趙雁之 綜述 黃國富 審校

1南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院眼科中心,南昌 330000;2南昌大學(xué)第三附屬醫(yī)院眼科中心,南昌 330000

黃國富現(xiàn)在中山大學(xué)中山眼科中心,廣州 510060

人體組織病理性改變通常會伴隨力學(xué)特征,如硬度、彈性、黏彈性等的變化,彈性成像技術(shù)通過測量組織或器官在載荷激勵下的形變來獲得該組織器官的生物力學(xué)信息,從而提供有價值的臨床診斷信息。光學(xué)相干彈性成像(optical coherence elastography,OCE)是一種基于寬帶光譜的干涉原理獲取組織生物力學(xué)性質(zhì)的新興技術(shù)。OCE是光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)技術(shù)的延伸,類似于光學(xué)相干斷層掃描血管成像,是一種功能性O(shè)CT,可以同時提供組織的結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)性質(zhì)信息。OCE不僅保持了OCT的無創(chuàng)、非侵入、高分辨率、實時快速三維成像的優(yōu)勢,而且可以實現(xiàn)生物組織的高精度彈性定量檢測。1998年Schmitt[1]首次提出,OCE技術(shù)已被用于多個學(xué)科的疾病診斷和治療監(jiān)測,包括眼科學(xué)、腫瘤學(xué)、皮膚病學(xué)和心臟病學(xué)等[2-5],特別是在眼組織生物力學(xué)性質(zhì)檢測方面表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛能。目前OCE技術(shù)在角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜等組織彈性成像方面的可行性及準(zhǔn)確性已得到了充分驗證[6-7]。本文將從OCE成像原理出發(fā),介紹OCE檢測眼組織生物力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)研究及進展,并探討當(dāng)前OCE技術(shù)在眼科臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

1 OCE技術(shù)及其分類

OCE系統(tǒng)由激勵部分、振動信息檢測部分和組織響應(yīng)部分組成(圖1)[6],可以根據(jù)研究領(lǐng)域集成不同類型的硬件和分析模型。OCE通過探測組織在機械激勵下產(chǎn)生的位移進行彈性成像,其工作過程包括:(1)外部或內(nèi)部激勵 其中,外部激勵包括利用平板、超聲、空氣脈沖、激光探針、機械探針等方式對生物組織局部施加應(yīng)力,內(nèi)部激勵包括心跳、呼吸等方式;(2)組織響應(yīng) 通過胡克定律或彈性波速與彈性模量的定量關(guān)系計算組織的生物力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)不同的激勵方式和數(shù)據(jù)處理方式,OCE技術(shù)可以分為靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)OCE和動態(tài)OCE,這2種方法各有優(yōu)勢,實際工作中根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以選擇不同的技術(shù)方式;(3)運動檢測 采用OCT探測組織變形或彈性波的傳播過程。

