监控角膜含水量,为2000万人留住“光明”

封面文章:王森德,姚嘉丽,胡俊波,刘晓庆,林列,刘永基,刘伟伟. 角膜含水量光学测量方法研究综述[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(17): 170001

南开大学现代光学研究所刘伟伟教授团队在《激光与光电子学进展》发表题为“角膜含水量光学测量方法研究”的综述文章。文中介绍了不同的光学测量手段——光学测厚法、光学测量法、基于太赫兹测量法对角膜含水量测量的研究进展,并介绍作者团队在利用太赫兹技术测量的进展,最后进行了总结。

 

撰稿人:王森德 刘伟伟

研究背景

角膜作为眼球的重要组成部分,其发生病变时,会影响其透明度及屈光力而导致患者视力下降。作为全球第4大致盲疾病,现在全球有2000多万因角膜病致盲的患者,我国有400多万角膜病致盲患者,且这个数据还在逐年增加。引起角膜病变的原因复杂多样,但如能在角膜病早期及时发现并提供有效治疗,其多数是可以治愈的。

正常生理状态下,角膜的吸水和脱水保持着动态平衡,许多眼科疾病的发生就伴随着角膜水平衡的失调。这就意味着实现角膜含水量的精准测量对于疾病的早期诊断具有重要价值。

在屈光手术过程中,角膜含水量会受手术程序干扰而发生变化,进而影响手术的效果。此外在角膜移植手术中,如果能够对角膜水肿的发生实现早期监测,一定程度上能提高移植组织的存活率。研究表明在眼科手术各阶段对角膜含水量进行定量描述,可为手术效果的优化以及个性化定制提供科学指导。

文章中总结了目前常用的角膜含水量测量方法:光学测厚法、光谱测量法和基于太赫兹技术的测量方法,更多内容可点击查看原文

常用光学测量手段

光学测厚法

光学测厚法是通过对角膜中央厚度(CCT)进行测量从而推断其含水量的情况的在体测量技术。角膜内皮显微镜、串联扫描共聚焦显微镜、裂隙扫描型角膜地形图、Scheimpflug成像仪、光学相干断层扫描技术等都能测量角膜厚度。

内皮显微镜是一种较先进且简单实用的角膜内皮细胞形态和密度测量仪器,它也能利用光波在角膜内皮及上皮这两个界面的反射进行两界面间距离的测量,从而获得角膜厚度值,图1是其光学系统示意图。但在角膜有瘢痕及严重水肿时,该方法的测量值不可靠。

图1 角膜内皮显微镜光学系统示意图

共聚焦显微镜在清晰度、分辨率方面均较普通光学显微镜有明显的提高。图2的串联扫描共聚焦显微镜(TSCM)是临床上主要使用的共聚焦成像系统之一。串联扫描共聚焦显微镜可通过计算机控制从而对角膜各层进行扫描的显微镜,根据角膜各层反射光强的不同来计算出角膜的厚度信息。该技术可以对角膜的各层进行测量并显示其细胞结构,但是不能用于角膜混浊者以及不能耐受检查时间较长的患者,所以导致在临床应用上具有一定的局限性。

图2 串联扫描共聚焦显微镜的光路示意图.(来自宽带光源1的光穿过尼普科夫圆盘2和分束器3一侧的针孔,并通过物镜4聚焦到样品5,信号被分束器3和前表面镜6反射到圆盘另一侧的共轭针孔,从而阻止来自待测样品以外的光信号到达相机或目镜。旋转圆盘可实时、均匀地对样品进行扫描)。

裂隙扫描型角膜地形图和Scheimpflug成像仪都可以获得信息丰富的角膜厚度全局图。裂隙扫描型角膜地形图通过两条光隙对眼睛进行扫描,再通过计算机对数据进行处理从而算出角膜厚度;Scheimpflug成像仪基于物像面不平行时的成像规律从而获取角膜断层图像。Scheimpflug的CCT测量结果具有高度可重复性,但其系统分辨率不够高,且部分检查需在散瞳状态下完成,因而在眼科应用中存在一定的限制性。

光学相干断层扫描(OCT)是目前医学上常用的对人眼角膜厚度进行在体测量的方法,能通过图像重建得到样品的二维断层和三维立体结构,图3是谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)的成像实例。

图3  使用谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)进行体内眼前节成像。

光谱测量法

光谱测量法是通过物质对入射光波的响应来推断角膜含水量的情况的测量技术。文中总结了两种方式:共焦拉曼光谱法和近红外吸收光谱法。

共焦拉曼光谱法是一种振动光谱技术,用激光照射样品发生拉曼散射,散射光与入射光的频率差称为拉曼位移,用散射强度对拉曼位移作图可以得到拉曼光谱图,最后通过计算 O-H 键和 C-H 键的拉曼强度比来确定角膜组织的绝对含水量。

