科技成果·无创筛查重大慢病，多模态眼功能成像新技术

任秋实现任北京大学信息学部副主任，北京大学未来技术学院生物医学工程系教授，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，美国生物与医学工程学会会士(AIMBE Fellow)，国际光学学会会士(SPIE Fellow)，北京大学深圳研究生院生物医学工程研究所所长，深圳湾实验室生物医学工程研究所召集人，深圳精准医学影像大设施总工程师。

任秋实团队主要研究方向为多模态眼功能成像的技术开发，团队将持续深入地对本技术进行研究和优化升级。该团队目前正和各大医院合作开展多模眼功能成像分析技术在眼科、神经内科、心内科以及肾内科等的大样本临床研究，预期将对疾病的筛查、诊断以及预后展开更加全面的研究，让心灵之窗为健康护航。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、北京市自然科学基金、深圳科技计划深圳南山创新与业务发展基金的经费支持。

研究领域：多模态眼功能成像

近日，北京大学/深圳湾实验室任秋实团队提出了一项无创检测眼神经与视网膜动态氧代谢功能的多模态眼功能成像新技术，部分研究成果形成论文《Functional Imaging of Human Retina Using Integrated Multispectral and Laser Speckle Contrast Imaging》发表在国际生物医学光子学权威期刊Journal of Biophotonics上。

视网膜是人体中唯一可以直接观察的微循环系统，也是人体中氧气消耗最高的器官之一。视网膜微循环的结构与功能性分信息对于疾病的筛查、诊断以及预后具有重要的指导意义。随着光学成像技术的发展，视网膜微循环的评估也从结构性分析逐渐转为功能性分析。视网膜多光谱成像技术不仅可以评估视网膜血氧饱和度，而且可以实现不同层次下的视网膜结构成像，更好地进行病灶评估。另一方面，通过激光散斑成像技术可获得无创、大视野的视网膜灌注成像信息，为视网膜供血及血流动力学分析提供了有效信息。然而现有的视网膜结构与功能成像仪器相互独立，难以实现同步测量与评估，极大限制了视网膜结构与功能性分析。

成果创新：眼功能成像新技术获突破

任秋实教授团队将多光谱成像技术与激光散斑成像技术有机融合，并结合眼动分析与瞳孔检测技术，提出了一种新型的多模眼功能成像分析技术(图1所示)，可实现视网膜多光谱成像、眼底彩色合成图像、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、视网膜氧代谢动力学等结构性与功能性信息，为更加全面地评估视网膜微循环特征提供了强有力的工具。

图1. 多模态眼功能成像分析系统(左：成像模态;右：工程样机)

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参考意义。

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地标识出相关病灶。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，如图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. 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)

产业应用：重大慢病管理预警、筛查与监测

人类大脑获得外界信息80%以上是通过眼睛感知的，因此眼健康对保证人们的生活质量至关重要。我国人口基数大，视觉残疾人数多。随着社会老龄化的加剧，老年性黄斑变性、糖尿病性视网膜病变、眼底血管阻塞、青光眼等致盲性疾病严重威胁中老年人的视觉健康，防盲治盲形势十分严峻。

另外，人眼还是观察脑认知、人体代谢、人体微循环与心脑血管状态的天然窗口，多种重大慢病可能并发或继发眼病。临床研究还证实，眼底病变具有高血压、脑卒中、冠心病、神经退行性病变、糖尿病和肾病等多种慢病的标志性特征，可以作为疾病早期筛查和辅助诊断的判断标准。因此，研究一种智能化的多模态视觉功能检查技术设备，结合大数据与人工智能技术，对致盲性眼病和其它慢病进行预警、筛查与监测，实现重大慢病管理的前移，对节省医疗资源、推进人民健康都具有重要的意义。