圖1 OCE系統(tǒng)示意圖[6] OCT:光學(xué)相干斷層掃描

1.1 靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)OCE

靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)OCE是早期采用的激勵方法,與傳統(tǒng)的拉伸實驗原理類似,通過應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系量化彈性。目前,靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)OCE主要采用單軸壓縮作為激勵方式,工作過程包括2個步驟:(1)使用帶有應(yīng)力傳感器的平板壓迫組織表面,施加階躍變化的靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)負載,應(yīng)力大小等于施加力與接觸面積的比值;(2)OCT連續(xù)掃描組織變形前后的圖像,測量組織在負載下的應(yīng)變量,得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線,曲線斜率即為組織的楊氏模量。相對于動態(tài)OCE,因為不需要考慮波的傳播,采用單軸壓縮方法的OCE技術(shù)擁有目前最高的分辨率;但由于無法精確測量組織內(nèi)部應(yīng)力,壓縮OCE技術(shù)只能得到組織彈性相對分布圖。值得注意的是,這一缺陷正在被逐步彌補、克服,如Kennedy等[8]采用一種柔性應(yīng)力傳感器實現(xiàn)了微彈性定量成像。單軸壓縮方法也不是靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)激勵的唯一方式,Kling[9]通過改變環(huán)境壓力誘導(dǎo)眼球形變,利用OCT技術(shù)檢測角膜應(yīng)變量,獲取角膜的應(yīng)力分布。De Stefano等[10]采用線性驅(qū)動的透鏡與壓力傳感器結(jié)合實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)激勵,采用OCE評估了在體人眼角膜的生物力學(xué)性質(zhì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于同樣的外部壓力,角膜前基質(zhì)位移小于后基質(zhì)位移,表現(xiàn)出更硬的特性。另外,人體自主的呼吸和心跳誘導(dǎo)眼球運動也可以作為OCE技術(shù)的準(zhǔn)靜態(tài)激勵方式,Lan等[11]采用OCE技術(shù)評估了呼吸和心跳誘導(dǎo)的角膜運動對臨床OCE測量精度和可重復(fù)性的影響,結(jié)果表明來自呼吸和心跳引起的角膜運動位移與外部激勵引起的角膜位移相互獨立。Nair等[12]采用小范圍眼壓波動來模擬心跳引起的角膜位移,通過OCE技術(shù)評估了離體豬眼角膜交聯(lián)前后的生物力學(xué)性質(zhì)變化,結(jié)果表明基于心跳的OCE技術(shù)為完全被動和非接觸的在體評估角膜剛度提供了新的可能。

1.2 動態(tài)OCE

動態(tài)OCE技術(shù)包括振動位移檢測、振動頻率檢測和波速檢測3種方法,激勵方式分別為諧波激勵和瞬態(tài)激勵。振動位移檢測是通過向組織施加外部激勵產(chǎn)生形變,然后采用OCT技術(shù)檢測組織的形變量,獲得組織的形變曲線來表征組織的生物力學(xué)性質(zhì)。振動頻率檢測是通過諧波激勵對組織施加連續(xù)不同頻率的外部激勵,當(dāng)激勵頻率與組織固有頻率相同時,就會發(fā)生共振,導(dǎo)致組織中的振動位移量或形變量增加。而不同剛度的組織具有不同的固有頻率,因此諧波OCE技術(shù)可以通過測量組織的振動頻譜映射組織彈性分布?；跈C械波的OCE技術(shù)采用周期性脈沖波或準(zhǔn)諧波(超聲脈沖、空氣脈沖、激光脈沖等)激勵組織,產(chǎn)生由激勵中心點向周邊傳播的機械波,其傳播速度與組織的材料屬性,如泊松比、楊氏模量、密度等直接相關(guān),因此該技術(shù)可以通過機械波速度與組織彈性模量之間的定量關(guān)系計算組織的生物力學(xué)性質(zhì)[13]。研究表明,對于角膜、鞏膜這類薄殼型生物組織,其邊界條件會對機械波產(chǎn)生明顯的色散影響,采用蘭姆波模型或修正的瑞利蘭姆波模型可以更精確地量化其生物力學(xué)性質(zhì)[14-16]。而對于晶狀體這類近似均勻的組織,采用表面瑞利波模型可以更精確地量化其生物力學(xué)性質(zhì)[17]。此外,用于動態(tài)OCE的外部激勵方式也是目前的研究熱點,不同激勵方式所激發(fā)出的機械波帶寬和振幅各不相同,如空氣脈沖和機械探針在角膜中激發(fā)出的機械波帶寬一般在1 kHz以內(nèi)[18-19]。而角膜的機械波帶寬一般約為2 kHz,因此目前更多的采用超聲脈沖方法來激勵機械波,該方法具有非接觸、非侵入、可聚焦、能量可控等優(yōu)勢[20]。最近的研究提出采用空氣耦合超聲換能器作為激勵的OCE系統(tǒng),可以在空氣介質(zhì)中完成角膜組織的彈性成像檢測,不需要其他耦合介質(zhì),大大減少了OCE技術(shù)的操作復(fù)雜度[21-23]。

