生物软组织力学性能原位测试技术研究进展

生物软组织（如血管、皮肤、角膜、韧带、心肌等）具有非线性弹性、粘弹性、各向异性和生长重塑等复杂力学特性，其力学性能的准确表征对于理解生理病理机制、开发组织工程材料以及指导临床诊疗具有重要意义。原位测试技术能够在接近生理状态的环境下获取组织在体或离体但保持天然构型的力学响应，避免了传统离体测试中因组织结构破坏、水分丧失、预加载荷改变等因素带来的误差。本文系统综述了生物软组织力学性能原位测试技术的发展现状，重点介绍了基于光学相干弹性成像、磁共振弹性成像、超声弹性成像、数字图像相关以及微尺度力学探针等原位测试方法的原理、特点及应用范围，分析了各类方法在空间分辨率、时间分辨率、穿透深度、应力/应变测量精度等方面的技术瓶颈，并探讨了多模态融合、活体动态测试及本构模型反演等未来发展方向。

生物软组织是一类由细胞外基质（主要为胶原纤维、弹性纤维和蛋白聚糖）和嵌入其中的功能细胞组成的复合材料。它们在不同生理条件下承受着复杂的力学载荷，如血管壁受脉动血压作用、心肌经历周期性收缩舒张、皮肤承受拉伸和剪切、角膜维持特定曲率以保障光学功能。组织的力学性能（如弹性模量、剪切模量、泊松比、粘性系数、松弛时间等）不仅决定了其宏观形变行为，还通过力学转导机制调控细胞增殖、分化、凋亡及基质重塑等生物学过程。

传统力学测试方法，如单轴拉伸、压缩、压痕、扭转等，通常需要将组织从体内取出并进行标准化试样制备。然而，离体过程会引发一系列问题：组织失去血液灌注和生理温度、肌肉主动张力消失、细胞外基质因切割而断裂、水分蒸发导致渗透压改变等。这些变化使得离体测试结果难以真实反映组织的在体力学行为。以血管为例，离体血管平滑肌失去自主张力，其周向应力-应变曲线与在体状态存在显著差异。

原位测试(in-situ testing)是指在接近原生环境（包括解剖位置、边界约束、血液/体液灌注、温度、湿度及生理载荷）下对组织力学性能进行直接测量的技术体系。根据测试对象是否存活，可分为活体原位测试和离体但保持天然构型的测试；根据加载与测量的耦合方式，可分为外部激励-内部成像耦合型和微探针直接接触型。近年来，随着高分辨率医学影像、先进光学技术、微机电系统以及计算力学反演方法的快速发展，生物软组织原位力学测试已从定性评估走向定量表征，成为生物力学领域的前沿热点。

本文旨在系统梳理当前主流的生物软组织原位力学测试技术，分析其原理、优势、局限及典型应用，并展望未来发展方向，以期为相关领域的研究人员提供参考。

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2 主要原位测试技术原理与进展

2.1 光学相干弹性成像（OCE）

光学相干断层扫描（OCT）基于低相干干涉原理，可实现对生物组织表层（深度1–2 mm）微米级分辨率的断层成像。光学相干弹性成像（Optical Coherence Elastography, OCE）在此基础之上引入力学激励（声辐射力、喷气脉冲、压电振动或主动压头）并追踪组织内散射粒子的位移场，进而通过弹性波速或应变反演局部弹性模量。

OCE的核心优势在于超高空间分辨率（数微米至十余微米），使其能够分辨角膜各层（上皮层、前弹力层、基质层、后弹力层、内皮层）以及动脉壁中的内膜-中膜-外膜结构。在角膜原位测试中，OCE结合非接触喷气激励已成为评估圆锥角膜、屈光术后角膜生物力学性能变化的有效工具。近年来，相位敏感OCE（PhS-OCE）通过对相邻A-scan间相位差的精确计算，可检测亚纳米级的组织位移，显著提高了应变测量的灵敏度。

然而，OCE的穿透深度受限于OCT系统（约1–2 mm），主要适用于眼组织、皮肤、浅表血管及软骨等表层软组织。此外，定量反演弹性模量需已知密度和泊松比，且不同激励方式对应的波速-模量解析模型（Rayleigh波、Lamb波、剪切波）存在模型依赖性误差。

2.2 磁共振弹性成像（MRE）

磁共振弹性成像（Magnetic Resonance Elastography, MRE）将外部机械振动（通常20–200 Hz）与相位对比MRI序列相结合，通过测量组织内剪切波的传播波长来重建剪切模量分布。其穿透深度不受限（与常规MRI一致），能够实现全器官尺度的三维力学性能制图。

