晶状体的生物力学特性与其生理功能及多种眼科疾病的发病机理密切相关。然而，由于晶状体位于眼球内部且透明，实现对其杨氏模量的三维定量无损测量一直是生物医学光学领域的重大挑战。本研究首次提出将光学相干弹性成像（OCE）的定量能力与布里渊显微镜的深度分辨能力相结合，首次实现了对透明晶体状体全深度、定量、微米分辨率的三维生物力学绘图，为晶状体力学特性的在体研究开辟了新途径[1]。
OCE技术能够直接、快速地定量测量组织的杨氏模量，但其基于光学相干断层成像（OCT）原理，依赖背向散射信号。晶体状体作为高度透明的组织，内部散射极弱，导致OCE难以获取其内部深处的信号，通常仅限于表面测量。现有的测量技术无法在无损条件下，精确绘制出晶体状体从皮质到核部的三维杨氏模量分布图。这限制了对老花眼、白内障等疾病进程中力学性质变化的深入理解。而布里渊显微镜利用自发布里渊散射，能对透明样品进行微米分辨率的三维成像，获取其纵向模量，或称为布里渊模量（Brillouin modulus）。然而，布里渊模量与临床中广泛使用的杨氏模量之间的转换关系复杂且依赖于样本的特定属性，无法直接定量测量。
本研究首次提出将OCE的定量能力与布里渊显微镜的深度分辨能力相结合，将OCE作为基准标定布里渊测量结果，实现基于样本的个性化校准，从而将布里渊显微镜的全局测量数据定量化为杨氏模量。
本研究使用的布里渊显微镜结构如图1所示，主要包括激光光源、VIPA光谱仪、载物台与配套光路等。显微镜光源波长660 nm，样本上光功率约为24 mW，横向分辨率～6 μm，轴向分辨率～70 μm。显微镜沿晶状体轴向扫描范围～ 7 mm，步长10 μm，横向扫描范围～ 50 μm，步长2 μm。在布里渊显微镜测量后，立即测量相同样品的OCE信号。
图1 本研究使用的布里渊显微镜原理图[1]
OCE由一套OCT系统和一台空气脉冲发生器组成，原理图如图2所示。本文使用1310 nm相位稳定扫频源OCT系统，利用聚焦微气脉冲激发表面弹性波，通过OCT高速扫描采集波传播数据，利用互相关算法计算波速，再通过表面波方程反演杨氏模量。
图2 本研究使用的OCE原理图[1]
本文首先利用两套系统，测量了不同浓度明胶模型的杨氏模量与布里渊模量，建立适用于明胶模型的杨氏模量-布里渊模量转换关系，完成基础原理验证。本文制备了不同浓度（6%， 10%， 12%）的明胶仿体（N = 9），其杨氏模量通过单轴力学测试（金标准）验证，随后分别由OCE和布里渊显微镜测量杨氏模量、布里渊模量。
在明胶模型上，OCE测得的杨氏模量与力学测试结果无统计学差异（p = 0.055），证明了OCE测量的准确性，如图3（a）所示。杨氏模量与布里渊模量高度相关（R = 0.98），在不同浓度明胶模型中测量结果如图3（b）所示。图3（c）展示了明胶模型中布里渊模量-杨氏模量的对应关系，一般布里渊模量M与杨氏模量E满足经验公式：log(M) = alog(E) + b。本文测量结果显示明胶模型中a = 0.07, b = 9.05。
图3 不同浓度明胶模型的（a）OCE与力学方法测量杨氏模量结果 （b）杨氏模量、布里渊模量测量结果（c）布里渊模量-杨氏模量对应关系[1]
随后使用离体猪晶状体（N=6）作为模型，分别测量杨氏模量与布里渊模量。考虑到晶状体的非均匀特性，本文没有简单地将OCE表面测量值与整个深度的布里渊平均值关联，而是通过计算弹性波的功率加权平均频率，确定其穿透深度（约1个波长），并仅在此深度范围内对布里渊模量作平均，再与OCE测得的杨氏模量关联。这种方法极大地提高了校准的物理准确性和可靠性。本文对离体猪晶状体的测量结果如图4（a）所示，根据经验公式log(M) = alog(E) + b拟合，结果显示离体猪晶状体中a = 0.13, b = 9.13。
图4 离体猪晶状体的（a）杨氏模量、布里渊模量测量结果 （b）布里渊模量-杨氏模量对应关系[1]
利用OCE校准参数后，将三维布里渊模量分布[图5（a）]全域转换为杨氏模量分布，得到杨氏模量随轴向深度的变化如图5（b）所示。可见猪晶状体不同深度上杨氏模量存在显著差别，晶状体核杨氏模量显著高于前后表面[图5（c）]。中心区域（4-5 mm）杨氏模量为11.90 ± 2.94 kPa；前部（0-1 mm）和后部（7-8 mm）杨氏模量分别为1.98 ± 0.74 kPa 和2.93 ± 1.13 kPa。统计检验证实，核部与前部、后部的刚度差异极显著（p = 0.005），而前部与后部之间无显著差异（p = 0.230）。
图5 离体猪晶状体的（a）布里渊模量三维地图（b）杨氏模量随深度的轴向变化 （c）前、后部与晶状体核的平均杨氏模量 [1]
本研究成功验证了一种多模态光学弹性成像框架，通过融合OCE与布里渊显微镜，首次实现了对透明晶体状体全深度、定量、微米分辨率的三维生物力学绘图，为在体研究年龄及相关疾病对晶状体力学特性的影响开辟了新途径。
参考文献：
[1] Yogeshwari S. Ambekar, Manmohan Singh, Jitao Zhang, Achuth Nair, Salavat R. Aglyamov, Giuliano Scarcelli, and Kirill V. Larin, Biomed. Opt. Express 11, 2041-2051 (2020)