[论文解读] Spatially-resolved Brillouin spectroscopy reveals biomechanical changes in early ectatic corneal disease and post-crosslinking in vivo

Peng Shao, Amira M. Eltony+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2018

Corneal surgery and disorders参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究采用空间分辨的布里渊光谱技术，非侵入性地在体映射角膜生物力学特性，揭示了在临床诊断前，角膜营养不良患者角膜早期生物力学异质性及双眼之间的不对称性。该研究首次实现了对交联治疗后角膜硬化程度的在体测量，确立了布里渊显微成像作为早期检测和监测角膜扩张性疾病敏感工具的地位。

ABSTRACT

Mounting evidence connects the biomechanical properties of tissues to the development of eye diseases such as keratoconus, a common disease in which the cornea thins and bulges into a conical shape. However, measuring biomechanical changes in vivo with sufficient sensitivity for disease detection has proved challenging. Here, we present a first large-scale study (~200 subjects, including normal and keratoconus patients) using Brillouin light-scattering microscopy to measure longitudinal modulus in corneal tissues with high sensitivity and spatial resolution. Our results in vivo provide evidence of biomechanical inhomogeneity at the onset of keratoconus and suggest that biomechanical asymmetry between the left and right eyes may presage disease development. We additionally measure the stiffening effect of corneal crosslinking treatment in vivo for the first time. Our results demonstrate the promise of Brillouin microscopy for diagnosis and treatment of keratoconus, and potentially other diseases.

研究动机与目标

• 检测与角膜扩张性疾病发生相关的角膜组织早期生物力学改变，特别是角膜营养不良。
• 评估空间分辨布里渊光谱技术在体、非侵入性测量角膜生物力学的可行性。
• 研究双眼之间生物力学不对称性作为疾病发生前驱症状的潜在指标。
• 利用布里渊光谱技术量化角膜交联治疗在体的硬化效应。
• 建立一种定量、空间分辨的角膜生物力学障碍诊断与监测方法。

提出的方法

• 采用空间分辨布里渊光谱技术，在多个位置测量角膜基质的纵向模量。
• 使用自主研发的非侵入性激光系统，从角膜中心不同偏心距处探测角膜组织。
• 通过非弹性散射光测量布里渊频移，其与组织的纵向弹性模量直接相关。
• 数据采集自约200名受试者，包括健康个体和早期角膜营养不良患者。
• 统计分析比较正常组、早期扩张性疾病组及交联术后组之间的生物力学参数。
• 该方法实现了高空间分辨率（亚毫米级）和对细微生物力学改变的高灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间分辨布里渊光谱技术能否在扩张性疾病早期检测到角膜生物力学异质性？
• RQ2 在日后发展为角膜营养不良的个体中，左右眼是否存在可测量的生物力学不对称性？
• RQ3 角膜交联治疗是否能通过布里渊光谱技术在体检测到并可量化地反映角膜硬化反应？
• RQ4 布里渊光谱技术能否基于生物力学参数区分正常角膜与早期角膜营养不良角膜？
• RQ5 在扩张性疾病初期阶段，角膜生物力学改变的空间分布特征如何？

主要发现

• 在尚未临床诊断的早期角膜营养不良患者中，已检测到角膜生物力学异质性。
• 在早期扩张性疾病个体中观察到左右眼之间显著的生物力学不对称性，提示其可能作为预测生物标志物。
• 本研究首次利用布里渊光谱技术实现了对交联治疗后角膜硬化的在体测量。
• 交联术后角膜刚度显著增加，多个角膜区域的纵向模量均出现可测量变化。
• 空间分辨成像揭示了生物力学特性的区域差异，中央及旁中央角膜区域变化最为显著。
• 该技术展现出足够的灵敏度和空间分辨率，可检测活体人类角膜中细微的早期生物力学改变。