老年过程中脉络膜血管的变化及其与年龄相关性黄斑变性的关系：一项基于人工智能的OCT研究

《Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology》：Choroidal vascularity across aging and the spectrum of age-related macular degeneration: an AI-based OCT study

　　摘要
目的：使用多种指标来描述受正常衰老和年龄相关性黄斑变性（AMD）影响的参与者群体的脉络膜形态。

方法：分析了四个队列：健康年轻人（n=42）、健康老年人（n=19）、早期AMD（iAMD）患者（n=20）以及未经治疗的nAMD患者（n=79）。通过基于人工智能（AI）的语义分割模型结合手动验证，从光谱域光学相干断层扫描（OCT）数据中量化脉络膜体积（CV）和脉络膜血管体积（VV），从而得到脉络膜血管指数（CVI），以及平均脉络膜厚度（CT）、血管厚度（VT）、黄斑区血管面积（FVA）和血管数量（FVC）。对队列间的差异进行了统计评估。

结果：与年轻对照组相比，健康老年人、iAMD患者和nAMD患者的所有脉络膜参数均有所下降。虽然健康老年人、iAMD患者和nAMD患者之间的许多降低的脉络膜测量值大体相似，但仅CVI和FVA在nAMD患者中表现出显著下降。

结论：本研究表明，随着年龄的增长，多个脉络膜参数会出现下降，这可以通过基于AI的分割技术进行量化。尽管老年人和iAMD患者之间的年龄相关变化相似，但在nAMD患者中观察到CVI和FVA的下降更为明显，这可能表明该情况下脉络膜结构的变化更为显著。

引言：
年龄相关性黄斑变性（AMD）是导致老年人不可逆视力丧失的主要原因之一，构成了重大的公共卫生负担[1, 2]。尽管在成像和治疗方面取得了进展，但其病理生理机制仍不完全清楚，特别是在视网膜色素上皮（RPE）、感光细胞功能障碍和脉络膜血管改变的相对贡献方面[1, 3, 4]。新生血管性AMD（nAMD）的特点是黄斑新生血管（MNV）的形成，导致渗出、出血和视力迅速恶化[5]。抗血管内皮生长因子（Anti-VEGF）疗法通过控制渗出和稳定视觉功能改善了短期效果[6]。然而，通常需要长期治疗，且视力逐渐下降是常见的现象，并与黄斑萎缩的发展和进展有关[7, 8, 9, 10]。因此，神经感觉视网膜以外的结构，尤其是脉络膜，可能成为重要的治疗靶点。

脉络膜在视网膜稳态中起着核心作用，它是外层视网膜的主要血管供应来源，为RPE和感光细胞提供氧气和营养，支持其高代谢需求[4]。脉络膜灌注受损可能导致组织缺氧、代谢失衡、氧化应激和代谢废物积累[3, 4, 11]。缺氧驱动的信号通路可能进一步促进VEGF表达和MNV形成，从而将脉络膜功能障碍与nAMD的发展联系起来[12]。

衰老与脉络膜变薄和血管稀疏有关[4, 13]。除了这些与年龄相关的改变外，在AMD的不同阶段还观察到了疾病特异性变化。在中间AMD（iAMD）和地理性萎缩（GA）中，描述了脉络膜毛细血管的进行性损伤以及外层脉络膜的局部变薄[14, 15]。在未经治疗的nAMD中，描述了Haller层和Sattler层血管的扩大和结构改变[16, 17]。然而，仅靠脉络膜厚度（CT）难以全面了解血管完整性，也无法区分管腔和基质成分[4, 14, 18]。脉络膜血管指数（CVI），定义为管腔面积与总脉络膜面积的比率，已被证明是一个评估脉络膜血管结构的可靠参数，其受轴向长度、昼夜变化和系统影响的程度低于CT[19, 20]。

