技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)高級 OCT 成像應(yīng)用發(fā)展

日期： 2011-08-22

作者：Kenneth Nesteroff，德州儀器業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理

關(guān)鍵詞： DSP OCT 成像

過去幾年間，光學(xué)相干斷層掃描技術(shù) (OCT) 獲得長足的發(fā)展。自從 OCT 問世以來，眼科醫(yī)生便運(yùn)用近紅外線技術(shù)拍攝眼后段結(jié)構(gòu)的高畫質(zhì)影像。由于眼部組織呈半透明狀，因此 OCT 可提供顯現(xiàn)視網(wǎng)膜病變的影像，藉以診斷和監(jiān)控青光眼及黃斑水腫等視網(wǎng)膜疾病。如今，許多以 OCT 為基礎(chǔ)的醫(yī)療應(yīng)用已臻成熟，另外有多項(xiàng)全新應(yīng)用正在開發(fā)階段。

圖 1. 眼科醫(yī)生運(yùn)用 OCT 儀器的范例

OCT 成像的原理與超聲波類似，只不過是運(yùn)用反射的近紅外線做為成像媒介形成影像，而非運(yùn)用反射的聲波。近紅外線光源 (一般為 800 至 1300 納米) 被一分為二，形成兩個(gè)光束。其中一束發(fā)射到取樣組織上，另一束則發(fā)射到參考反射鏡上。取樣臂掃描組織時(shí)，干涉儀對取樣組織后端反射回的光線執(zhí)行數(shù)字信號處理算法，以達(dá)到深度解析的軸位掃描。將這些掃描相互疊加即可形成組織的 2D 或 3D 影像。一般而言，OCT 能夠以低于 10 微米的極高分辨率，解析 3 至 5 毫米組織深度的影像。

在第一代時(shí)域系統(tǒng)中，OCT 系統(tǒng)關(guān)鍵組件之一的參考反射鏡是機(jī)械組件，因此動(dòng)作緩慢，而且影像的分辨率有限。第二代 OCT 系統(tǒng)以固定式參考反射鏡取代機(jī)械式參考反射鏡，并運(yùn)用光譜儀以及快速傅立葉變換 (FFT)、級數(shù)運(yùn)算與對數(shù)壓縮等強(qiáng)大的數(shù)字信號處理技術(shù)，以解析內(nèi)嵌深度信息，并且與橫向掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)合，可使成像時(shí)間大幅縮短，同時(shí)提升影像分辨率。

OCT 在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

現(xiàn)在 OCT 醫(yī)療系統(tǒng)大多用于眼科，但在過去幾年間，也出現(xiàn)了幾項(xiàng)新興的應(yīng)用。例如，耳鼻喉科 (ENT) 醫(yī)師及兒科醫(yī)師也采用 OCT 技術(shù)作為診斷工具。一般而言，醫(yī)生使用耳鏡檢查耳部、外耳道及鼓膜是否有細(xì)菌感染而發(fā)紅的癥狀。而OCT 則可通過表皮及皮下膜的成像判斷是否感染致病細(xì)菌，以提升診斷準(zhǔn)確度。服用幾次抗生素后，可使用 OCT 系統(tǒng)分析抗生素是否發(fā)揮效用。如果感染的生物膜已經(jīng)去除，則患者可以停止服用抗生素。

其他新興的 OCT 醫(yī)療應(yīng)用包括牙科診斷系統(tǒng)及跨科手術(shù)技術(shù)運(yùn)用。牙醫(yī)可采用 OCT 成像技術(shù)來確定 X 光和目測都無法發(fā)現(xiàn)的早期齲齒及某些牙齦疾病，以進(jìn)行更有效的預(yù)防程序。

在跨科手術(shù)方面，OCT 可在去除腫瘤的手術(shù)過程中分析有無癌癥。一般而言，外科醫(yī)生取出腫瘤周圍組織時(shí)，總是希望去除所有的癌癥細(xì)胞。去除的腫瘤及周圍的組織會送至病理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行幾周的分析，然后做出手術(shù)后的書面報(bào)告。由于 OCT 影像在組織學(xué)和病理學(xué)應(yīng)用當(dāng)中采用相同的分辨率，因此手術(shù)室中的 OCT 系統(tǒng)能夠讓外科醫(yī)生在手術(shù)過程中確切知道需要去除多少組織，同時(shí)留下多少安全邊緣部份，采用如此的做法便不會錯(cuò)誤去除未感染癌癥的組織，因而省卻后續(xù)手術(shù)的費(fèi)用及痛苦。OCT 技術(shù)能夠讓醫(yī)生實(shí)時(shí)看見組織學(xué)分辨率的影像，以便在第一次進(jìn)行去除腫瘤的外科手術(shù)時(shí)做出更好的決定。

