摘要

多光譜成像(MSI)是一種獨特的逐層成像技術(shù)，可以顯示廣泛的視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜病變，包括視網(wǎng)膜血管疾病，視網(wǎng)膜色素上皮變化和脈絡(luò)膜病變。

在此，我們綜述了 MSI 的基本成像原理和目前的應(yīng)用，以及該領(lǐng)域的最新技術(shù)進展。MSI 檢測正常脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜組織和病變組織的反射信號。無論是高反射還是低反射都揭示了血紅蛋白和黑色素等色素的吸收活性以及后玻璃體等界面的反射。

MSI 技術(shù)的進展包括創(chuàng)建一個視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜氧脫氧圖，可以更好地理解病變內(nèi)的血液上靜脈血氧飽和度，以及更好地解釋 MSI 圖像的反射現(xiàn)象，例如本綜述中描述的來自Sattler 和 Haller 層的不同反射。

1.引言

一般來說，多光譜成像（MSI）是全光譜成像的應(yīng)用，可以提高區(qū)分組織中不同發(fā)色團的能力。

它可以捕獲各種波段的圖像，并通過吸收與化學(xué)鍵共振的光頻率將光譜特征與化學(xué)成分相關(guān)聯(lián)。MSI現(xiàn)已應(yīng)用于精準農(nóng)業(yè)，藝術(shù)品修復(fù)，環(huán)境監(jiān)測和生物化學(xué)。

眼科中的MSI基于發(fā)光二極管（LED）成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了不連續(xù)的窄帶光譜光源，并基于后節(jié)解剖和病理結(jié)構(gòu)的吸收和反射產(chǎn)生一系列灰度圖像。

傳統(tǒng)上，眼底熒光素血管造影 （FFA） 和吲哚菁綠血管造影 （ICGA） 已被用作各種視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜疾病的診斷成像研究；然而，據(jù)報道，靜脈注射熒光染料的過敏反應(yīng)包括惡心、干咳、鼻漏到嚴重的過敏性休克，包括血壓下降和意識喪失。

MSI是一種針對脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜疾病的無創(chuàng)無染料成像測試，具有高診斷能力。例如，與FFA相比，MSI診斷糖尿病視網(wǎng)膜病變（DR）的敏感性和特異性分別為97.4%和100%。當(dāng)使用 ICGA 作為診斷標準時，MSI 在息肉樣脈絡(luò)膜血管病變 （PCV） 診斷中的敏感性和特異性分別為 84.21% 和 93.10%。這種方法可能會降低在進行臨床診斷時使用FFA / ICGA的必要性。

自發(fā)熒光 （AF） 被認為是診斷視網(wǎng)膜色素上皮 （RPE） 相關(guān)疾病的有用非侵入性工具，其基礎(chǔ)是使用 476nm 和 550nm 激發(fā)濾光片和 499nm 至 576nm 的兩個屏障濾光片檢測 RPE 中的熒光團33.MSI基于680nm和780nm的RPE中黑色素的成像。42FAF 產(chǎn)生一片灰度圖像，顯示 RPE 的病理活動。脂褐素水平過高可能導(dǎo)致 FAF 信號增加（超自發(fā)熒光），而脂褐素紊亂可能表現(xiàn)為 FAF 信號降低（低自發(fā)熒光）;同時，微星可以在眼底不同層呈現(xiàn)一組基于色素物質(zhì)（包括黑色素）的灰度圖像。

MSI作為一種非侵入性成像技術(shù)出現(xiàn)，具有改善視網(wǎng)膜層可視化的優(yōu)點，允許捕獲視網(wǎng)膜不同深度的圖像，并提供更好的視網(wǎng)膜層可視化。

這可以幫助檢測和診斷某些視網(wǎng)膜疾病，如黃斑變性和糖尿病視網(wǎng)膜病變。微星還允許檢測視網(wǎng)膜中的細微變化，這些變化可能無法通過傳統(tǒng)成像技術(shù)看到，10這對于監(jiān)測視網(wǎng)膜疾病隨時間推移的進展特別有用。減少對造影劑的需求允許在不需要造影劑的情況下捕獲MSI圖像，從而降低對造影劑產(chǎn)生不良反應(yīng)的風(fēng)險。

我們提供了MSI在視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜疾病中的應(yīng)用的臨床摘要。

2.原理與設(shè)備

組織穿透深度是指光在被吸收或散射之前可以穿透生物組織的深度。31它是一種物理性質(zhì)，由光的波長和組織的光學(xué)性質(zhì)決定，例如其吸收、散射和折射率。

通常，較長波長的光比較短波長具有更大的組織穿透深度。較短的波長（如小于500nm的光）通常被人體晶狀體散射，視網(wǎng)膜組織的成像可能會被破壞。

眼底的MSI通常涉及3個或更多波長，覆蓋超過500nm的可見光和近紅外（NIR）光。市售MSI可以使用一系列波長為550 nm至850 nm的單色光生成一系列灰度圖像，這些光能夠可視化從內(nèi)限制膜到脈絡(luò)膜的視網(wǎng)膜。