振動和波速測量都依賴于OCE系統(tǒng)的快速掃描和準(zhǔn)確計時。諧波OCE的成像速度由奈奎斯特采樣定理和成像范圍決定?；诓ǖ腛CE測量包括2個步驟:(1)波速測量 相敏OCT探測組織受激前后的相位信號,獲得沿時間分布的位移圖像,通過傳播距離與時間延遲的比率來計算波速;(2)組織彈性重構(gòu) 建立適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ徒馕霾ǖ男袨?速度、色散、衰減等)。波在組織中的傳播速度不僅與材料特性有關(guān),組織結(jié)構(gòu)、邊界條件、各向異性和激勵類型等也均會影響波的傳播,因此,需要建立精準(zhǔn)的生物力學(xué)模型分析波速,計算組織彈性,如橫向各向同性模型或混響模型等[24]。

圖2 利用OCE對豬角膜各層進行彈性表征 A:與角膜結(jié)構(gòu)相關(guān)的剪切波速曲線 B:二維角膜結(jié)構(gòu)和彈性圖像融合[28]

2 OCE技術(shù)在眼科的應(yīng)用

眼科被認為是OCE有可能實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之一[25]。人眼是復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),在眼球運動和眼壓波動等復(fù)雜動態(tài)生理環(huán)境下,眼球各部分組織結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)性質(zhì)對維持正常屈光功能至關(guān)重要,因此眼組織生物力學(xué)性質(zhì)測量對于眼部疾病的診斷、治療監(jiān)測及發(fā)病機制研究具有重要意義。OCE技術(shù)可以同時獲取眼組織結(jié)構(gòu)圖像和彈性圖像,直接建立起結(jié)構(gòu)信息和彈性信息之間的聯(lián)系,為眼科疾病診斷和鑒別診斷提供新的客觀依據(jù)。例如采用非接觸的激勵方式可以對角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜和視神經(jīng)進行非侵入彈性成像,用于篩查角膜屈光術(shù)前易發(fā)生角膜擴張的患者、圓錐角膜(keratoconus,KC)的早期診斷及眼壓測量,還可以為研究晶狀體的調(diào)節(jié)機制、年齡相關(guān)性黃斑變性及青光眼視神經(jīng)萎縮的進展等提供生物力學(xué)信息。

2.1 角膜生物力學(xué)測量

角膜作為一種非線性的彈性組織,其生物力學(xué)性質(zhì)是維持形態(tài)的關(guān)鍵因素,間接決定了角膜的屈光力。早期OCE使用前房角鏡壓迫角膜,采用散斑跟蹤和二維互相關(guān)算法計算位移[26]。但由于無法提供穩(wěn)定可靠的彈性模量定量計算結(jié)果,這種方法在眼科領(lǐng)域并未得到廣泛發(fā)展。目前,基于機械波的OCE技術(shù)代替壓縮OCE成為主要發(fā)展方向,因為其不僅具有亞微米量級的空間分辨率,還具有非侵入、非接觸、定量量化的優(yōu)勢,能夠?qū)悄さ膩唽咏Y(jié)構(gòu)進行高精度彈性成像,還能對角膜各向異性的彈性參數(shù)進行分區(qū)域和逐深度表征。Wang等[27]通過量化蘭姆波的相速度,定量地計算角膜不同深度的彈性,實現(xiàn)了角膜彈性的深度分辨;且研究發(fā)現(xiàn)角膜彈性沿深度下降,與傳統(tǒng)機械拉伸研究結(jié)果一致。為了更精確地量化角膜各層的生物力學(xué)性質(zhì),Zvietcovich等[28]利用1個環(huán)形振動器激勵角膜形成穩(wěn)定的剪切波混響場,并沿角膜軸向方向分析每個深度位置的混響剪切波場,繪制了從角膜上皮到內(nèi)皮的彈性分布圖(圖2)。

