一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法技术

一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法，利用脉冲气流诱导角膜产生形变，通过Phs‑OCT探测角膜内弹性波的传播情况，除了传播速度外，还提取弹性波的中心波长以及传播过程中的能量衰减系数，从而估算角膜组织的粘弹性。本发明专利技术充分利用弹性波的传播特点，除了利用弹性波传播速度估算软组织的弹性模量外，还综合利用弹性波的能量衰减系数及中心角频率，来提取软组织的粘性系数，利用弹性波能量衰减特点，通过曲线拟合来提取弹性波能量衰减系数；同时，将不同位点不同时刻的相位信息进行二维傅里叶变换，得到空间频谱信息，从而提取弹性波的中心角频率；将弹性波能量衰减系数及中心角频率结合在一起，从而估算软组织粘性系数。

A noninvasive corneal viscoelasticity measurement method based on jet optical coherence elastography

A non-invasive method for measuring corneal viscoelasticity based on jet optical coherence elastography (OCE) is presented. The corneal deformation is induced by pulsed airflow. The propagation of elastic wave in cornea is detected by Phs OCT. In addition to the propagation velocity, the central wavelength of elastic wave and the energy attenuation coefficient in the propagation process are extracted to estimate the corneal viscoelasticity. In addition to estimating the elastic modulus of soft tissue by using the propagation velocity of elastic wave, the viscous coefficient of soft tissue is extracted by using the energy attenuation coefficient of elastic wave and the central angular frequency of elastic wave, and the energy attenuation coefficient of elastic wave is extracted by curve fitting according to the energy attenuation characteristic of elastic wave. The phase information is transformed by two-dimensional Fourier transform to obtain spatial spectrum information, and then the central angular frequency of elastic wave is extracted. The attenuation coefficient of elastic wave energy and the central angular frequency are combined to estimate the viscous coefficient of soft tissue.

