在最近一項(xiàng)涉及39例患者的多學(xué)科研究中，研究了視網(wǎng)膜成像技術(shù)在診斷阿爾茨海默病方面的潛力。一個(gè)易于使用的高光譜快照相機(jī)——460nm和620nm波段，10nm帶寬——用于量化淀粉樣蛋白的積累，而光學(xué)相干斷層掃描允許評(píng)估視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層的厚度。專門的圖像預(yù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)有助于區(qū)分阿爾茨海默病患者和健康受試者。將高光譜數(shù)據(jù)和OCT數(shù)據(jù)相結(jié)合，效果最好。

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阿爾茨海默病及其生物標(biāo)志物

阿爾茨海默病（AD）的診斷是基于（結(jié)合）三種生物標(biāo)志物：淀粉樣蛋白（Ab）和tau蛋白積累和神經(jīng)退行性變參數(shù)。數(shù)據(jù)通過進(jìn)行正電子發(fā)射斷層掃描或分析腦脊液來收集的；這兩者都是昂貴的和/或侵入性手術(shù)。

眼睛與大腦和脊髓密切相關(guān)。因此，它提供了一個(gè)獨(dú)特的中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)入窗口。非侵入性AD診斷的一個(gè)研究途徑主要是視網(wǎng)膜檢查。在AD轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，在出現(xiàn)于大腦之前在視網(wǎng)膜中觀察到抗體積累和斑塊。有越來越多的證據(jù)表明，在AD患者的視網(wǎng)膜中存在AD疾病的特征。目前正在研究不同的成像技術(shù)來檢測(cè)與抗體存在相關(guān)的視網(wǎng)膜變化。其中一種技術(shù)是高光譜視網(wǎng)膜成像，波長在460納米到570納米之間是最有趣的使用。對(duì)動(dòng)物和人類視網(wǎng)膜的尸檢研究以及對(duì)嚙齒動(dòng)物的體內(nèi)研究表明，高光譜視網(wǎng)膜成像可以檢測(cè)到由視網(wǎng)膜抗體聚集物的存在可能引起的光譜變化。

然而，高光譜視網(wǎng)膜成像并不能直接顯示視網(wǎng)膜抗體沉積，而是記錄了 460nm 和 570nm 之間波長處的光譜偏移。

眼睛中一個(gè)重要的神經(jīng)退行性變生物標(biāo)志物是視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層變薄。這可以通過光學(xué)相干層析成像（OCT）來研究。這種無創(chuàng)和高分辨率的工具產(chǎn)生視網(wǎng)膜的橫截面。

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圖1 研究流程

視網(wǎng)膜的高光譜成像用于淀粉樣蛋白的定量

高光譜視網(wǎng)膜成像是使用快照相機(jī)進(jìn)行的，連接到眼底相機(jī)上的T中繼鏡頭上。相機(jī)的核心是一個(gè)高光譜傳感器。該傳感器具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 1088×2048像素的圖像傳感器作為一個(gè)基地與鑲嵌圖案的高光譜濾鏡后處理在它上面。這種專用的設(shè)計(jì)允許在一次捕獲的情況下獲得空間數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)，而不需要進(jìn)行掃描。將4×4成像像素組合成高光譜像素，16個(gè)帶寬為10 nm，在460 nm到620 nm之間。曝光時(shí)間為0.2 ms，視場(chǎng)為50°，無背景照明來獲取圖像。

計(jì)算了每個(gè)高光譜圖像的相對(duì)反射率。此外，通過對(duì)整個(gè)灰度圖像應(yīng)用高斯差值濾波器，從高光譜圖像中去除血管。最后，根據(jù)視盤的中心，標(biāo)準(zhǔn)化定義了四個(gè)感興趣的區(qū)域（roi）（圖2）。這種策略是考慮整個(gè)視網(wǎng)膜，稀釋可能微弱的Ab信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)，考慮大量區(qū)域，以及檢測(cè)隨機(jī)效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

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圖2左：定義了四個(gè)感興趣的區(qū)域：S1、S2、I1和I2。圖像中的綠色部分是用于分析的，視網(wǎng)膜血管從圖像中減法。

右：四個(gè)感興趣區(qū)域的平均光譜。陰影區(qū)域表示平均±為均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

光學(xué)相干斷層掃描顯示視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度，進(jìn)行OCT分析并計(jì)算視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維厚度。利用HSI和OCT數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，基于線性判別分析建立了分類模型。在Python編程語言環(huán)境中使用scikit學(xué)習(xí)庫對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)于每個(gè)感興趣的區(qū)域，評(píng)估了分類器的兩種輸入配置：一種是歸一化高光譜數(shù)據(jù)，另一種是結(jié)合歸一化高光譜數(shù)據(jù)和光學(xué)相干層析掃描特征。

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圖3左：所有配置的所有內(nèi)環(huán)交叉驗(yàn)證運(yùn)行上的平均接收工作特（ROC）曲線。

右：在I2+RNFL配置的所有外環(huán)交叉驗(yàn)證運(yùn)行上的平均ROC曲線，這顯示了在內(nèi)環(huán)中運(yùn)行的最佳性能

3、結(jié)論

利用高光譜和OCT數(shù)據(jù)的雙模態(tài)成像方法成功地檢測(cè)了阿爾茨海默病患者視網(wǎng)膜中淀粉樣蛋白的變化。這些數(shù)據(jù)被用來訓(xùn)練一個(gè)模型，可以以80%的準(zhǔn)確率區(qū)分AD患者和對(duì)照組為80%。當(dāng)添加測(cè)量視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度的OCT數(shù)據(jù)時(shí)，該模型的準(zhǔn)確性有所提高。

這項(xiàng)研究顯示了使用基于高光譜成像的視網(wǎng)膜成像技術(shù)進(jìn)行非侵入性、快速和低成本AD診斷測(cè)試的潛力。這項(xiàng)研究中使用的快照相機(jī)特別有趣，因?yàn)榭梢栽谝淮闻臄z中獲得空間和光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。這對(duì)于處理眼球運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要，也是該應(yīng)用程序的關(guān)鍵促成因素。

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審核編輯 黃宇