角膜屈光手術(shù)通過去除角膜組織,增加屈光力的同時降低了角膜生物力學(xué)性能。角膜擴張是由于生物力學(xué)性能失代償導(dǎo)致的嚴(yán)重并發(fā)癥。由于缺乏有效評估角膜生物力學(xué)性質(zhì)的臨床設(shè)備,角膜擴張仍是目前屈光手術(shù)無法避免的并發(fā)癥。Ramier等[29]使用OCE對人眼角膜進行在體彈性成像,并繪制了12名健康受試者的角膜高精度和高空間分辨率的彈性圖像。術(shù)前角膜生物力學(xué)特性的定量評估對避免術(shù)后角膜擴張具有重要意義。目前屈光手術(shù)方案設(shè)計是基于人群角膜力學(xué)屬性的平均值,未考慮個體化差異。OCE可以生成個體化的角膜力學(xué)特征圖像,用于指導(dǎo)屈光手術(shù)設(shè)計,有利于提高術(shù)后視力的可預(yù)測性、長期穩(wěn)定性及視覺質(zhì)量。

KC是一種非炎癥性角膜病變,其特征為進行性角膜變薄和膨出,使其呈圓錐形狀,并導(dǎo)致高度不規(guī)則散光。角膜形態(tài)的改變被認為是繼發(fā)于角膜生物力學(xué)性質(zhì)異常[30]。已有臨床研究表明,角膜生物力學(xué)性質(zhì)減弱早于其地形圖改變[31],對角膜生物力學(xué)性質(zhì)進行檢測可以有效提高KC患者篩查和早期診斷的敏感性和特異性。De Stefano等[32]使用OCE評估了健康受試者和KC患者之間角膜生物力學(xué)分布的差異,結(jié)果表明KC患者角膜變薄區(qū)域剛度梯度減弱,而這種局部差異會誘導(dǎo)角膜生物力學(xué)特性空間分布失代償,被認為是有可能導(dǎo)致KC進展的關(guān)鍵因素[30]。本課題組在之前的工作中使用聲輻射力OCE技術(shù)逐點測量了人眼角膜圓錐區(qū)、過渡區(qū)域和周邊角膜的楊氏模量,發(fā)現(xiàn)角膜生物力學(xué)性質(zhì)弱化主要位于圓錐區(qū)域,周邊角膜和健康人眼的角膜彈性模量無明顯差異[33],這表明OCE技術(shù)可以精確定位角膜局部生物力學(xué)性質(zhì)的改變,有利于KC患者的早期篩查,干預(yù)KC的病變進展。

角膜膠原交聯(lián)手術(shù)(corneal crosslinking,CXL)可通過提高角膜基質(zhì)的硬度和強度控制KC進展。不同KC患者的角膜生物力學(xué)性質(zhì)和病變特征存在個體差異,因此臨床上需要采取不同的CXL手術(shù)方案,而OCE技術(shù)獲取的角膜區(qū)域性生物力學(xué)性質(zhì)參數(shù)可以用于指導(dǎo)術(shù)前定制個性化CXL手術(shù)方案。Zhou等[34]使用微空氣脈沖OCE比較了3種CXL方案引起的角膜楊氏模量變化,結(jié)果表明輻射總能量保持不變,相比于9 mW/10 min和18 mW/5 min的交聯(lián)方案,3 mW/30 min的交聯(lián)方案處理后,角膜楊氏模量增加最多,交聯(lián)效果最好。另外,CXL術(shù)中環(huán)境氧氣濃度和患者的注意力等不可控因素也會影響治療效果,OCE具有實時測量、動態(tài)反應(yīng)角膜彈性變化的優(yōu)勢,對于監(jiān)測術(shù)中角膜反應(yīng)具有重要意義。這一優(yōu)勢同樣可以用于評估術(shù)后治療效果,不同于具有時間依賴性的角膜地形圖檢測,OCE可以更快獲取CXL術(shù)后角膜生物力學(xué)性質(zhì)改變結(jié)果。Ferguson等[35]采用OCE技術(shù)評估了患者接受CXL治療前后生物力學(xué)特性的差異,發(fā)現(xiàn)CXL主要增加了角膜前基質(zhì)剛度,CXL術(shù)前與術(shù)后3個月的角膜生物力學(xué)性質(zhì)差異超過20%。

