光学相干弹性成像的发展与应用*

陈子濠，钟日健，叶昊熙，蔡 静，彭成权

（佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528000）

1 研究背景及意义

随着电子产品的普及，人们用眼习惯发生改变，长期的不良用眼习惯导致现代人眼疾多发，人们越来越关注眼健康，其中，角膜疾病是比较常见的眼部疾病。角膜疾病（如青光眼、圆锥角膜和近视等）和眼部手术常会引起角膜局部力学性能的变化，而角膜局部力学性能变化又会继续诱发角膜疾病[1]。角膜的生物力学性能（如弹性、黏性和硬度等）与角膜结构的完整性、眼部健康和视觉功能息息相关[2]。临床上，医生可通过触诊方法来检查病人的角膜状况，但是，触诊具有主观性、不确定性和不可量化性，影响测量精准度以及测量结果，不利于后续对病理的分析。那么，对于临床生物力学性能而言，客观、精确地测量生物力学性能显得极为关键。

随着生物医学成像技术的快速进步，我们能够更加有效地诊断、分析、治疗疾病以及为康复观察提供了有力的支持和保障。常见的非光学成像技术包括X 射线计算机层析成像（CT） 技术、磁共振成像（MRI） 技术和核医学检查技术等。然而，这些技术都存在一些局限性[3]。例如，CT 技术对钙化和金属物质敏感[4]；核医学检查技术需要严格控制放射性物质的剂量[5]等。总的来说，传统的非光学成像技术在检测过程中存在着一定的安全风险，并且在分辨率、检测时间、适用人群等方面存在一些局限性。随着技术的不断发展，光学成像技术正在成为越来越重要的生物医学成像手段。

目前，主要的光学成像技术包括荧光显微镜技术、OCT 和OCE 等[3]。其中，OCE 技术是一种新型的光学成像技术，其具有非侵入的实时图像处理性能、三维成像可视化和高分辨率等优点，在软组织器官（如角膜、血管等） 的临床生物力学性能测量以及弹性测量方向上具有显著的优势和巨大的发展空间。对于角膜疾病，可以通过测量角膜的固有频率进行诊断、评估和治疗角膜疾病。OCE 技术可以精确地反映角膜的固有频率，从而为医生提供有关组织机械性质的关键信息。

本文首先阐述了OCE 系统的基本原理，然后介绍了OCE 的技术分类，最后讨论了OCE 在生物医学方面的应用并展望了OCE 技术的发展方向。

2 OCE 的基本原理

OCE 是一种结合了OCT 系统和载荷激励系统的弹性成像方法[6-7]。OCE 技术在OCT 的基础上，通过对组织施加外部压力，产生微小的形变或位移，导致光程差改变，进而改变干涉信号的强度或相位。通过测量这些变化，可以计算出组织的弹性性质。总的来说，OCE 技术是一种通过机械波传播速度或量化载荷激励下软组织的应力和应变等参数来测量生物力学性能，进而获得病灶部分的病理信息的技术[8]。

OCT 是利用光的干涉现象，通过测量光的相位差异，对被测物体进行高分辨率成像。OCT 系统通常由光源、光学系统、探测器等部分组成。其中，光源通常使用一束连续波光源（如激光器），发出的光具有一定的相干性，波长通常在红外区域。

光学系统将光束分成两部分，一部分被直接反射到探测器上，称为参考光束；另一部分照射到被测物体表面，经过反射和散射后，形成反射光束，与参考光束在探测器上干涉。由于两束光之间的相位差异，干涉图像中会形成明暗条纹。利用这些条纹，可以计算出不同深度处的反射强度，从而构建出被测物体的一维深度剖面图像。通过扫描光束的位置，可以得到一系列干涉图像，然后通过对这些干涉图像进行处理和重构，可以得到被测物的三维图像[9]。OCT 系统的基本原理见图1[7]。

图1 OCT 系统基本原理图

3 OCE 的技术分类与发展

OCE 最早于1998 年由Schmitt 小组提出[10]。OCE的激励方法包括：静态压缩法[10]、光声激励法[11]、激光瞬态加热法[12]和空气激励法[13]等。OCE 的主要探测技术包括相敏探测技术和散斑跟踪技术[7]。OCE 技术的分类见图2。

图2 光学相干弹性成像技术分类图

3.1 OCE 的激励方法

在OCE 系统中，激励方式是非常重要的，其可以控制组织受到的应力和应变，可以控制测量的深度和区域，也可以控制测量的精度和分辨率，从而影响到OCE 测量的准确性和可靠性。OCE 的激励方式在不断发展，按照时间顺序的大致有以下几种常见的激励方式。

