晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统及测量方法与流程

本发明涉及晶状体光学相干弹性成像和全范围成像光学相干层析成像技术，尤其是涉及到一种采用谱域光学相干层析成像技术并结合相位敏感检测技术对晶状体的生物力学特性和光学特性信息进行无创在体成像和测量的系统和方法。

背景技术：

晶状体是眼睛重要的屈光介质之一，其生物力学和光学特性(如弹性、屈光力和折射率等)的生理性和病理性改变将导致众多眼科疾病的发生发展，譬如老视和白内障。白内障是全球首位致盲性眼病。老年化是其最常见的病因且年龄越大发病率越高。随着人口寿命的延长，白内障带来的社会影响也将日益扩大。白内障主要是由于晶状体蛋白质变性使得晶状体混浊所导致，其具体发病机制尚不明确，但被认为与晶状体弹性模量及晶状体纤维的填密度有关。在白内障形成过程中，晶状体核硬度和颜色会同时发生改变，且两者密切相关，所以目前临床上对晶状体核硬度的分级主要是参照emery及little晶状体核分级标准，通过裂隙灯照片中晶状体核颜色进行预判。然而，年龄与晶状体核硬度也有密切关系，晶状体颜色相同的白内障，80岁患者的晶状体核硬度显然要比60岁的要硬得多。因此，单从晶状体核颜色判定白内障程度及晶状体硬度存在一定的不准确性。而对于白内障类型判定和超声乳化手术中超声能量的选择来说，晶状体核硬度的精确定量检测至关重要，因为在手术中，晶状体核越硬，所需的超声能量越大，操作时间越长，发生手术并发症的可能性也越大。所以，实现晶状体生物力学和光学特性的无损在体精确成像和测量将有助于白内障和老视等晶状体疾病的基础研究、早期检测、手术方案制定以及术后结果评价，具有重要的现实意义和临床价值。

目前，常用于晶状体疾病诊断和基础研究的医学成像技术主要包括超声成像、磁共振成像、光学相干层析成像(opticalcoherencetomography，oct)、裂隙灯显微成像等。这些传统的成像技术大多只能实现组织的结构成像，而无法获得组织弹性等功能信息。近年来新兴的组织弹性成像技术恰是通过以上技术测量施加载荷后组织的形变量，获得其局部力学特性分布图，从而显示组织的弹性和老化状态。目前，常见的组织弹性成像技术主要是超声弹性成像、磁共振弹性成像、光学相干弹性成像(opticalcoherenceelastography，oce)。

与超声弹性成像和磁共振弹性成像两种技术相比，oce技术继承了oct技术高分辨率(1-10μm，比超声弹性成像和磁共振弹性成像高出一个数量级)、高探测深度、高探测灵敏度、无损、非侵入式、高速实时等优点，具有广泛的应用前景。目前oce技术主要被应用于肿瘤检测、角膜弹性测量以及动脉粥样硬化等。结合相位敏感检测技术，oce技术可测量纳米级别的微小组织位移，从而有望实现对晶状体等精细软组织小幅度变形的检测。此外，基于oct系统，还可同时实现对晶状体光学特性信息的测量，因此可为晶状体疾病检测和手术处理(包括术前评估、术后监测及效果评价)提供一种具有广泛应用前景的潜在方案和辅助手段。

基于oct技术的oce技术是研究晶状体生物力学和光学特性的一种非常新颖的在体实时成像技术，主要由负载(loading)系统和应变探测系统这两部分构成，负载通常为声辐射力、机械力、气流等。对于眼科成像而言，使用气流作为负载是最简单的方式，但其仅可应用于眼表组织，而晶状体位于眼球内部，因此，声辐射力成为晶状体oce成像负载的最佳选择。