MRE在肝纤维化分期中的临床应用最为成熟。肝纤维化早期，肝脏剪切模量从健康状态的约2 kPa逐渐升高至晚期肝硬化时的6–8 kPa甚至更高，MRE可无创地在体评估纤维化程度，已取代部分肝穿刺活检。此外，MRE也用于脑组织（评估老年痴呆、多发性硬化中的微观结构变化）、骨骼肌（测量主动/被动收缩状态下的各向异性模量）以及心肌（需心电门控解决运动伪影）。

MRE的主要局限性包括：空间分辨率相对较低（典型体素尺寸1–2 mm），难以分辨毫米级以下的微结构；设备成本高、检查时间长（约15–30分钟）；振动频率较低，对于高模量组织（如骨、钙化组织）波长过长导致无法有效成像；反演算法假设各向同性线弹性，不适用于大变形或强各向异性软组织。

2.3 超声弹性成像（USE）

超声弹性成像（Ultrasound Elastography, USE）通过超声探头施加准静态压缩（应变弹性成像）或追踪剪切波传播（剪切波弹性成像）来获得组织硬度信息。相比MRE，USE具有实时成像（数十帧/秒）、设备便携、成本较低等优点，在临床得到广泛应用。

剪切波弹性成像（SWE）通过声辐射力在组织局部产生剪切波，然后以超高帧率超声成像（>2000帧/秒）捕捉波前传播过程，计算剪切波速度并转换为杨氏模量。该技术已在甲状腺结节、乳腺肿瘤、前列腺癌及肌骨系统疾病诊断中展现出重要价值。对于心血管系统，基于血管内超声（IVUS）的弹性成像可原位评估动脉粥样硬化斑块的局部应变分布，识别易损斑块。

USE的穿透深度优于OCE（可达数厘米至十余厘米），但低于MRE；空间分辨率受超声波波长限制（数百微米量级），介于OCE和MRE之间。主要挑战包括：操作者依赖性（尤其是手持探头时的压力影响）；肥胖患者或含气脏器（如肺、肠道）成像质量下降；声辐射力激励存在安全性阈值（热指数和机械指数需控制）。

2.4 数字图像相关（DIC）结合力学加载

数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）是一种光学全场应变测量技术，通过在组织表面喷涂散斑或利用天然纹理，追踪变形前后图像子区的相关性获得位移和应变场。在生物软组织原位测试中，DIC通常与局部压痕、负压吸引或可控拉伸加载装置结合使用。

例如，在角膜原位生物力学测试中，通过可控气路施加负压使角膜产生向前凸起变形，同步DIC相机记录表面三维形貌和全场应变分布，结合有限元逆分析可反演角膜各区域的非线性弹性参数。皮肤和肌腱的DIC原位测试则常采用微型夹具施加局部拉伸或扭转。DIC技术可直接获得全场应变，无需扫描，时间分辨率高（可达千赫兹级），且易于与多种加载装置集成。

该方法的局限性在于：需要可见光通路，不适用于深层组织；表面散斑可能干扰生理状态（如影响角膜光学透明度）；DIC仅测量表面应变，无法获得内部三维应变场；离体应用场景居多，真正的活体原位测试受限于运动伪影和视线遮挡。

2.5 微尺度力学探针（MIP）与显微压痕

对于毫米级乃至微米尺度的生物软组织（如胚胎组织、细胞层片、微小血管或神经束），宏观弹性成像方法分辨率不足。微尺度力学探针（Micro-scale Indentation Probe, MIP）基于原子力显微镜（AFM）或定制MEMS力传感器，以微米级压头对组织表面进行局部压入测试，同时结合光学或电子显微成像定位。

该技术可在原位（如培养皿中的活体组织块或微小动物模型）获得局部的力-位移曲线，通过赫兹接触模型提取弹性模量。例如，对非洲爪蟾胚胎神经管闭合过程的原位压痕测试揭示了组织硬度在形态发生过程中的时空变化规律；对离体但保持血供的微血管进行探针测试可区分内皮层与基底膜的力学贡献。

MIP的优势在于高的力（pN–μN级）和位移（nm级）分辨率，可直接测量微小软组织。但其穿透深度极小（仅压头接触区域），且模型假设各向同性半无限体，对于薄膜状或纤维状组织需谨慎解释结果。同时，点测量模式难以获得全场分布信息。