日后會有更多實(shí)行 OCT 的醫(yī)療應(yīng)用。例如，OCT 能夠搭配穿刺活檢去除早期階段的小腫瘤。對于罹患乳腺癌的病患，OCT 可搭配視覺及「智能型」信號處理技術(shù)，引導(dǎo)針插入確切的腫瘤位置，以查明疑似感染的組織，盡可能減少手術(shù)的侵入性。對于心血管患者，OCT 可搭配極小型導(dǎo)管支架，更準(zhǔn)確得找出血管內(nèi)支架或檢查斑塊積聚的情況。在這些類型的應(yīng)用中，先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)不僅能夠達(dá)到絕佳的影像畫質(zhì)，而且能夠進(jìn)行組織分類。

OCT 存儲方式的改變

用于醫(yī)療成像的 OCT 技術(shù)首度推出時(shí)，采用個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC)作為系統(tǒng)平臺，后來第二代系統(tǒng)得以修改，而目前開發(fā)中的第三代系統(tǒng)也將有所改變。多個(gè) OCT 系統(tǒng)制造商已經(jīng)或者即將采用嵌入式處理平臺，其中配備單一或多核數(shù)字信號處理器 (DSP)，而非 PC 中使用的通用處理器 (GPP)。與傳統(tǒng)運(yùn)算方式相比，DSP 的每毫瓦功耗所能達(dá)到的信號處理效能更高，這意味著運(yùn)用可編程算法即可得出準(zhǔn)確的結(jié)果，而不需要使用成本高的電源供應(yīng)和散熱器件。DSP 型片上系統(tǒng) (SoC) 能夠讓功能強(qiáng)大的信號處理器與具有適當(dāng)接口可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、內(nèi)存及儲存的系統(tǒng)應(yīng)用處理器并存，可幫助設(shè)計(jì)人員縮小系統(tǒng)體積尺寸并降低耗電量。采用 DSP 平臺可縮小系統(tǒng)的實(shí)際尺寸并降低耗電量，因此不久的將來將有電池供電的可攜式 OCT 系統(tǒng)問世。和便攜式超聲波系統(tǒng)一樣，便攜式 OCT 系統(tǒng)將有助于此技術(shù)獲得諸多診所及醫(yī)師辦公室的普遍采用。此外，對于處理自然災(zāi)害和意外事故的醫(yī)療與急救專業(yè)人員來說，便攜式 OCT 系統(tǒng)將成為有效的即時(shí)診斷工具。

圖 2. TI 多核 DSP 開發(fā)平臺用于醫(yī)療成像的范例

未來的醫(yī)療應(yīng)用

在未來新一代 OCT 醫(yī)療成像技術(shù)的趨勢中，功能更強(qiáng)大的多核 (DSP) 將得到部署，以縮短成像時(shí)間，提高影像畫質(zhì)。處理 OCT 影像的軟件算法增強(qiáng)功能目前正處于開發(fā)階段。一項(xiàng)稱為全光纖偏振敏感光學(xué)相干層析系統(tǒng)OCT (PS-OCT) 的技術(shù)能夠運(yùn)用處理算法將光信號極化，以產(chǎn)生視覺對比度更高的影像。高對比度的影像可以呈現(xiàn)齲齒中出現(xiàn)的小洞或者微小的囊腫和腫瘤。

另一項(xiàng)未來的 OCT應(yīng)用可檢查眼部極為細(xì)小的血管，其中 OCT可使用多普雷成像技術(shù)繪制血流量圖表，估算血流速度，原理與超聲波類似，但分辨率更高，可早期診斷出糖尿病及某些眼部疾病。可編程 DSP 架構(gòu)能夠針對信號處理應(yīng)用提供準(zhǔn)確的可擴(kuò)展平臺，因此有助于此類新型算法的開發(fā)及快速部署。

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