[논문 리뷰] Normalized Blood Flow Index in Optical Coherence Tomography Angiography Provides a Sensitive Biomarker of Early Diabetic Retinopathy

ALBERT DADZIE, David Le외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 22.

Retinal Imaging and Analysis인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비만성 망막병변의 조기 단계를 감지하는 민감한 생물학적 표지자로 광간섭단층angiography(OCTA)에서의 정규화된 혈류 유량 지수(NBFI)를 도입한다. NBFI는 깊은 모세혈관 복합체(DCP)의 혈류 유량과 혈관 밀도에서 유도되며, 기존의 전통적 지표들보다 건강한 대조군, 비증식성 망막병변(NPDR) 및 망막병변이 없는 당뇨병 환자를 더 잘 구분하는 것으로 나타났다. 이는 이전에 감지된 바보다도 더 이른 시기에 DCP가 당뇨병에 의해 영향을 받는다는 것을 드러낸다.

ABSTRACT

Purpose: To evaluate the sensitivity of normalized blood flow index (NBFI) for detecting early diabetic retinopathy (DR). Methods: Optical coherence tomography angiography (OCTA) images of 30 eyes from 20 healthy controls, 21 eyes of diabetic patients with no DR (NoDR) and 26 eyes from 22 patients with mild non-proliferative DR (NPDR) were analyzed in this study. The OCTA images were centered on the fovea and covered a 6 mm x 6 mm area. Enface projections of the superficial vascular plexus (SVP) and the deep capillary plexus (DCP) were obtained for the quantitative OCTA feature analysis. Three quantitative OCTA features were examined: blood vessel density (BVD), blood flow flux (BFF), and normalized blood flow index (NBFI). Each feature was calculated from both the SVP and DCP and their sensitivity to distinguish the three cohorts of the study were evaluated. Results: The only quantitative feature that was capable of distinguishing between all three cohorts was NBFI in the DCP image. Comparative study revealed that both BVD and BFF were able to distinguish the controls from NoDR and mild NPDR. However, neither BVD nor BFF was sensitive enough to separate NoDR from the healthy controls. Conclusion: The NBFI has been demonstrated as a sensitive biomarker of early DR, revealing retinal blood flow abnormality better than traditional BVD and BFF. The NBFI in the DCP was verified as the most sensitive biomarker, supporting that diabetes affects the DCP earlier than SVP in DR.

연구 동기 및 목표

• 조기 당뇨병성 망막병변을 감지하는 데 있어 신규로 도출된 OCTA 기반 혈역학 지표의 민감도를 평가하기 위해.
• 혈관 밀도(BVD), 혈류 유량(BFF), 정규화된 혈류 유량 지수(NBFI)의 성능을 비교하여 건강한 대조군, 망막병변이 없는 당뇨병 환자, 경도의 NPDR 환자를 구분하는 데에 사용하기 위해.
• 당뇨병성 망막병변에서 깊은 모세혈관 복합체(DCP)가 얕은 혈관 복합체(SVP)보다 더 이른 시기에 영향을 받는지 확인하기 위해.
• NBFI를 전통적인 OCTA 특징보다 더 민감한 생물학적 표지자로 설정하여 조기 DR 감지를 위한 임상적 활용 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• 67명의 눈에서 6 mm × 6 mm의 중심 황반 영역에 대한 OCTA 영상을 확보하였으며, 이는 세 그룹으로 나뉘었다: 건강한 대조군, 망막병변이 없는 당뇨병 환자, 경도의 NPDR 환자.
• 정량적 분석을 위해 얕은 혈관 복합체(SVP)와 깊은 모세혈관 복합체(DCP)의 수평 투영도를 생성하였다.
• 세 가지 정량적 특징을 계산하였는데, 혈관 밀도(BVD), 혈류 유량(BFF), 정규화된 혈류 유량 지수(NBFI)이며, 각각 SVP와 DCP에 대해 별도로 계산하였다.
• NBFI는 BFF를 BVD로 나눈 비율로 정의되었으며, 혈관 밀도에 의해 유량 신호를 정규화하여 혈관 크기와 굴곡성의 영향을 줄이기 위한 것이다.
• 각 코hort에서의 진단 민감도를 평가하기 위해 수신기 작동 특성(ROC) 곡선 분석을 실시하였다.
• 각 지표가 건강한 대조군, NoDR, 경도의 NPDR 그룹 간을 구분하는 데의 능력을 평가하기 위해 통계적 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BVD나 BFF와 같은 전통적인 OCTA 지표보다 NBFI가 조기 당뇨병성 망막병변을 더 민감하게 감지할 수 있는가?
• RQ2 얕은 혈관 복합체(SVP)에 비해 깊은 모세혈관 복합체(DCP)가 당뇨병에서의 조기 미세혈관 변화에 더 취약한가?
• RQ3 혈관 밀도로 혈류 유량을 정규화한 NBFI는 원시 BFF나 BVD보다 조기 DR 단계의 구분 능력을 향상시키는가?
• RQ4 기존 지표들이 실패하는 바, NBFI는 건강한 대조군과 망막병변이 없는 당뇨병 환자를 구분할 수 있는가?
• RQ5 DCP 기반 NBFI는 조기 당뇨병성 망막병변에 가장 민감한 생물학적 표지자인가?

주요 결과

• 깊은 모세혈관 복합체(DCP)의 NBFI는 유일하게 세 그룹 모두를 구분할 수 있었다: 건강한 대조군, 망막병변이 없는 당뇨병 환자, 경도의 비증식성 망막병변(NPDR) 환자.
• BVD와 BFF는 건강한 대조군과 망막병변이 없는 당뇨병 환자, 경도의 NPDR 환자를 모두 구분할 수 있었지만, 건강한 대조군과 망막병변이 없는 당뇨병 환자를 분리하지 못했다.
• DCP 기반 NBFI는 SVP 기반 지표들보다 당뇨병에서의 조기 미세혈관 변화 감지에 뛰어난 민감도를 보였다.
• 이 연구는 당뇨병성 망막병변에서 미세혈관 dysfuncion이 얕은 복합체보다 깊은 모세혈관 복합체에서 더 이른 시기에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
• NBFI는 BVD와 BFF보다 조기 DR의 생물학적 표지자로서 뛰어난 성능을 보였으며, 임상적으로 전증상 병변을 감지할 잠재적 가능성을 시사한다.