光學相干彈性成像技術

彈性成像技術是以軟組織的楊氏模量、剪下模量、應力與應變等彈性參量為成像對象的技術。伴隨著光學相干層析成像(OCT)的發展，光學相干彈性成像(OCE)由於其微米級別的解析度，實時的圖像處理以及非侵入式成像得到人們的青睞。綜述了 OCE 的分類以及當今主流的幾種 OCE 技術及其彈性圖像重構的問題。探討了 OCE 中施加機械負載方法和位移估算、應變估計的方法。OCE 對檢測組織臨床上和病理上的機械特性擁有強大的潛力，特別是在診斷癌症，心血管疾病和眼科疾病上。

基本介紹

• 中文名：光學相干彈性成像技術
• 外文名：Optical Coherence Elastography,OCE
• 專業：光學成像技術

背景引言

醫學研究表明，生物組織體病理學上的改變通常伴隨著組織硬度不同程度的變化，因而準確地量化組織的彈性信息可以有效提高醫學診療的準確性。目前，臨床上套用較多的測量組織彈性的成像技術主要是超聲和核磁共振成像技術。但都存在一些問題，如掃描時間過長，儀器設備造價昂貴，解析度低等。光學相干層析成像(OCT)是醫學光學研究的重要工具，其空間解析度可達到在體 1~10 μm 。在此基礎上發展起來的光學相干彈性成像（OCE）則很好地保持了 OCT 的高解析度、非侵入式等優點。OCE 在測量生物力學的獨特組織層次上，如組織微米層面，細胞層面，甚至分子水平上有著得天獨厚的優勢，成為優於超聲成像和核磁共振成像的新一代無損評價的組織彈性特性的成像模式。

圖1 核磁共振成像技術圖像

OCE最早由 Schmitt 小組提出。1999 年，Schmitt 小組在 OCT 樣品臂上加入組織的彈性性質測量機制，利用壓電傳動裝置對各向異性的明膠樣品和活體皮膚逐步加壓 5~10 μm ，採用二維相關斑點追蹤法得到了樣品和皮膚組織的內部結構圖像。OCE 的研究受到越來越多的關注，得到大力的發展。

圖2 光學相干層析成像圖像

OCE技術及分類

OCE 系統包含兩個子系統：1) OCT 系統；2) 用來產生生物組織體形變的負載系統。OCE 主要可以劃分為靜態和動態兩種方法，或者按激勵源劃分為內部激勵和外部激勵兩種方法。

靜態 OCE

採用靜態/準靜態的彈性成像是最基本的方法，即使用靜態的負載壓迫組織進行成像。靜態 OCE 的研究通常採用光斑追蹤的方法。由於 OCE 中光斑的形狀大小和信號幅度在樣品變形前後不一樣大，這導致傳統靜態 OCE 的結果不精確。並且，在所有靜態 OCE 技術中，需要知道感興趣區域(ROI)的邊界條件。準靜態壓縮彈性成像技術測量結果是相對值，無法給出局部硬度的具體值，只能給出一個應變圖，對應變圖的判斷受主觀因素影響較大，並且該技術容易受到未知邊界條件的影響從而在結果中產生偽像。所以，現在OCE 發展趨勢是進行在活體上動態的實時成像。

動態 OCE

動態 OCE 採用周期性或脈衝式負載來激勵組織進行成像。動態 OCE 克服了傳統靜態 OCE 的一些弊病，並且拓寬了 OCE 的套用領域。但是，動態 OCE 通常需要解波動方程，計算時間比較長，對於實時成像是一個挑戰。如 2009 年 Kennedy 研究小組採用一個壓電陶瓷環對人體皮膚進行周期性施壓，研究對人體皮膚進行動態成像中凸顯出的問題。

現階段研究的幾種 OCE

聲表面波傳播 OCE

當樣品受到脈衝激勵後，會產生在樣品內傳播的機械波。在這些波中，表面波(主要以瑞利波為主)被廣泛套用於測定不同材料的彈性特性。採用一個瞬態(脈衝)或者周期性負載來產生表面波，表面波以每秒幾米的速度沿著橫向位置傳播 1~20 mm(決定了它的橫向解析度)，後用 OCT 來檢測，這就構成了聲表面波OCE。Li研究小組構建的表面波 OCE 原理圖如圖 3 所示。