2.2 晶狀體生物力學(xué)測量

晶狀體位于眼球內(nèi)部,OCE具有無創(chuàng)、非接觸的優(yōu)勢,有利于晶狀體生物力學(xué)的研究。白內(nèi)障的嚴(yán)重程度與硬度呈正相關(guān),Zhang等[36]通過低溫誘導(dǎo)構(gòu)建了白內(nèi)障模型,并使用基于波的OCE評估晶狀體硬度和透明度的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷性白內(nèi)障形成時,晶狀體中彈性波速度增加,相應(yīng)的剛度增加;當(dāng)溫度升高時,晶狀體混濁消失,與新鮮晶狀體剛度無明顯差異。因此,OCE可以通過評估晶狀體的生物力學(xué)性質(zhì),用于臨床白內(nèi)障的診斷和分級。進一步地,采用OCE技術(shù)監(jiān)測晶狀體生物力學(xué)性質(zhì)改變還可以為研究白內(nèi)障的發(fā)病機制提供重要信息。氧化損傷被認為是導(dǎo)致年齡相關(guān)性白內(nèi)障的重要原因,Zhang等[37]應(yīng)用OCE觀察到氧化損傷誘導(dǎo)白內(nèi)障形成過程中晶狀體硬度增加,當(dāng)使用還原劑阻斷晶狀體氧化進程后,不僅可以恢復(fù)晶狀體透明度,還可以恢復(fù)彈性,這表明OCE技術(shù)檢測晶狀體生物力學(xué)性質(zhì)對于開發(fā)治療白內(nèi)障和老視的藥物具有重要意義。

人眼通過改變晶狀體的形狀調(diào)節(jié)屈光力,該過程主要依靠睫狀體的收縮和松弛牽拉晶狀體囊膜產(chǎn)生壓力,因此晶狀體彈性決定了其形變幅度。隨年齡增加,晶狀體逐漸變硬,形變能力逐步喪失,這是老視進展的重要原因。Wu等[38]使用OCE原位測量了不同年齡階段兔眼晶狀體的楊氏模量,發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長,晶狀體的楊氏模量顯著增加。另外,晶狀體囊膜在實現(xiàn)晶狀體動態(tài)聚焦和維持晶狀體彈性方面也起著重要作用,Mekonnen等[39]利用OCE評估了晶狀體囊膜完整性對晶狀體生物力學(xué)特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶狀體囊膜撕裂會導(dǎo)致晶狀體楊氏模量和剪切黏度大幅下降。因此,采用OCE技術(shù)檢測晶狀體囊膜的生物力學(xué)性質(zhì)對于理解晶狀體和晶狀體囊膜的內(nèi)在功能關(guān)系具有重要意義。