1） 静态压缩法。最早的OCE 方法之一是使用外部机械装置对样品施加压力，使样品发生弹性变形，然后通过OCT 测量变形引起的光学散射强度变化。该方法最早由Schmitt 小组提出[10]，Schmitt 小组利在OCT 样品臂上加入组织的弹性性质的检测机制，使用压电传动激励装置对明胶样品和活体皮肤进行逐步加压，以检测其组织弹性性质，并利用二维相关斑点追踪法获得样品和皮肤组织的内部结构图像。此后，OCE 技术受到国内外的诸多关注与研究，得到大力发展。但由于静态压缩法需要直接接触样品，因此，该方法不适用于生物样品。

2） 光声激励法。光声激励法是一种将激光光束聚焦到样品表面上，产生光声效应使组织产生弹性振动，并利用OCT 系统来测量组织弹性参数的方法[11]。光学激励法具有高分辨率和高灵敏度，能够实现对微小组织结构的测量。

3） 激光瞬态加热法。在激光瞬态加热法中，利用激光脉冲短暂地聚焦在组织表面，在组织内形成一个微小的热源，热源会导致组织的局部膨胀和收缩，从而产生剪切波（Shear Wave），使剪切波在样品表面或内部传播，从而产生热弹性效应，进而导致样品的弹性振动。通过OCT 技术，在组织表面或内部捕获剪切波的传播和反射情况，并利用数学模型推导出组织的弹性模量[12]。相比于传统的OCE技术，激光瞬态加热法具有分辨率高、速度快、精度高等优点。

4） 空气激励法。气激励法是一种利用空气振动诱发组织产生微小的弹性振动，并利用OCT 系统来测量组织弹性参数的方法。该技术是近年来发展起来的一种新型光弹性成像技术[13]。空气激励法使得生物软组织（如角膜） 的在体测量更加安全可靠，例如，Shi 等人在2022 年基于空气脉冲激励装置研制了一种新型的OCE 系统，实现了角膜固频的在体测量[14]。空气激励法具有操作简单、对组织表面的损伤小等优点，因此，其在生物医学领域具有巨大的潜力。

总的来说，OCE 的激励方式随着技术的不断发展而不断更新，未来还将有更多的方法被提出，并在生物医学领域中得到更加广泛地应用。

3.2 OCE 的探测方法

虽然弹性成像技术多种多样，但其探测方法基本上可以归纳为三个步骤：首先用准静止或动态的激励源来激发组织，其次检测出组织内部的微小位移，最后用相关的简单模式或连续介质力学模型以近似估计求出弹性模量。相敏探测（Phase-Sensitive Detection） 技术和散斑跟踪（Speckle Tracking） 技术是OCE 的主要探测技术[7]。其中，散斑跟踪技术主要应用于静态OCE 系统之中，相敏探测技术主要应用于动态OCE 系统之中。

1） 散斑跟踪技术。在OCE 中，一束激光照射到样品表面后，光的反射或散射会产生一组散斑图案。“散斑”指的是激光经粗糙表面反射后呈现明显颗粒状的现象，这些散斑的亮斑会随着样品的振动而移动[7]。通过OCT 系统检测并记录亮斑的微小位移或振动，实现对样品机械性质的非接触式测量[15]。然而，在产生散斑的同时，也会伴随产生大量的散斑噪声[16]。散斑噪声是一种常见的影响光学成像质量的因素，它会在图像中引入不必要的噪声和假象，为了消除这种影响，可以采用两种方法：硬件方法和数字图像处理算法[17]。

2） 相敏探测技术。相敏探测技术可以在无需移动样品的情况下快速获得干涉图，同时提供更高的灵敏度和分辨率，是OCE 中非常重要的一项技术进展[18]。相敏探测技术的原理是将待测光信号与一个参考光信号进行干涉，产生干涉信号，然后通过相敏检测器将干涉信号转换成电信号。该信号的大小与相位差成正比，而且具有高的信噪比和较好的灵敏度，因此可以用来检测微小的相位差变化，从而实现信号的检测和测量。

相敏探测法目前已逐渐成为当前动态OCE 检测的一种主要探测方式[7]，其辨识力由相位的稳定性和控制系统的信噪比决定，理论上可以达到亚纳米量级。

4 生物医学方面的应用

目前，OCE 作为一种新型的弹性成像技术，已获得广泛关注和研究[7]。不同的OCE 技术采用了不同的激励和成像方法，以量化不同生物组织的力学性能。然而，基于OCE 技术的多种参数（如固有频率、杨氏模量等） 的测量，缺乏统一的临床标准。虽然OCE 技术已经在实验室和初步临床研究中得到了验证，但仍需进行大规模的临床试验研究和制定量化指标支持其在医学领域的应用和推广。

