生物軟組織（如血管、皮膚、角膜、韌帶、心肌等）具有非線性彈性、粘彈性、各向異性和生長重塑等復(fù)雜力學(xué)特性，其力學(xué)性能的準(zhǔn)確表征對于理解生理病理機(jī)制、開發(fā)組織工程材料以及指導(dǎo)臨床診療具有重要意義。原位測試技術(shù)能夠在接近生理狀態(tài)的環(huán)境下獲取組織在體或離體但保持天然構(gòu)型的力學(xué)響應(yīng)，避免了傳統(tǒng)離體測試中因組織結(jié)構(gòu)破壞、水分喪失、預(yù)加載荷改變等因素帶來的誤差。本文系統(tǒng)綜述了生物軟組織力學(xué)性能原位測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了基于光學(xué)相干彈性成像、磁共振彈性成像、超聲彈性成像、數(shù)字圖像相關(guān)以及微尺度力學(xué)探針等原位測試方法的原理、特點及應(yīng)用范圍，分析了各類方法在空間分辨率、時間分辨率、穿透深度、應(yīng)力/應(yīng)變測量精度等方面的技術(shù)瓶頸，并探討了多模態(tài)融合、活體動態(tài)測試及本構(gòu)模型反演等未來發(fā)展方向。

生物軟組織是一類由細(xì)胞外基質(zhì)（主要為膠原纖維、彈性纖維和蛋白聚糖）和嵌入其中的功能細(xì)胞組成的復(fù)合材料。它們在不同生理條件下承受著復(fù)雜的力學(xué)載荷，如血管壁受脈動血壓作用、心肌經(jīng)歷周期性收縮舒張、皮膚承受拉伸和剪切、角膜維持特定曲率以保障光學(xué)功能。組織的力學(xué)性能（如彈性模量、剪切模量、泊松比、粘性系數(shù)、松弛時間等）不僅決定了其宏觀形變行為，還通過力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、凋亡及基質(zhì)重塑等生物學(xué)過程。

傳統(tǒng)力學(xué)測試方法，如單軸拉伸、壓縮、壓痕、扭轉(zhuǎn)等，通常需要將組織從體內(nèi)取出并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化試樣制備。然而，離體過程會引發(fā)一系列問題：組織失去血液灌注和生理溫度、肌肉主動張力消失、細(xì)胞外基質(zhì)因切割而斷裂、水分蒸發(fā)導(dǎo)致滲透壓改變等。這些變化使得離體測試結(jié)果難以真實反映組織的在體力學(xué)行為。以血管為例，離體血管平滑肌失去自主張力，其周向應(yīng)力-應(yīng)變曲線與在體狀態(tài)存在顯著差異。

原位測試(in-situ testing)是指在接近原生環(huán)境（包括解剖位置、邊界約束、血液/體液灌注、溫度、濕度及生理載荷）下對組織力學(xué)性能進(jìn)行直接測量的技術(shù)體系。根據(jù)測試對象是否存活，可分為活體原位測試和離體但保持天然構(gòu)型的測試；根據(jù)加載與測量的耦合方式，可分為外部激勵-內(nèi)部成像耦合型和微探針直接接觸型。近年來，隨著高分辨率醫(yī)學(xué)影像、先進(jìn)光學(xué)技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)以及計算力學(xué)反演方法的快速發(fā)展，生物軟組織原位力學(xué)測試已從定性評估走向定量表征，成為生物力學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。

本文旨在系統(tǒng)梳理當(dāng)前主流的生物軟組織原位力學(xué)測試技術(shù)，分析其原理、優(yōu)勢、局限及典型應(yīng)用，并展望未來發(fā)展方向，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

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2 主要原位測試技術(shù)原理與進(jìn)展

2.1 光學(xué)相干彈性成像（OCE）

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）基于低相干干涉原理，可實現(xiàn)對生物組織表層（深度1–2 mm）微米級分辨率的斷層成像。光學(xué)相干彈性成像（Optical Coherence Elastography, OCE）在此基礎(chǔ)之上引入力學(xué)激勵（聲輻射力、噴氣脈沖、壓電振動或主動壓頭）并追蹤組織內(nèi)散射粒子的位移場，進(jìn)而通過彈性波速或應(yīng)變反演局部彈性模量。

OCE的核心優(yōu)勢在于超高空間分辨率（數(shù)微米至十余微米），使其能夠分辨角膜各層（上皮層、前彈力層、基質(zhì)層、后彈力層、內(nèi)皮層）以及動脈壁中的內(nèi)膜-中膜-外膜結(jié)構(gòu)。在角膜原位測試中，OCE結(jié)合非接觸噴氣激勵已成為評估圓錐角膜、屈光術(shù)后角膜生物力學(xué)性能變化的有效工具。近年來，相位敏感OCE（PhS-OCE）通過對相鄰A-scan間相位差的精確計算，可檢測亞納米級的組織位移，顯著提高了應(yīng)變測量的靈敏度。

