基于磁動光學相干彈性成像的組織力學特性評估*

肖婷,榮子琦,覃茜,張新宇

(深圳大學 醫學部 生物醫學工程學院,深圳518060)

0 引言

組織的生物力學特性能夠反映組織生理性或病理性改變,可用于疾病的診斷與療效評估。彈性成像的基本原理是對生物組織施加一個內部或者外部的激勵,使組織產生位移、應變等響應,再利用超聲、磁共振或光學相干層析成像(optical coherence tomography, OCT)等獲取組織的響應,進而評估組織的力學特性。光學相干彈性成像(optical coherence elastography, OCE)是彈性成像的一種,也是OCT技術的功能擴展。它通過相位敏感OCT (phase-sensitive OCT, PhS-OCT)技術檢測組織運動,具有微米級的空間分辨率,能捕捉納米級的位移信號[1],在眼科[2-4]、皮膚科[5-7]、動脈血管[8-9]和顯微成像領域有著顯著優勢。

磁動光學相干彈性成像(magnetomotive optical coherence elastography, MM-OCE)是以磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles, MNPs)作為激勵源的一種OCE技術[10-11],原理是利用外部磁場驅動組織內的磁性粒子產生動態機械運動,隨后OCT獲取負載MNPs組織的微小振動信號并進行分析,提取特定參數以反映組織的生物力學特性。Oldenburg等[12]于2008年發布了首個基于相敏OCT的MM-OCT系統。2009年Crecea[13]提出了MM-OCE技術,通過組織的共振頻率表征其力學特性。2016年Huang等[14]報道了以MNPs作為治療劑的黑色素瘤磁熱療過程中,通過MM-OCE檢測硬度改變以評估熱劑量。

本研究基于譜域光學相干層析成像(spectral domain optical coherence tomography, SD-OCT)系統搭建了開放型磁動光學相干彈性成像平臺,利用掃頻信號激勵來獲取負載MNPs組織的共振頻率。在此基礎上,開展明膠仿體實驗和離體豬眼角膜實驗,以驗證MM-OCE的可行性,并探索基于MM-OCE評估角膜力學特性的可能性。

1 方法和原理

1.1 原理

負載MNPs的樣品受磁場力驅動產生振動的過程,可描述為單自由度質量-黏彈性系統的受迫振動,系統由一個質量塊(m),與之耦合的彈簧(彈簧常數k)和黏性阻尼器(阻尼常數c)組成。當系統受到角頻率ω,幅度F0的簡諧磁場力的激勵,系統的動力學方程如下[15]:

(1)

(2)

(3)

對于相似成分和結構的組織或樣品,假設樣品的質量m和阻尼系數c相同或相近,則共振頻率取決于系統的彈簧系數,即反映MNPs周圍介質的力學特性。共振頻率越高,表明硬度越大[14]。

因此,對MNPs施加掃頻磁場激勵時,負載MNPS的樣品振幅在接近共振頻率時會出現最大值,利用PhS-OCT技術[16]檢測樣品局部振動位移,確定其共振頻率。該方法適用于具有相似成分和結構的同類組織或樣品的硬度評估,可半定量地區分同類樣品之間的硬度差異或同一樣品中不同區域間的硬度差異。

1.2 方法

1.2.1MM-OCE測量平臺構建 本研究構建了基于半開放式的MM-OCE實驗平臺,由SD-OCT采集模塊和線圈激勵模塊構成,系統結構見圖1。SD-OCT采集模塊是一個基于邁克爾遜干涉儀的光學相干層析成像系統(由深圳莫廷醫療科技公司開發),核心器件包括中心波長850 nm的寬帶光源(SLD850s-A10W, Thorlabs, 美國)、光譜儀(HighRes-850, 莫廷,中國)、CMOS線陣相機(EV71Y01SUB221,Optoplus, Teleydyne-e2v, 英國)等。該系統軸向分辨率7 μm,橫向分辨率20 μm,在空氣中成像深度3.2 mm,A線掃描速率在1～80 kHz范圍內可調。線圈激勵系統主要包括螺線管線圈、線圈電源以及冷水機。其中,線圈電源由信號發生器和功率放大器組成。信號發生器的一路輸出接功率放大器驅動線圈;另一路輸出信號作為OCT采集的外觸發信號,用于同步磁場激勵和OCT采集。冷水機的作用是防止線圈過熱,對實驗造成不良影響。定制的線圈內徑30 mm,外徑70 mm。線圈電阻0.45 Ω,當頻率為40 Hz,電流為30 A,電壓為20 V時,軸向磁場能達到749 G。功率放大器最大輸出峰值電流為40 A,最大輸出峰值電壓為40 V,最大輸出功率為1 600 W。

圖1 系統結構示意圖

1.2.2PhS-OCT數據處理 將采集到的原始光譜數據I(k)經過去直流、重采樣等預處理操作后,進行傅里葉變換, 即可得到樣品的深度信息[16]:

I(z)=FT[I(k)]=M(z)exp[iφ(z)]

(3)

其中,M(z)是用于重建OCT結構圖像的幅值,φ(z)是深度z處的隨機相位。當MNPs帶動組織振動,組織的z方向上各點光程差隨時間發生變化,引起OCT干涉信號的相位變化。由式(4)可知,計算相鄰掃描時間的信號的相位差,可獲得深度z處組織的振動位移波形Δφ(z,t):

Δφ(z,t)=angle[I(z,tj)I*(z,tj-1)]

(4)

