用于脑动脉瘤壁力学性能评价的光学相干弹性成像技术研究

Rupture of cerebral aneurysms causes stroke, which is fatal and has very high incidence of paralysis. The initiation and rupture of aneurysms are closely related to their mechanical properties. An effective experimental method to simultaneously identify the structure of aneurysmal wall and measure the biomechanical properties is in urgent need. This research will develop an optical coherence elastography (OCE) technique to measure and characterize the viscoelastisity of various components of aneurysmal wall, based on our previous studies on optical coherence tomography (OCT) imaging of cerebral aneurysms and OCE technologies. It mainly includes: firstly, generating shear waves by acoustic radiation force (ARF) stimulation and integrating the ARF loading system with the OCT system; secondly, development of methods to detect the shear wave propagation in viscoelastic materials and obtain the shear modulus and viscosity of the biological tissue; finally, analyzing the measurement results to study the influence of various components on stress distribution of the aneurysmal wall and estimate the vulnerable spot. This research will provide an effective experimental tool and tremendous data to the studies of initiation, progression and rupture of aneurysms, which will improve the pathological study and early diagnosis and prevention of cerebral aneurysms.

脑动脉瘤破裂引起脑中风，具有极高的致死致残率，其发病原因和破裂风险与其力学特性密切相关。本项目基于前期利用光学相干截面断层扫描（OCT）对脑动脉瘤壁组织成分进行成像识别和对OCT的功能延伸-光学相干弹性成像（OCE）技术的研究, 开发一套对脑动脉瘤壁组织成分的粘弹性进行测试和表征的OCE技术。主要研究内容包括：首先，利用声辐射力（acoustic radiation force， ARF）对生物组织激励产生剪切波，并集成ARF激励加载和OCT成像系统，搭建实验平台；接着，研究通过OCT对剪切波在粘弹性、均质和非均质材料中的传播进行检测的技术，以获得剪切波的传播速度和组织的剪切模量及黏度；最后，分析实验数据总结各种组织成分对瘤壁应力分布的影响，探讨瘤壁的易损点。研究成果将为脑动脉瘤的发生、发展和破裂研究提供有效的实验手段和重要数据，推动脑动脉瘤的病理研究及其早期诊断和预防。

生物组织如脑动脉瘤的发病原因和病变发展过程与其力学特性密切相关，但是对其力学特性进行测试的技术却极度匮乏。本项目以最新的生物医学光学成像技术光学相干截面断层扫描（OCT）为成像载体，研发了对血管等生物组织的力学特性进行测试的实验技术。研究了弹性波的激发原理和激励的实验技术；弹性波在线弹性均质、分层组织、和粘弹性介质中的传播特性；利用OCT采集数据提取弹性波传播引起的微小变形的方法。接着为了获得对组织三维内部细微结构和力学特性的同时检测，提出了针对OCT图像特征的、对噪声不敏感的数字体相关（DVC）算法；研究了OCT成像线扫描密度对DVC计算的影响规律，并且得出使图像分辨率与OCT系统的光学分辨率一致的线扫描数能获得准确度最高的DVC运算结果。本项目最终开发了一套集成弹性波激励和OCT成像的对生物组织弹性模量直接定量测试的实验平台；和一套基于DVC的对生物组织内部结构和三维位移和应变张量同时测试的实验系统。提出了针对不同实验目的生物组织仿体的制作方法，形成了一套组织仿体制作的基本流程。开展了大量实验，用本项目提出的新方法对均质、分层和粘弹性仿体的测试结果与拉伸实验结果进行了对比，证明了新方法的有效性。并且对猪肉、鸡肝、在体皮肤和血管等生物组织样本进行了测试，为包括动脉瘤在内的血管力学特性研究提供了重要实验手段和实验数据。