本發(fā)明涉及晶狀體光學相干彈性成像和全范圍成像光學相干層析成像技術，尤其是涉及到一種采用譜域光學相干層析成像技術并結合相位敏感檢測技術對晶狀體的生物力學特性和光學特性信息進行無創(chuàng)在體成像和測量的系統和方法。

背景技術：

晶狀體是眼睛重要的屈光介質之一，其生物力學和光學特性(如彈性、屈光力和折射率等)的生理性和病理性改變將導致眾多眼科疾病的發(fā)生發(fā)展，譬如老視和白內障。白內障是全球首位致盲性眼病。老年化是其最常見的病因且年齡越大發(fā)病率越高。隨著人口壽命的延長，白內障帶來的社會影響也將日益擴大。白內障主要是由于晶狀體蛋白質變性使得晶狀體混濁所導致，其具體發(fā)病機制尚不明確，但被認為與晶狀體彈性模量及晶狀體纖維的填密度有關。在白內障形成過程中，晶狀體核硬度和顏色會同時發(fā)生改變，且兩者密切相關，所以目前臨床上對晶狀體核硬度的分級主要是參照emery及l(fā)ittle晶狀體核分級標準，通過裂隙燈照片中晶狀體核顏色進行預判。然而，年齡與晶狀體核硬度也有密切關系，晶狀體顏色相同的白內障，80歲患者的晶狀體核硬度顯然要比60歲的要硬得多。因此，單從晶狀體核顏色判定白內障程度及晶狀體硬度存在一定的不準確性。而對于白內障類型判定和超聲乳化手術中超聲能量的選擇來說，晶狀體核硬度的精確定量檢測至關重要，因為在手術中，晶狀體核越硬，所需的超聲能量越大，操作時間越長，發(fā)生手術并發(fā)癥的可能性也越大。所以，實現晶狀體生物力學和光學特性的無損在體精確成像和測量將有助于白內障和老視等晶狀體疾病的基礎研究、早期檢測、手術方案制定以及術后結果評價，具有重要的現實意義和臨床價值。

目前，常用于晶狀體疾病診斷和基礎研究的醫(yī)學成像技術主要包括超聲成像、磁共振成像、光學相干層析成像(opticalcoherencetomography，oct)、裂隙燈顯微成像等。這些傳統的成像技術大多只能實現組織的結構成像，而無法獲得組織彈性等功能信息。近年來新興的組織彈性成像技術恰是通過以上技術測量施加載荷后組織的形變量，獲得其局部力學特性分布圖，從而顯示組織的彈性和老化狀態(tài)。目前，常見的組織彈性成像技術主要是超聲彈性成像、磁共振彈性成像、光學相干彈性成像(opticalcoherenceelastography，oce)。

與超聲彈性成像和磁共振彈性成像兩種技術相比，oce技術繼承了oct技術高分辨率(1-10μm，比超聲彈性成像和磁共振彈性成像高出一個數量級)、高探測深度、高探測靈敏度、無損、非侵入式、高速實時等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。目前oce技術主要被應用于腫瘤檢測、角膜彈性測量以及動脈粥樣硬化等。結合相位敏感檢測技術，oce技術可測量納米級別的微小組織位移，從而有望實現對晶狀體等精細軟組織小幅度變形的檢測。此外，基于oct系統，還可同時實現對晶狀體光學特性信息的測量，因此可為晶狀體疾病檢測和手術處理(包括術前評估、術后監(jiān)測及效果評價)提供一種具有廣泛應用前景的潛在方案和輔助手段。

基于oct技術的oce技術是研究晶狀體生物力學和光學特性的一種非常新穎的在體實時成像技術，主要由負載(loading)系統和應變探測系統這兩部分構成，負載通常為聲輻射力、機械力、氣流等。對于眼科成像而言，使用氣流作為負載是最簡單的方式，但其僅可應用于眼表組織，而晶狀體位于眼球內部，因此，聲輻射力成為晶狀體oce成像負載的最佳選擇。