其中,*表示共軛復數,tj和tj-1表示第j次和第j-1次A線掃描對應的時刻。

最后,對振動位移波形進行頻譜分析,得到頻譜圖中最大共振峰對應的頻率,將其確定為樣本的共振頻率,并作為一種生物指標,半定量地反映組織的生物力學差異或變化。

1.2.3仿體驗證實驗 使用明膠和純水制作質量比分別為10%、15%、20%、25%的四種明膠溶液20 mL,加入預先配置的10 mg/mL的MNPs(Fe3O4,10～30 nm, MACKLIN)分散液20 mL,混合攪拌冷卻,直至凝固。將仿體切成10 mm×10 mm×10 mm的正方體,放置在線圈中心。激勵信號為50～500 Hz的掃頻信號,激勵電流設置為15 A。在M-mode下OCT以10 kHz的A線掃描速率采集20 000根A線數據,采集時間為2 s。每個樣品上隨機選擇20個點位采集數據,計算共振頻率。

2 結果

2.1 負載MNPs的仿體振動定性驗證

利用單一頻率激勵線圈對負載MNPs的組織振動進行系統驗證。采用M-mode進行數據采集,A線掃描速率設為10 kHz,對同一個點重復采集60 000根 A線,采集時間為6 s。信號發生器延遲時間設置為1 s,激勵信號為10個周期的2 Hz方波信號。OCT信號采集與線圈激勵同步進行。仿體樣品的B-mode截面為彩色圖,見圖2(a),掃描寬度為6 mm,圖中紅色虛線表示進行M-mode掃描的采樣點位。圖2(b)是反映采樣點振動過程的幅值-時間圖。B on與B off分別表示磁場的開啟與關閉。如圖所示,經過1 s的延遲后,樣品受到外部磁場激勵開始周期性振動。圖3(a)為振動的波形信號,可見延遲1 s后振動10個周期,表明位移曲線中周期數以及延遲時間都與激勵信號相吻合。圖3(b)對振動曲線進行傅里葉分析,顯示其振動頻率為2 Hz,與設置的激勵頻率一致,驗證了該MM-OCE系統可實現激勵與采集同步,且算法提取的振動波形與實際吻合。

圖2 仿體振動定性驗證結果(a).仿體的B-mode截面圖;(b).采樣點位的M-mode振動曲線

圖3 仿體的振動相位差信息

2.2 明膠仿體的機械共振頻率測量

為測量明膠仿體的機械共振頻率,實驗采用掃頻信號激勵線圈,掃頻范圍為50～500 Hz,OCT的A線掃描速率設為10 kHz,采集時間為2 s。圖4(a)、(b)為4種不同濃度的明膠仿體的頻譜圖和共振頻率的箱式統計圖。表1為4種濃度仿體的機械共振頻率結果。結果顯示,隨明膠濃度的增大,其機械共振頻率呈遞增趨勢,說明其硬度增大;各濃度仿體之間的機械共振頻率均有顯著性差異(P<0.05),顯示機械共振頻率能夠有效地區分不同仿體之間的硬度差異。

圖4 明膠仿體的MM-OCE結果分析

表1 不同濃度仿體的機械共振頻率

2.3 離體豬角膜的力學特性評估

實驗中新鮮完整的豬眼球來自深圳南山區肉聯廠。角膜膠原交聯使用化學類交聯方法[17],利用戊二醛(Glutaraldehyde,25% in H2O,MACKLIN)作為交聯劑。實驗采用不同濃度的戊二醛對角膜進行硬化處理。測量前,用25%濃度的戊二醛溶液與PBS緩沖液稀釋分別配置20 mL的5%、10%以及20%的戊二醛溶液。將12只新鮮眼球分成4組,分別用PBS緩沖液及3種濃度的戊二醛溶液浸泡5 min,隨后在30 mg/mL的磁納米粒子溶液中浸泡10 min后進行MM-OCE實驗。實驗過程中,每個角膜隨機選10個點采集數據,M-mode掃描,A線掃描頻率為10 kHz,采集時間2 s。激勵電流設置為15 A,掃頻范圍為30～300 Hz。實驗中眼球實物與角膜的OCT截面B-mode圖,見圖5。不同濃度戊二醛處理的角膜位移頻譜分析和共振頻率的箱式圖結果,見圖6。表2列出了不同濃度戊二醛處理的角膜共振頻率。結果顯示,戊二醛濃度越高,處理后離體豬角膜的共振頻率越高。統計學分析結果顯示:4組角膜樣本的共振頻率的結果之間均有顯著性差異(P<0.05)。以上結果表明,膠原交聯處理中使用的戊二醛濃度越大,對角膜的硬化效果越強。共振頻率參數能夠區分交聯處理后角膜硬度的差異。該實驗結果與基于超聲彈性成像方法的角膜硬度評估結果相吻合[17-18]。表明該方法對角膜的力學特性評估具有應用潛力。

圖5 豬眼球實驗過程

表2 不同濃度戊二醛交聯的角膜共振頻率

圖6 角膜MM-OCE結果分析Fig.6 MM-OCE results of corneal collagen cross-linking

3 結論

本研究設計開發了開放型磁動光學相干彈性成像研究平臺,基于該平臺進行了初步的仿體驗證實驗和離體豬角膜實驗,利用掃頻信號激勵來確定樣品的共振頻率,從而表征其力學特性。結果表明,硬度越大的明膠仿體,其機械共振頻率越高;經過戊二醛硬化處理后,離體豬角膜的共振頻率增大,且使用的戊二醛濃度越高,角膜的共振頻率越大。這說明采用該系統能夠反映生物組織硬度的差異,實現組織生物力學特性的半定量評估。離體豬角膜實驗展示了MM-OCE方法作為一種評估角膜硬度的新方法的可能性,未來有望在眼科臨床中得到應用。