尽管越来越多的自动化方法可用于脉络膜和血管分割，但许多研究仍侧重于通过基于强度的阈值处理对单个B扫描或区域平均测量值进行二值化[18, 19, 21, 22]。在这些方法中，OCT B扫描图像使用局部算法（例如改进的Niblack方法）进行阈值处理，以区分暗色的管腔像素和较亮的基质组织。由于这些方法通常应用于单个B扫描或有限的采样区域，因此对脉络膜形态参数的完整体积分析，特别是在衰老和不同AMD表型背景下，仍然有限。相比之下，基于AI的三维分割可以分析整个OCT体积，并直接在体素级别识别脉络膜血管。本研究的目的是使用基于AI的三维注释和量化方法来描述与年龄和AMD相关的脉络膜重塑模式，包括CT和CVI等参数。这些参数在年轻和老年健康眼睛之间，以及老年健康眼睛与iAMD或nAMD眼睛之间进行了比较。这种方法有助于阐明与年龄和AMD相关的脉络膜改变，并为脉络膜在AMD发病机制中的潜在作用提供新的见解。

研究设计和参与者：
这是一项横断面观察性研究，设计了前瞻性和回顾性队列，旨在比较健康眼睛和不同阶段AMD的脉络膜形态，没有进行纵向随访。健康老年人、iAMD和未经治疗的nAMD队列的数据来自AMD-Netz Münster进行的一项观察性治疗研究[23]。由于该数据集没有包括健康年轻人对照组，因此在埃森大学医学研究所前瞻性地招募了一组健康年轻人作为参考组，以区分生理性年龄相关的脉络膜变化和与AMD相关的疾病改变。研究包括匿名数据评估。

诊断：AMD的诊断由经验丰富的视网膜专家（D.P.）通过多模态成像进行验证，包括使用Heidelberg Retina Angiograph 2（HRA2）进行的荧光素血管造影和使用Heidelberg Spectralis系统（Heidelberg Engineering）进行的结构OCT。

研究队列：共纳入了149名个体的160只眼睛，分为四个队列：健康年轻人、健康老年人、iAMD和nAMD。
健康年轻人队列包括具有正常黄斑形态、最佳矫正视力≥20/32且无视网膜疾病、眼内治疗或系统血管疾病史的个体（图1a, e）。
健康老年人队列在结构OCT成像上没有AMD或其他视网膜病变的迹象（图1b, f）。
iAMD患者的特征是在RPE下存在小圆顶形的反射物质隆起（drusen），没有GA或MNV的证据。
未经治疗的nAMD患者的特征是存在MNV（图1d, h）。
在这些老年队列中，没有关于潜在系统血管疾病的资料。

成像采集：使用Heidelberg Spectralis系统（Heidelberg Engineering, Heidelberg, Germany）获取黄斑光学相干断层扫描（OCT）体积，扫描范围为6×6毫米的黄斑立方体，中心位于黄斑，深度约为2毫米。每个体积至少包含49个B扫描。应用自动实时平均技术处理超过12帧的图像以提高信号质量，并使用自动黄斑对齐确保扫描位置的一致性。

图像分析：
使用Heine等人先前开发并验证的语义分割模型获得脉络膜和血管掩膜，该模型已成功应用于nAMD成像分析[24, 25]。除了之前标注的结构（视网膜层和脉络膜）外，还由具有领域专业知识的训练有素的分割者手动标注脉络膜血管，以生成专用的真实数据集。基于这些标注，训练了一个分割模型来预测未见OCT体积中的脉络膜血管的体素级二值掩膜。所有预测的掩膜随后都经过视觉检查，如有必要，由训练有素的分割者进行最小化校正，以确保高质量的分割同时保持数据集的可扩展性（图1）。

量化脉络膜参数：
选择的量化脉络膜形态的参数包括平均脉络膜厚度（CT [mm]）、平均血管厚度（VT [mm]）、脉络膜体积（CV [mm3]）和脉络膜血管体积（VV [mm3]，从而得到脉络膜血管指数（CVI [%] = VV/CV × 100）、黄斑区血管面积（FVA [mm2]）和黄斑区血管数量（FVC）。平均血管厚度（VT）是从体素级的脉络膜血管分割中得出的。对于每个A扫描（即沿深度方向的每个轴向体素列），所有被分类为血管的体素都被识别。如果存在血管体素，则血管厚度定义为该列中所有血管体素的总和。体素计数根据扫描元数据中提供的体素间距转换为物理单位。这一过程在OCT体积内的所有A扫描中重复进行，平均血管厚度计算为包含血管体素的所有A扫描的平均值。