經過對現有技術的檢索發(fā)現，在k.v.larin等人的文獻(assessingthemechanicalpropertiesoftissue-mimickingphantomsatdifferentdepthsasanapproachtomeasurebiomechanicalgradientofcrystallinelens,biomedicalopticsexpress,2013,4(12):2769-2780.)中，提出了利用掃頻oct和超聲負載系統的oce系統，利用超聲系統對樣本施加負載，產生聲表面波，通過相位敏感oct技術獲得相位差，從而計算得到縱向位移，進而得到組織的彈性信息。但該系統中超聲負載采用后入射方式，因此只能實現離體晶狀體樣本的單點彈性成像。而后他們在文獻(assessingage-relatedchangesinthebiomechanicalpropertiesofrabbitlensusingacoalignedultrasoundandopticalcoherenceelastographysystemage-relatedchangesinbiomechanicsoflens,investigativeophthalmologyandvisualscience,2015,56:1292-1300.)中對原有負載方式進行了改進，采用了同方向斜入射的方式，實現了離體眼球晶狀體原位彈性成像。但該系統依然存在幾個問題：1)由于系統成像深度受限，只實現了角膜到晶狀體前表面成像，無法獲得晶狀體中后段的結構和彈性信息；2)采用斜入射的負載方式，不能實現光束和超聲束同軸，其縱向形變的誘發(fā)因素多樣；3)只能實現樣本表面某個位置的彈性信息，而不是完整信息，這對于晶狀體疾病診斷和治療所需要的信息量遠遠不夠，臨床意義有限；4)未能實現在體成像，限制其在臨床領域的研究發(fā)展。

此外，晶狀體的形態(tài)學和光學特性信息，如前后表面曲率半徑、厚度、前后表面不規(guī)則度、屈光力等，以及由此構建的晶狀體地形圖，對晶狀體疾病的臨床診斷與研究也具有重大意義。因此把晶狀體的生物力學特性信息、光學特性信息、結構信息結合在一起，可為晶狀體疾病的診斷和手術治療提供更完整、更全面的信息。但迄今為止，在現有技術和設備中尚未發(fā)現能夠同時對晶狀體生物力學和光學特性信息進行無創(chuàng)在體成像和測量的系統和方法。

技術實現要素：

本發(fā)明針對現有技術存在的不足，提出了一種能實現晶狀體生物力學和光學特性無創(chuàng)、在體、高精度成像和測量的系統和方法。該系統采用超聲換能器發(fā)出的聲脈沖輻射力作為外部負載，并結合相位敏感oct技術，實現對晶狀體生物力學和和光學特性的超靈敏、無創(chuàng)、在體、快速、實時檢測。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現：

本發(fā)明晶狀體生物力學和光學特性無創(chuàng)在體成像系統，由超聲負載系統和譜域oct系統組成；所述的譜域oct系統包含光源、光纖耦合器、樣品臂、參考臂、光譜儀和控制計算機；光源提供的光束被光纖耦合器分成兩束，分別進入樣品臂和參考臂；樣品臂返回的樣品背向散射光和參考臂返回的參考光經過光纖耦合器形成干涉光信號后輸出至光譜儀，所述的光譜儀將采集得到的實數形式干涉光譜信號輸入到控制計算機。

所述的樣品臂包括第一偏振控制器、第一準直透鏡、x-y掃描振鏡系統和掃描透鏡，由光纖耦合器輸出的光束經由第一偏振控制器進入第一準直透鏡，從第一準直透鏡出射的準直光束再先后經過x-y掃描振鏡系統和掃描透鏡聚焦到晶狀體或眼前節(jié)；所述的x-y掃描振鏡系統包括x-掃描振鏡、y-掃描振鏡、驅動x-掃描振鏡和y-掃描振鏡的電機及控制電機的控制面板；控制計算機負責對控制面板進行控制。

