一种基于喷气式光学相干弹性成像技术测量在体人眼角膜弹性模量的方法技术

一种基于喷气式光学相干弹性成像技术测量在体人眼角膜弹性模量的方法，利用光学相干弹性成像技术(optical coherence Elastography，OCE)来采集在体角膜组织不同横断面的多普勒图像，通过人眼眼球运动伪影矫正算法来提取角膜组织中弹性波信息，根据兰姆波模型估算出角膜组织的弹性模量，解决了现有OCE难以实现在体人眼角膜弹性成像问题。

A method of measuring the elastic modulus of cornea in vivo based on the technology of optical coherence elastic imaging

【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测量在体人眼角膜弹性模量的方法
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测量在体人眼角膜弹性模量的方法。
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方式分为压电陶瓷激励(Piezoelectric,PZT)、超声激励(Acousticradiationforce,ARF)、空气激励(Airpuff)和激光激励(Pulsedlaserexcitation)。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；而空气激励为非接触式，安全有效，在临床上广泛应用，是在体人眼角膜弹性成像的理想激励装置。2.现有技术方案：(1)喷气式光学相干弹性成像技术美国休斯顿大学的Larin教授团队曾自主搭建喷气式光学相干弹性成像系统，利用微空气脉冲激励在体小鼠角膜组织产生弹性波，通过相位敏感型OCT(PhaseSensitiveOCT,Phs-OCT)进行扫描探测角膜组织中弹性波的传播情况，并根据弹性波传播速度从而估算角膜组织的弹性模量。但该研究通过固定小鼠头部来减小心跳或呼吸等因素造成的眼球运动，不宜将该方法直接推广至临床。(来源于期刊文献《Invivoestimationofelasticwaveparametersusingphase-stabilizedsweptsourceopticalcoherenceelastography》)(2)在体运动伪影矫正算法美国加州大学欧文分校的陈忠平教授团队曾利用空气耦合超声探头激励在体兔眼角膜组织产生弹性波，通过Phs-OCT探测角膜组织的振动位移，并自主开发了眼球运动伪影矫正算法来提取弹性波信息，从而估算角膜组织的弹性模量。该研究虽然开发了眼球运动伪影矫正算法，但其所采用的激励方式为空气耦合超声辐射力。空气耦合超声辐射力诱导角膜组织的形变量十分微小，不易引起眼球整体运动，而微空气脉冲激励能引起较大的角膜形变，同时伴有眼球整体运动；此外，该研究对象为麻醉后的兔子，算法仅考虑眼球轴向运动伪影的干扰，而实际上，临床受试者存在眼球水平运动伪影的干扰，因此，仍不能直接将该算法推广应用至临床。现有技术由于缺乏针对于喷气式OCE的人眼眼球运动伪影矫正算法，尚未获得在体人眼角膜组织的弹性模量。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，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测量在体人眼角膜弹性模量的方法，通过自主开发人眼眼球运动伪影矫正算法来消除眼球运动所引起的位移改变，从而提取角膜组织的弹性波信息，并利用兰姆波模型计算在体人眼角膜组织的弹性模量。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测量在体人眼角膜弹性模量的方法，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)人眼眼球运动伪影矫正：通过Phs-OCT可采集到角膜组织受到微空气脉冲激励时的相位信息，基于手动图像分割方法绘制角膜OCT图像中角膜的上下边界，在深度方向上对角膜组织相位信息取均值，将空间域中不同位点和时间域中不同时刻的角膜组织相位信息组合成原始的角膜时间-空间相位图像，该原始图像受到眼球水平运动伪影的影响，据此来鉴别眼球水平运动伪影，从而手动删除受其影响的数据，获得图像I0(t,s),其中t指时刻,s指空间位置，m为矩阵I0(t,s)的行数，n为矩阵I0(t,s)的列数，眼球轴向运动伪影根据产生原因可分别生理性眼球轴向运动及空气脉冲诱导的眼球轴向运动，生理性眼球轴向运动主要由于心跳造成的规律性搏动引起，与心动周期相关，因此，生理性眼球轴向运动的频率较低，为60-100Hz，在M扫描模式中眼球处于相对静止状态，因此对图像I0(t,s)在时间域上