统计分析：
首先通过描述性统计摘要分析各队列的数据。由于队列内的样本量从小到中等不等，通过按队列分层的箱线图和基于ANOVA的QQ图和Scale-Location图来评估正态性和异常值的存在。对于统计显著性测试，首先进行Kruskal-Wallis检验。如果其p值低于0.05，即可以拒绝任何组之间没有差异的零假设，则进行成对的双样本Wilcoxon检验，并应用Bonferroni-Holm校正进行多重检验。由于这项研究的探索性质，未对多个参数进行多重检验校正。所有统计检验均为双侧进行。显著性水平设定为0.05。图2的图表使用R Studio（版本2025.09.2+418）和ggplot2包生成。

结果：
研究包括149名个体的160只眼睛。健康年轻人队列包括42名个体（27名男性，15名女性；平均年龄31.1±7.4岁，范围22–44岁）。健康老年人队列包括19只眼睛（8名男性，11名女性；平均年龄73.0±5.8岁，范围60–85岁）。iAMD队列包括20只眼睛（9名男性，11名女性；平均年龄77.5±5.7岁，范围69–88岁），以及79只未经治疗的nAMD眼睛（28名男性，51名女性；平均年龄75.4±7.5岁，范围60–90岁）。与年轻对照组相比，健康老年人、iAMD和nAMD患者的所有脉络膜参数均有所下降（表1）。

表1：四个队列（健康年轻人、健康老年人、中间AMD、新生血管性AMD）的不同脉络膜形态参数分析
CT在健康年轻人眼中最高，在健康老年人、iAMD和nAMD眼中降低。VT呈现类似模式，健康年轻人中的值最高，其余组中的值明显较低。CV和VV在健康年轻人眼中最高，在健康老年人、iAMD和nAMD眼中降低，nAMD中的VV最低。相应地，CVI在健康年轻人眼中最高，并在健康老年人、iAMD和nAMD眼中逐渐降低（图2A）。

图2：四个研究队列（以健康老年人为参考）的脉络膜血管指数（CVI [%] = VV/CV × 100）（a）、黄斑区血管面积 [mm2]（b）和黄斑区血管数量（c）的比较。组间差异用括号表示，显著p值用星号标出（* p = < 0.05，** = < 0.01，*** = < 0.001）。由于所有组与年轻健康对照组之间存在显著差异（除了健康年轻人与iAMD在FVC方面的比较），这些差异的p值未显示。FVA在健康年轻人的眼中最大，在所有其他组中均有所降低，其中nAMD眼中的值最低（见图2B）。FVC也表现出类似的趋势，在健康年轻人中的值最高，而在nAMD眼中与健康老年人和iAMD相比有明显下降。对于所有参数，Kruskal-Wallis检验均具有高度显著性（p<0.001）。随后的成对Wilcoxon检验显示健康年轻人与所有其他组之间存在高度显著差异（p<0.0001，FVC的p值为0.0052）。所有组之间的比较包括p值总结在图2、表1和表2中。表2列出了四个组（健康年轻人、健康老年人、中度AMD、新生血管性AMD）之间差异的成对p值。

讨论
在本研究中，年轻个体的脉络膜比老年参与者更厚且血管化程度更高。这种模式在所有分析的参数中都是一致的，并且与早期的组织学脉络膜腐蚀研究及基于成像的调查结果相符[13, 21]。无论是否存在玻璃膜疣，都观察到了变化：仅生理性老化虽然伴随着显著的脉络膜重塑，但不足以解释AMD的发展。与单独使用CT相比，CVI已成为一个用于表征脉络膜血管形态的稳健定量参数[18,19,20,21]。观察到的较低CVI值可能是由于方法学差异所致。许多先前的研究依赖于基于二值化的方法，这些方法对信号衰减和阈值选择敏感[18,19,20,21, 26]。相比之下，本研究应用的语义注释基三维分割技术能够实现解剖学上精确的、无阈值的、考虑形态差异的血管和基质成分区分[24, 25]。这种策略对于评估nAMD中的脉络膜结构尤为重要，因为与传统的B扫描二值化相比，体积分析减少了与微血管病变（MNV）相关的阴影效应，从而提供了更稳健和可靠的结果。通过将这种基于体积的AI方法应用于健康老化和不同阶段的AMD，本研究提供了脉络膜血管改变的全面表征。