所述的參考臂包括第二偏振控制器、第二準直透鏡、色散補償塊、可調機械狹縫和反射鏡。由光纖耦合器輸出的光束經由第二偏振控制器進入第二準直透鏡，經第二準直透鏡準直的出射光束依次通過色散補償塊和機械可調狹縫后，垂直入射到反射鏡上；從反射鏡返回的參考光，沿原路返回至光纖耦合器。

所述的光譜儀包括第三準直透鏡、光柵、成像透鏡和線陣相機。從光纖耦合器出射的干涉光經由第三準直透鏡準直后出射進入光柵被分成多個波段的單色光，經成像透鏡聚焦到線陣相機上，形成干涉光譜。

所述的超聲負載系統包括超聲探頭和脈沖發(fā)生器；所述的超聲探頭為中空結構；超聲探頭由脈沖發(fā)生器驅動，脈沖發(fā)生器由控制計算機控制。超聲波通過眼杯進入眼球；眼杯中設置耦合劑。超聲探頭和掃描透鏡中心軸線同軸設置。

所述的光源采用近紅外寬帶光源。

所述的x-掃描振鏡和y-掃描振鏡進行線性等角度掃描。

所述的耦合劑為生理鹽水。

所述的超聲探頭中心頻率為1～20mhz，內徑為20～30mm。

本發(fā)明運用晶狀體生物力學和光學特性無創(chuàng)在體成像系統進行成像和測量的方法如下：在超聲負載系統作用下，晶狀體發(fā)生形變；由光源發(fā)出的光束經光纖耦合器，分別輸出到樣品臂和參考臂，進入樣品臂的光束先后經第一偏振控制器、第一準直透鏡、x-y掃描振鏡系統和掃描透鏡聚焦到晶狀體或眼前節(jié)；進入參考臂的光束先后第二偏振控制器、第二準直透鏡準直、色散補償塊和機械可調狹縫，并垂直入射到反射鏡上；樣品臂返回的樣品背向散射光和參考臂返回的參考光經過光纖耦合器形成干涉光信號后輸出至光譜儀，光譜儀將采集得到的實數形式干涉光譜信號輸入到控制計算機。控制計算機利用消共軛技術和相位敏感檢測技術對譜域oct系統獲取的干涉光譜信號進行處理得到晶狀體深度方向上的應變分布，進而重建出晶狀體的生物力學特性分布圖；另外，控制計算機利用消共軛技術重建全眼前節(jié)oct結構圖像，對全眼前節(jié)oct結構圖像中的角膜前、后表面以及晶狀體前、后表面進行邊緣提取得到角膜和晶狀體的邊界信息，利用角膜和晶狀體的邊界信息進行光學折射矯正得到矯正后的全眼前節(jié)oct結構圖像，再對矯正后的全眼前節(jié)oct結構圖像中的晶狀體進行邊緣提取得到晶狀體的邊界信息，從而計算晶狀體的形態(tài)學和光學特性參數，并構建晶狀體地形圖；形態(tài)學參數包括厚度、曲率及表面不規(guī)則度，光學特性參數包括屈光力、透明度及散光軸位置。

基于矯正后的全眼前節(jié)oct結構圖像計算角膜參數和前房參數；角膜參數包括曲率、厚度和角膜地形圖；前房參數包括前房深度和前房角。

消共軛技術的具體實施過程如下：

通過將樣品臂上的入射光束偏離x-掃描振鏡和y-掃描振鏡樞軸點的方法使相鄰的a-scan信號產生相移，實現橫向傅里葉變換后的干涉光譜信號實像和共軛像的頻譜分離，然后通過帶通濾波去除共軛像，再經由橫向傅里葉反變換重構復數形式的干涉光譜信號；

全眼前節(jié)oct結構圖像的重建過程具體如下：

對消共軛技術得到的復數形式干涉光譜信號，進行軸向傅里葉變換，對變換結果的幅度信息進行提取，得到消除鏡像的深度方向上的結構信息，從而得到全眼前節(jié)oct結構圖像；