2.6 多模态与混合原位测试系统

单一技术难以同时满足高分辨率、深穿透、全场测量及多力学参数获取的需求。近年来，多模态原位测试系统成为重要发展方向。典型组合包括：

- OCE与超声SWE结合：浅表层用OCE获得微米级分辨率的弹性分布，深层用SWE补充毫米级弹性信息。

- MRI与DIC协同：MRI提供全器官三维变形场，DIC提供表面高精度应变作为边界约束条件。

- 显微压痕与OCT集成：OCT实时监测压痕过程内部结构变化，使力学测量与微观结构变形相关联。

- MRE与有限元逆问题求解：利用MRE测量的位移场作为输入，通过求解非线性逆问题获得各向异性、粘弹性本构参数。

这些混合系统对硬件集成、时序同步以及多物理场耦合计算提出了更高要求，但为全面刻画软组织力学行为提供了更有力的工具。

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3 关键技术瓶颈

尽管原位测试技术已取得显著进展，但在实际应用中仍面临若干共性挑战：

(1) 本构模型的复杂性

生物软组织表现出非线性、粘弹性、各向异性、主动收缩（如肌肉、血管平滑肌）以及生长-重塑耦合等复杂行为。大多数弹性成像方法仍基于线弹性假设或简化模型（如各向同性、小变形、无频率依赖），导致反演参数偏离生理实际。例如，MRE测得的剪切模量随振动频率升高而增加（即“频散"现象），但常规MRE仅用一个固定频率的模量值描述，丢失了粘性信息。

(2) 边界条件的不确定性

在体组织受到周围骨骼、韧带、其他器官以及体腔压力的复杂约束。原位测试中，测量结果对边界条件的敏感性高。以心肌MRE为例，心脏被胸腔、肺和膈肌包围，呼吸和心跳带来的动态边界变化难以精确建模，使得绝对模量值在个体间存在较大离散。

(3) 活体动态测试的挑战

生理运动（心跳、呼吸、血流脉动、肌肉颤动）产生的时间依赖性变形会与外加力学激励叠加，造成位移场解耦困难。心电门控、呼吸门控以及图像后处理运动校正技术虽能部分缓解，但会降低时间分辨率并增加扫描时长。对于非周期性运动（如肠蠕动、膀胱充盈），现有技术尚难以有效处理。

(4) 标准化与验证缺失

不同实验室、不同厂商的设备在激励方式、成像参数、反演算法上存在显著差异，导致模量值无法直接对比。目前尚缺乏适用于软组织原位测试的标准化仿体（phantom）和验证协议。例如，同一组织用OCE和MRE测得的模量差异可达数倍，这种差异既源于组织的频率依赖性，也源于不同反演模型的系统误差。

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4 未来发展方向

(1) 本构模型驱动的多参数反演

从单一模量走向多参数本构表征是必然趋势。结合粘弹性模型（如标准线性固体、幂律松弛）、超弹性模型（如Ogden、Holzapfel-Gasser-Ogden）的各向异性扩展，以及非线性逆问题求解算法（如基于贝叶斯推断或物理信息神经网络PINNs），有望从原位位移场中同时反演非线性系数、各向异性比和松弛时间谱。

(2) 高通量、动态四维原位测试

“四维"即在三维空间的基础上增加时间维。利用快速成像技术（如压缩感知加速MRE、超快超声平面波）实现对软组织力学性能的毫秒级动态采集，捕捉载荷作用下的瞬时响应、应力松弛及蠕变全过程。这对于研究冲击损伤、步态周期中肌腱韧带的动态行为以及心肌快速收缩期力学变化尤为关键。

(3) 力学-生理-代谢多模态原位耦合

组织的力学性能与生理功能（如血流灌注、氧合水平、温度、pH值）及代谢活动密切相关。将力学测试与功能性近红外光谱（fNIRS）、拉曼光谱、荧光成像或多参数传感阵列集成，可在同一测试过程中建立力学性能与生理生化状态的关联，为疾病机制研究和疗效评估提供全景式信息。

(4) 微型化、可植入式原位传感

对于长期、连续的活体原位力学监测（如术后组织愈合过程、移植物重塑动态），传统成像式方法难以实现高频次、长时程测量。基于柔性电子、无线传输和微纳加工技术的可植入式应变/压力传感器正快速发展。将微型力学传感单元贴附于组织表面或缝合于关键部位，可在清醒自由活动动物模型中连续数月记录局部力学环境变化。

(5) 机器学习加速反演与自动化分析

深度学习可用于：从噪声位移场中快速重建弹性模量分布（替代迭代逆问题求解）；将不同模态（OCT、MRI、超声）测得的模量映射到统一的本构参数空间；自动分割组织边界、识别运动伪影以及预测测量不确定度。发展可泛化的大规模训练数据集是这一方向的瓶颈所在。

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5 结语

生物软组织力学性能的原位测试正从离体、静态、单参数、低分辨率向活体、动态、多参数、多模态融合的方向深刻转变。光学相干弹性成像、磁共振弹性成像、超声弹性成像、数字图像相关以及微尺度探针等技术各有其优势应用场景，亦存在穿透深度、分辨率、模型假设及标准化等方面的局限。未来突破的关键在于：发展能够描述软组织复杂本构行为的物理模型，构建高时空分辨的多模态原位测试系统，建立标准化验证体系，以及借助机器学习实现高效精准的参数反演。这些进步将深化我们对组织发育、衰老、损伤修复及疾病进展中力学作用机制的理解，并为个性化诊疗、组织工程构建和手术方案优化提供坚实的力学依据。