然而，OCE的穿透深度受限于OCT系統(tǒng)（約1–2 mm），主要適用于眼組織、皮膚、淺表血管及軟骨等表層軟組織。此外，定量反演彈性模量需已知密度和泊松比，且不同激勵方式對應(yīng)的波速-模量解析模型（Rayleigh波、Lamb波、剪切波）存在模型依賴性誤差。

2.2 磁共振彈性成像（MRE）

磁共振彈性成像（Magnetic Resonance Elastography, MRE）將外部機(jī)械振動（通常20–200 Hz）與相位對比MRI序列相結(jié)合，通過測量組織內(nèi)剪切波的傳播波長來重建剪切模量分布。其穿透深度不受限（與常規(guī)MRI一致），能夠?qū)崿F(xiàn)全器官尺度的三維力學(xué)性能制圖。

MRE在肝纖維化分期中的臨床應(yīng)用最為成熟。肝纖維化早期，肝臟剪切模量從健康狀態(tài)的約2 kPa逐漸升高至晚期肝硬化時的6–8 kPa甚至更高，MRE可無創(chuàng)地在體評估纖維化程度，已取代部分肝穿刺活檢。此外，MRE也用于腦組織（評估老年癡呆、多發(fā)性硬化中的微觀結(jié)構(gòu)變化）、骨骼?。y量主動/被動收縮狀態(tài)下的各向異性模量）以及心肌（需心電門控解決運動偽影）。

MRE的主要局限性包括：空間分辨率相對較低（典型體素尺寸1–2 mm），難以分辨毫米級以下的微結(jié)構(gòu)；設(shè)備成本高、檢查時間長（約15–30分鐘）；振動頻率較低，對于高模量組織（如骨、鈣化組織）波長過長導(dǎo)致無法有效成像；反演算法假設(shè)各向同性線彈性，不適用于大變形或強(qiáng)各向異性軟組織。

2.3 超聲彈性成像（USE）

超聲彈性成像（Ultrasound Elastography, USE）通過超聲探頭施加準(zhǔn)靜態(tài)壓縮（應(yīng)變彈性成像）或追蹤剪切波傳播（剪切波彈性成像）來獲得組織硬度信息。相比MRE，USE具有實時成像（數(shù)十幀/秒）、設(shè)備便攜、成本較低等優(yōu)點，在臨床得到廣泛應(yīng)用。

剪切波彈性成像（SWE）通過聲輻射力在組織局部產(chǎn)生剪切波，然后以超高幀率超聲成像（>2000幀/秒）捕捉波前傳播過程，計算剪切波速度并轉(zhuǎn)換為楊氏模量。該技術(shù)已在甲狀腺結(jié)節(jié)、乳腺腫瘤、前列腺癌及肌骨系統(tǒng)疾病診斷中展現(xiàn)出重要價值。對于心血管系統(tǒng)，基于血管內(nèi)超聲（IVUS）的彈性成像可原位評估動脈粥樣硬化斑塊的局部應(yīng)變分布，識別易損斑塊。

USE的穿透深度優(yōu)于OCE（可達(dá)數(shù)厘米至十余厘米），但低于MRE；空間分辨率受超聲波波長限制（數(shù)百微米量級），介于OCE和MRE之間。主要挑戰(zhàn)包括：操作者依賴性（尤其是手持探頭時的壓力影響）；肥胖患者或含氣臟器（如肺、腸道）成像質(zhì)量下降；聲輻射力激勵存在安全性閾值（熱指數(shù)和機(jī)械指數(shù)需控制）。

2.4 數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）結(jié)合力學(xué)加載

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation, DIC）是一種光學(xué)全場應(yīng)變測量技術(shù)，通過在組織表面噴涂散斑或利用天然紋理，追蹤變形前后圖像子區(qū)的相關(guān)性獲得位移和應(yīng)變場。在生物軟組織原位測試中，DIC通常與局部壓痕、負(fù)壓吸引或可控拉伸加載裝置結(jié)合使用。

例如，在角膜原位生物力學(xué)測試中，通過可控氣路施加負(fù)壓使角膜產(chǎn)生向前凸起變形，同步DIC相機(jī)記錄表面三維形貌和全場應(yīng)變分布，結(jié)合有限元逆分析可反演角膜各區(qū)域的非線性彈性參數(shù)。皮膚和肌腱的DIC原位測試則常采用微型夾具施加局部拉伸或扭轉(zhuǎn)。DIC技術(shù)可直接獲得全場應(yīng)變，無需掃描，時間分辨率高（可達(dá)千赫茲級），且易于與多種加載裝置集成。