经过对现有技术的检索发现，在k.v.larin等人的文献(assessingthemechanicalpropertiesoftissue-mimickingphantomsatdifferentdepthsasanapproachtomeasurebiomechanicalgradientofcrystallinelens,biomedicalopticsexpress,2013,4(12):2769-2780.)中，提出了利用扫频oct和超声负载系统的oce系统，利用超声系统对样本施加负载，产生声表面波，通过相位敏感oct技术获得相位差，从而计算得到纵向位移，进而得到组织的弹性信息。但该系统中超声负载采用后入射方式，因此只能实现离体晶状体样本的单点弹性成像。而后他们在文献(assessingage-relatedchangesinthebiomechanicalpropertiesofrabbitlensusingacoalignedultrasoundandopticalcoherenceelastographysystemage-relatedchangesinbiomechanicsoflens,investigativeophthalmologyandvisualscience,2015,56:1292-1300.)中对原有负载方式进行了改进，采用了同方向斜入射的方式，实现了离体眼球晶状体原位弹性成像。但该系统依然存在几个问题：1)由于系统成像深度受限，只实现了角膜到晶状体前表面成像，无法获得晶状体中后段的结构和弹性信息；2)采用斜入射的负载方式，不能实现光束和超声束同轴，其纵向形变的诱发因素多样；3)只能实现样本表面某个位置的弹性信息，而不是完整信息，这对于晶状体疾病诊断和治疗所需要的信息量远远不够，临床意义有限；4)未能实现在体成像，限制其在临床领域的研究发展。

此外，晶状体的形态学和光学特性信息，如前后表面曲率半径、厚度、前后表面不规则度、屈光力等，以及由此构建的晶状体地形图，对晶状体疾病的临床诊断与研究也具有重大意义。因此把晶状体的生物力学特性信息、光学特性信息、结构信息结合在一起，可为晶状体疾病的诊断和手术治疗提供更完整、更全面的信息。但迄今为止，在现有技术和设备中尚未发现能够同时对晶状体生物力学和光学特性信息进行无创在体成像和测量的系统和方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种能实现晶状体生物力学和光学特性无创、在体、高精度成像和测量的系统和方法。该系统采用超声换能器发出的声脉冲辐射力作为外部负载，并结合相位敏感oct技术，实现对晶状体生物力学和和光学特性的超灵敏、无创、在体、快速、实时检测。

本发明是通过以下技术方案实现：

本发明晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统，由超声负载系统和谱域oct系统组成；所述的谱域oct系统包含光源、光纤耦合器、样品臂、参考臂、光谱仪和控制计算机；光源提供的光束被光纤耦合器分成两束，分别进入样品臂和参考臂；样品臂返回的样品背向散射光和参考臂返回的参考光经过光纤耦合器形成干涉光信号后输出至光谱仪，所述的光谱仪将采集得到的实数形式干涉光谱信号输入到控制计算机。

所述的样品臂包括第一偏振控制器、第一准直透镜、x-y扫描振镜系统和扫描透镜，由光纤耦合器输出的光束经由第一偏振控制器进入第一准直透镜，从第一准直透镜出射的准直光束再先后经过x-y扫描振镜系统和扫描透镜聚焦到晶状体或眼前节；所述的x-y扫描振镜系统包括x-扫描振镜、y-扫描振镜、驱动x-扫描振镜和y-扫描振镜的电机及控制电机的控制面板；控制计算机负责对控制面板进行控制。

所述的参考臂包括第二偏振控制器、第二准直透镜、色散补偿块、可调机械狭缝和反射镜。由光纤耦合器输出的光束经由第二偏振控制器进入第二准直透镜，经第二准直透镜准直的出射光束依次通过色散补偿块和机械可调狭缝后，垂直入射到反射镜上；从反射镜返回的参考光，沿原路返回至光纤耦合器。

所述的光谱仪包括第三准直透镜、光栅、成像透镜和线阵相机。从光纤耦合器出射的干涉光经由第三准直透镜准直后出射进入光栅被分成多个波段的单色光，经成像透镜聚焦到线阵相机上，形成干涉光谱。

所述的超声负载系统包括超声探头和脉冲发生器；所述的超声探头为中空结构；超声探头由脉冲发生器驱动，脉冲发生器由控制计算机控制。超声波通过眼杯进入眼球；眼杯中设置耦合剂。超声探头和扫描透镜中心轴线同轴设置。

