任秋實(shí)現(xiàn)任北京大學(xué)信息學(xué)部副主任，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，美國生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)士（AIMBE Fellow），國際光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（SPIE Fellow），北京大學(xué)深圳研究生院生物醫(yī)學(xué)工程研究所所長(zhǎng)，深圳灣實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程研究所召集人，深圳精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)影像大設(shè)施總工程師。

      任秋實(shí)團(tuán)隊(duì)主要研究方向?yàn)槎嗄B(tài)眼功能成像的技術(shù)開發(fā)，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深入地對(duì)本技術(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化升級(jí)。該團(tuán)隊(duì)目前正和各大醫(yī)院合作開展多模眼功能成像分析技術(shù)在眼科、神經(jīng)內(nèi)科、心內(nèi)科以及腎內(nèi)科等的大樣本臨床研究，預(yù)期將對(duì)疾病的篩查、診斷以及預(yù)后展開更加全面的研究，讓心靈之窗為健康護(hù)航。該研究得到了國家生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備基金、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、深圳科技計(jì)劃深圳南山創(chuàng)新與業(yè)務(wù)發(fā)展基金的經(jīng)費(fèi)支持。

      研究領(lǐng)域：多模態(tài)眼功能成像

      近日，北京大學(xué)/深圳灣實(shí)驗(yàn)室任秋實(shí)團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)無創(chuàng)檢測(cè)眼神經(jīng)與視網(wǎng)膜動(dòng)態(tài)氧代謝功能的多模態(tài)眼功能成像新技術(shù)，部分研究成果形成論文《Functional Imaging of Human Retina Using Integrated Multispectral and Laser Speckle Contrast Imaging》發(fā)表在國際生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)權(quán)威期刊Journal of Biophotonics上。

      視網(wǎng)膜是人體中唯一可以直接觀察的微循環(huán)系統(tǒng)，也是人體中氧氣消耗最高的器官之一。視網(wǎng)膜微循環(huán)的結(jié)構(gòu)與功能性分信息對(duì)于疾病的篩查、診斷以及預(yù)后具有重要的指導(dǎo)意義。隨著光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，視網(wǎng)膜微循環(huán)的評(píng)估也從結(jié)構(gòu)性分析逐漸轉(zhuǎn)為功能性分析。視網(wǎng)膜多光譜成像技術(shù)不僅可以評(píng)估視網(wǎng)膜血氧飽和度，而且可以實(shí)現(xiàn)不同層次下的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)成像，更好地進(jìn)行病灶評(píng)估。另一方面，通過激光散斑成像技術(shù)可獲得無創(chuàng)、大視野的視網(wǎng)膜灌注成像信息，為視網(wǎng)膜供血及血流動(dòng)力學(xué)分析提供了有效信息。然而現(xiàn)有的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)與功能成像儀器相互獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量與評(píng)估，極大限制了視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)與功能性分析。

      成果創(chuàng)新：眼功能成像新技術(shù)獲突破

      任秋實(shí)教授團(tuán)隊(duì)將多光譜成像技術(shù)與激光散斑成像技術(shù)有機(jī)融合，并結(jié)合眼動(dòng)分析與瞳孔檢測(cè)技術(shù)，提出了一種新型的多模眼功能成像分析技術(shù)(圖1所示)，可實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜多光譜成像、眼底彩色合成圖像、視網(wǎng)膜血管直徑測(cè)量、視網(wǎng)膜血氧飽和度測(cè)量、視網(wǎng)膜及脈絡(luò)膜血流灌注成像、視網(wǎng)膜血流搏動(dòng)分析、視網(wǎng)膜氧代謝動(dòng)力學(xué)等結(jié)構(gòu)性與功能性信息，為更加全面地評(píng)估視網(wǎng)膜微循環(huán)特征提供了強(qiáng)有力的工具。

圖1. 多模態(tài)眼功能成像分析系統(tǒng)（左：成像模態(tài)；右：工程樣機(jī)）

      本系統(tǒng)采用自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，一鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，多光譜影像采集時(shí)間為1s，激光散斑影像采集時(shí)間為5s。圖2 (a)展示了6波長(zhǎng)多光譜影像結(jié)果（圖像中白字標(biāo)識(shí)了對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)），隨著波長(zhǎng)的增加可以觀察到不同深度下的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于病灶的診斷具有參考意義。

