基于双光束频域OCT技术与脉搏波的眼底血管弹性成像及其在动脉硬化定量检测评估中的应用

The changes of the morphology and elasticity of arteriole and microcirculation can be used to predict and arteriosclerosis and cardio-cerebrovascular diseases at more early stage. Retinal vessels, as the part of the whole circulation, are the only direct accessible vasculature. Therefore, it has potentially great clinical applications in prediction, screening and diagnosis of cardio-cerebrovascular diseases to measure and evaluate retinal vascular morphology and elasticity. However, there is great controversy in detection of retinal vessel elasticity. The elastic theory of retinal vessel hasn’t been established..Based on previous research, in this proposed project, we aim to develop dual beam optical coherence tomography (OCT) to detect pulse wave of the retinal arteriole, and obtain pulse wave velocity, blood flow dynamics, and caliber based on phase and signal analysis. With the measured parameters, we aim to develop elastic theory of the retinal arteriole based on nonlinear semi-analytical solution and finite element analysis. The proposed research has both scientific values and clinical applications in evaluation of whole circulation and arteriosclerosis, as well as in prediction, screening, and diagnosis of cardio-cerebrovascular diseases, such as hypertension, stroke, myocardial infarction, cerebral infarction, diabetes.

小微血管的形态与弹性改变可更早期地预警、筛查动脉硬化及高血压、冠心病、中风等心脑血管风险事件。眼底血管是人体唯一直接可见的血管网络，是全身微循环的组成部分，检测、评估眼底血管形态与弹性，在预测、筛查和诊断心脑血管疾病方面具有重要的临床价值。但是，目前基于高速眼底摄影的眼底血管弹性检测方法存在信噪比低、可靠性差等诸多不足，导致脉搏波传播速度这一公认的重要指标的测量结果存在数量级差异，眼底动脉的弹性理论模型的研究也属于空白。.本课题将研究采用双光束光学相干层析成像技术，分析视网膜动脉血管脉动的脉搏波形，通过相位解析等信号处理方法获取脉搏波传播速度和动脉血管、血流脉动的动态信息以及血管形态尺寸，进而通过非线性半解析解法和有限元分析法，建立眼底血管弹性理论模型，为评估人体微循环、全身血管硬化程度以及预测、筛查和诊断高血压、中风、心梗、脑梗等心脑血管疾病提供理论与方法，具有重要的科学意义和应用前景。

眼底血管是人体唯一直接可见的血管网络，分类上属于小血管，是全身微循环的组成部分，并和脑部微循环具有同源同质的特点。通过眼睛这一天然“窗口”，检测、评估眼底血管形态与弹性，对定量评估人体微循环、全身血管硬化程度以及预测、筛查和诊断眼底病、高血压、糖尿病等心脑血管疾病具有重要的临床意义。但是，目前的研究也存在眼底血管评估手段单一、刚性血管弹性模型不适用于小血管、脉搏波传播速度的数量级范围存在争议等问题。本课题针对上述问题，分别采用可变间距扫描的OCT技术和激光散斑血流成像技术，测量并分析了脉搏波传播速度在几十毫米/秒的数量级范围，同国际上大多数报道的数量级范围一致。同时，我们对眼底OCT成像技术进行深入研究，提出了超越离散傅里叶变换分辨率极限的OCT图像重建方法，以及基于深度学习的眼底OCT图像与OCT血管造影优化算法。在此基础上，本课题创新性地提出多参数表征眼底血管特征与血流动力学的思路，研制出可同时检测眼底组织与血管形态、血管内外径与血管壁厚度、眼底血流动力学及其动态变化的技术平台，开展了仿体实验验证和不同人群试验，发现高血压及糖尿病人群的眼底血管和血流动力学和正常对照组具有明显的特征性差异。最后，本课题基于脉搏波形信息提取，建立了用于表征血管弹性、血液粘滞性和心脏泵血功能的系列参数，同时基于流固耦合数值模拟技术对血流场进行了仿真计算，建立了眼底动脉血管湍流的特征模型，并进一步建立了包含眼底动脉内外直径、血管壁厚度和血流动力学及其脉动变化的多参数非刚性血管弹性模型。本课题的研究成果为更全面检测和理解眼底血流脉动特征和血管硬化的弹性模型奠定了理论和实验基础。