Table of Contents

Оптическая когерентная эластография (ОСЕ) появилась как неинвазивная техника высокого разрешения для отображения механических свойств материалов и биологических тканей. Комбинируя возможности визуализации с разрешением глубины Оптической когерентной томографии (ОКР) с эластографическими принципами, OCE позволяет оценивать жесткость, эластичность и вязкоупругость в масштабах микрометров. Недавние инновации в источниках света, схемах обнаружения и вычислительном анализе продвинули OCE от исследовательского любопытства к надежному инструменту с трансформационным потенциалом как в клинической диагностике, так и в материаловедении. В этой статье рассматриваются последние достижения, рассматриваются ключевые приложения и обсуждается траектория развития OCE.

Основы эластографии оптической когерентности

Чтобы оценить инновации, меняющие OCE, важно понять его основополагающие принципы. OCE измеряет механическую реакцию образца, применяя небольшую силу - часто акустическую, механическую или тепловую - и визуализируя результирующее смещение с использованием OCT. Поле смещения затем преобразуется в карту механических свойств, таких как модуль Юнга или модуль сдвига. В отличие от традиционной ультразвуковой эластографии, OCE обеспечивает превосходное пространственное разрешение (1-10 мкм) и может отображать через рассеивающие среды до глубин 1-2 мм. Это делает его идеальным для оценки тонких тканей, таких как кожа, роговица и артериальные стенки, а также инженерные материалы с тонкими микроструктурами. За последнее десятилетие OCE перешла от демонстрации доказательств концепции к сложным системам, способным к высокоскоростной количественной визуализации .

Достижения в технологии визуализации

Последние разработки в технологии источника света были основным драйвером инноваций OCE. Ранние системы полагались на сверхлюминесцентные диоды с ограниченной пропускной способностью, ограничивая осевое разрешение до ~10-15 мкм. Введение ультраширокополосных источников света, таких как лазеры с прометенным источником и источники суперконтинуума, подтолкнуло разрешение в режим суб-5 мкм при одновременном увеличении глубины проникновения. Например, более длинные центральные длины волн в диапазоне 1300 нм уменьшают рассеяние в биологических тканях, позволяя визуализировать до 2 мм в глубину. Это улучшение позволяет OCE исследовать более глубокие слои кожи, хряща и инженерных лесов с беспрецедентной четкостью. Кроме того, развитие высокоскоростных лазеров с пропущенной длиной волны ускорило скорость A-сканирования за 1 МГц, что позволяет захватывать переходные механические волны в режиме реального времени . Более высокое временное разрешение означает, что OCE теперь может измерять вязкоупругие свойства, анализируя частотно-зависимую реакцию, открывая новые возможности для

Ультраширокополосные источники света

Ультраширокополосные источники не только улучшают разрешение, но и повышают отношение сигнал/шум за счет уменьшения пятен и увеличения длины когерентности. Это имеет решающее значение для низкодеформированных применений, таких как оценка механических свойств тонких клеточных культур или тонких полимерных пленок. Последние коммерческие системы интегрируют источники суперконтинуума с модулями компенсации дисперсии, позволяя исследователям достигать стабильных, воспроизводимых измерений без сложных пользовательских настроек.

Адаптивная оптика и глубокое разрешение изображений

Технологии адаптивной оптики (АО), заимствованные из астрономии и микроскопии, в настоящее время интегрируются в ОСЕ для коррекции аберраций, вызванных образцом. Компенсируя поверхностные вариации и несоответствия индекса преломления, АО-ОСЕ сохраняет высокое разрешение даже у гетерогенных образцов. Это особенно ценно для визуализации in vivo сетчатки и роговицы, где естественная кривизна и слезная пленка искажают волновой фронт. В сочетании с когерентным обнаружением эластограммы с разрешением глубины могут быть извлечены из конкретных слоев, что позволяет картировать жесткость в многослойных тканях, таких как кожа и кровеносные сосуды.

Усовершенствованные алгоритмы обработки данных

Сырые данные OCE содержат сложные поля смещения, которые требуют сложной обработки для извлечения надежных механических параметров. Инновации в вычислительных алгоритмах, особенно в тех, которые используют машинное обучение (ML), изменили скорость и точность анализа OCE. Традиционные фазово-чувствительные методы полагаются на алгоритмы на основе корреляции для оценки смещения, которые являются чувствительными к шуму и вычислительно дорогими. Сети глубокого обучения, такие как U-Nets и сверточные нейронные сети (CNN), теперь могут напрямую реконструировать карты жесткости из необработанных спектральных оконечностей, сокращая время обработки от минут до миллисекунд (Ge et al., Biomed. Opt. Express 2019) .