圖1顯示了光譜與眼底切片層的詳細相關(guān)性。2nm在玻璃體視網(wǎng)膜界面的成像中是有利的。550nm更深入地滲透到神經(jīng)感覺視網(wǎng)膜，600nm更專注于RPE。680nm穿透脈絡(luò)膜毛細血管和脈絡(luò)膜的哈勒層，而780nm在呈現(xiàn)脈絡(luò)膜薩特勒層的結(jié)構(gòu)方面更有效。MSI和眼底層高度相關(guān)，但它們并不直接對應(yīng)于視網(wǎng)膜的所有層。

差分光吸收（DLA）是表征成像生物組織的波長依賴性光吸收特性的指標。24，39該措施受組織內(nèi)特定波長的吸收劑濃度的影響。MSI反射率也與人類眼底的DLA有關(guān)。

眼底有三種主要色素：黃斑色素（MP）、視網(wǎng)膜/脈絡(luò)膜血紅蛋白、視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）和脈絡(luò)膜黑色素。27與不同生理和病理學(xué)相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)可以通過它們的特定光譜峰組合來識別，這些光譜峰對應(yīng)于與入射光共振的化學(xué)鍵產(chǎn)生的吸光度帶。27

• (1)

  黃斑色素由兩種主要的類胡蘿卜素組成，葉黃素和玉米黃質(zhì)。MP的峰值吸收波長約為460-470 nm，這是MP觀察的最佳波長。13

• (2)

  血紅蛋白：大多數(shù)MSI相機使用500至700 nm之間的波長來檢查視網(wǎng)膜血管層并區(qū)分含氧和脫氧血液，類似于使用綠色濾光片的商業(yè)眼底相機獲得的傳統(tǒng)無紅圖像。32氧合和脫氧血紅蛋白的吸收是不同的，因為氧合血紅蛋白在較短波長（約 450-500 nm）吸收更多光，而脫氧血紅蛋白在較長波長（約 650-700 nm）吸收更多光。通過分析這兩種形式的血紅蛋白的光吸收差異，多光譜成像可以提供有關(guān)成像視網(wǎng)膜組織中血管氧合水平的信息（視網(wǎng)膜氧-脫氧圖）。2利用雙波長技術(shù)（使用在近紅外內(nèi)具有峰值的LED）由于黑色素吸收較低而更深入地滲透到視網(wǎng)膜中，并進一步了解脈絡(luò)膜脈管系統(tǒng)的氧合狀態(tài)（脈絡(luò)膜氧-脫氧圖）。氧脫氧圖已被用于詳細說明視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜脈管系統(tǒng)中的氧合血紅蛋白。含氧血液區(qū)域反射率高（外觀為白色），而脫氧血液區(qū)域反射性低（外觀為深色），這意味著未灌注或灌注不足的視網(wǎng)膜。43

• (3)

  黑色素：黑色素的吸收在 450 至 600 nm 范圍內(nèi)最佳，42但它被這部分光譜中的其他突出的眼部成分（如血紅蛋白、葉黃素和視紫紅質(zhì)）所掩蓋。超過600 nm，黑色素是唯一突出的視網(wǎng)膜色素，在這些波長下獲取的圖像可以有效增強含有黑色素的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的可視化，特別是潛在的RPE。在大多數(shù)微星相機中，選擇600nm-700nm來觀察RPE中的黑色素，而選擇超過700nm的波長來揭示脈絡(luò)膜中的黑色素。

4.臨床應(yīng)用

糖尿病視網(wǎng)膜病變

研究了MSI對不同嚴重程度的糖尿病視網(wǎng)膜病變（DR）的診斷價值和分期準確性。在非增殖性（NPDR）階段，微動脈瘤是微血管損傷的生物標志物。微動脈瘤被MSI定義為小血管流出和毛細血管擴張，臨床上以580nm波長觀察到。17

成像原理：選擇580 nm的成像波長來識別DR中視網(wǎng)膜異常的特征。這主要是基于血紅蛋白在DR異常中的反射和吸收特征，如微動脈瘤，視網(wǎng)膜內(nèi)微血管異常（IRMA）和新生血管形成，被認為是DR進展的主要生物標志物。 血紅蛋白在550至600nm之間顯示出廣泛的吸收，42視網(wǎng)膜內(nèi)的微動脈瘤和出血表現(xiàn)為低反射性病變。在MSI上，微動脈瘤表現(xiàn)為分散的，界限明確的，圓形的，低反射斑點，而視網(wǎng)膜出血表現(xiàn)為較大面積的低反射性病變，形狀不規(guī)則。硬滲出物在MSI上顯示出比棉絮斑更高的反射率，前者的邊界更清晰。IRMA被定義為位于主血管干附近的異常擴張的微血管形成，而MSI上的其他地方新生血管形成（NVE）被描述為一個更混亂的網(wǎng)絡(luò)。

