基于磁动光学相干弹性成像的组织力学特性评估*

肖婷,荣子琦,覃茜,张新宇

(深圳大学 医学部 生物医学工程学院,深圳518060)

0 引言

组织的生物力学特性能够反映组织生理性或病理性改变,可用于疾病的诊断与疗效评估。弹性成像的基本原理是对生物组织施加一个内部或者外部的激励,使组织产生位移、应变等响应,再利用超声、磁共振或光学相干层析成像(optical coherence tomography, OCT)等获取组织的响应,进而评估组织的力学特性。光学相干弹性成像(optical coherence elastography, OCE)是弹性成像的一种,也是OCT技术的功能扩展。它通过相位敏感OCT (phase-sensitive OCT, PhS-OCT)技术检测组织运动,具有微米级的空间分辨率,能捕捉纳米级的位移信号[1],在眼科[2-4]、皮肤科[5-7]、动脉血管[8-9]和显微成像领域有着显著优势。

磁动光学相干弹性成像(magnetomotive optical coherence elastography, MM-OCE)是以磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticles, MNPs)作为激励源的一种OCE技术[10-11],原理是利用外部磁场驱动组织内的磁性粒子产生动态机械运动,随后OCT获取负载MNPs组织的微小振动信号并进行分析,提取特定参数以反映组织的生物力学特性。Oldenburg等[12]于2008年发布了首个基于相敏OCT的MM-OCT系统。2009年Crecea[13]提出了MM-OCE技术,通过组织的共振频率表征其力学特性。2016年Huang等[14]报道了以MNPs作为治疗剂的黑色素瘤磁热疗过程中,通过MM-OCE检测硬度改变以评估热剂量。

本研究基于谱域光学相干层析成像(spectral domain optical coherence tomography, SD-OCT)系统搭建了开放型磁动光学相干弹性成像平台,利用扫频信号激励来获取负载MNPs组织的共振频率。在此基础上,开展明胶仿体实验和离体猪眼角膜实验,以验证MM-OCE的可行性,并探索基于MM-OCE评估角膜力学特性的可能性。

1 方法和原理

1.1 原理

负载MNPs的样品受磁场力驱动产生振动的过程,可描述为单自由度质量-黏弹性系统的受迫振动,系统由一个质量块(m),与之耦合的弹簧(弹簧常数k)和黏性阻尼器(阻尼常数c)组成。当系统受到角频率ω,幅度F0的简谐磁场力的激励,系统的动力学方程如下[15]:

(1)

(2)

(3)

对于相似成分和结构的组织或样品,假设样品的质量m和阻尼系数c相同或相近,则共振频率取决于系统的弹簧系数,即反映MNPs周围介质的力学特性。共振频率越高,表明硬度越大[14]。

因此,对MNPs施加扫频磁场激励时,负载MNPS的样品振幅在接近共振频率时会出现最大值,利用PhS-OCT技术[16]检测样品局部振动位移,确定其共振频率。该方法适用于具有相似成分和结构的同类组织或样品的硬度评估,可半定量地区分同类样品之间的硬度差异或同一样品中不同区域间的硬度差异。

1.2 方法

1.2.1MM-OCE测量平台构建 本研究构建了基于半开放式的MM-OCE实验平台,由SD-OCT采集模块和线圈激励模块构成,系统结构见图1。SD-OCT采集模块是一个基于迈克尔逊干涉仪的光学相干层析成像系统(由深圳莫廷医疗科技公司开发),核心器件包括中心波长850 nm的宽带光源(SLD850s-A10W, Thorlabs, 美国)、光谱仪(HighRes-850, 莫廷,中国)、CMOS线阵相机(EV71Y01SUB221,Optoplus, Teleydyne-e2v, 英国)等。该系统轴向分辨率7 μm,横向分辨率20 μm,在空气中成像深度3.2 mm,A线扫描速率在1～80 kHz范围内可调。线圈激励系统主要包括螺线管线圈、线圈电源以及冷水机。其中,线圈电源由信号发生器和功率放大器组成。信号发生器的一路输出接功率放大器驱动线圈;另一路输出信号作为OCT采集的外触发信号,用于同步磁场激励和OCT采集。冷水机的作用是防止线圈过热,对实验造成不良影响。定制的线圈内径30 mm,外径70 mm。线圈电阻0.45 Ω,当频率为40 Hz,电流为30 A,电压为20 V时,轴向磁场能达到749 G。功率放大器最大输出峰值电流为40 A,最大输出峰值电压为40 V,最大输出功率为1 600 W。

图1 系统结构示意图

1.2.2PhS-OCT数据处理 将采集到的原始光谱数据I(k)经过去直流、重采样等预处理操作后,进行傅里叶变换, 即可得到样品的深度信息[16]:

I(z)=FT[I(k)]=M(z)exp[iφ(z)]

(3)

其中,M(z)是用于重建OCT结构图像的幅值,φ(z)是深度z处的随机相位。当MNPs带动组织振动,组织的z方向上各点光程差随时间发生变化,引起OCT干涉信号的相位变化。由式(4)可知,计算相邻扫描时间的信号的相位差,可获得深度z处组织的振动位移波形Δφ(z,t):

Δφ(z,t)=angle[I(z,tj)I*(z,tj-1)]

(4)

