或功能成像，但不能同时进行。技术上述背景，研究团队提出了一种无创的、大视野的、可动态测量的视网膜氧动力学成像和分析技术（Retinal Oxygen Kinetics Imaging and Analysis，ROKIA）。ROKIA将双波长成像技术与LSCI技术集成于同一成像系统中。两种成像技术通过共用同一光路极大得克服了系统误差降低了配准难度提高了结构与功能成像的可靠度。基于这一系统所获得的结构与功能信息可以进一步构建氧动力学分析模型并提供了多个连续的心动周期的动态测量。据我们所知，这是第一次通过单一系统实现血管指标（包括 ED、 LD、 WT 和 WLR）、血流指标（包括 BFV 和视网膜血流量（Retina Blood Flow，RBF））、氧合指标（包括SO2、CO2、 DO2、 MO2和OEF）的测量，也是视网膜氧动力学动态测量的首次展示。在本章节中，我们不仅在健康群体中验证了ROKIA技术的一致性，而且进一步对非增殖性糖尿病视网膜病变患者和健康受试者之间的显著差异进行了分析，证实了ROKIA技术的有效性。研究成果形成文章《Retinal oxygen kinetics imaging and analysis (ROKIA) based on the integration and fusion of structural-functional imaging》发表在国际学术期刊 Biomedical Optics Express上。
图1 视网膜氧动力学成像和分析算法实施流程图。缩写：ED，血管外径； LD，血管内径；SO_2，视网膜氧饱和度；C_O2，视网膜氧含量；BFV，视网膜血流速度；RBF，视网膜血流量；WT，血管壁厚度；WLR，壁腔比；A，动脉； V，静脉；DO_2，氧气供给；MO_2，氧代谢；OEF，氧气提取分数
依托该技术实现的多模态眼功能成像系统可以提供视网膜多光谱成像、彩色眼底合成图像、视网膜血管直径测量、视网膜血氧饱和度测量、视网膜及脉络膜血流灌注成像、视网膜血流搏动分析等结构性与功能性信息，更加全面的评估视网膜微循环特征，此外也为氧代谢及微循环视网膜动力学的研究提供了强大助力。
图2展示了一名健康志愿者的视网膜结构和功能成像结果。 本系统采用自动对焦技术，一键实现数据采集，多光谱影像采集时间为1s激光散斑影像采集时间为5s。图2 (a)展示了6波长多光谱影像结果（图像中白字标识了对应的波长），随着波长的增加可以观察到不同深度下的视网膜结构信息，对于病灶的诊断具有意义。此外，本系统提供了可扩展的光源接口，可以进一步扩展至12波长不仅有助于视网膜不同分层的结构信息分析，而且对于视网膜微循环组织成分分析也具有潜在价值。考虑到眼科医生的读图习惯，本技术将470 nm, 550 nm 和 600 nm多光谱图像进行了彩色合成如图2 (b)所示，合成所采用的波长可根据医生需求个性化设置，通过彩色信息可以更加直观的标识出相关病灶。血氧饱和度(血液中氧合血红蛋白与还原血红蛋白的含量百分比)是评估供氧情况的重要手段之一，在550nm波长下，氧合血红蛋白与还原血红蛋白的吸收能力近似相等；在600nm波长下，氧合血红蛋白与还原血红蛋白的吸收能力相差较大。基于这一原理本研究通过550nm和600nm多光谱图像对视网膜血氧饱和度展开分析图2 (c)，图像中越接近于红色代表越高的血氧饱和度；越接近于蓝色代表越低的血氧饱和度。图2 (d)展示了受试者视网膜与脉络膜的平均血流灌注图像，图像中越接近于白色代表越高的血液流速；越接近于黑色代表越低的血液流速。图2 (e)展示了视网膜血液流速随心脏跳动所变化的搏动曲线，通过搏动曲线的分析不仅可以评估心率、收缩期时间、舒张期时间等信息而且对于血管弹性、血流动力学分析具有潜在价值。最后图2 (f)展示了不同时刻下视网膜血液流速分布图，随着心脏跳动，视网膜血液流速也呈现出周期性的增加与下降。图像中白字标识了不同的时刻，越接近于红色代表越高的血液流速；越接近于蓝色代表越低的血液流速。
