[发明专利]一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法

摘要

一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法，利用脉冲气流诱导角膜产生形变，通过Phs‑OCT探测角膜内弹性波的传播情况，除了传播速度外，还提取弹性波的中心波长以及传播过程中的能量衰减系数，从而估算角膜组织的粘弹性。本发明充分利用弹性波的传播特点，除了利用弹性波传播速度估算软组织的弹性模量外，还综合利用弹性波的能量衰减系数及中心角频率，来提取软组织的粘性系数，利用弹性波能量衰减特点，通过曲线拟合来提取弹性波能量衰减系数；同时，将不同位点不同时刻的相位信息进行二维傅里叶变换，得到空间频谱信息，从而提取弹性波的中心角频率；将弹性波能量衰减系数及中心角频率结合在一起，从而估算软组织粘性系数。

主权项

1.一种基于喷气式光学相干弹性成像技术无创测量角膜粘弹性的方法，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)多普勒相位分辨算法应用：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，即式(4‑1)：对相邻两个A‑line做互相关，则可得到相位信息，如下式(4‑2)：(3)角膜生物力学模型构建：利用常用的Kelvin–Voigt模型来表征角膜组织的弹性和粘性的关系，即两者处于平行关系，根据Kelvin–Voigt模型中粘弹性关系，可获得如下公式(4‑3)，μ＝μ₁+iωζ   (4‑3)；其中μ为粘弹性系数，μ₁为剪切模量，ω为弹性波的角频率，ζ为剪切粘度；而弹性模量E与剪切模量μ₁的关系如下式(4‑4)，E＝2(1+υ)μ₁   (4‑4)；弹性波的传播速率C(ω)与剪切模量μ₁，角频率ω和剪切粘度ζ的关系如下式(4‑5)：其中ρ为软组织密度，当软组织剪切粘度ζ远小于剪切模量μ₁时，上述公式可简化为式(4‑6)，而弹性波传播过程中的能量衰减系数α(ω)满足如下公式(4‑7)：(4)角膜粘弹性估算：根据角膜生物力学数学模型，在角膜组织密度ρ以及泊松比υ一定的条件下，获取弹性模量E和剪切粘度ζ的前提是需要明确弹性波速度C(ω)、弹性波的中心角频率ω以及弹性波能量衰减系数α(ω)；假设OCE的扫描参数设置如下，M‑B模式中M模式值设为m，B模式值设为n，相邻A‑line的时间间隔为T，则根据Phs‑OCT算法，角膜上第i个位点第j条A‑line所对应的相位为则取第i个位点的最大相位来表征弹性波的传播情况，则满足如下关系式(4‑8)：其中max函数是取最大值，而m为第i位点总共扫描的A‑line条数，同时将所对应的j定义为mj_i(z)，第i位点位置为x_i，由于角膜组织横断面的局部范围内是均一的，因此弹性模量E保持不变；将mj_i(z)作为横坐标，位点x_i作为纵坐标，绘制成mj_i(z)‑x_i散点图，利用最小二乘法可求得斜率a；则弹性波速度C(ω)可表示为式(4‑9)：而弹性波的能量Q与其振幅平方成正比，而振幅与相位成正比，因此弹性波能量Q与相位平方成正比，即式(4‑10)，而第i位点处的弹性波能量Q_i满足如下关系式(4‑11)：其中Q₀为初始弹性波能量，为常数；利用来表征弹性波能量Q_i，则已知和x_i，即可通过曲线拟合获得衰减系数α(ω)；而中心角频率ω可通过对进行频谱分析获得，即对进行二维傅里叶变换(FFT2)，可得到频谱信息SP_k,f，如式(4‑12)，其中k为波数，f为频率。则取SP_k,f最大值所对应的f为中心频率f_c，则可得式(4‑13)，ω＝2πf_c   (4‑13)；综上，可依次求得弹性波速度C(ω)、弹性波的中心角频率ω以及弹性波能量衰减系数α(ω)，从而估算出角膜组织的弹性模量E和剪切粘度ζ。