采用去平均化操作来消除生理性眼球轴向运动的干扰来获得图像I1(s,t),即空气脉冲诱导的眼球轴向运动是由于眼球受到微空气脉冲激励时出现的眼球整体发生的简谐振动，相较于生理性眼球轴向运动，空气脉冲诱导的眼球轴向简谐振动的频率高，但空间中不同位点处眼球轴向运动的特征相同，因此本专利技术对图像I1(t,s)在空间域上采用去平均化操作来消除空气脉冲诱导的眼球轴向运动伪影来获得图像I2(s,t),即图像I2(s,t)中还混杂随机误差，手动确定空间不同位点振动的开始和终止时间来提取角膜组织弹性波相位信号；(3)兰姆波模型求解角膜组织弹性模量：正常人眼角膜组织的厚度不足1mm，接近弹性波的波长尺寸，因此，角膜弹性波的传播会受到角膜上下表面的影响，造成角膜弹性波主要以兰姆波的形式传播，而兰姆波的特性为速度频散现象，即表现为相速度与角频率相关，根据位移形变d与相位之间的关系，得可获得角膜组织的时间-空间振动位移分布图d(t,s)，利用二维快速傅里叶变换将时间-空间振动位移分布图d(t,s)转化为波数-频率域图像H(k,f)，兰姆波相速度C(f)可通过如下方程求解：其中km指频率f下H(k,f)中的最大值所对应的k值，以频率f为横坐标，C(f)为纵坐标，可绘制相速度频散曲线，相速度频散曲线中高频部分的相速度趋于稳定，不依赖于频率，在数值上等于角膜中瑞利波的传播速度CR，因此，可以根据瑞利波公式来计算角膜组织的弹性模量E，即其中ρ为角膜组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于喷气式光学相干弹性成像技术测量在体人眼角膜弹性模量的方法,其特征在于，包括以下步骤：/n(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；/n(2)人眼眼球运动伪影矫正：通过Phs-OCT可采集到角膜组织受到微空气脉冲激励时的相位信息，基于手动图像分割方法绘制角膜OCT图像中角膜的上下边界，在深度方向上对角膜组织相位信息取均值，将空间域中不同位点和时间域中不同时刻的角膜组织相位信息组合成原始的角膜时间-空间相位图像，该原始图像受到眼球水平运动伪影的影响，据此来鉴别眼球水平运动伪影，从而手动删除受其影响的数据，获得图像I0(t,s),其中t指时刻,s指空间位置，m为矩阵I0(t,s)的行数，n为矩阵I0(t,s)的列数，眼球轴向运动伪影根据产生原因可分别生理性眼球轴向运动及空气脉冲诱导的眼球轴向运动，生理性眼球轴向运动主要由于心跳造成的规律性搏动引起，与心动周期相关，因此，生理性眼球轴向运动的频率较低，为60-100Hz，在M扫描模式中眼球处于相对静止状态，因此对图像I0(t,s)在时间域上采用去平均化操作来消除生理性眼球轴向运动的干扰来获得图像I1(s,t),即/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于喷气式光学相干弹性成像技术测量在体人眼角膜弹性模量的方法,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)人眼眼球运动伪影矫正：通过Phs-OCT可采集到角膜组织受到微空气脉冲激励时的相位信息，基于手动图像分割方法绘制角膜OCT图像中角膜的上下边界，在深度方向上对角膜组织相位信息取均值，将空间域中不同位点和时间域中不同时刻的角膜组织相位信息组合成原始的角膜时间-空间相位图像，该原始图像受到眼球水平运动伪影的影响，据此来鉴别眼球水平运动伪影，从而手动删除受其影响的数据，获得图像I0(t,s),其中t指时刻,s指空间位置，m为矩阵I0(t,s)的行数，n为矩阵I0(t,s)的列数，眼球轴向运动伪影根据产生原因可分别生理性眼球轴向运动及空气脉冲诱导的眼球轴向运动，生理性眼球轴向运动主要由于心跳造成的规律性搏动引起，与心动周期相关，因此，生理性眼球轴向运动的频率较低，为60-100Hz，在M扫描模式中眼球处于相对静止状态，因此对图像I0(t,s)在时间域上采用去平均化操作来消除生理性眼球轴向运动的干扰来获得图像I1(s,t),即



空气脉冲诱导的眼球轴向运动是由于眼球受到微空气脉冲激励时出现的眼球整体发生的简谐振动，相较于生理性眼球轴向运动，空气脉冲诱导的眼球轴向简谐振动的频率高，但空间中不同位点处眼球轴向运动的特征相同，因此本发明对图像I1(t,s)在空间域上采用去平均化操作来消除空气脉冲诱导的眼球轴向运动伪影来获得图像I2(s,t),即



图像I2(s,t)中还混杂随机误差，手动确定空间不同位点振动的开始和终止时间来提取角膜组织弹性波相位信号；
(3)兰姆波模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈梅晓，金梓，陈思思，周煜恒，王媛媛，朱德喜，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