      此外，本系統(tǒng)提供了可擴(kuò)展的光源接口，可以進(jìn)一步擴(kuò)展至12波長(zhǎng)，不僅有助于視網(wǎng)膜不同分層的結(jié)構(gòu)信息分析，而且對(duì)于視網(wǎng)膜微循環(huán)組織成分分析也具有潛在價(jià)值?？紤]到眼科醫(yī)生的讀圖習(xí)慣，本技術(shù)將470 nm, 550 nm 和 600 nm多光譜圖像進(jìn)行了彩色合成。如圖2 (b)所示，合成所采用的波長(zhǎng)可根據(jù)醫(yī)生需求個(gè)性化設(shè)置，通過彩色信息可以更加直觀地標(biāo)識(shí)出相關(guān)病灶。血氧飽和度(血液中氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白的含量百分比)是評(píng)估供氧情況的重要手段之一，在550nm波長(zhǎng)下，氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白的吸收能力近似相等；在600nm波長(zhǎng)下，氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白的吸收能力相差較大。

      基于這一原理，本研究通過550nm和600nm多光譜圖像對(duì)視網(wǎng)膜血氧飽和度展開分析，如圖2 (c)，圖像中越接近于紅色代表越高的血氧飽和度；越接近于藍(lán)色代表越低的血氧飽和度。圖2 (d)展示了受試者視網(wǎng)膜與脈絡(luò)膜的平均血流灌注圖像，圖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。圖2 (e)展示了視網(wǎng)膜血液流速隨心臟跳動(dòng)所變化的搏動(dòng)曲線，通過搏動(dòng)曲線的分析不僅可以評(píng)估心率、收縮期時(shí)間、舒張期時(shí)間等信息而且對(duì)于血管彈性、血流動(dòng)力學(xué)分析具有潛在價(jià)值。最后圖2 (f)展示了不同時(shí)刻下視網(wǎng)膜血液流速分布圖，隨著心臟跳動(dòng)，視網(wǎng)膜血液流速也呈現(xiàn)出周期性的增加與下降。圖像中白字標(biāo)識(shí)了不同的時(shí)刻，越接近于紅色代表越高的血液流速；越接近于藍(lán)色代表越低的血液流速。

圖2. 視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能成像結(jié)果。

      (a)  多光譜圖像；圖像中白色文字為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)；

      (b)  彩色眼底合成圖像；通過470 nm, 550 nm 和 600 nm合成；

      (c)  由550nm和600nm圖像計(jì)算的視網(wǎng)膜血氧飽和度分布圖。藍(lán)色環(huán)形區(qū)域用于計(jì)算視網(wǎng)膜平均血氧飽和度；

      (d)  平均血流灌注圖像，圖像中顯示了視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜血管；

      (e)  視網(wǎng)膜微循環(huán)搏動(dòng)波形；

      (f）不同時(shí)刻下血流灌注圖像。

      縮寫：SO2血氧飽和度；LSC 激光散斑襯比值（1/ LSC2與血液流速正相關(guān)）

      產(chǎn)業(yè)應(yīng)用：重大慢病管理預(yù)警、篩查與監(jiān)測(cè)

      人類大腦獲得外界信息80%以上是通過眼睛感知的，因此眼健康對(duì)保證人們的生活質(zhì)量至關(guān)重要。我國人口基數(shù)大，視覺殘疾人數(shù)多。隨著社會(huì)老齡化的加劇，老年性黃斑變性、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、眼底血管阻塞、青光眼等致盲性疾病嚴(yán)重威脅中老年人的視覺健康，防盲治盲形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

      另外，人眼還是觀察腦認(rèn)知、人體代謝、人體微循環(huán)與心腦血管狀態(tài)的天然窗口，多種重大慢病可能并發(fā)或繼發(fā)眼病。臨床研究還證實(shí)，眼底病變具有高血壓、腦卒中、冠心病、神經(jīng)退行性病變、糖尿病和腎病等多種慢病的標(biāo)志性特征，可以作為疾病早期篩查和輔助診斷的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究一種智能化的多模態(tài)視覺功能檢查技術(shù)設(shè)備，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，對(duì)致盲性眼病和其它慢病進(jìn)行預(yù)警、篩查與監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)重大慢病管理的前移，對(duì)節(jié)省醫(yī)療資源、推進(jìn)人民健康都具有重要的意義。

文章來源：北大創(chuàng)新評(píng)論