Машинное обучение для реконструкции эластограммы

Одним из наиболее эффективных нововведений является использование физико-информированных нейронных сетей (PINN) для решения проблемы обратной эластичности. Эти сети включают управляющие уравнения линейной эластичности в функцию потерь, гарантируя, что прогнозируемые карты жесткости удовлетворяют физическим ограничениям. В результате OCE на основе PINN может восстанавливать количественные модули, не требуя полного знания прикладного поля напряжений, что исторически было основным ограничением. Другой подход использует сверточные автокодировщики для удаления шума и артефактов из фазовых данных, улучшая соотношение сигнал-шум в регионах с низким уровнем напряжения. Эти достижения особенно полезны для обнаружения тонких изменений жесткости в опухолях ранней стадии или микротрещинах в композитных материалах.

Обработка в реальном времени с ускорением GPU

Параллельная обработка с использованием графических процессоров (GPU) теперь позволяет визуализировать OCE в реальном времени с частотой кадров. Исследователи продемонстрировали видеопотоки с живой эластографией, где карта жесткости обновляется по мере сканирования зонда по поверхности ткани. Эта способность имеет решающее значение для интраоперационного руководства во время операции, где хирургу нужна немедленная обратная связь на краях ткани или целостности трансплантата. Сочетание ускоренной корреляции GPU и вывода глубокого обучения позволяет обновлять субсекунды без задержки, что делает OCE практичным для клинических рабочих процессов.

Интеграция с другими модальностями

Ни один метод визуализации не может обеспечить полную картину состояния ткани или материала. Мультимодальная интеграция, следовательно, является основной тенденцией в развитии OCE. Объединив OCE с дополнительными методами, исследователи могут соотносить механические свойства со структурной, молекулярной или функциональной информацией в одном пространственном контексте. Например, совместная регистрация OCE с флуоресцентной визуализацией позволяет одновременно оценивать жесткость и экспрессию биомаркеров в биопсии рака. Фотоакустическая визуализация добавляет способность отображать оксигенацию крови и плотность сосудов, которые тесно связаны с жесткостью опухоли во многих раковых заболеваниях (Li et al., J. Biophotonics 2018) .

Мультимодальные системы OCE-OCT

Поскольку OCE и OCT имеют один и тот же механизм визуализации, их комбинирование простое. Одна система может получать как структурные OCT изображения (включая затухание, бирефриренс или ангиографию), так и эластограммы OCE. Эта двойная способность используется для характеристики атеросклеротических бляшек: структурный OCT выявляет липидные ядра и кальцификации, в то время как OCE измеряет жесткость фиброзного колпачка, который является ключевым предиктором риска разрыва. Аналогично, в офтальмологии, одновременный OCT / OCE может оценивать биомеханику роговицы наряду с толщиной и кривизной, улучшая диагностику кератоконуса и направляя рефракционную хирургию.

Гибридный OCE-ультразвуковой подход

Для более глубокого проникновения некоторые группы разрабатывают гибридные системы, сочетающие ОСЕ с ультразвуковой эластографией. Здесь ОКС обеспечивает поверхностные карты высокого разрешения, при этом УЗИ расширяет диапазон глубины до нескольких сантиметров. Две методики сорегистрируются с использованием пользовательских связующих носителей и алгоритмов регистрации изображений. Такие системы были продемонстрированы в визуализации тканей молочной железы, где глубокая жесткость актуальна для обнаружения поражений, выходящих за пределы досягаемости чистого ОСЕ. Данные слияния улучшают специфичность путем корреляции поверхностных градиентов жесткости с более глубокими объемными свойствами.

Инновации в методах механического возбуждения

Для проведения ОВЭ требуется средство деформации образца. Традиционные методы возбуждения включают использование пьезоэлектрического привода, сфокусированного воздушного затяжного устройства или силы акустического излучения. Недавние инновации ввели более управляемые и универсальные схемы возбуждения. Например, лазерная кавитация может генерировать локализованные высокодеформированные деформации, подходящие для измерения динамической вязкоупругости в микрометровых масштабах. Альтернативно, поверхностные акустические волны (SAW), запускаемые кольцевым приводом, могут производить управляемые волны, которые распространяются вдоль тонких слоев, что позволяет измерять жесткость поверхностных покрытий или слоев кожи без контакта с образцом.