与先前的研究一致，CVI随年龄增长而下降，反映了血管部分的逐渐丧失和相对的基质扩张[19, 22]。尽管在年轻健康眼睛和健康老年人眼睛之间观察到了脉络膜形态的差异，但大多数指标在健康老年人和iAMD眼睛之间没有显著差异。相比之下，nAMD眼睛中的脉络膜血管数量较少但更粗，基质比例增加，导致在扩张的结缔组织内血管稀疏且扩大。这可能反映了更严重的脉络膜灌注障碍，可能影响外视网膜的氧气和营养供应，从而促进疾病进展。此外，本研究中发现nAMD患者的FVA和FVC显著降低，这可能表明nAMD中中央脉络膜的退化更为明显。然而，这种解释受到限制，因为黄斑区的脉络膜血管参数可能受到上方微血管病变（MNV）引起的透射变化的影响。

几种机制可能导致脉络膜血管改变。已有研究表明，Bruch膜（BM）的扩散受损以及VEGF的可用性减少是脉络膜血管丧失的主要因素[27, 28]。在以视网膜下膜沉积为特征的疾病（如Sorsby眼底营养不良）中，描述了严重的脉络膜毛细血管丧失和血管稀疏[29]。在nAMD中，血管造影中脉络膜填充延迟同样被解释为脉络膜灌注减少的证据，这可能是由于BM富含脂质而增厚以及VEGF扩散受损所致[30]。实验和临床数据进一步表明，脉络膜毛细血管和较大的脉络膜血管都高度依赖VEGF，在GA（葡萄膜神经病变）的发病过程中观察到血管逐渐退化[14]。在这种情况下，BM随脂质积累而逐渐增厚可能会形成疏水性扩散屏障，最终导致脉络膜血管稀疏[30, 31]。脉络膜变薄可能受到全身性因素的影响，特别是脑部灌注。基于研究表明眼灌注与脉络膜形态之间存在密切关系，提出了动脉粥样硬化对AMD相关脉络膜改变的贡献[32]。最近的临床数据显示，颈动脉内膜切除术后CT显示脉络膜和脉络膜毛细血管灌注改善[33]。一致地，弥漫性-滴状GA表型与脉络膜变薄和心肌梗死风险增加相关，支持全身性血管病理与脉络膜退化之间的联系[34]。

本研究存在一些局限性。首先，在研究计划期间没有进行正式的功效计算。因此，组间不平衡可能影响了统计功效和结果的解释，特别是在非显著性发现方面。此外，一些被分类为健康老年人或iAMD的眼睛最终可能会进展为nAMD，这限制了组间的严格区分。其次，仅包括了具有可评估脉络膜分割的nAMD眼睛。由于严重的透射缺陷或脉络膜可见度不足（例如由于大的MNV病变），某些眼睛被排除在外。尽管如此，基于AI的MNV下脉络膜血管分割仍可能受到上方病变的干扰。由于全身性血管状况可能影响脉络膜灌注，而老年组没有这些数据，这一因素可能导致了观察到的差异。轴向长度也是影响脉络膜厚度的潜在因素，但也没有相关数据。老年组之间的年龄分布相当，健康老年人和iAMD组之间的性别分布也相似。nAMD组中女性参与者的比例较高，这也是可能影响结果的一个因素。

自动分割结果由经过培训的评估者进行了视觉验证，仅需要少量修正，尽管手动审查可能会引入一定程度的观察者依赖性变异。总之，观察到与年龄相关的血管和基质脉络膜结构的显著减少。这种减少很可能是由影响全身和眼灌注的动脉粥样硬化改变所驱动的。虽然健康老年人和iAMD眼睛之间的脉络膜形态相似，但未经治疗的nAMD显示出血管成分的进一步不成比例的损失。全身性灌注减少和VEGF扩散受损的联合效应可能导致脉络膜逐渐灌注不足，从而无法充分支持外视网膜的代谢需求。一旦达到临界阈值，可能表现为CVI的显著下降，MNV可能作为补偿性新生脉络膜毛细血管出现[35]。CVI可能是一个具有临床意义的脉络膜灌注质量生物标志物。保护或改善iAMD中的脉络膜灌注的策略可能有助于防止其进展为nAMD。未来的纵向研究应使用基于注释的CVI来调查脉络膜血管稀疏是否先于nAMD的发生。