所述的光源采用近红外宽带光源。

所述的x-扫描振镜和y-扫描振镜进行线性等角度扫描。

所述的耦合剂为生理盐水。

所述的超声探头中心频率为1～20mhz，内径为20～30mm。

本发明运用晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统进行成像和测量的方法如下：在超声负载系统作用下，晶状体发生形变；由光源发出的光束经光纤耦合器，分别输出到样品臂和参考臂，进入样品臂的光束先后经第一偏振控制器、第一准直透镜、x-y扫描振镜系统和扫描透镜聚焦到晶状体或眼前节；进入参考臂的光束先后第二偏振控制器、第二准直透镜准直、色散补偿块和机械可调狭缝，并垂直入射到反射镜上；样品臂返回的样品背向散射光和参考臂返回的参考光经过光纤耦合器形成干涉光信号后输出至光谱仪，光谱仪将采集得到的实数形式干涉光谱信号输入到控制计算机。控制计算机利用消共轭技术和相位敏感检测技术对谱域oct系统获取的干涉光谱信号进行处理得到晶状体深度方向上的应变分布，进而重建出晶状体的生物力学特性分布图；另外，控制计算机利用消共轭技术重建全眼前节oct结构图像，对全眼前节oct结构图像中的角膜前、后表面以及晶状体前、后表面进行边缘提取得到角膜和晶状体的边界信息，利用角膜和晶状体的边界信息进行光学折射矫正得到矫正后的全眼前节oct结构图像，再对矫正后的全眼前节oct结构图像中的晶状体进行边缘提取得到晶状体的边界信息，从而计算晶状体的形态学和光学特性参数，并构建晶状体地形图；形态学参数包括厚度、曲率及表面不规则度，光学特性参数包括屈光力、透明度及散光轴位置。

基于矫正后的全眼前节oct结构图像计算角膜参数和前房参数；角膜参数包括曲率、厚度和角膜地形图；前房参数包括前房深度和前房角。

消共轭技术的具体实施过程如下：

通过将样品臂上的入射光束偏离x-扫描振镜和y-扫描振镜枢轴点的方法使相邻的a-scan信号产生相移，实现横向傅里叶变换后的干涉光谱信号实像和共轭像的频谱分离，然后通过带通滤波去除共轭像，再经由横向傅里叶反变换重构复数形式的干涉光谱信号；

全眼前节oct结构图像的重建过程具体如下：

对消共轭技术得到的复数形式干涉光谱信号，进行轴向傅里叶变换，对变换结果的幅度信息进行提取，得到消除镜像的深度方向上的结构信息，从而得到全眼前节oct结构图像；

利用相位敏感检测技术重建晶状体生物力学特性分布图的过程具体如下：

对消共轭技术得到的复数形式干涉光谱信号进行轴向傅里叶变换，对变换结果进行相位提取，得到与晶状体的形变程度相关的相位值；通过计算施加超声负载前后相位差值利用公式求得晶状体的形变量uz，其中，λ为光源的平均波长，n为晶状体折射率。根据形变量uz计算得到晶状体的弹性模量和剪切粘度，从而得到某个位置沿深度方向的生物力学特性分布；仅x-扫描振镜振动而y-扫描振镜不动时重建出二维晶状体生物力学特性分布图，x-扫描振镜和y-扫描振镜配合振动时重建出三维晶状体生物力学特性分布图。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

(1)本发明不仅能同时实现晶状体的结构和生物力学特性成像，亦能实现对眼前节其他组织的高分辨率结构成像，因此能够为临床眼科疾病，特别是晶状体疾病，提供实时、准确的多元信息。目前还未见同时针对二者进行探测的系统与方法。另外，通过改变系统样品臂光路及超声负载作用位置，本发明应用可不局限于晶状体，亦可实现对其他眼组织(如角膜、视网膜)等的生物力学特性成像和测量。

(2)对于眼科成像而言，使用气流作为负载是最简单的方式，但其仅可应用于眼表组织，而晶状体位于眼球内部，因此，声辐射力成为晶状体oce成像负载的最佳选择。本发明采用的负载方式为连续分布的超声，超声的方向和成像光束一致，作用区域也和成像区域一致，使得弹性成像操作更简单，结果更准确，安全性也较高。而现有文献提出的斜入射的超声负载(负载方向与光束方向不一致，单点测量)，则会同时引起晶状体轴向和横向的应变，且二者相互耦合，使得任一方向的计算结果均不准确。

(3)本发明可实现瞳孔区域下的晶状体成像，而现有系统只针对晶状体前表面的某一点进行一维测量。本发明中谱域oct系统的采集速度和成像深度，完全可以实现瞳孔区域下整个晶状体结构和生物力学特性的在体二维或三维成像，同时亦可获得二维或三维全眼前节oct结构图像。

