光学相干弹性成像在眼科学领域的应用研究进展

赵雁之 综述 黄国富 审校

1南昌大学第二附属医院眼科中心,南昌 330000;2南昌大学第三附属医院眼科中心,南昌 330000

黄国富现在中山大学中山眼科中心,广州 510060

人体组织病理性改变通常会伴随力学特征,如硬度、弹性、黏弹性等的变化,弹性成像技术通过测量组织或器官在载荷激励下的形变来获得该组织器官的生物力学信息,从而提供有价值的临床诊断信息。光学相干弹性成像(optical coherence elastography,OCE)是一种基于宽带光谱的干涉原理获取组织生物力学性质的新兴技术。OCE是光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT)技术的延伸,类似于光学相干断层扫描血管成像,是一种功能性OCT,可以同时提供组织的结构和生物力学性质信息。OCE不仅保持了OCT的无创、非侵入、高分辨率、实时快速三维成像的优势,而且可以实现生物组织的高精度弹性定量检测。1998年Schmitt[1]首次提出,OCE技术已被用于多个学科的疾病诊断和治疗监测,包括眼科学、肿瘤学、皮肤病学和心脏病学等[2-5],特别是在眼组织生物力学性质检测方面表现出了巨大的应用潜能。目前OCE技术在角膜、晶状体、视网膜等组织弹性成像方面的可行性及准确性已得到了充分验证[6-7]。本文将从OCE成像原理出发,介绍OCE检测眼组织生物力学性质的相关研究及进展,并探讨当前OCE技术在眼科临床转化应用中面临的挑战和未来发展方向。

1 OCE技术及其分类

OCE系统由激励部分、振动信息检测部分和组织响应部分组成(图1)[6],可以根据研究领域集成不同类型的硬件和分析模型。OCE通过探测组织在机械激励下产生的位移进行弹性成像,其工作过程包括:(1)外部或内部激励 其中,外部激励包括利用平板、超声、空气脉冲、激光探针、机械探针等方式对生物组织局部施加应力,内部激励包括心跳、呼吸等方式;(2)组织响应 通过胡克定律或弹性波速与弹性模量的定量关系计算组织的生物力学性质。根据不同的激励方式和数据处理方式,OCE技术可以分为静态/准静态OCE和动态OCE,这2种方法各有优势,实际工作中根据不同的应用领域可以选择不同的技术方式;(3)运动检测 采用OCT探测组织变形或弹性波的传播过程。

图1 OCE系统示意图[6] OCT:光学相干断层扫描

1.1 静态/准静态OCE

静态/准静态OCE是早期采用的激励方法,与传统的拉伸实验原理类似,通过应力与应变的关系量化弹性。目前,静态/准静态OCE主要采用单轴压缩作为激励方式,工作过程包括2个步骤:(1)使用带有应力传感器的平板压迫组织表面,施加阶跃变化的静态/准静态负载,应力大小等于施加力与接触面积的比值;(2)OCT连续扫描组织变形前后的图像,测量组织在负载下的应变量,得到应力-应变曲线,曲线斜率即为组织的杨氏模量。相对于动态OCE,因为不需要考虑波的传播,采用单轴压缩方法的OCE技术拥有目前最高的分辨率;但由于无法精确测量组织内部应力,压缩OCE技术只能得到组织弹性相对分布图。值得注意的是,这一缺陷正在被逐步弥补、克服,如Kennedy等[8]采用一种柔性应力传感器实现了微弹性定量成像。单轴压缩方法也不是静态/准静态激励的唯一方式,Kling[9]通过改变环境压力诱导眼球形变,利用OCT技术检测角膜应变量,获取角膜的应力分布。De Stefano等[10]采用线性驱动的透镜与压力传感器结合实现准静态激励,采用OCE评估了在体人眼角膜的生物力学性质,结果发现对于同样的外部压力,角膜前基质位移小于后基质位移,表现出更硬的特性。另外,人体自主的呼吸和心跳诱导眼球运动也可以作为OCE技术的准静态激励方式,Lan等[11]采用OCE技术评估了呼吸和心跳诱导的角膜运动对临床OCE测量精度和可重复性的影响,结果表明来自呼吸和心跳引起的角膜运动位移与外部激励引起的角膜位移相互独立。Nair等[12]采用小范围眼压波动来模拟心跳引起的角膜位移,通过OCE技术评估了离体猪眼角膜交联前后的生物力学性质变化,结果表明基于心跳的OCE技术为完全被动和非接触的在体评估角膜刚度提供了新的可能。

