技术创新促进高级 OCT 成像应用发展 -EET

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技术创新促进高级 OCT 成像应用发展

作者：Kenneth Nesteroff，德州仪器业务开发经理 过去几年间，光学相干断层扫描技术 (OCT) 获得长足的发展。自从 OCT 问世以来，眼科医生便运用近红外线技术拍摄眼后段结构的高画质影像。由于眼部组织呈半透明状，因此 OCT 可提供显现视网膜病变的影像，藉以诊断和监控青光眼及黄斑水肿等视网膜疾病。如今，许多以 OCT 为基础的医疗应用已臻成熟，另外有多项全新应用正在开发阶段。                                 登录/注册后可看大图 图 1. 眼科医生运用 OCT 仪器的范例 OCT 成像的原理与超声波类似，只不过是运用反射的近红外线做为成像媒介形成影像，而非运用反射的声波。近红外线光源 (一般为 800 至 1300 纳米) 被一分为二，形成两个光束。其中一束发射到取样组织上，另一束则发射到参考反射镜上。取样臂扫描组织时，干涉仪对取样组织后端反射回的光线执行数字信号处理算法，以达到深度解析的轴位扫描。将这些扫描相互叠加即可形成组织的 2D 或 3D 影像。一般而言，OCT 能够以低于 10 微米的极高分辨率，解析 3 至 5 毫米组织深度的影像。 在第一代时域系统中，OCT 系统关键组件之一的参考反射镜是机械组件，因此动作缓慢，而且影像的分辨率有限。第二代 OCT 系统以固定式参考反射镜取代机械式参考反射镜，并运用光谱仪以及快速傅立叶变换 (FFT)、级数运算与对数压缩等强大的数字信号处理技术，以解析内嵌深度信息，并且与横向扫描数据实时结合，可使成像时间大幅缩短，同时提升影像分辨率。 OCT 在生物医学方面的应用 现在 OCT 医疗系统大多用于眼科，但在过去几年间，也出现了几项新兴的应用。例如，耳鼻喉科 (ENT) 医师及儿科医师也采用 OCT 技术作为诊断工具。一般而言，医生使用耳镜检查耳部、外耳道及鼓膜是否有细菌感染而发红的症状。而OCT 则可通过表皮及皮下膜的成像判断是否感染致病细菌，以提升诊断准确度。服用几次抗生素后，可使用 OCT 系统分析抗生素是否发挥效用。如果感染的生物膜已经去除，则患者可以停止服用抗生素。 其他新兴的 OCT 医疗应用包括牙科诊断系统及跨科手术技术运用。牙医可采用 OCT 成像技术来确定 X 光和目测都无法发现的早期龋齿及某些牙龈疾病，以进行更有效的预防程序。 在跨科手术方面，OCT 可在去除肿瘤的手术过程中分析有无癌症。一般而言，外科医生取出肿瘤周围组织时，总是希望去除所有的癌症细胞。去除的肿瘤及周围的组织会送至病理实验室进行几周的分析，然后做出手术后的书面报告。由于 OCT 影像在组织学和病理学应用当中采用相同的分辨率，因此手术室中的 OCT 系统能够让外科医生在手术过程中确切知道需要去除多少组织，同时留下多少安全边缘部份，采用如此的做法便不会错误去除未感染癌症的组织，因而省却后续手术的费用及痛苦。OCT 技术能够让医生实时看见组织学分辨率的影像，以便在第一次进行去除肿瘤的外科手术时做出更好的决定。 日后会有更多实行 OCT 的医疗应用。例如，OCT 能够搭配穿刺活检去除早期阶段的小肿瘤。对于罹患乳腺癌的病患，OCT 可搭配视觉及「智能型」信号处理技术，引导针插入确切的肿瘤位置，以查明疑似感染的组织，尽可能减少手术的侵入性。对于心血管患者，OCT 可搭配极小型导管支架，更准确得找出血管内支架或检查斑块积聚的情况。在这些类型的应用中，先进的数字信号处理技术不仅能够达到绝佳的影像画质，而且能够进行组织分类。 OCT 存储方式的改变 用于医疗成像的 OCT 技术首度推出时，采用个人计算机 (PC)作为系统平台，后来第二代系统得以修改，而目前开发中的第三代系统也将有所改变。多个 OCT 系统制造商已经或者即将采用嵌入式处理平台，其中配备单一或多核数字信号处理器 (DSP)，而非 PC 中使用的通用处理器 (GPP)。与传统运算方式相比，DSP 的每毫瓦功耗所能达到的信号处理效能更高，这意味着运用可编程算法即可得出准确的结果，而不需要使用成本高的电源供应和散热器件。DSP 型片上系统 (SoC) 能够让功能强大的信号处理器与具有适当接口可进行数据处理、内存及储存的系统应用处理器并存，可帮助设计人员缩小系统体积尺寸并降低耗电量。采用 DSP 平台可缩小系统的实际尺寸并降低耗电量，因此不久的将来将有电池供电的可携式 OCT 系统问世。和便携式超声波系统一样，便携式 OCT 系统将有助于此技术获得诸多诊所及医师办公室的普遍采用。此外，对于处理自然灾害和意外事故的医疗与急救专业人员来说，便携式 OCT 系统将成为有效的即时诊断工具。                                 登录/注册后可看大图 图 2. TI 多核 DSP 开发平台用于医疗成像的范例 未来的医疗应用 在未来新一代 OCT 医疗成像技术的趋势中，功能更强大的多核 (DSP) 将得到部署，以缩短成像时间，提高影像画质。处理 OCT 影像的软件算法增强功能目前正处于开发阶段。一项称为全光纤偏振敏感光学相干层析系统OCT (PS-OCT) 的技术能够运用处理算法将光信号极化，以产生视觉对比度更高的影像。高对比度的影像可以呈现龋齿中出现的小洞或者微小的囊肿和肿瘤。 另一项未来的 OCT应用可检查眼部极为细小的血管，其中 OCT可使用多普雷成像技术绘制血流量图表，估算血流速度，原理与超声波类似，但分辨率更高，可早期诊断出糖尿病及某些眼部疾病。可编程 DSP 架构能够针对信号处理应用提供准确的可扩展平台，因此有助于此类新型算法的开发及快速部署。