2.3 視網(wǎng)膜生物力學(xué)性質(zhì)測量

視網(wǎng)膜生物力學(xué)性質(zhì)會隨著疾病的發(fā)生而改變。研究表明,視網(wǎng)膜病變往往會先出現(xiàn)生物力學(xué)性質(zhì)異常,然后繼發(fā)結(jié)構(gòu)的改變,因此OCE可以提供比OCT更早期的診斷信息,如年齡相關(guān)性黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性和高度近視視網(wǎng)膜病變等。然而,受限于視網(wǎng)膜在眼球中的位置,很難對其進行有效的激勵,OCE對視網(wǎng)膜的研究在近幾年才取得一定進展。He等[40]利用聲輻射力OCE實現(xiàn)了在體兔眼視網(wǎng)膜彈性成像,其展示了與解剖結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的分層彈性圖,結(jié)果表明視網(wǎng)膜彈性沿深度增加(圖3)。Li等[41]基于OCE技術(shù)評估了商業(yè)視網(wǎng)膜假體電極的安全性,結(jié)果表明視網(wǎng)膜電極植入后視網(wǎng)膜各層彈性增加,但幅度非常小,不會影響視網(wǎng)膜的生物力學(xué)性能,這表明OCE具有評估患者長期使用假體電極安全性的潛力。

2.4 鞏膜生物力學(xué)測量

鞏膜是一種彈性結(jié)締組織,在維持眼球外形方面起關(guān)鍵作用。近視眼軸增長、青光眼視神經(jīng)損傷和視網(wǎng)膜脫離均與鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。鞏膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生物力學(xué)特性表現(xiàn)為各向異性。Bronte-Ciriza等[42]基于空氣脈沖激勵的OCE技術(shù)發(fā)現(xiàn)不同部位的鞏膜彈性模量存在差異,赤道下部最小,為(1.84±0.30)Mpa,赤道顳側(cè)最大,為(6.04±2.11)MPa;并且,角膜在應(yīng)力狀態(tài)下的形變量與鞏膜的力學(xué)性能相關(guān)。進一步地,Zvietcovich等[43]控制眼壓變化,使用OCE監(jiān)測角膜、角膜緣以及鞏膜的彈性模量變化,發(fā)現(xiàn)在生理眼壓下,角膜緣彈性模量位于角膜和鞏膜之間,但是隨著眼壓的增加,角膜緣彈性模量超過了鞏膜,這表明角膜緣具有足夠的結(jié)構(gòu)靈活性,可以在眼壓變化的過程中穩(wěn)定眼前節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。Vinas-Pena等[44]使用OCE評估了鞏膜膠原交聯(lián)手術(shù)后不同區(qū)域鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)的改變,發(fā)現(xiàn)后鞏膜對交聯(lián)手術(shù)的治療更加敏感,其硬度增加更多。這表明OCE技術(shù)測量結(jié)果對于研究鞏膜膠原交聯(lián)術(shù)控制近視進展具有重要意義。

3 小結(jié)與展望

OCE具有無損、非侵入、高空間分辨率和實時成像等特點,是一種可以應(yīng)用于眼科的彈性檢測技術(shù)。得益于眼組織的光學(xué)特性,OCE具有足夠的成像深度,目前已被廣泛應(yīng)用于眼科疾病研究。本文綜述了目前OCE在眼科領(lǐng)域的主要研究方向,包括生物力學(xué)對角膜屈光手術(shù)的影響、KC的診斷和治療、晶狀體的調(diào)節(jié)機制、視網(wǎng)膜疾病治療監(jiān)測和近視發(fā)病機制研究等。OCE在眼組織生物力學(xué)研究領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。但作為一項新的技術(shù),一些因素限制阻礙了OCE的臨床轉(zhuǎn)化,例如激勵的安全性、成像速度和力學(xué)參數(shù)的解析等。過去20年中,OCT通過提供視網(wǎng)膜高分辨率的結(jié)構(gòu)圖像,改變了眼底疾病的診斷和治療理念,作為OCT技術(shù)的延伸,OCE被認為是未來十年十分有可能實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化的新型功能型OCT技術(shù)。當(dāng)前,眼科OCE技術(shù)已經(jīng)進入前瞻性臨床試驗中,相信隨著技術(shù)的不斷更新和完善,將很快進入臨床,成為新的眼科臨床輔助診斷設(shè)備。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突