1.2 动态OCE

动态OCE技术包括振动位移检测、振动频率检测和波速检测3种方法,激励方式分别为谐波激励和瞬态激励。振动位移检测是通过向组织施加外部激励产生形变,然后采用OCT技术检测组织的形变量,获得组织的形变曲线来表征组织的生物力学性质。振动频率检测是通过谐波激励对组织施加连续不同频率的外部激励,当激励频率与组织固有频率相同时,就会发生共振,导致组织中的振动位移量或形变量增加。而不同刚度的组织具有不同的固有频率,因此谐波OCE技术可以通过测量组织的振动频谱映射组织弹性分布。基于机械波的OCE技术采用周期性脉冲波或准谐波(超声脉冲、空气脉冲、激光脉冲等)激励组织,产生由激励中心点向周边传播的机械波,其传播速度与组织的材料属性,如泊松比、杨氏模量、密度等直接相关,因此该技术可以通过机械波速度与组织弹性模量之间的定量关系计算组织的生物力学性质[13]。研究表明,对于角膜、巩膜这类薄壳型生物组织,其边界条件会对机械波产生明显的色散影响,采用兰姆波模型或修正的瑞利兰姆波模型可以更精确地量化其生物力学性质[14-16]。而对于晶状体这类近似均匀的组织,采用表面瑞利波模型可以更精确地量化其生物力学性质[17]。此外,用于动态OCE的外部激励方式也是目前的研究热点,不同激励方式所激发出的机械波带宽和振幅各不相同,如空气脉冲和机械探针在角膜中激发出的机械波带宽一般在1 kHz以内[18-19]。而角膜的机械波带宽一般约为2 kHz,因此目前更多的采用超声脉冲方法来激励机械波,该方法具有非接触、非侵入、可聚焦、能量可控等优势[20]。最近的研究提出采用空气耦合超声换能器作为激励的OCE系统,可以在空气介质中完成角膜组织的弹性成像检测,不需要其他耦合介质,大大减少了OCE技术的操作复杂度[21-23]。

振动和波速测量都依赖于OCE系统的快速扫描和准确计时。谐波OCE的成像速度由奈奎斯特采样定理和成像范围决定。基于波的OCE测量包括2个步骤:(1)波速测量 相敏OCT探测组织受激前后的相位信号,获得沿时间分布的位移图像,通过传播距离与时间延迟的比率来计算波速;(2)组织弹性重构 建立适当的分析模型解析波的行为(速度、色散、衰减等)。波在组织中的传播速度不仅与材料特性有关,组织结构、边界条件、各向异性和激励类型等也均会影响波的传播,因此,需要建立精准的生物力学模型分析波速,计算组织弹性,如横向各向同性模型或混响模型等[24]。

图2 利用OCE对猪角膜各层进行弹性表征 A:与角膜结构相关的剪切波速曲线 B:二维角膜结构和弹性图像融合[28]

2 OCE技术在眼科的应用

眼科被认为是OCE有可能实现临床转化的医学领域之一[25]。人眼是复杂的光学系统,在眼球运动和眼压波动等复杂动态生理环境下,眼球各部分组织结构的生物力学性质对维持正常屈光功能至关重要,因此眼组织生物力学性质测量对于眼部疾病的诊断、治疗监测及发病机制研究具有重要意义。OCE技术可以同时获取眼组织结构图像和弹性图像,直接建立起结构信息和弹性信息之间的联系,为眼科疾病诊断和鉴别诊断提供新的客观依据。例如采用非接触的激励方式可以对角膜、晶状体、视网膜和视神经进行非侵入弹性成像,用于筛查角膜屈光术前易发生角膜扩张的患者、圆锥角膜(keratoconus,KC)的早期诊断及眼压测量,还可以为研究晶状体的调节机制、年龄相关性黄斑变性及青光眼视神经萎缩的进展等提供生物力学信息。

2.1 角膜生物力学测量

角膜作为一种非线性的弹性组织,其生物力学性质是维持形态的关键因素,间接决定了角膜的屈光力。早期OCE使用前房角镜压迫角膜,采用散斑跟踪和二维互相关算法计算位移[26]。但由于无法提供稳定可靠的弹性模量定量计算结果,这种方法在眼科领域并未得到广泛发展。目前,基于机械波的OCE技术代替压缩OCE成为主要发展方向,因为其不仅具有亚微米量级的空间分辨率,还具有非侵入、非接触、定量量化的优势,能够对角膜的亚层结构进行高精度弹性成像,还能对角膜各向异性的弹性参数进行分区域和逐深度表征。Wang等[27]通过量化兰姆波的相速度,定量地计算角膜不同深度的弹性,实现了角膜弹性的深度分辨;且研究发现角膜弹性沿深度下降,与传统机械拉伸研究结果一致。为了更精确地量化角膜各层的生物力学性质,Zvietcovich等[28]利用1个环形振动器激励角膜形成稳定的剪切波混响场,并沿角膜轴向方向分析每个深度位置的混响剪切波场,绘制了从角膜上皮到内皮的弹性分布图(图2)。