其中,*表示共轭复数,tj和tj-1表示第j次和第j-1次A线扫描对应的时刻。

最后,对振动位移波形进行频谱分析,得到频谱图中最大共振峰对应的频率,将其确定为样本的共振频率,并作为一种生物指标,半定量地反映组织的生物力学差异或变化。

1.2.3仿体验证实验 使用明胶和纯水制作质量比分别为10%、15%、20%、25%的四种明胶溶液20 mL,加入预先配置的10 mg/mL的MNPs(Fe3O4,10～30 nm, MACKLIN)分散液20 mL,混合搅拌冷却,直至凝固。将仿体切成10 mm×10 mm×10 mm的正方体,放置在线圈中心。激励信号为50～500 Hz的扫频信号,激励电流设置为15 A。在M-mode下OCT以10 kHz的A线扫描速率采集20 000根A线数据,采集时间为2 s。每个样品上随机选择20个点位采集数据,计算共振频率。

2 结果

2.1 负载MNPs的仿体振动定性验证

利用单一频率激励线圈对负载MNPs的组织振动进行系统验证。采用M-mode进行数据采集,A线扫描速率设为10 kHz,对同一个点重复采集60 000根 A线,采集时间为6 s。信号发生器延迟时间设置为1 s,激励信号为10个周期的2 Hz方波信号。OCT信号采集与线圈激励同步进行。仿体样品的B-mode截面为彩色图,见图2(a),扫描宽度为6 mm,图中红色虚线表示进行M-mode扫描的采样点位。图2(b)是反映采样点振动过程的幅值-时间图。B on与B off分别表示磁场的开启与关闭。如图所示,经过1 s的延迟后,样品受到外部磁场激励开始周期性振动。图3(a)为振动的波形信号,可见延迟1 s后振动10个周期,表明位移曲线中周期数以及延迟时间都与激励信号相吻合。图3(b)对振动曲线进行傅里叶分析,显示其振动频率为2 Hz,与设置的激励频率一致,验证了该MM-OCE系统可实现激励与采集同步,且算法提取的振动波形与实际吻合。

图2 仿体振动定性验证结果(a).仿体的B-mode截面图;(b).采样点位的M-mode振动曲线

图3 仿体的振动相位差信息

2.2 明胶仿体的机械共振频率测量

为测量明胶仿体的机械共振频率,实验采用扫频信号激励线圈,扫频范围为50～500 Hz,OCT的A线扫描速率设为10 kHz,采集时间为2 s。图4(a)、(b)为4种不同浓度的明胶仿体的频谱图和共振频率的箱式统计图。表1为4种浓度仿体的机械共振频率结果。结果显示,随明胶浓度的增大,其机械共振频率呈递增趋势,说明其硬度增大;各浓度仿体之间的机械共振频率均有显著性差异(P<0.05),显示机械共振频率能够有效地区分不同仿体之间的硬度差异。

图4 明胶仿体的MM-OCE结果分析

表1 不同浓度仿体的机械共振频率

2.3 离体猪角膜的力学特性评估

实验中新鲜完整的猪眼球来自深圳南山区肉联厂。角膜胶原交联使用化学类交联方法[17],利用戊二醛(Glutaraldehyde,25% in H2O,MACKLIN)作为交联剂。实验采用不同浓度的戊二醛对角膜进行硬化处理。测量前,用25%浓度的戊二醛溶液与PBS缓冲液稀释分别配置20 mL的5%、10%以及20%的戊二醛溶液。将12只新鲜眼球分成4组,分别用PBS缓冲液及3种浓度的戊二醛溶液浸泡5 min,随后在30 mg/mL的磁纳米粒子溶液中浸泡10 min后进行MM-OCE实验。实验过程中,每个角膜随机选10个点采集数据,M-mode扫描,A线扫描频率为10 kHz,采集时间2 s。激励电流设置为15 A,扫频范围为30～300 Hz。实验中眼球实物与角膜的OCT截面B-mode图,见图5。不同浓度戊二醛处理的角膜位移频谱分析和共振频率的箱式图结果,见图6。表2列出了不同浓度戊二醛处理的角膜共振频率。结果显示,戊二醛浓度越高,处理后离体猪角膜的共振频率越高。统计学分析结果显示:4组角膜样本的共振频率的结果之间均有显著性差异(P<0.05)。以上结果表明,胶原交联处理中使用的戊二醛浓度越大,对角膜的硬化效果越强。共振频率参数能够区分交联处理后角膜硬度的差异。该实验结果与基于超声弹性成像方法的角膜硬度评估结果相吻合[17-18]。表明该方法对角膜的力学特性评估具有应用潜力。

图5 猪眼球实验过程

表2 不同浓度戊二醛交联的角膜共振频率

图6 角膜MM-OCE结果分析Fig.6 MM-OCE results of corneal collagen cross-linking

3 结论

本研究设计开发了开放型磁动光学相干弹性成像研究平台,基于该平台进行了初步的仿体验证实验和离体猪角膜实验,利用扫频信号激励来确定样品的共振频率,从而表征其力学特性。结果表明,硬度越大的明胶仿体,其机械共振频率越高;经过戊二醛硬化处理后,离体猪角膜的共振频率增大,且使用的戊二醛浓度越高,角膜的共振频率越大。这说明采用该系统能够反映生物组织硬度的差异,实现组织生物力学特性的半定量评估。离体猪角膜实验展示了MM-OCE方法作为一种评估角膜硬度的新方法的可能性,未来有望在眼科临床中得到应用。