該方法的局限性在于：需要可見光通路，不適用于深層組織；表面散斑可能干擾生理狀態(tài)（如影響角膜光學(xué)透明度）；DIC僅測量表面應(yīng)變，無法獲得內(nèi)部三維應(yīng)變場；離體應(yīng)用場景居多，真正的活體原位測試受限于運動偽影和視線遮擋。

2.5 微尺度力學(xué)探針（MIP）與顯微壓痕

對于毫米級乃至微米尺度的生物軟組織（如胚胎組織、細(xì)胞層片、微小血管或神經(jīng)束），宏觀彈性成像方法分辨率不足。微尺度力學(xué)探針（Micro-scale Indentation Probe, MIP）基于原子力顯微鏡（AFM）或定制MEMS力傳感器，以微米級壓頭對組織表面進(jìn)行局部壓入測試，同時結(jié)合光學(xué)或電子顯微成像定位。

該技術(shù)可在原位（如培養(yǎng)皿中的活體組織塊或微小動物模型）獲得局部的力-位移曲線，通過赫茲接觸模型提取彈性模量。例如，對非洲爪蟾胚胎神經(jīng)管閉合過程的原位壓痕測試揭示了組織硬度在形態(tài)發(fā)生過程中的時空變化規(guī)律；對離體但保持血供的微血管進(jìn)行探針測試可區(qū)分內(nèi)皮層與基底膜的力學(xué)貢獻(xiàn)。

MIP的優(yōu)勢在于高的力（pN–μN(yùn)級）和位移（nm級）分辨率，可直接測量微小軟組織。但其穿透深度極?。▋H壓頭接觸區(qū)域），且模型假設(shè)各向同性半無限體，對于薄膜狀或纖維狀組織需謹(jǐn)慎解釋結(jié)果。同時，點測量模式難以獲得全場分布信息。

2.6 多模態(tài)與混合原位測試系統(tǒng)

單一技術(shù)難以同時滿足高分辨率、深穿透、全場測量及多力學(xué)參數(shù)獲取的需求。近年來，多模態(tài)原位測試系統(tǒng)成為重要發(fā)展方向。典型組合包括：

- OCE與超聲SWE結(jié)合：淺表層用OCE獲得微米級分辨率的彈性分布，深層用SWE補(bǔ)充毫米級彈性信息。

- MRI與DIC協(xié)同：MRI提供全器官三維變形場，DIC提供表面高精度應(yīng)變作為邊界約束條件。

- 顯微壓痕與OCT集成：OCT實時監(jiān)測壓痕過程內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，使力學(xué)測量與微觀結(jié)構(gòu)變形相關(guān)聯(lián)。

- MRE與有限元逆問題求解：利用MRE測量的位移場作為輸入，通過求解非線性逆問題獲得各向異性、粘彈性本構(gòu)參數(shù)。

這些混合系統(tǒng)對硬件集成、時序同步以及多物理場耦合計算提出了更高要求，但為全面刻畫軟組織力學(xué)行為提供了更有力的工具。

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3 關(guān)鍵技術(shù)瓶頸

盡管原位測試技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，但在實際應(yīng)用中仍面臨若干共性挑戰(zhàn)：

(1) 本構(gòu)模型的復(fù)雜性

生物軟組織表現(xiàn)出非線性、粘彈性、各向異性、主動收縮（如肌肉、血管平滑?。┮约吧L-重塑耦合等復(fù)雜行為。大多數(shù)彈性成像方法仍基于線彈性假設(shè)或簡化模型（如各向同性、小變形、無頻率依賴），導(dǎo)致反演參數(shù)偏離生理實際。例如，MRE測得的剪切模量隨振動頻率升高而增加（即“頻散"現(xiàn)象），但常規(guī)MRE僅用一個固定頻率的模量值描述，丟失了粘性信息。

(2) 邊界條件的不確定性

在體組織受到周圍骨骼、韌帶、其他器官以及體腔壓力的復(fù)雜約束。原位測試中，測量結(jié)果對邊界條件的敏感性高。以心肌MRE為例，心臟被胸腔、肺和膈肌包圍，呼吸和心跳帶來的動態(tài)邊界變化難以精確建模，使得絕對模量值在個體間存在較大離散。

(3) 活體動態(tài)測試的挑戰(zhàn)

生理運動（心跳、呼吸、血流脈動、肌肉顫動）產(chǎn)生的時間依賴性變形會與外加力學(xué)激勵疊加，造成位移場解耦困難。心電門控、呼吸門控以及圖像后處理運動校正技術(shù)雖能部分緩解，但會降低時間分辨率并增加掃描時長。對于非周期性運動（如腸蠕動、膀胱充盈），現(xiàn)有技術(shù)尚難以有效處理。

