基于光学相干层析技术的人体视盘血管和视盘脉搏运动成像的青光眼病理模型研究

Glaucoma is type of serious irreversible eye disease that is able to lead blindness. It is caused by the damage or death of retina ganglion cells (RGC), which will then lead to vision loss or even blindness of patient. Although many factors have been demonstrated that they would cause Glaucoma, the detailed mechanism of how the RGC was damaged or death is still controversial. Among all of possible mechanisms, the dysfunction of optical nerve head (ONH) vascular networks and abnormal change of biomechanical property of ONH are two most convincing hypotheses. Better understanding how the RGC was damaged along with the progression of Glaucoma would be helpful for prevention, early diagnosis and treatment of Glaucoma. The proposed project aimed at developing a high speed optical coherence tomography system, which is able to image the vascular network and pulsatile motion of ONH on the same patient and realizing direct measurements of vasculature and indirect measurements of biomechanical properties for human ONH．Based on analyzing the changes of the two type of parameters for subjects of normal and Glaucoma at different stages, it is able to build vascular-related and biomechanical-related Glaucoma pathophysiological model. Through comparing these two models, it is possible to identify the primary mechanism that might lead to Glaucoma. The results of this project would further help understanding the mechanism of Glaucoma and provide basic pathology information for prevention, diagnosis and treatment of Glaucoma.

青光眼是一种严重的不可逆致盲疾病。它是由视神经节细胞受损甚至死亡导致的视场减少、视力减弱直至失明的眼科疾病。虽然多种因素被证明可能是青光眼的诱因，但是导致神经节细胞受损的发病机理仍然存在争议。在多种可能发病机理中，由人体视盘血管功能紊乱和视盘组织生物力学性质异变导致的视神经节细胞受损是其中两种最有说服力的假说。理清青光眼发病过程中视神经节细胞受损的机制，对青光眼预防、早期诊断和早期治疗具有重要作用。本申请项目旨在通过开发一套可以在同一病人身上实现人体视盘内血管网络和脉搏运动成像的高速光学相干层析成像系统，对视盘血管和生物力学性质进行直接和间接测量。在分析从正常人和不同阶段青光眼病人获得的两种参数变化的基础上，分别建立与血管相关和与脉搏运动相关的青光眼病理模型。通过比较两种模型，确定占主导作用的机制。本项目结果有助于进一步理解青光眼的发病机理，为青光眼的预防、诊断和治疗提供病理基础。

本项目通过开发高速光学相干层析成像系统（OCT），进行了OCT成像控制系统设计，以及视网膜OCT/OCTA图像处理和优化，实现了眼部血管造影、前房和视网膜神经纤维层搏动成像功能，以及OCT图像眼底结构指标及血管量化。本研究有助于进一步理解眼病早期的发病机理，为眼病预防、早期诊断提供病理基础。本项目首先开发出了一套适用于临床的高速频域OCT系统，该系统可实现眼底血管造影以及前房和视网膜神经纤维层（RNFL）脉搏运动成像功能。同时设计开发了一套基于STM32的嵌入式OCT成像控制系统，该系统具有小型化、仪器化的特点，能获得高质量成像结果。进而进行了基于单帧滤波、多帧平均和噪声统计学模型驱动的深度神经网络的视网膜OCT/OCTA图像降噪研究，并提出了基于双树复小波变换的图像降噪算法。随后进行了前房和RNFL搏动检测方法研究，实验组RNFL搏动波形与近红外脉搏测量仪同步测量的脉搏波形相似，并且具有相同的周期性规律，表明我们提出的方法可为青光眼早期诊断提供有价值的参数。最后，探究了OCT图像中眼底结构指标及血管量化指标与病变的关系，为青光眼发病机理的深入研究指明方向。.本项目已发表论文5篇，其中项目负责人作为第一作者发表论文1篇，作为第一通讯作者发表SCIE论文1篇，作为第二通讯作者发表论文2篇（其中SCIE论文1篇）。获得具有代表性的授权发明专利1件（非第一发明人），授权实用新型专利5件（非第一发明人）。在人才培养方面，培养已毕业硕士研究生3名，在读研究生1名。研究生已发表4篇科研论文。项目预算经费总额50.0000万元，已使用41.5427万元，结余经费为8.4573万元。本项目中研发的高速SD-OCT成像系统，已开发为OCT Velite C2000、Velite C1000系列产品并取得二类医疗器械注册证（粤械注准20212161685）。