利用相位敏感檢測技術重建晶狀體生物力學特性分布圖的過程具體如下：

對消共軛技術得到的復數形式干涉光譜信號進行軸向傅里葉變換，對變換結果進行相位提取，得到與晶狀體的形變程度相關的相位值；通過計算施加超聲負載前后相位差值利用公式求得晶狀體的形變量uz，其中，λ為光源的平均波長，n為晶狀體折射率。根據形變量uz計算得到晶狀體的彈性模量和剪切粘度，從而得到某個位置沿深度方向的生物力學特性分布；僅x-掃描振鏡振動而y-掃描振鏡不動時重建出二維晶狀體生物力學特性分布圖，x-掃描振鏡和y-掃描振鏡配合振動時重建出三維晶狀體生物力學特性分布圖。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的技術效果：

(1)本發(fā)明不僅能同時實現晶狀體的結構和生物力學特性成像，亦能實現對眼前節(jié)其他組織的高分辨率結構成像，因此能夠為臨床眼科疾病，特別是晶狀體疾病，提供實時、準確的多元信息。目前還未見同時針對二者進行探測的系統與方法。另外，通過改變系統樣品臂光路及超聲負載作用位置，本發(fā)明應用可不局限于晶狀體，亦可實現對其他眼組織(如角膜、視網膜)等的生物力學特性成像和測量。

(2)對于眼科成像而言，使用氣流作為負載是最簡單的方式，但其僅可應用于眼表組織，而晶狀體位于眼球內部，因此，聲輻射力成為晶狀體oce成像負載的最佳選擇。本發(fā)明采用的負載方式為連續(xù)分布的超聲，超聲的方向和成像光束一致，作用區(qū)域也和成像區(qū)域一致，使得彈性成像操作更簡單，結果更準確，安全性也較高。而現有文獻提出的斜入射的超聲負載(負載方向與光束方向不一致，單點測量)，則會同時引起晶狀體軸向和橫向的應變，且二者相互耦合，使得任一方向的計算結果均不準確。

(3)本發(fā)明可實現瞳孔區(qū)域下的晶狀體成像，而現有系統只針對晶狀體前表面的某一點進行一維測量。本發(fā)明中譜域oct系統的采集速度和成像深度，完全可以實現瞳孔區(qū)域下整個晶狀體結構和生物力學特性的在體二維或三維成像，同時亦可獲得二維或三維全眼前節(jié)oct結構圖像。

(4)本發(fā)明采用相位敏感oct技術實現對晶狀體形變的探測，其靈敏度可達nm級別。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的信號處理和圖像重建原理圖；

圖3本發(fā)明的掃描光路及超聲探頭結構圖。

圖中，1.光源、2.光譜儀、3.參考臂、4.樣品臂、5.光纖耦合器、6.脈沖發(fā)生器、7.控制計算機、8.第三準直透鏡、9.光柵、10.成像透鏡、11.線陣相機、12.第二偏振控制器、13.第二準直透鏡、14.色散補償塊、15.機械可調狹縫、16.反射鏡、17.第一偏振控制器、18.第一準直透鏡、19.x-y掃描振鏡系統、20.y-掃描振鏡(圓點為樞軸點)、21.x-掃描振鏡(圓點為樞軸點)、22.掃描透鏡、23.超聲探頭、24.眼杯、25.晶狀體、26.眼前節(jié)。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，晶狀體生物力學和光學特性無創(chuàng)在體成像系統，包括光源1、光譜儀2、參考臂3、樣品臂4、超聲負載系統和控制計算機7；光源1采用近紅外寬帶光源。由光源1發(fā)出的光信號經光纖耦合器5后分成兩路：一路進入樣品臂4，另外一路進入參考臂3。超聲負載系統由超聲探頭23和脈沖發(fā)生器6組成。

