基于剪切波加载的光学相干弹性成像实验技术研究

摘要

生物组织的病理变化通常与其力学性能的改变相关，组织发生病变往往伴随着杨氏模量的增加。因此生物组织杨氏模量的定量测试对于疾病发生和发展的研究及诊治非常重要。然而实验生物力学技术依然主要依赖于传统的拉压测试，无法满足结构、成分及力学性质复杂的生物组织高准确度定量测试的需求。随着医学影像技术的发展，剪切波光学相干弹性成像(Optical Coherence Elastography, OCE)应运而生。剪切波OCE具有纳米级变形分辨率、毫米级穿透深度以及高成像速度等潜在优势。但是剪切波OCE作为一种新兴的技术，在实验方法、力学特性提取算法和结果验证等方面都需要提高或完善。 本文旨在提出生物力学测试的新方法，研究一种方便易用且能对生物组织弹性进行高准确度定量测试的剪切波OCE技术。首先，搭建了剪切波OCE的硬件系统，包括激振压电堆栈从而引发脉冲剪切波的加载系统和扫频光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT) 系统；并设计编写了Labview和Matlab程序在软件层面完成了剪切波加载与 OCT 扫描的同步控制及其数据采集和处理。其次，基于剪切波传播理论和OCT相位分析，提出了对剪切波的传播时间进行检测的方法，然后结合传播距离计算出剪切波的传播速度，从而获得了组织的杨氏模量，并与拉伸实验比较，验证了其测量结果的准确度约为98.5%。最后，利用该剪切波OCE技术在体测得了皮肤的杨氏模量，而且进一步提出了四维（三维和时间）数据采集模式及相应的数据处理方法，实现了对非均质生物组织仿体的弹性成像以及剪切波的可视化。 脉冲剪切波OCE技术通过OCT相位的变化来识别波的传播，但是并不需要对相位进行精确计算，从而降低了对OCT系统本身相位稳定性及测试环境的要求。该技术的加载和测试方法简单易行，不需要对生物组织进行切割或夹持，为生物组织的弹性测试提供了新的技术手段。结合相应的生物力学理论，该技术有望进一步发展为非线弹性生物组织力学性能的测试技术，并有潜力转化到皮肤等疾病诊治的临床应用。

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