圖3 表面波的產生和檢測原理圖

剪下波傳播 OCE

剪下波傳播測量法也是一種實用的間接測量組織彈性的方法，即利用剪下波在樣品內的傳播速度來間接測量組織的彈性。在國外的研究小組中，產生剪下波主要有兩種方式：1) 放置在組織表面的振源產生剪下波的方法。如2013 年 Song 研究小組採用壓電型的點負載，類似於前面介紹的用於產生表面波的裝置，來產生剪下波。2) 利用聚焦超聲產生聲輻射力(ARF)的方法來進行剪下波彈性測量。當聲波在傳播路徑上被反射或者吸收時，就會產生聲輻射力。聲波產生的聲輻射力的方向與聲波傳播的方向相同，在焦點處產生的脈衝聲輻射力會使該處的組織粒子產生振動，從而產生剪下波。

聲輻射力 OCE

近年來，出現了一種新穎的 OCE 手段：聲輻射力 OCE。通過超聲換能器產生一個聲脈衝輻射力使組織產生縱向壓縮及橫向振動，縱向位移變化在一定程度上與組織彈性相關，以縱向位移為基礎進行彈性成像稱為聲輻射力彈性 OCE，可直觀反映組織彈性。如 2012 年 Wen 研究小組通過 OCT 對瓊脂糖凝膠樣品進行彈性成像。這種彈性 OCE 與採用聲輻射力的 OCE 不同的是以縱向位移為基礎進行彈性成像。

壓迫型 OCE

壓迫法是最直接的方法也是最成熟的方法。壓迫型 OCE 在成像的整個區域施加一個外部的壓力。在獲取圖像(OCE 的橫向掃描或者縱向掃描)的同時對樣品施加階躍變化的負載。局部的應變通過測量位移在深度範圍內的變化來獲取。局部應變可以相對度量出機械特性。最初的壓迫型 OCE 採用靜態的激勵源。隨著研究發展，壓迫型 OCE 採用動態負載 。這種情況下，測量一個外部的正弦負載產生一個振幅(目前已知的頻率範圍在 20~800 Hz)和縱向深度振幅改變而計算出的動態應變，類似於 Wojcinski 研究小組對於準靜態負載的研究方法。

磁感應 OCE

磁感應 OCE 採用外部的磁場來激勵磁性納米粒子產生局部的納米尺度的組織位移，之後用 OCT 來進行測量。為了測定楊氏模量，組織可以當做一個欠阻尼的諧振子的模型。MM-OCE 中測量磁性納米粒子(2 g 樣品含 2 mg 磁感應粒子，平均尺寸為 25 nm)的欠阻尼振動以測定樣品的楊氏模量。振動的磁性納米粒子體現的動態特性由相敏 OCT 進行探測。由 E ∝ 可知測量的頻率回響和楊氏模量直接相關。

位移的估算、應變估計與彈性圖像重構

儘管目前彈性成像方法各種各樣，但是大體上都是分為以下三個步驟：1) 用準靜態或動態的激勵源來激勵組織；2) 測量出組織內部的微小位移；3) 用相應的簡化模型或連續介質力學模型來估算出彈性模量。組織通常表現出粘彈性，多孔彈性，各向異性，並且施加的壓力和彈性之間呈非線性關係。在開始研究位移和彈性之間聯繫時，會對組織進行簡化處理。最常見的就是將組織視為擁有各向同性機械特徵的線性彈性固體。這種估計方法對於彈性成像中應變小於 10%時比較適用。在 OCE 中決定應變測量精確度的關鍵是從 OCT 中測量的位移和從位移而計算的局部應變是否精確。

問題研究

目前研究的這幾種彈性成像的優劣勢在某些具體套用中不盡相同。儘管處於初期發展階段，但是到目前為止 OCE 已經在評估一系列的疾病上證明了其適用性，臨床套用前景廣闊。未來研究的 OCE 還需要著重考慮以下幾個問題：1) 對於位移估算精確度的進一步提升。上文介紹的三種位移估算方法在一定實驗條件下精確度急劇下降，還需要最佳化這些方法。2) 對於一些各向異性的樣品需要構建更完善的模型，從而使得彈性模量計算更精確。3) 微創探針式 OCE 的發展。由於 OCE 成像深度的限制，無法對體內一些病變組織進行成像，此時需要引入探針式 OCE 來進行成像。

展望

OCT 通過分析干涉信號，對於微小的變化有著較高的靈敏度。在此基礎上構建的 OCE 得益於其較高的空間解析度。OCE 的發展也和其他彈性成像方式的彈性成像的發展歷程一致，由靜態向動態彈性成像發展，由低解析度向高解析度發展。成像解析度，成像深度，成像速度得到逐步提升。OCE 的發展在國內外的研究中變得越來越熱門。OCE 在臨床套用上的光明前景是對 OCE 未來發展的一個推力。相信在未來一段時間內，OCE 技術可以在臨床上發揮重要的作用。