近红外吸收光谱法是分子吸收光谱的一种,它是利用物质对红外电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及定性、定量分析的一种方法。由于水对特定波长的红外光有吸收作用,可以通过测量角膜基质透镜的近红外吸收光谱来测定其相对含水量。图4展示了角膜基质脱水过程中的红外吸收光谱。


图4  角膜基质脱水过程中吸收光谱随时间变化情况

目前这两种技术都未应用于临床,原因是共焦拉曼光谱法中使用的激光于显微物镜耦合后,在角膜内探测点所产生的能量密度远大于ANSI标准Z136.1所规定的最大曝光量;而近红外吸收光谱法测量的是角膜基质的透射信号。要想利用光谱测量法来实现对人眼角膜含水量的在体测量,首先要确保不会对人眼造成伤害,还要想办法捕获反射信号。

基于太赫兹技术的测量方法

由于水在太赫兹(THz )频段具有高吸收性,利用这一特性THz辐射可用于感测材料中含水量的微小变化,并且THz 波的光子能量仅为毫电子伏量级,与 X 射线光子能量相比仅有其百万分之几,这使得THz 辐射不会导致光致电离从而破坏被检物。图5是第一例成功应用于人角膜体内非接触式太赫兹成像的实验结果。

图5人眼角膜体内非接触式成像结果

但利用太赫兹成像系统测量角膜含水量仍存在尚待考量的问题——由于THz反射率目前尚未建立起受普遍认可的对含水量的计算模型,我们只能认为基于此的THz水合成像能在单个图像内一定程度上反映角膜相对含水量的分布情况,而尚不能获得样品间具有可比性的绝对含水量的分布情况。

为此,基于太赫兹时域光谱仪(THz-TDS),作者团队通过分析角膜基质的太赫兹反射光谱来测量其含水量,并提出了可作为角膜含水量状态评估指标的参数--特征比值CR

如图6所示,在THz-TDs装置中,以两个配套的太赫兹光电导天线作为发射器和接收器,角膜会放置在一个设有凹槽的半球形样品支架上,凹槽内充满任氏液并与角膜后表面直接接触,以此来消除不同界面折射率差所引起的F-P 干涉效应。

图6太赫兹反射光路与样品支架

通过对光谱进行分析,计算得到了特征比值CR,并将该参数定义为可以反映人眼角膜水合状态的新指标。此外实验还通过测得的太赫兹反射信号的时间延迟来推导出角膜含水量变化与脱水时间的关系,并与使用称重法测得的角膜含水量变化的结果进行对比,对比发现两种方法的计算结果具有良好一致性。

图7展示了四个角膜样品脱水期间特征比值CR和含水量的关系并进行了线性拟合,拟合结果的决定系数(R-Square)达到了0.808。结果表明特征比值CR与含水量之间具有良好的线性关系,利用特征比值CR来表征含水量的方法能更好地适用于不同的样品。

图7 CR与角膜含水量的线性拟合结果之间的关系 

总结

目前对于角膜含水量的测量,在临床上主要采用的是基于超声或光学相干的间接测量方法, 即角膜测厚法,但角膜测厚法存在着许多局限性,人们需要一种能准确测量人眼角膜含水量的手段。

由于THz波具有安全性高、非电离性和生物特异性等独特优势,同时太赫兹波和水分子之间有较强的相互作用,使得 THz 波适用于对活体生物或组织进行实时检查。虽然利用太赫兹技术已成功地对人眼角膜进行成像和对不同生物角膜含水量分布进行离体测量,但技术尚未完全成熟,未能利用太赫兹技术对人眼角膜含水量进行在体测量。

总之,太赫兹技术的发展为将来安全和精确测量人眼角膜含水量提供了新技术手段,对角膜病变的早期诊断以及屈光手术前风险评估具有重要价值。

 

课题组介绍:
南开大学刘伟伟教授科研团队面向环境、生命科学的应用需求,围绕超快激光科学,结合太赫兹科技和微结构材料,开展极端时空尺度下的大气污染光谱监测、太赫兹无损检测、生物医学光谱成像等方面的新技术和新方法研究。
团队近年来核心研究工作围绕成丝现象中激光与物质相互作用机制和调控展开,以驾驭光丝中非线性光学过程为总体目标,紧密围绕光强时空分布调控这一研究主轴,开展极端尺度下的物理参数表征方法→时空演变物理机制→调控技术→创新应用的链条式研究。相关研究成果多次被高水平期刊推荐为封面彩图、彩页插图、年度亮点论文等。
团队主持国家重点研发计划、载人航天工程、国家自然科学基金、军委装备预研等国家和省部级项目30多项。科研成果获得天津市自然科学一等奖、天津市专利奖金奖等奖励,被中央电视台、天津电视台等媒体广泛报道,并入选南开大学百年校庆成果展和宣传片。