角膜屈光手术通过去除角膜组织,增加屈光力的同时降低了角膜生物力学性能。角膜扩张是由于生物力学性能失代偿导致的严重并发症。由于缺乏有效评估角膜生物力学性质的临床设备,角膜扩张仍是目前屈光手术无法避免的并发症。Ramier等[29]使用OCE对人眼角膜进行在体弹性成像,并绘制了12名健康受试者的角膜高精度和高空间分辨率的弹性图像。术前角膜生物力学特性的定量评估对避免术后角膜扩张具有重要意义。目前屈光手术方案设计是基于人群角膜力学属性的平均值,未考虑个体化差异。OCE可以生成个体化的角膜力学特征图像,用于指导屈光手术设计,有利于提高术后视力的可预测性、长期稳定性及视觉质量。

KC是一种非炎症性角膜病变,其特征为进行性角膜变薄和膨出,使其呈圆锥形状,并导致高度不规则散光。角膜形态的改变被认为是继发于角膜生物力学性质异常[30]。已有临床研究表明,角膜生物力学性质减弱早于其地形图改变[31],对角膜生物力学性质进行检测可以有效提高KC患者筛查和早期诊断的敏感性和特异性。De Stefano等[32]使用OCE评估了健康受试者和KC患者之间角膜生物力学分布的差异,结果表明KC患者角膜变薄区域刚度梯度减弱,而这种局部差异会诱导角膜生物力学特性空间分布失代偿,被认为是有可能导致KC进展的关键因素[30]。本课题组在之前的工作中使用声辐射力OCE技术逐点测量了人眼角膜圆锥区、过渡区域和周边角膜的杨氏模量,发现角膜生物力学性质弱化主要位于圆锥区域,周边角膜和健康人眼的角膜弹性模量无明显差异[33],这表明OCE技术可以精确定位角膜局部生物力学性质的改变,有利于KC患者的早期筛查,干预KC的病变进展。

角膜胶原交联手术(corneal crosslinking,CXL)可通过提高角膜基质的硬度和强度控制KC进展。不同KC患者的角膜生物力学性质和病变特征存在个体差异,因此临床上需要采取不同的CXL手术方案,而OCE技术获取的角膜区域性生物力学性质参数可以用于指导术前定制个性化CXL手术方案。Zhou等[34]使用微空气脉冲OCE比较了3种CXL方案引起的角膜杨氏模量变化,结果表明辐射总能量保持不变,相比于9 mW/10 min和18 mW/5 min的交联方案,3 mW/30 min的交联方案处理后,角膜杨氏模量增加最多,交联效果最好。另外,CXL术中环境氧气浓度和患者的注意力等不可控因素也会影响治疗效果,OCE具有实时测量、动态反应角膜弹性变化的优势,对于监测术中角膜反应具有重要意义。这一优势同样可以用于评估术后治疗效果,不同于具有时间依赖性的角膜地形图检测,OCE可以更快获取CXL术后角膜生物力学性质改变结果。Ferguson等[35]采用OCE技术评估了患者接受CXL治疗前后生物力学特性的差异,发现CXL主要增加了角膜前基质刚度,CXL术前与术后3个月的角膜生物力学性质差异超过20%。

2.2 晶状体生物力学测量

晶状体位于眼球内部,OCE具有无创、非接触的优势,有利于晶状体生物力学的研究。白内障的严重程度与硬度呈正相关,Zhang等[36]通过低温诱导构建了白内障模型,并使用基于波的OCE评估晶状体硬度和透明度的相关性,发现当冷性白内障形成时,晶状体中弹性波速度增加,相应的刚度增加;当温度升高时,晶状体混浊消失,与新鲜晶状体刚度无明显差异。因此,OCE可以通过评估晶状体的生物力学性质,用于临床白内障的诊断和分级。进一步地,采用OCE技术监测晶状体生物力学性质改变还可以为研究白内障的发病机制提供重要信息。氧化损伤被认为是导致年龄相关性白内障的重要原因,Zhang等[37]应用OCE观察到氧化损伤诱导白内障形成过程中晶状体硬度增加,当使用还原剂阻断晶状体氧化进程后,不仅可以恢复晶状体透明度,还可以恢复弹性,这表明OCE技术检测晶状体生物力学性质对于开发治疗白内障和老视的药物具有重要意义。