樣品臂4由第一偏振控制器17、第一準直透鏡18、x-y掃描振鏡系統19和掃描透鏡22組成。在樣品臂中4，經由第一偏振控制器17的光束進入第一準直透鏡18，第一準直透鏡18出射的準直光束先后經過y-掃描振鏡系統20、x-掃描振鏡系統21和掃描透鏡22，掃描透鏡22把光束聚焦穿過中空的超聲探頭23，到達晶狀體25或眼前節(jié)26。x-y掃描振鏡系統19包含x-掃描振鏡21、y-掃描振鏡20，驅動x-掃描振鏡和y-掃描振鏡的電機及控制電機的控制面板，由控制計算機7負責對控制面板進行控制。由晶狀體或眼前節(jié)返回的樣品光沿原路返回進入光纖耦合器5。光纖耦合器5為具有50:50分光比的2×2耦合器。

超聲負載系統中，超聲探頭23位于掃描透鏡22和晶狀體25(或眼前節(jié)26)之間，被設計成中空結構，超聲探頭23提供的超聲波通過眼杯24中耦合劑(如生理鹽水)作用于晶狀體，使之發(fā)生變形，超聲波方向與成像光束方向一致。超聲探頭23的超聲負載模式由脈沖發(fā)生器6控制，脈沖發(fā)生器6與控制計算機7相連。

參考臂3由第二偏振控制器12、第二準直透鏡13、色散補償塊14、機械可調狹縫15和反射鏡16組成。在參考臂3中，經由第二偏振控制器12的光束進入第二準直透鏡13，經第二準直透鏡13準直的出射光束依次通過色散補償塊14和機械可調狹縫15后，垂直入射到反射鏡16上。從反射鏡16返回的參考光，沿原路返回至光纖耦合器5。通過調節(jié)機械可調狹縫15的狹縫大小來確定參考臂中光強的衰減程度。色散補償塊14用于補償樣品臂中引入掃描透鏡22所帶來的參考臂3和樣品臂4之間的色散差。

返回的樣品信號光和參考光在光纖耦合器5發(fā)生干涉，干涉光信號由光譜儀2接收，并輸入至控制計算機7進行后期二維和三維組織結構和生物力學特性成像。

光譜儀2由第三準直透鏡8、光柵9、成像透鏡10和線陣相機11組成。從光纖耦合器5出射的干涉光經由第三準直透鏡8準直后出射進入光柵9被分成多個波段的單色光，經成像透鏡10聚焦到線陣相機11上，形成干涉光譜，并被傳輸至控制計算機7進行信號處理和圖像重建。

圖2為本發(fā)明的信號處理和圖像重建原理圖。運用無創(chuàng)的晶狀體生物力學和光學特性在體成像系統進行成像和測量的方法，主要是將譜域oct系統(包含光源、光纖耦合器、樣品臂、參考臂、光譜儀和控制計算機)獲得的實數形式干涉光譜信號，經由消共軛算法獲得復數形式的干涉光譜信號，提取其幅度信息，實現全眼前節(jié)oct結構圖像重建，同時將得到的復數形式的干涉光譜信號進行相位提取，結合相位敏感檢測算法實現晶狀體生物力學特性分布圖重建，具體包括以下步驟：

步驟1：確定橫向掃描范圍、掃描間距和掃描方式，計算第一準直透鏡18出射光束入射到y-掃描振鏡20和x-掃描振鏡21的位置，使第一準直透鏡18的出射光束偏離振鏡樞軸點，從而使得相鄰a-scan信號(軸向干涉光譜信號)之間存在π/2相移；

步驟2：譜域oct系統經橫向掃描后采集得到二維的b-scan信號i(k,x)，即橫向掃描信號，其中k為波數，x為橫向位置，b-scan信號由一系列a-scan信號構成；光譜儀將采集得到的實數形式干涉光譜信號輸入到控制計算機；