4.1 眼科医学领域的应用

眼睛是人类视觉的关键器官，许多眼部疾病如青光眼、角膜病变等会导致视力受损，甚至失明。传统的眼部诊断方法主要依赖医生的经验和设备的精度，传统的超声成像技术是一种侵入性的成像技术，存在一定的风险，并且无法观察到眼部组织的微小变化，缺乏对组织生理和病理状态的直接评估。相较于传统成像技术，OCE 能无损伤地观察人眼，能够提供更多的病灶信息等优点，其在观察人眼方面有着更好的发展前景。例如，可以通过OCE系统测量角膜的固有频率以诊断、评估和治疗角膜疾病[14]。

除了传统的眼科疾病诊断，OCE 还可以应用于眼部手术的导航和评估。例如，在视网膜手术中，OCE 可以评估视网膜的弹性，帮助医生在手术中更准确地掌握力度和位置，以避免对视网膜造成扰动和损伤[19]。现如今虽已有部分OCE 系统应用于眼科领域，但是，在眼科领域尚未完全开发出OCE 技术的潜力。还需解决以下问题：一是开发更多的成像模式。目前，OCE 主要使用单点成像模式来获得组织的生物力学特性信息，但是这种方法只能提供局部的信息[20]。为获得更全面的组织结构信息，还需开发更多的OCE 成像模式。二是应用于更多的眼科疾病。虽然OCE 已经被广泛应用于角膜、玻璃体和视网膜等组织的测量和疾病诊断，但仍有许多眼科疾病可以应用OCE 来进行研究和诊断。三是结合其他成像技术。为了更准确地评估眼部组织的生物力学性能，可以将OCE 与其他成像技术相结合，例如与超声成像技术或者核磁共振技术相结合，发挥各自的优势，提供更全面、更准确地眼部组织信息。

4.2 乳腺癌领域的应用

乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一，乳腺癌的早发现与早治疗对患者的生存率和生活质量至关重要。传统的乳腺肿瘤检测方法包括X 线摄影[21]和乳腺核磁共振成像[22]等，这些方法虽然已经在临床上广泛应用，但仍然存在着一定的局限性，例如需要有创性操作、较高的误诊率和扫描时间较长等。因此，发展一种无创、准确、可靠的肿瘤检测方法具有重要意义。OCE 可以通过测量组织的弹性模量来检测肿瘤。已有研究表明，恶性肿瘤的组织比正常组织更硬，而良性肿瘤的组织则更软[23]。OCE 可以在无创的情况下检测肿瘤组织的弹性模量，并为医生提供辅助诊断，为乳腺肿瘤的早期诊断和治疗提供了新的思路和方法。

4.3 心血管医学领域的应用

心血管疾病是一种严重的疾病，已成为全球性的重大公共卫生问题。心血管疾病包括冠心病、心肌梗死、心力衰竭等多种疾病。据世界卫生组织（WHO） 统计，全球每年有超过千万人死于心血管疾病。随着人口老龄化和生活方式的改变，心血管疾病的患病率呈逐年上升的趋势，成为全球性的健康问题。在心血管领域，OCE 已被广泛研究用于探测心脏和血管疾病。例如，通过OCE 测量血管壁的弹性特性可以用来评估心血管冠脉斑块等疾病[24]。尽管OCE 技术在心血管领域的应用已经取得了很多进展，但仍存在一些不足之处，需要进一步改进和解决。在心脏成像上，由于心脏是一个移动的器官，它的运动会影响OCE 成像的准确性。因此，开发适用于心脏成像的OCE 技术是一项极具挑战性的任务。在成像精度上，OCE 技术需要更高分辨率的成像来提供更准确的心脏肌肉组织和血管壁的弹性特性评估。

5 结束语

OCE 技术是一种非侵入性的新型光学成像技术，能够提供亚纳米级的成像分辨率以及毫米级的穿透深度，更高的分辨力、更高的对比度和更快的成像速度依旧是OCE 研究的重点以及重要发展方向。当前，OCE 技术在生物医学领域的应用已经取得了一些进展，但OCE 技术仍缺乏统一的标准化方法和临床应用指南，未来的研究需要探索如何建立统一的标准化方法和量化评估指标，从而促进该技术在临床实践中的广泛应用。