【技术实现步骤摘要】
一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法
本专利技术具体涉及光学相干弹性成像
，具体涉及一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法。
技术介绍
角膜组织为黏弹性材料，具有黏性和弹性两种特性，可以通过弹性模量、粘滞系数等生物力学性能参数表征。而现有研究发现，角膜力学特性可协助早期诊断某些眼科疾病(如圆锥角膜、Fuchs角膜变性等)及指导开展角膜相关手术(如角膜屈光手术、角膜交联手术等)等。光学相干弹性成像技术(OpticalCoherenceElastography,OCE)是基于光学相干断层成像技术(OpticalCoherenceTomography,OCT)，以软组织的弹性模量、剪切模量、粘滞性系数等生物力学参量为成像对象的技术。由于人眼角膜直径约为11mm，角膜中央厚度仅为0.52mm，而OCE保持了OCT的高分辨率、非侵入式以及扫描速度快等优点，相较于布里渊光学显微镜(confocalBrillouinmicroscopy,CBM)、超声弹性成像(ultrasoundelastography,UE)、磁共振弹性成像(magneticresonanceelastography,MRE)等其他弹性技术，可以实时、高精度地对角膜组织成像，在角膜生物力学在体测量上具有极大的临床应用前景。从结构层面考虑，OCE系统由机械加载装置、组织响应反应和运动检测系统三部分组成。而组织响应反应和运动检测系统取决于机械加载的类型。目前常用的机械加载类型分为静态、振动和脉冲激励3种形式。其中OCE系统采用脉冲激励方式，引起生物组织产生剪切波传播，通过相位敏感型OCT(PhasesensitiveOCT,Phs-OCT)来探测剪切波的传播情况，从而获取组织生物力学性能，被推测能最快进入临床应用阶段。脉冲激励目前分为压电陶瓷激励(Piezoelectric,PZT)、超声激励(Acousticradiationforce,ARF)、空气激励(Airpuff)、激光激励(Pulsedlaserexcitation)和空气耦合超声激励(Acousticmicrotapping,AμT)。其中压电陶瓷激励为接触式，易使病人不适感；超声激励需要水浴环境，不宜在临床上实现；激光对于眼部组织可能存在损伤，缺乏安全性；空气耦合超声波克服传统超声波需要通过水浴环境传播的缺陷，但是该项技术刚兴起，仍处于研发阶段并且安全性有待验证。而空气激励是上述激励方式中安全有效的非接触式激励方式，易于在临床上推广应用。(1)基于振幅对比的OCE：波兰哥白尼大学的MaciejWojtkowski教授团队利用脉冲气流对角膜施加激励，通过SSOCT实时探测角膜的形变过程，从而获得角膜在某一位点处所对应的整个轴向(A-scan)结构随时间的变化量。假若角膜形变量大，则提示角膜组织的弹性模量较小。该方法基于结构OCT图像，限制位移分辨率，同时所反映的角膜组织弹性模量是一个相对值。(参考文献：Assessmentofcornealdynamicswithhigh-speedsweptsourceOpticalCoherenceTomographycombinedwithanairpuffsystem)(2)基于弹性波的OCE：美国休斯敦大学的KirillV.Larin教授团队则最先实现在体小鼠角膜的OCE，其同样通过脉冲气流对角膜施加激励诱导角膜产生形变，但其通过相位敏感型OCT(PhasesensitiveOCT,Phs-OCT)来探测角膜组织的形变，其精度可达纳米级，远远高于结构OCT的轴向分辨率(微米级)，可探测到角膜组织中的弹性波传播，根据弹性波传播速度与组织的弹性模量的关系，即其中E为弹性模量，ρ为软组织密度，υ为软组织的泊松比，c为弹性波速度。该方法可以获取一定范围内的角膜组织的弹性模量，但是却不能反映角膜组织的粘滞性系数。(来源于期刊文献《Dynamicopticalcoherencetomographymeasurementsofelasticwavepropagationintissue-mimickingphantomsandmousecorneainvivo》)(3)基于共振频率的OCE：美国加州大学欧文分校的陈忠平教授团队利用不同激励频率的声辐射力来诱导软组织产生形变，Phs-OCT来探测软组织的形变，发现当激励频率与软组织的的固有频率一致时，软组织的形变达到最大值；同时，他们发现软组织的弹性模量与固有频率满足以下关系：λ＝-γ/2m其中E为弹性模量，k弹性系数，L为软组织的厚度，S为软组织的面积，μ为固有频率，λ为软组织的衰减系数，m为软组织的质量，γ为软组织的粘滞性系数。因此，通过该方法可以获得软组织的弹性模量，但是需要给予不同频率的振动激励来获取软组织的固有频率，操作较为繁琐，同时该方法忽略了粘滞系数，最终仅能估算软组织的弹性模量。(来源于期刊文献《Resonantacousticradiationforceopticalcoherenceelastography》)
技术实现思路
为了解决现有OCE不管基于振幅对比，抑或是弹性波，还是共振频率，由于软组织的粘滞性系数远小于弹性模量，所以都被忽略不计，最终只能估算软组织的弹性模量，不能全面反映软组织的生物力学性能的缺陷，本专利技术提供了一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法。本专利技术采用的技术解决方案是：一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法，包括以下步骤：(1)Phs-OCT系统搭建与整合：将喷气装置与Phs-OCT系统的整合，使空气脉冲与Phs-OCT探测需要同时作用于角膜组织，采用倾斜入射整合方式，即喷气发射探头与Phs-OCT扫描探头的长轴形成夹角，在信号控制层面，Phs-OCT驱动振镜工作信号作为喷气装置的阀门开关的触发信号，使得图像采集与空气脉冲发射进行同步；(2)多普勒相位分辨算法应用：平衡探测器获取干涉光谱强度I(λ)，经过光谱校正和去直流项，中心频率由载波到零，并转换为以波数k为变量的干涉信号I(k)，经快速离散傅里叶变换(FFT)，得到以深度z为变量的复值信号，即式(4-1)：对相邻两个A-line做互相关，则可得到相位信息，如下式(4-2)：通过比较相位信息的变化，提高系统对样品形变探测的敏感性。(3)角膜生物力学模型构建：利用常用的Kelvin–Voigt模型来表征角膜组织的弹性和粘性的关系，即两者处于平行关系，根据Kelvin–Voigt模型中粘弹性关系，可获得如下公式(4-3)，μ＝μ1+iωζ(4-3)；其中μ为粘弹性系数，μ1为剪切模量，ω为弹性波的角频率，ζ为剪切粘度；而弹性模量E与剪切模量μ1的关系如下式(4-4)，E＝2(1+υ)μ1(4-4)；弹性波的传播速率C(ω)与剪切模量μ1，角频率ω和剪切粘度ζ的关系如下式(4-5)：其中ρ为软组织密度，当软组织剪切粘度ζ远小于剪切模量μ1时，上述公式可简化为式(4-6)，而弹性波传播过程中的能量衰减系数α(ω)满足如下公式(4-7)：(4)角膜粘弹性估算：根据角膜生物力学数学模型，在角膜组织密度ρ以及泊松比υ一定的条件下，获取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)Phs‑OCT系统搭建与整合：将喷气装置与Phs‑OCT系统的整合，使空气脉冲与Phs‑OCT探测需要同时作用于角膜组织，采用倾斜入射整合方式，即喷气发射探头与Phs‑OCT扫描探头的长轴形成夹角，在信号控制层面，Phs‑OCT驱动振镜工作信号作为喷气装置的阀门开关的触发信号，使得图像采集与空气脉冲发射进行同步；(2)多普勒相位分辨算法应用：平衡探测器获取干涉光谱强度I(λ)，经过光谱校正和去直流项，中心频率由载波到零，并转换为以波数k为变量的干涉信号I(k)，经快速离散傅里叶变换(FFT)，得到以深度z为变量的复值信号，即式(4‑1)：