(4) 標(biāo)準(zhǔn)化與驗證缺失

不同實驗室、不同廠商的設(shè)備在激勵方式、成像參數(shù)、反演算法上存在顯著差異，導(dǎo)致模量值無法直接對比。目前尚缺乏適用于軟組織原位測試的標(biāo)準(zhǔn)化仿體（phantom）和驗證協(xié)議。例如，同一組織用OCE和MRE測得的模量差異可達(dá)數(shù)倍，這種差異既源于組織的頻率依賴性，也源于不同反演模型的系統(tǒng)誤差。

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4 未來發(fā)展方向

(1) 本構(gòu)模型驅(qū)動的多參數(shù)反演

從單一模量走向多參數(shù)本構(gòu)表征是必然趨勢。結(jié)合粘彈性模型（如標(biāo)準(zhǔn)線性固體、冪律松弛）、超彈性模型（如Ogden、Holzapfel-Gasser-Ogden）的各向異性擴(kuò)展，以及非線性逆問題求解算法（如基于貝葉斯推斷或物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PINNs），有望從原位位移場中同時反演非線性系數(shù)、各向異性比和松弛時間譜。

(2) 高通量、動態(tài)四維原位測試

“四維"即在三維空間的基礎(chǔ)上增加時間維。利用快速成像技術(shù)（如壓縮感知加速MRE、超快超聲平面波）實現(xiàn)對軟組織力學(xué)性能的毫秒級動態(tài)采集，捕捉載荷作用下的瞬時響應(yīng)、應(yīng)力松弛及蠕變?nèi)^程。這對于研究沖擊損傷、步態(tài)周期中肌腱韌帶的動態(tài)行為以及心肌快速收縮期力學(xué)變化尤為關(guān)鍵。

(3) 力學(xué)-生理-代謝多模態(tài)原位耦合

組織的力學(xué)性能與生理功能（如血流灌注、氧合水平、溫度、pH值）及代謝活動密切相關(guān)。將力學(xué)測試與功能性近紅外光譜（fNIRS）、拉曼光譜、熒光成像或多參數(shù)傳感陣列集成，可在同一測試過程中建立力學(xué)性能與生理生化狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，為疾病機(jī)制研究和療效評估提供全景式信息。

(4) 微型化、可植入式原位傳感

對于長期、連續(xù)的活體原位力學(xué)監(jiān)測（如術(shù)后組織愈合過程、移植物重塑動態(tài)），傳統(tǒng)成像式方法難以實現(xiàn)高頻次、長時程測量。基于柔性電子、無線傳輸和微納加工技術(shù)的可植入式應(yīng)變/壓力傳感器正快速發(fā)展。將微型力學(xué)傳感單元貼附于組織表面或縫合于關(guān)鍵部位，可在清醒自由活動動物模型中連續(xù)數(shù)月記錄局部力學(xué)環(huán)境變化。

(5) 機(jī)器學(xué)習(xí)加速反演與自動化分析

深度學(xué)習(xí)可用于：從噪聲位移場中快速重建彈性模量分布（替代迭代逆問題求解）；將不同模態(tài)（OCT、MRI、超聲）測得的模量映射到統(tǒng)一的本構(gòu)參數(shù)空間；自動分割組織邊界、識別運動偽影以及預(yù)測測量不確定度。發(fā)展可泛化的大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)集是這一方向的瓶頸所在。

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5 結(jié)語

生物軟組織力學(xué)性能的原位測試正從離體、靜態(tài)、單參數(shù)、低分辨率向活體、動態(tài)、多參數(shù)、多模態(tài)融合的方向深刻轉(zhuǎn)變。光學(xué)相干彈性成像、磁共振彈性成像、超聲彈性成像、數(shù)字圖像相關(guān)以及微尺度探針等技術(shù)各有其優(yōu)勢應(yīng)用場景，亦存在穿透深度、分辨率、模型假設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)化等方面的局限。未來突破的關(guān)鍵在于：發(fā)展能夠描述軟組織復(fù)雜本構(gòu)行為的物理模型，構(gòu)建高時空分辨的多模態(tài)原位測試系統(tǒng)，建立標(biāo)準(zhǔn)化驗證體系，以及借助機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)高效精準(zhǔn)的參數(shù)反演。這些進(jìn)步將深化我們對組織發(fā)育、衰老、損傷修復(fù)及疾病進(jìn)展中力學(xué)作用機(jī)制的理解，并為個性化診療、組織工程構(gòu)建和手術(shù)方案優(yōu)化提供堅實的力學(xué)依據(jù)。