CN110974148B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明具体涉及光学相干弹性成像技术领域，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。
背景技术
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(Optical Coherence Elastography,OCE)是基于光学相干断层成像技术(Optical Coherence Tomography,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(confocal Brillouin microscopy,CBM)、超声弹性成像(ultrasoundelastography,UE)、磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography,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(Acoustic radiation force,ARF)、空气激励(Air puff)和激光激励(Pulsed laser excitation)。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(Phase SensitiveOCT,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《In vivo estimation of elasticwave parameters using phase-stabilized swept source optical coherenceelastography》)
(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。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明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。
本发明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
Figure BDA0002299830330000031
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
Figure BDA0002299830330000041
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
Figure BDA0002299830330000042
之间的关系，得
Figure BDA0002299830330000043
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：
Figure BDA0002299830330000044
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
Figure BDA0002299830330000045
其中ρ为角膜组织密度1064kg/m3，v为角膜组织的泊松比0.49,最后可绘制出在体人眼角膜的弹性模量分布图。
所述的步骤(1)Phs-OCT系统搭建与整合中Phs-OCT系统的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，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，得到以深度z为变量的复值信号，即
Figure BDA0002299830330000051
对相邻两个A-line做互相关，则可得到相位信息，如下式：
Figure BDA0002299830330000052
所述的Phs-OCT系统采用M-B扫描模式，其中M模式指针对角膜某一特定位置，对其进行多次A-line扫描，来获取位移量随时间的动态变化过程；B模式指对角膜进行二维断层成像，采用M-B模式可以获取某一时间角膜多个位点的位移变化情况，从而反映出角膜组织内部的弹性波传播情况。
本发明的有益效果是：本发明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，利用光学相干弹性成像技术(optical coherenceElastography，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。
附图说明
图1是本发明喷气式光学相干弹性成像实验装置结构图。其中1为1060nm扫频激光源，2为90/10光纤耦合器，3为80/20光纤耦合器，4为布拉格光纤光栅，5和16为环形器，6和17为光纤准直器，7为二维扫描振镜，8为分色镜，9为视标，10和18为聚焦透镜，11为眼球组织，12为偏振控制器，13为50/50光纤耦合器，14为平衡探测器，15为电脑主机，19为平面反射镜，20为光电探测器，21为信号发生器，22为喷气装置信号控制器，23为直流电源，24为储气罐，25为输气管，26为喷气装置电子阀门，27为喷气喷头。
图2为在体人眼眼球运动伪影矫正算法。其中(A)手动分割角膜结构OCT图像中角膜的前后表面。(B)原始的角膜时间-空间相位图像。绿色虚线矩形表示眼球水平运动伪影。(C)眼球水平运动伪影矫正后的角膜时间-空间相位图像。(D)图(C)中白色虚线复合相位的信号分解示意图。(E)生理性眼球轴向运动伪影矫正后的角膜时间-空间相位图像。(F)空气脉冲诱导的眼球轴向运动伪影矫正后的角膜时间-空间相位图像。其中绿色和白色虚线表示角膜弹性波信号的开始和结束时间分界线。
图3为基于兰姆波模型求解在体人眼角膜组织的弹性模量分布图。其中(A)角膜的时间-空间振动位移分布图。(B)角膜的波数-频率域图。(C)角膜的相速度频散曲线。(D)角膜组织的弹性模量分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，本发明实施例是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明进行任何限制。
本发明基于喷气式光学相干弹性成像技术来实现在体人眼角膜组织的弹性成像，主要包括Phs-OCT系统搭建、喷气装置与Phs-OCT系统的整合、人眼眼球运动伪影矫正及兰姆波模型求解角膜组织弹性模量。
(1)Phs-OCT系统搭建：Phs-OCT是基于结构OCT所采集的干涉光谱信号，经数据处理转换成相位信息，从而高精度地反映形变程度。
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
Figure BDA0002299830330000061
对相邻两个A-line做互相关，则可得到相位信息，如下式：
Figure BDA0002299830330000062
(2)喷气装置与Phs-OCT系统的整合：空气脉冲与Phs-OCT探测需要同时作用于角膜组织，因此喷气装置与Phs-OCT探头的同步整合是关键。本发明在结构上采用倾斜入射整合方式(如图1)，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。在扫描模式上，采用M-B扫描模式，其中M模式指针对角膜某一特定位置，对其进行多次A-line扫描，来获取位移量随时间的动态变化过程；B模式指对角膜进行二维断层成像。因此，采用M-B模式可以获取某一时间角膜多个位点的位移变化情况，从而反映出角膜组织内部的弹性波传播情况。
(3)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(如图2.A)，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(如图2.B)。该原始图像受到眼球水平运动伪影的影响，造成弹性波信号在空间域中传播时出现错位及断层等现象，可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)(如图2.C),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。如图2.D，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，约为60-100Hz，在M扫描模式(约5ms)中眼球处于相对静止状态，因此本发明对图像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)(如图2.E),即
Figure BDA0002299830330000071
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(如图2.D)。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)(如图2.F),即
Figure BDA0002299830330000081
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(图2.F中绿色和白色虚线)来提取角膜组织弹性波相位信号。
(4)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
Figure BDA0002299830330000082
之间的关系，
Figure BDA0002299830330000083
可获得角膜组织的时间-空间振动位移分布图d(t,s)(图3.A)。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)(图3.B)。兰姆波相速度C(f)可通过如下方程求解：
Figure BDA0002299830330000084
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(图3.C)。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
Figure BDA0002299830330000085
其中ρ为角膜组织密度(1064kg/m3)，v为角膜组织的泊松比(0.49),最后可绘制出在体人眼角膜的弹性模量分布图(图3.D)。
本发明利用人眼眼球运动伪影矫正算法来消除眼球运动所引起的相位变化，从而提取出角膜组织的弹性波信息，并通过兰姆波模型实现在体人眼角膜组织弹性成像。
本发明的基于喷气式光学相干弹性成像实验装置如图1所示，在OCT系统和样品之间设置喷气装置，喷气装置的喷气喷头作用于样品角膜组织，所述的喷气喷头与样品角膜组织倾斜设置，喷气发射喷头与OCT系统的扫描探头的长轴形成夹角，喷气装置信号控制器的喷气装置控制触发信号同步控制OCT系统的扫描探头，实现图像采集与空气脉冲发射进行同步。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

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，该原始的角膜时间-空间相位图像受到眼球水平运动伪影的影响，造成弹性波信号在空间域中传播时出现错位及断层现象，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
Figure FDA0003247397580000011
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
Figure FDA0003247397580000021
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
Figure FDA0003247397580000025
之间的关系，得
Figure FDA0003247397580000022
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：
Figure FDA0003247397580000023
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
Figure FDA0003247397580000024
其中ρ为角膜组织密度1064kg/m3，v为角膜组织的泊松比0.49,最后可绘制出在体人眼角膜的弹性模量分布图。
2.根据权利要求1所述的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，所述的步骤(1)Phs-OCT系统搭建与整合中Phs-OCT系统的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，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，得到以深度z为变量的复值信号，即
Figure FDA0003247397580000031
对相邻两个A-line做互相关，则可得到相位信息，如下式：
Figure FDA0003247397580000032
3.根据权利要求1所述的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，所述的Phs-OCT系统采用M-B扫描模式，其中M模式指针对角膜某一特定位置，对其进行多次A-line扫描，来获取位移量随时间的动态变化过程；B模式指对角膜进行二维断层成像，采用M-B模式可以获取某一时间角膜多个位点的位移变化情况，从而反映出角膜组织内部的弹性波传播情况。
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