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利用下一代医学成像技术及PXI模块化仪器系统与NI LabVIEW进行进展性癌症研究

2009-03-20
作者:Kohji Ohbayashi,

??? OCT是一種非入侵式成像技術,它提供半透明或不透明材料的表下和斷層圖像。OCT圖像可以用與顯微鏡相近的精度展現組織或其他物體。OCT越來越受到研究人員的關注,因為它具有比核磁共振成像(MRI)和正電子發射型斷層成像(PET)等其他成像技術高很多的分辨率。此外,該方法不要求作其他準備,并且因為其使用的激光輸出能量非常低且無需使用電離輻射,所以對患者非常安全。
??? OCT利用一個低功耗光源及其相應的光反射創建圖像,該方法類似于超聲,但監測的是光波,而不是聲波。當將一束光投射在一個樣品上,其中大部分光線被散射,但仍有小部分光線以平行光的形式反射,這些平行光可以被檢測到并用于創建圖像。

?????????????????????????????????????????高級別系統概覽
?? ?利用光解復用器創建一個高速傅里葉域OCT系統,以支持來自以192.2THz為中心頻率、頻率間隔為25.0GHz的寬帶入射光(波長為1559.8nm)的256個窄頻帶的分隔。頻譜分離使得PXI-5105數字化儀的256個高速模數轉換器(ADC)通道能以60MS/s的采樣率進行數據采集,并對所有的頻帶進行同步檢測。
??? 系統包含32塊8通道的PXI-5105數字化儀,分布在三個18槽的NI PXI-1045機箱上。利用NI PXI-6652定時與同步模塊和NI-TClk同步技術,實現不同機箱上的數字化儀的同步,它提供了數十皮秒精度級的通道間相位同步性。選用PXI-5105是因為其高通道密度——每塊板卡八個輸入通道,這就使得256個高速通道的系統保持較小的外形尺寸。當完成數據采集之后,利用LabVIEW進行數據處理和可視化展示。
??? 利用傅里葉域OCT系統中的光解復用器充當頻譜分析儀,實現了每秒六千萬次軸向掃描的OCT成像。用一臺共振掃描裝置進行幀速率為16kHz、每幀1400 A-線和3mm深度范圍的左右掃查,OCT成像展示了23μm的精度。

?????????????????????????????????????????? 系統深度描述
??? 系統中所采用的光源是一個寬帶超發光二極管(SLD,由NTT電子提供原型產品)。利用一個半導體光放大器(SOA,來自COVEGA公司,BOA-1004型)放大該SLD的輸出光信號,并利用耦合器(CP1)將其等分導入到樣本支路和參考支路。調整SOA1的輸出光信號強度,使得樣本信號的功率為9 mW,以滿足ANSI的安全限制。系統利用一個準直透鏡(L1)和一個物鏡(L2),將樣本支路光信號導入到采樣點(S)。使用一個共振掃描裝置(RS、光電產品、SC-30型)和一個電鏡(G,劍橋技術出品,6210型)掃描采樣點的光束。系統利用光照明光學收集來自采樣點的后向散射或后向發射的光信號,并利用一個光循環裝置C1將其導入至SOA2(來自COVEGA公司,BOA-1004型)。通過一個耦合器CP2(耦合比為50:50)整合SOA2的輸出信號與參考光信號。該參考支路由光循環裝置C2、準直透鏡L3和參考反射鏡RM組成。
??? 系統利用兩只光解復用器(OD1與OD2)分離CP2的輸出信號,以實現平衡檢測。它利用平衡圖片接收裝置(來自New Focus公司,2117型),共有256個圖片接收裝置,檢測來自這兩個OD的具有相同光頻率的輸出信號。它利用前述快速多通道ADC系統的32塊PXI-5105數字化儀,檢測來自圖片接收裝置的輸出信號。所采集數據在單次采集過程中存儲于數字化儀的板載深度存儲器中,然后傳輸至計算機供分析。
??? 就同步檢測干涉頻譜而言,OD-OCT與SD-OCT相似,其差別在于OD-OCT同時在不同頻率以數據采集速率檢測整個干涉圖譜,而不是像SD-OCT那樣,在某個時間跨度內累計輸入到CCD檢測裝置中。因而,它根據數據采集系統的數據采集速率(在現有系統中該速率高達60MHz)來確定軸向掃描速率。共振掃描裝置的16kHz速率確定了幀速率。因為僅使用了一個掃描方向進行數據采集(50%的占空比),從而得到每幀的采樣時間為31.25μs。該系統在每幀中獲得1 875次軸向掃描;然而,由于共振掃描裝置的左右掃查呈高度非線性,僅使用了1 400次軸向掃描,舍棄了475次軸向掃描。

??????????????????????????????????????????? 研究結果
??? 將動態范圍定義為點擴散函數(PSF)的峰值與樣本支路暢通時的背景噪聲間的比值。根據結果估計,動態范圍在各種深度下均約為40dB并隨著深度加深略有下降。OD-OCT的一個技術優勢在于AWG的每個通道所檢測的頻帶寬度小于25GHz的頻率間距。40dB的動態范圍基本滿足生物組織的測量。
??? 圖像的滲入深度約1mm,淺于通常利用SS-OCT或SD-OCT獲得的2mm滲入深度。這是由低敏感度決定的。為得到一幅3D圖像,需要大量的OCT截面。受限于存儲器的大小,采樣率降至10MHz。
??? Kitasato University的研究團隊能夠創建最快速的OCT系統,其軸向掃描速率高達60MHz。該研究的根本目標在于幫助患者提高癌癥檢測速度并改善其生活質量。為了創建這一系統,整合了三項創新技術。第一項技術來自NTT技術公司,將它用作寬帶光源。第二項技術便是由光解復用器和平衡圖片接收裝置組成的信號調理系統,它使得系統能夠檢測256條窄頻帶;最后一項技術是來自NI公司的PXI平臺,其憑借同步功能、微小尺寸和模塊化特性,支持高通道數的數據采集。利用PXI平臺的模塊化特性,能夠最初從128通道擴展到256通道。該平臺還支持將系統擴展到更高的通道數。該平臺利用高性能儀器擴展功能并利用快速PXI提高數據傳輸速率,可以滿足未來的需求并持續推進下一步的研究。

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