視網(wǎng)膜靜脈阻塞

MSI應(yīng)用于Xu及其同事對視網(wǎng)膜靜脈阻塞的評估，以揭示MSI對RVO的特征。43受試者工作曲線（ROC）分析表明，MSI是RVO的更好判別因子，優(yōu)于CFP（AUC= 0.911 vs. 0.768，p=0.0318）。MSI在短波光譜圖像和氧-脫氧圖中揭示了高度明確的血管異常，這與CFP，F(xiàn)FA和OCT結(jié)果相符。這初步證明了MSI在評估RVO病理學(xué)方面的無創(chuàng)性，簡單性和有效性的優(yōu)勢。43MSI允許在治療中指示光凝時盤旋非灌注區(qū)域。圖 5?顯示了 RVO 中的 MSI 示例。

年齡相關(guān)性黃斑變性

RPE 中黑色素破壞的成像很重要，因為它在 AMD 中具有病理意義。

RPE的成像原理基于Prota描述的黑色素的光學(xué)化學(xué)特性。35黑色素吸收屬于傳統(tǒng)眼底相機使用的波長光譜，范圍為450 nm至700 nm，黑色素被眼睛的其他主要成分（包括晶狀體，血紅蛋白，玉米黃質(zhì)，葉黃素和視紫紅質(zhì)）遮擋。使用中長波長的微星（如680納米）揭示了鞏膜的背反射變得更加強烈，黑色素破壞的可見性更加明顯。黑色素破壞被定義為色素沉著增加，特別是黑色素結(jié)塊、堆積或遷移，但不是特定的萎縮。

脈絡(luò)膜腫瘤

基于已發(fā)表的對脈絡(luò)膜腫瘤不同光譜行為的觀察結(jié)果，最近分析了反射率值（反射率指數(shù)，RI）和邊界定義指數(shù)（BDI）的定量分析（未發(fā)表的數(shù)據(jù)）。RI稱為平均反射灰度，而BDI被定義為腫瘤與其周圍視網(wǎng)膜組織之間的平均灰度差異。圖7顯示了所研究的三種類型的脈絡(luò)膜腫瘤和脈絡(luò)膜痣。圖1顯示了骨瘤（A），脈絡(luò)膜血管瘤（B），痣（C）和黑色素瘤（D）中不同反射模式的結(jié)果。邊界還顯示了成像模式之間的差異（圖H）。量化MSI在鑒別診斷中的應(yīng)用仍需進一步驗證，但試點研究已經(jīng)為其在脈絡(luò)膜腫瘤診斷中的應(yīng)用提供了線索。表3比較了上述臨床實體的敏感性、特異性和曲線下面積（AUC）。

5.MSI的未來趨勢

多光譜成像有可能徹底改變各種眼部疾病的診斷和治療。眼科多光譜成像的一些未來趨勢包括：

• (1)

  偽影去除技術(shù)：投影去除是提取眼底圖像的特定切片，允許更詳細的分析和組織特異性光學(xué)反射率。

• (2)

  與其他技術(shù)的集成：MSI可能會與其他技術(shù)集成，例如譜域OCT和自適應(yīng)光學(xué)，以提供更全面的視網(wǎng)膜視圖。這可能有助于在早期階段識別疾病過程。

• (3)

  新的影像學(xué)體征：MSI可能仍能發(fā)現(xiàn)尚未發(fā)表的新觀察結(jié)果。雖然李在el觀察到脈絡(luò)膜傳遞，25脈絡(luò)膜血管的更詳細的反射率尚未公布。Sattler層被定義為中等大小的脈絡(luò)膜血管層，這些血管被可視化為中等大小的低信號空間，周圍環(huán)繞著OCT觀察到的超高強度基質(zhì)。47這種現(xiàn)象可以在MSI上優(yōu)雅地觀察到，Sattler層被視為被超反射率基質(zhì)包圍的低反射率。哈勒層被定義為包含大脈絡(luò)膜血管的外脈絡(luò)膜層，其反射率顯示在MSI上。區(qū)分Sattler層和Haller層的主要標準是盲間隙組織的密度，包括脈絡(luò)膜黑色素細胞，這有助于脈絡(luò)膜基質(zhì)內(nèi)OCT和MSI信號的散射;47然而，MSI上Sattler層和Haller層的不對稱存在仍然值得研究。

6.局限性

MSI技術(shù)的局限性包括在逐層視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜中缺乏精確的對應(yīng)關(guān)系。

MSI不是FFA的替代品。與?FFA 相比，MSI 對視網(wǎng)膜血管病變所有病變的檢出率相對較低，例如 DR 中的微動脈瘤和 PRP 后最小 NVE 的消退。我們已將此限制添加到相應(yīng)的部分。由于硬件限制，MSI 設(shè)備通常無法實現(xiàn)高空間分辨率。42此外，由于對神經(jīng)感覺視網(wǎng)膜中發(fā)色團的空間分布（如果有的話）的理解有限，因此幾乎無法對MSI進行詳細的切片。

參考

Ma F, Yuan M, Kozak I. Multispectral Imaging (MSI): Review of Current Applications. Surv Ophthalmol. 2023 Jun 13:S0039-6257(23)00085-1. doi: 10.1016/j.survophthal.2023.06.004. Epub ahead of print. PMID: 37321478.