步驟3：控制計算機對采集得到的b-scan信號i(k,x)保持k不變，沿橫向x進行一維傅里葉變換，再利用帶通濾波器對傅里葉變換后的干涉光譜信號實像f(k,u)和共軛像f^*(k,u)進行濾波，再對濾波后的f(k,u)保持k不變，沿橫向x進行一維傅里葉反變換，從而構建每個a-scan信號的復數形式，得到b-scan信號的復數形式其中，u為橫向空間頻率，與橫向位置x互為傅里葉變換對。

步驟4：對復數形式的干涉光譜信號保持x不變，沿軸向k進行一維傅里葉變換，對變換結果i(z,x)的幅度信息進行提取，其中z為軸向位置，與波數k互為傅里葉變換對，得到消除鏡像的深度方向z上的結構信息a(z,x)，y-掃描振鏡20不進行縱向掃描時可重建出二維全眼前節(jié)oct結構圖像，y-掃描振鏡20進行縱向掃描時可重建出三維全眼前節(jié)oct結構圖像；基于獲得的二維全眼前節(jié)oct結構圖像或三維全眼前節(jié)oct結構圖像，通過光學折射矯正和邊緣提取得到晶狀體的邊界信息，進而計算晶狀體的形態(tài)學和光學特性參數，并構建晶狀體地形圖；形態(tài)學參數包括厚度、曲率及表面不規(guī)則度，光學特性參數包括屈光力、透明度及散光軸位置。

步驟5：對復數形式的干涉光譜信號保持x不變，沿軸向k進行一維傅里葉變換，對變換結果i(z,x)進行相位提取，得到與晶狀體的形變程度相關的相位值通過計算施加超聲負載前后相位差值利用公式求得晶狀體的形變量uz，其中，λ為光源的平均波長，n為晶狀體折射率。

步驟6：將晶狀體視作一個多層結構的粘彈性介質，同時做出如下假設：1)晶狀體每層結構均勻并且不可壓縮(voigtbody)；2)超聲是一種軸對稱輻射力作用于介質上表面；3)層內力學參數(包括楊氏彈性模量、剪切粘度)和密度被認為是常量。利用運動方程對晶狀體受力情況進行建模，其中m為等效質量，c為粘度系數，k1為等效彈簧剛度，y(t)為形變量；通過對運動方程解逆，得到運動方程的解析解。再根據以上假設，可得到晶狀體的理論位移函數yz，如公式所示：其中yz(r,z)是自變量α從0到正無窮的積分，其中，e為楊氏彈性模量，ρ為密度，η為剪切粘度，為角頻率，r，z分別為晶狀體某點在圓柱坐標系內的徑向距離和高度，j0為0階貝塞爾函數，a1，a2，b1，b2由設定的邊界條件得到；通過最小化晶狀體同一位置的形變量uz與理論位移量yz的差值，可得到待求量楊氏彈性模量e和剪切粘度η，再利用e＝3μ,可得到剪切彈性模量μ，因此得到相應位置的多種生物力學特性信息，從而重建得到晶狀體生物力學特性分布圖；最小化過程采用梯度迭代算法實現。

利用消共軛技術實現對共軛鏡像的消除，使得譜域oct系統成像深度加倍，實現oct的全范圍(full-range)成像，從而實現從角膜前表面至晶狀體后表面的全眼前節(jié)oct成像。利用相位敏感檢測技術得到晶狀體深度方向上的應變信息，從而實現晶狀體生物力學特性成像。

圖3是本發(fā)明的橫向掃描光路和超聲探頭結構圖。入射準直光束由x-掃描振鏡偏轉后入射到掃描透鏡，并經歷中空的超聲探頭23聚焦于晶狀體上；掃描驅動信號控制x-掃描振鏡振動到a、b、c位置，相應的入射光束則聚焦到焦平面處晶狀體的不同位置點a’、b’、c’。

上述具體實例方式用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制。在本發(fā)明的精神和權力要求的保護范圍內，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。