人眼通过改变晶状体的形状调节屈光力,该过程主要依靠睫状体的收缩和松弛牵拉晶状体囊膜产生压力,因此晶状体弹性决定了其形变幅度。随年龄增加,晶状体逐渐变硬,形变能力逐步丧失,这是老视进展的重要原因。Wu等[38]使用OCE原位测量了不同年龄阶段兔眼晶状体的杨氏模量,发现随着年龄的增长,晶状体的杨氏模量显著增加。另外,晶状体囊膜在实现晶状体动态聚焦和维持晶状体弹性方面也起着重要作用,Mekonnen等[39]利用OCE评估了晶状体囊膜完整性对晶状体生物力学特性的影响,结果发现晶状体囊膜撕裂会导致晶状体杨氏模量和剪切黏度大幅下降。因此,采用OCE技术检测晶状体囊膜的生物力学性质对于理解晶状体和晶状体囊膜的内在功能关系具有重要意义。

2.3 视网膜生物力学性质测量

视网膜生物力学性质会随着疾病的发生而改变。研究表明,视网膜病变往往会先出现生物力学性质异常,然后继发结构的改变,因此OCE可以提供比OCT更早期的诊断信息,如年龄相关性黄斑变性、视网膜色素变性和高度近视视网膜病变等。然而,受限于视网膜在眼球中的位置,很难对其进行有效的激励,OCE对视网膜的研究在近几年才取得一定进展。He等[40]利用声辐射力OCE实现了在体兔眼视网膜弹性成像,其展示了与解剖结构相对应的分层弹性图,结果表明视网膜弹性沿深度增加(图3)。Li等[41]基于OCE技术评估了商业视网膜假体电极的安全性,结果表明视网膜电极植入后视网膜各层弹性增加,但幅度非常小,不会影响视网膜的生物力学性能,这表明OCE具有评估患者长期使用假体电极安全性的潜力。

2.4 巩膜生物力学测量

巩膜是一种弹性结缔组织,在维持眼球外形方面起关键作用。近视眼轴增长、青光眼视神经损伤和视网膜脱离均与巩膜生物力学性质密切相关。巩膜结构复杂,生物力学特性表现为各向异性。Bronte-Ciriza等[42]基于空气脉冲激励的OCE技术发现不同部位的巩膜弹性模量存在差异,赤道下部最小,为(1.84±0.30)Mpa,赤道颞侧最大,为(6.04±2.11)MPa;并且,角膜在应力状态下的形变量与巩膜的力学性能相关。进一步地,Zvietcovich等[43]控制眼压变化,使用OCE监测角膜、角膜缘以及巩膜的弹性模量变化,发现在生理眼压下,角膜缘弹性模量位于角膜和巩膜之间,但是随着眼压的增加,角膜缘弹性模量超过了巩膜,这表明角膜缘具有足够的结构灵活性,可以在眼压变化的过程中稳定眼前节的形态结构。Vinas-Pena等[44]使用OCE评估了巩膜胶原交联手术后不同区域巩膜生物力学性质的改变,发现后巩膜对交联手术的治疗更加敏感,其硬度增加更多。这表明OCE技术测量结果对于研究巩膜胶原交联术控制近视进展具有重要意义。

3 小结与展望

OCE具有无损、非侵入、高空间分辨率和实时成像等特点,是一种可以应用于眼科的弹性检测技术。得益于眼组织的光学特性,OCE具有足够的成像深度,目前已被广泛应用于眼科疾病研究。本文综述了目前OCE在眼科领域的主要研究方向,包括生物力学对角膜屈光手术的影响、KC的诊断和治疗、晶状体的调节机制、视网膜疾病治疗监测和近视发病机制研究等。OCE在眼组织生物力学研究领域表现出巨大的优势。但作为一项新的技术,一些因素限制阻碍了OCE的临床转化,例如激励的安全性、成像速度和力学参数的解析等。过去20年中,OCT通过提供视网膜高分辨率的结构图像,改变了眼底疾病的诊断和治疗理念,作为OCT技术的延伸,OCE被认为是未来十年十分有可能实现临床转化的新型功能型OCT技术。当前,眼科OCE技术已经进入前瞻性临床试验中,相信随着技术的不断更新和完善,将很快进入临床,成为新的眼科临床辅助诊断设备。

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