(4)本发明采用相位敏感oct技术实现对晶状体形变的探测，其灵敏度可达nm级别。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的信号处理和图像重建原理图；

图3本发明的扫描光路及超声探头结构图。

图中，1.光源、2.光谱仪、3.参考臂、4.样品臂、5.光纤耦合器、6.脉冲发生器、7.控制计算机、8.第三准直透镜、9.光栅、10.成像透镜、11.线阵相机、12.第二偏振控制器、13.第二准直透镜、14.色散补偿块、15.机械可调狭缝、16.反射镜、17.第一偏振控制器、18.第一准直透镜、19.x-y扫描振镜系统、20.y-扫描振镜(圆点为枢轴点)、21.x-扫描振镜(圆点为枢轴点)、22.扫描透镜、23.超声探头、24.眼杯、25.晶状体、26.眼前节。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统，包括光源1、光谱仪2、参考臂3、样品臂4、超声负载系统和控制计算机7；光源1采用近红外宽带光源。由光源1发出的光信号经光纤耦合器5后分成两路：一路进入样品臂4，另外一路进入参考臂3。超声负载系统由超声探头23和脉冲发生器6组成。

样品臂4由第一偏振控制器17、第一准直透镜18、x-y扫描振镜系统19和扫描透镜22组成。在样品臂中4，经由第一偏振控制器17的光束进入第一准直透镜18，第一准直透镜18出射的准直光束先后经过y-扫描振镜系统20、x-扫描振镜系统21和扫描透镜22，扫描透镜22把光束聚焦穿过中空的超声探头23，到达晶状体25或眼前节26。x-y扫描振镜系统19包含x-扫描振镜21、y-扫描振镜20，驱动x-扫描振镜和y-扫描振镜的电机及控制电机的控制面板，由控制计算机7负责对控制面板进行控制。由晶状体或眼前节返回的样品光沿原路返回进入光纤耦合器5。光纤耦合器5为具有50:50分光比的2×2耦合器。

超声负载系统中，超声探头23位于扫描透镜22和晶状体25(或眼前节26)之间，被设计成中空结构，超声探头23提供的超声波通过眼杯24中耦合剂(如生理盐水)作用于晶状体，使之发生变形，超声波方向与成像光束方向一致。超声探头23的超声负载模式由脉冲发生器6控制，脉冲发生器6与控制计算机7相连。

参考臂3由第二偏振控制器12、第二准直透镜13、色散补偿块14、机械可调狭缝15和反射镜16组成。在参考臂3中，经由第二偏振控制器12的光束进入第二准直透镜13，经第二准直透镜13准直的出射光束依次通过色散补偿块14和机械可调狭缝15后，垂直入射到反射镜16上。从反射镜16返回的参考光，沿原路返回至光纤耦合器5。通过调节机械可调狭缝15的狭缝大小来确定参考臂中光强的衰减程度。色散补偿块14用于补偿样品臂中引入扫描透镜22所带来的参考臂3和样品臂4之间的色散差。

返回的样品信号光和参考光在光纤耦合器5发生干涉，干涉光信号由光谱仪2接收，并输入至控制计算机7进行后期二维和三维组织结构和生物力学特性成像。

光谱仪2由第三准直透镜8、光栅9、成像透镜10和线阵相机11组成。从光纤耦合器5出射的干涉光经由第三准直透镜8准直后出射进入光栅9被分成多个波段的单色光，经成像透镜10聚焦到线阵相机11上，形成干涉光谱，并被传输至控制计算机7进行信号处理和图像重建。

图2为本发明的信号处理和图像重建原理图。运用无创的晶状体生物力学和光学特性在体成像系统进行成像和测量的方法，主要是将谱域oct系统(包含光源、光纤耦合器、样品臂、参考臂、光谱仪和控制计算机)获得的实数形式干涉光谱信号，经由消共轭算法获得复数形式的干涉光谱信号，提取其幅度信息，实现全眼前节oct结构图像重建，同时将得到的复数形式的干涉光谱信号进行相位提取，结合相位敏感检测算法实现晶状体生物力学特性分布图重建，具体包括以下步骤：