Бесконтактное и неинвазивное возбуждение

Для минимизации возмущения образца совершенствуются бесконтактные методы. Air-puff OCE, использующий короткий всплеск сжатого воздуха для деформации роговицы или кожи, уже находится в клиническом использовании для биомеханики роговицы. Более новые конструкции включают в себя емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи (CMUT), которые генерируют акустические импульсы с высокой пространственной точностью. Эти преобразователи могут быть интегрированы в сам ОКТ-зонд, делая всю систему компактной и ручной. Еще одной захватывающей разработкой является магнитомотивный OCE, где магнитные наночастицы, встроенные в образец, приводятся в действие внешним магнитным полем. Этот подход позволяет картировать жесткость с глубоким проникновением и может быть нацелен на конкретные типы клеток или области.

Применение инновационных технологий OCE

Описанные выше технологические достижения значительно расширили область применения OCE. В следующем списке выделены ключевые области, в которых OCE оказывает значительное влияние, хотя область продолжает быстро расти.

  • Раннее выявление заболеваний тканей, таких как рак:] Раковые ткани часто проявляют повышенную жесткость из-за плотной клеточности и десмопластических реакций. OCE может обнаруживать эти изменения жесткости при разрешениях, намного более тонких, чем пальпация или ультразвук. В раке кожи, молочной железы и рака полости рта OCE показал чувствительность к поражениям размером до 100 мкм, что позволяет проводить более раннюю диагностику. Исследования на иссеченных тканях молочной железы показали, что OCE может дифференцировать инвазивную карциному от доброкачественной ткани с точностью > 90%.
  • Оценка каркасов тканевой инженерии: Механические свойства каркасов напрямую влияют на поведение клеток и регенерацию тканей. OCE обеспечивает неразрушающий, продольный мониторинг деградации каркасов и ремоделирования клеточной матрицы. Путем изменения жесткости изображения с течением времени исследователи могут оптимизировать композицию каркасов, архитектуру пор и плотность сшивания. Например, OCE использовался для оценки однородности жесткости в гидрогелях и децеллюляризованных внеклеточных матрицах.
  • Оценка целостности материала в технике:] В небиологических материалах OCE набирает тягу как инструмент для контроля качества и анализа отказов. Он может обнаруживать подповерхностные размолоты, микротрещины и остаточные напряжения в полимерах, керамике и композитах. В отличие от рентгеновского или ультразвукового исследования, OCE чувствителен к повреждениям на ранней стадии, которые еще не производят видимую трещину, что делает его ценным для прогнозного обслуживания в аэрокосмических и автомобильных компонентах.
  • Мониторинг терапевтических вмешательств: OCE может отслеживать, как ткани реагируют на лечение, такое как химиотерапия, радиация или термическая абляция. В доклинических исследованиях OCE использовался для измерения смягчения опухолей после медикаментозного лечения, предлагая суррогатный маркер терапевтической эффективности. Аналогично, в дерматологии OCE контролирует изменения жесткости кожи во время заживления ран или после применения местных агентов, предоставляя объективные показатели для разработки продукта и клинических испытаний.
  • Офтальмологическая биомеханика: Роговица и склера хорошо подходят для OCE из-за их прозрачности и тонкой структуры. Клинические системы OCE теперь измеряют жесткость роговицы у пациентов с кератоконусом, пострефракционной хирургией эктозии и глаукомы. Способность отображать жесткость по всей роговице помогает идентифицировать области высокого риска и настраивает планы лечения.

Проблемы и существующие ограничения

Несмотря на быстрый прогресс, остаются несколько проблем, прежде чем OCE может достичь широкого клинического и промышленного развертывания. Одной из важных проблем является ограниченная глубина проникновения - как правило, менее 2-3 мм в рассеивающих тканях. Хотя этого достаточно для роговицы, кожи и поверхностных артерий, он не может легко оценить более глубокие органы, такие как печень или сердце. Гибридные подходы с ультразвуком частично решают эту проблему, но они вводят сложность и уменьшают разрешение. Другая проблема - количественная точность оценок модуля Янга. OCE измеряет смещение, но преобразование этого в абсолютную жесткость требует знания прикладного поля напряжения, которое часто трудно измерить или моделировать. Изменения в граничных условиях, геометрия образца и трение на поверхности контакта вносят ошибки. В то время как модели машинного обучения могут компенсировать в некоторой степени, стандартизированные фантомы и калибровочные протоколы по-прежнему необходимы для кросс-платформенной сопоставимости.

