关键词:
光学相干层析成像
光学相干弹性成像
弹性波理论
组织弹性特性
声辐射力
伪影校正
摘要:
光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)利用光学干涉原理,通过发射近红外光并测量反射光的相位和幅度,以实现对生物组织内部的断层成像。光学相干弹性成像(Optical coherence elastography,OCE)是基于弹性波理论和OCT发展而来,不仅继承了 OCT的非侵入性、高空间分辨率和快速成像的特点,还具有高灵敏度和在体实时动态监测的能力,能够为疾病的早期诊断提供判据。然而,当OCE用于眼组织检测和成像时,在运动伪影、二维弹性分布以及系统改进和在体监测等方面仍存在挑战。因此,本文主要围绕OCE在眼组织弹性成像与监测中存在的关键物理问题开展系统性研究。取得的结果如下:
(1)为了解决在体弹性成像中运动伪影需要校正的问题,分析了 OCE成像中的时间周期特性,并提出了一种时域分离特性的噪声估计校正方法。该算法通过分离时空多普勒OCT图像中的纵向运动条纹和噪声信号,对原始图像与噪声提取图像做差分处理可有效校正图像中的伪影条纹。与常规的运动伪影校正算法相比,该方法可以获得更高的峰值信噪比(35.43 dB)和图像结构相似度(0.93),有助于提高了弹性评估的精度。
(2)在获取弹性信息的二维空间分布方面,提出了基于主频特性的二维相速度算法。组织中每个区域的弹性特性存在各向异性,而采用一维计算方法仅能提取区域平均弹性信息,因此需对感兴趣区域进行弹性的二维分布研究。本算法通过计算感兴趣区域内每个位置处振动波的主频,并结合弹性波的相速度色散曲线以量化二维深度结构中每个位置的相速度,从而评估了组织的二维弹性特性。随后,结合正交声辐射力OCE系统,将算法应用于眼组织视神经乳头弹性特性的二维分布研究,并得到了验证。
(3)根据近红外波长激光与水的相互作用特性,超声激励装置中利用的水性耦合介质会对激光产生严重的吸收,从而降低了 OCT在组织中成像深度和成像分辨率。因此,本文发展了一种基于离轴单晶元超声换能器的声辐射力光学相干弹性成像系统,通过引入小直径单晶元超声换能器实现离轴激励诱导组织产生弹性波。相较于其他激励方式,该激励方式可以避免OCT光束穿过超声传播介质而导致的光强衰减。更为重要的是,可减小激励源与组织接触区域面积对组织内弹性波带宽的影响,进而提高了弹性成像的空间分辨率。随后,利用该系统监测了角膜屈光手术及角膜移植手术前后的弹性模量的变化,研究了角膜弹性随恢复时间和眼内压的变化规律。
(4)在改进成像算法和超声激励系统之后,通过分析希望在提高成像深度的同时而不影响轴向分辨率和受到外部超声激励限制的关键问题,因此研制了高分辨率在体全眼OCE系统。该系统采用中心波长为850nm的宽带光源,并通过平衡成像深度和轴向分辨率的关系,实现了对角膜、晶状体和视网膜的在体成像。经过优化和测试,系统的轴向分辨率可达2.46 μm,成像深度为1.65 mm,近零光程处信噪比为101.26 dB,相位稳定性可达0.57 mm,弹性空间分辨率为0.23 mm。同时,将系统与共焦超声换能器激励源相结合,对在体兔眼组织进行检测与成像研究,获得了全眼的结构信息和弹性结果。