步骤1：确定横向扫描范围、扫描间距和扫描方式，计算第一准直透镜18出射光束入射到y-扫描振镜20和x-扫描振镜21的位置，使第一准直透镜18的出射光束偏离振镜枢轴点，从而使得相邻a-scan信号(轴向干涉光谱信号)之间存在π/2相移；

步骤2：谱域oct系统经横向扫描后采集得到二维的b-scan信号i(k,x)，即横向扫描信号，其中k为波数，x为横向位置，b-scan信号由一系列a-scan信号构成；光谱仪将采集得到的实数形式干涉光谱信号输入到控制计算机；

步骤3：控制计算机对采集得到的b-scan信号i(k,x)保持k不变，沿横向x进行一维傅里叶变换，再利用带通滤波器对傅里叶变换后的干涉光谱信号实像f(k,u)和共轭像f^*(k,u)进行滤波，再对滤波后的f(k,u)保持k不变，沿横向x进行一维傅里叶反变换，从而构建每个a-scan信号的复数形式，得到b-scan信号的复数形式其中，u为横向空间频率，与横向位置x互为傅里叶变换对。

步骤4：对复数形式的干涉光谱信号保持x不变，沿轴向k进行一维傅里叶变换，对变换结果i(z,x)的幅度信息进行提取，其中z为轴向位置，与波数k互为傅里叶变换对，得到消除镜像的深度方向z上的结构信息a(z,x)，y-扫描振镜20不进行纵向扫描时可重建出二维全眼前节oct结构图像，y-扫描振镜20进行纵向扫描时可重建出三维全眼前节oct结构图像；基于获得的二维全眼前节oct结构图像或三维全眼前节oct结构图像，通过光学折射矫正和边缘提取得到晶状体的边界信息，进而计算晶状体的形态学和光学特性参数，并构建晶状体地形图；形态学参数包括厚度、曲率及表面不规则度，光学特性参数包括屈光力、透明度及散光轴位置。

步骤5：对复数形式的干涉光谱信号保持x不变，沿轴向k进行一维傅里叶变换，对变换结果i(z,x)进行相位提取，得到与晶状体的形变程度相关的相位值通过计算施加超声负载前后相位差值利用公式求得晶状体的形变量uz，其中，λ为光源的平均波长，n为晶状体折射率。

步骤6：将晶状体视作一个多层结构的粘弹性介质，同时做出如下假设：1)晶状体每层结构均匀并且不可压缩(voigtbody)；2)超声是一种轴对称辐射力作用于介质上表面；3)层内力学参数(包括杨氏弹性模量、剪切粘度)和密度被认为是常量。利用运动方程对晶状体受力情况进行建模，其中m为等效质量，c为粘度系数，k1为等效弹簧刚度，y(t)为形变量；通过对运动方程解逆，得到运动方程的解析解。再根据以上假设，可得到晶状体的理论位移函数yz，如公式所示：其中yz(r,z)是自变量α从0到正无穷的积分，其中，e为杨氏弹性模量，ρ为密度，η为剪切粘度，为角频率，r，z分别为晶状体某点在圆柱坐标系内的径向距离和高度，j0为0阶贝塞尔函数，a1，a2，b1，b2由设定的边界条件得到；通过最小化晶状体同一位置的形变量uz与理论位移量yz的差值，可得到待求量杨氏弹性模量e和剪切粘度η，再利用e＝3μ,可得到剪切弹性模量μ，因此得到相应位置的多种生物力学特性信息，从而重建得到晶状体生物力学特性分布图；最小化过程采用梯度迭代算法实现。

利用消共轭技术实现对共轭镜像的消除，使得谱域oct系统成像深度加倍，实现oct的全范围(full-range)成像，从而实现从角膜前表面至晶状体后表面的全眼前节oct成像。利用相位敏感检测技术得到晶状体深度方向上的应变信息，从而实现晶状体生物力学特性成像。

图3是本发明的横向扫描光路和超声探头结构图。入射准直光束由x-扫描振镜偏转后入射到扫描透镜，并经历中空的超声探头23聚焦于晶状体上；扫描驱动信号控制x-扫描振镜振动到a、b、c位置，相应的入射光束则聚焦到焦平面处晶状体的不同位置点a’、b’、c’。

上述具体实例方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权力要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。