Движущиеся артефакты представляют собой еще одно препятствие для визуализации in vivo. Дыхательные и сердечные движения могут повредить измерения смещения, особенно при использовании фазово-чувствительных OCE. Высокоскоростные технологии приобретения и измерения движения смягчают это, но они требуют более сложного оборудования и программного обеспечения. Кроме того, стоимость ультра-широкополосных лазеров и высокоскоростных камер в настоящее время ограничивает OCE хорошо финансируемыми исследовательскими лабораториями. Однако по мере снижения затрат на компоненты и появления интегрированных чипсетов системы OCE, вероятно, станут более доступными и портативными.

Будущие направления

Текущие исследования направлены на устранение этих ограничений и продвижение OCE в новые области. Миниатюризация является главным приоритетом: несколько групп разрабатывают портативные зонды OCE, которые объединяют лазерный источник, сканирующая оптика и привод в единый эргономичный блок. Фотонные интегральные схемы (PIC) предлагают путь к компактным, чип-масштабным ОКТ-двигателям, которые могут быть массово произведены по низкой цене. Если успешные портативные устройства OCE могут использоваться в клиниках первичной медико-санитарной помощи, дерматологических отделениях или даже дома для мониторинга ран.

Многомерная визуализация в реальном времени

Другой рубеж — 3D OCE в реальном времени. Текущие системы обычно получают один поперечный срез (B-скан) за раз. Используя более быстрые лазеры и параллельные схемы обнаружения, такие как линейно-полевой OCT или полнопольный OCT, теперь можно получить объемные данные эластографии за секунды. В сочетании с реконструкцией на основе GPU это позволяет 4D OCE (3D пространство + время) захватывать распространение механических волн по всему объему. Такие данные могут использоваться для вычисления анизотропных тензоров жесткости, которые имеют решающее значение для понимания поведения волокнистых тканей, таких как сухожилие, мышцы и миокард.

Стандартизированные протоколы и клинический перевод

Для того чтобы ОСЕ стал обычным клиническим инструментом, необходимо разработать стандартизированные протоколы. Международное общество оптики и фотоники (SPIE) и другие органы работают над руководящими принципами калибровки, процедур измерения и отчетности данных ОСЕ. Ожидается, что в течение следующих нескольких лет будут получены нормативные разрешения (FDA, маркировка СЕ) на конкретные показания, такие как биомеханика роговицы или оценка маржи рака кожи. После очистки ОСЕ присоединится к арсеналу неинвазивных диагностических инструментов, доступных клиницистам.

Интеграция с искусственным интеллектом для автоматизированной диагностики

Помимо скорости обработки, ИИ будет играть решающую роль в интерпретации данных OCE. Модели глубокого обучения могут быть обучены на больших наборах данных для распознавания моделей жесткости, связанных с конкретными заболеваниями. Например, система ИИ может автоматически отмечать подозрительные области в эластограмме кожи с высокой чувствительностью и специфичностью, снижая нагрузку на врачей. Кроме того, ИИ может объединять данные OCE с другими методами визуализации и историей пациентов, чтобы обеспечить комплексную оценку риска. Эти интеллектуальные системы, вероятно, станут стандартными компонентами коммерческих платформ OCE.

Расширение в новые приложения материаловедения

В материаловедении OCE обладает неиспользованным потенциалом. Он может оценивать механические свойства тонких пленок, покрытий, клеев и печатной электроники в масштабах, актуальных для микроэлектроники и нанотехнологий. Например, OCE можно использовать для измерения упругого модуля 3D-печатных структур слой за слоем, обеспечивая согласованность и обнаруживая дефекты на ранних этапах процесса аддитивного производства. Аналогично OCE может контролировать кинетику отверждения эпоксидных соединений и композитов в режиме реального времени, обеспечивая обратную связь процесса для обеспечения качества.

Сближение аппаратных инноваций, машинного обучения и мультимодальной интеграции гарантирует, что оптическая когерентная эластография будет продолжать развиваться как главный метод оценки материальной собственности. Хотя проблемы в проникновении в глубину, количественной точности и стоимости остаются, траектория ясна: OCE переходит из специализированных лабораторий в широко распространенную клиническую и промышленную практику. При устойчивых инвестициях в исследования и междисциплинарном сотрудничестве в следующем десятилетии OCE станет незаменимым инструментом для понимания и проектирования механического мира в микромасштабе.