图2. 一名健康志愿者的视网膜结构和功能成像结果。(a)多光谱图像；图像中白色文字为对应波长 (b)彩色眼底合成图像；通过470 nm, 550 nm 和 600 nm合成 (c)由550nm和600nm图像计算的视网膜血氧饱和度分布图。蓝色环形区域用于计算视网膜平均血氧饱和度；（d）平均血流灌注图像，图像中显示了视网膜和脉络膜血管；(e) 视网膜微循环搏动波形 (f) 不同时刻下血流灌注图像。
缩写：SO2 血氧饱和度；LSC 激光散斑衬比值（1/ LSC2与血液流速正相关）
论文第一作者为MILab课题组博士生冯夕萌、俞玥，任秋实教授为本文的通讯作者。其他合作者还包括深圳湾实验室周传清研究员，深圳湾实验室刘刚军研究员，美国麻省理工学院的 G. Fujimoto 教授，北京大学李长辉副教授和卢闫晔研究员。该研究得到了国家生物医学成像设备基金、国家自然科学基金（61875123）、北京市自然科学基金（Z210008）、深圳科技计划（1210318663）深圳南山创新与业务发展基金的经费支持。
文章链接：http://doi.org/10.1002/jbio.202100285
为了更加有效的克服运动伪影，本研究提出了一种矫正视网膜运动伪影的LSCI增强算法（Stablized Laser Speckle Angiography，SLSA）。如图2所示。考虑到复杂多变的眼动，本算法首先以视盘为目标追踪整个采集周期中视盘运动并对于眨眼等异常帧进行剔除。随后，对视盘区运动曲线进行滤波处理并通过小波变化进行断点检测以定位视盘运动剧烈区域。接下来，对于微小眼动组内的SPI图像进行刚性配准。最后，对于所获得的高质量灌注图像进行非刚性配准并对各组图像进行最大值投影以更加清晰地保留视网膜血管结构信息。
图2 视网膜运动伪影矫正算法实施流程
在验证ROKIA技术的一致性后，我们将ROKIA技术用于疾病分析。作为最具有代表性的氧代谢类疾病与致盲性疾病，糖尿病视网膜病变的氧动力学研究具有重要的临床价值和社会意义。在糖尿病视网膜病变的早期阶段，即非增殖性糖尿病视网膜病变（non-proliferative diabetic retinopathy，NPDR），视网膜通常未发生明显的结构性改变如果在此阶段发现病症并及时干预可以有效的降低糖尿病视网膜病变所带来的危害。然而由于NPDR阶段并没有明显的不适、模糊等症状且视网膜血管结构没有明显变化，因此往往不易察觉错失治疗良机。已有研究证实了功能性信息的改变早于结构性信息的改变，糖尿病视网膜病变的整个过程伴随着氧代谢的明显变化，因此对于NPDR患者的氧动力学研究有助于更早的发现并及时治疗。然而临床中缺乏氧动力学的测量技术限制了该研究的开展。已有研究中，通常采用视网膜血氧饱和度对NPDR患者的氧代谢水平进行估计，但是近些年的研究表明，NPDR患者不仅在视网膜血氧饱和度上表现出明显的改变，而且在血流量、血管壁厚度等信息上也表现出了明显的改变。相比于现有的临床视网膜分析技术，ROKIA技术对视网膜结构与功能信息展开全面的评估同时不必考虑不同成像系统光路设计中的误差、相差、视野范围等问题。此外，ROKIA技术的成像系统所具有的大视野、快速成像、结构简单等优势使得该技术更加适合视网膜的快速筛查。研究结果揭示了NPDR组与健康对照组在部分指标上的统计学差异。此外，本研究首次观察到NPDR组与健康对照组在OEF上存在显著的统计学差异，这可能意味着 NPDR 早期阶段的氧代谢异常。
ROKIA 简化了临床工作流程，克服了不同成像系统光路设计中的误差、相差、视野范围等问题并从结构与功能上全面地分析了视网膜特征，对于疾病的筛查、诊断以及预后都起到了重要作用。此外，ROKIA技术基于眼底相机进行构建，结构简单便于拓展为后续研究提供了便捷有效的技术支撑。
论文第一作者为MILab课题组博士生冯夕萌，周传清教授为本文的通讯作者。其他合作者还包括北京大学任秋实教授、卢闫晔研究员，以及北京大学深圳医院李金瑛主任等。该研究得到了国家生物医学成像设备基金、国家自然科学基金（61875123）、北京市自然科学基金（Z210008）、深圳科技计划（JCYJ20200109140603831, KQTD20180412181221912）深圳南山创新与业务发展基金的经费支持。