使用紧凑型光纤Sagnac干涉仪进行软组织表面机械波速非接触检测的可行性
探索纤维光学Sagnac干涉仪在软组织弹性非接触性表征中的潜力
背景介绍
软组织的机械特性对现代医学和生物医学研究具有重要意义。深入了解软组织的机械特性有助于评估其结构完整性以及潜在的病理情况。然而，传统的组织机械特性评估技术通常需要直接接触组织，这可能引起患者的不适，尤其是在如眼科等敏感领域。此外，直接接触还可能导致组织污染或引入检测伪影，从而影响检测结果的准确性。因此，开发非接触式的软组织机械特性测量方法势在必行。
近年来，基于光学技术的非接触性技术如频域相干光学断层扫描（Fourier Domain Optical Coherence Tomography，简称FD-OCT）正在逐渐成为柔性组织力学波检测的研究热点。然而，FD-OCT方法存在检测频带局限性、数据后处理复杂以及数字噪声显著等问题。相比之下，Sagnac干涉仪由于能够直接检测振动速度，避免了信号后处理的过程，噪声较低，且在检测频率范围的可调性方面表现出显著优势。
为此，来自Lawrence Technological University的Gui Chen和Jinjun Xia教授提出了一种将气耦合PZT（铅锆钛酸盐，Pb-Zr-Ti）换能器与紧凑型光纤光学Sagnac干涉仪相结合的系统，用于非接触检测软组织的机械表面波速度。这项研究于2025年2月发表在《Biomedical Optics Express》上，深入探讨了该系统在软组织力学表征中的可行性及潜在应用。
方法详解
实验流程
研究主要围绕以下几个步骤展开：
1. 气耦合PZT超声换能器设计与表面波激发
研究中采用了一种线聚焦气耦合PZT换能器。这种换能器被设计为通过辐射力原理来产生低频剪切波。具体而言，当瞬态聚焦的超声波作用于软组织表面时，局部会产生低频剪切振荡，并进一步在组织中传播。为了优化辐射力的产生，研究将1 MHz线聚焦超声纵波以倾斜角度入射到样品表面，以增强动量传递。
2. 紧凑型光纤光学Sagnac干涉仪的开发
研究开发了一种紧凑型光纤光学Sagnac干涉仪，用于检测气耦合换能器激发产生的表面波。Sagnac干涉仪利用两束交替通过相同光路的光束干涉，在样本表面无振动时，两光束无光程差；而当样本表面振动时，由于光束在不同振动时刻反射，干涉信号被转化为振动速度信号。为了调整光纤Sagnac系统的检测频率范围，研究使用了长度为50米的单模偏振维持光纤作为延迟线。
3. 组织-模仿体（Tissue-Mimicking Phantom）的选择和使用
为了模拟真实生物组织，研究选择了明胶基组织模仿体，并通过明胶浓度调控其刚性。试验中分别制备了6%和8%浓度的明胶模仿体，并添加了二氧化钛（TiO2）以模拟皮肤的光散射特性。样本被制成高度为15毫米、直径为100毫米的圆柱形。
4. 表面波速度测量与时间延迟估算
为准确计算表面波速度，研究利用超声射频信号的Hilbert变换构建分析信号，并通过复杂的互相关系数函数计算时间延迟(\Delta t)。进一步通过已知的激发和检测点之间的距离(\Delta d)，表面波速度通过(\Delta d/\Delta t)公式得出。此外，研究采取了群速度和相速度两种方法进行测量，以检验其一致性。
数据分析与算法描述
1. 时间延迟估算方法
时间延迟的估算基于交叉相关计算，并使用Cramér-Rao下界公式对系统误差进行评估。实验特别分析了信噪比（SNR）、相关峰值系数和信号带宽对时间延迟估算误差的影响。
2. 群速度与相速度计算
群速度通过傅里叶变换分析波形频带衰减和相位延迟。研究特别选择了中心频率（1 kHz）及其两侧6 dB衰减点的频率进行相速度计算，确保数据的代表性和一致性。
实验结果
1. 表面波检测
紧凑型光纤Sagnac干涉仪成功检测到组织模仿体中的低频表面波。在8%浓度模仿体中，检测到的表面波群速度和相速度分别为3.32 m/s和3.39 m/s；而在6%浓度模仿体中，这两个速度值分别为2.05 m/s和2.11 m/s。
2. 弹性模量计算
基于经典弹性理论，研究计算了模仿体的杨氏模量（Young’s Modulus）。结果显示，6%浓度模仿体的杨氏模量为14.5±3.44 kPa，8%浓度模仿体则为37.44±18.11 kPa。这些结果与使用标准机械测试方法得出的数据基本一致，验证了方法的可靠性。
3. 误差分析
时间延迟估算的最小误差在8%模仿体中为15.94 µs，相对误差为1.6%；而在6%模仿体中误差为49.98 µs，相对误差为5%。即便考虑相关系数衰减，误差仍在可接受范围内。
结论与意义
研究结论
- 此研究首次表明，紧凑型光纤光学Sagnac干涉仪能够成功检测低频表面波，为软组织非接触性机械表征提供可能性。
- 在群速度与相速度一致的前提下，实验证明了杨氏模量计算的准确性。
研究意义
- 该研究在软组织非接触性表征领域中填补了因光学反射信号微弱带来的技术空白。
- 这种系统具有重要的临床应用潜力，尤其是在眼科等对检测接触性敏感的医学领域。
研究亮点
- 方法创新性：结合气耦合PZT超声激发器与Sagnac干涉仪的系统为先例，具备减少信号处理噪声及误差的优势。
- 多功能性：Sagnac系统具有灵活调整频带范围的能力，适应性强。
- 验证可靠性：实验结果与经典理论一致，为理论与实践的结合提供佐证。
展望
研究团队计划改进Sagnac系统，包括引入光学扫描机制以提升数据采集速度。此外，将进一步验证其在生物组织中的有效性，并与FD-OCT系统进行对比，突显两者优势，为非接触性软组织力学表征的未来研究提供方向。