【技术特征摘要】
1.一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)Phs-OCT系统搭建与整合：将喷气装置与Phs-OCT系统的整合，使空气脉冲与Phs-OCT探测需要同时作用于角膜组织，采用倾斜入射整合方式，即喷气发射探头与Phs-OCT扫描探头的长轴形成夹角，在信号控制层面，Phs-OCT驱动振镜工作信号作为喷气装置的阀门开关的触发信号，使得图像采集与空气脉冲发射进行同步；(2)多普勒相位分辨算法应用：平衡探测器获取干涉光谱强度I(λ)，经过光谱校正和去直流项，中心频率由载波到零，并转换为以波数k为变量的干涉信号I(k)，经快速离散傅里叶变换(FFT)，得到以深度z为变量的复值信号，即式(4-1)：对相邻两个A-line做互相关，则可得到相位信息，如下式(4-2)：(3)角膜生物力学模型构建：利用常用的Kelvin–Voigt模型来表征角膜组织的弹性和粘性的关系，即两者处于平行关系，根据Kelvin–Voigt模型中粘弹性关系，可获得如下公式(4-3)，μ＝μ1+iωζ(4-3)；其中μ为粘弹性系数，μ1为剪切模量，ω为弹性波的角频率，ζ为剪切粘度；而弹性模量E与剪切模量μ1的关系如下式(4-4)，E＝2(1+υ)μ1(4-4)；弹性波的传播速率C(ω)与剪切模量μ1，角频率ω和剪切粘度ζ的关系如下式(4-5)：其中ρ为软组织密度，当软组织剪切粘度ζ远小于剪切模量μ1时，上述公式可简化为式(4-6)，而弹性波传播过程中的能量衰减系数α(ω)满足如下公式(4-7)：(4)角膜粘弹性估算：根据角膜生物力学数学模型，在角膜组织密度ρ以及泊松比υ一定的条件下，获取弹性模量E和剪切粘度ζ的前提是需要明确弹性波速度C(ω)、弹性波的中心角频率ω以及弹性波能量衰减系数α(ω)；假设OCE的扫描参数设置如下，M-B模式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德喜，金梓，周煜恒，沈梅晓，王媛媛，吕帆，
申请(专利权)人：温州医科大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33