全球首台实时3d光学相干断层oct医学成像系统

全球首台实时3D光学相干断层（OCT）医学成像系统 实时3D相干断层（OCT）成像系統。并使用LabVIEW设计、整合、控制系统的不同部分，以高通道数功能整合GPU及FPGA，实现实时计算、描绘和显示。"-Dr.KohjiOhbayashi大林康二,KitasatoUniversity,GraduateSchoolofMedicalScienceTheThe以光学相干断层（OCT）技术，加上320个通道的信息系统，搭配NIFlexRIOFPGA硬件与GPU处理功能，构建全球首款实时3DOCT成像系统。AuthorDr.KohjiOhbayashi大林康二-KitasatoUniversity,GraduateSchoolofMedicalScienceD -KitasatoUniversity,CenterforNaturalScienceH.Hiro-OkaKitasatoUniversity,CenterforNaturalScienceA.Kubota久保田敦-SystemHouseCoT.Ohno大野努-SystemHouseCoRIkeda池田練造-SystemHouseCoK.Shimizu清水公也-KitasatoUniversity,DepartmentofOpthalmology北里大学医学部眼科学教室教授OCT是非侵入式的成像技术，可进行次表面(Subsurface)与截面(Cross-sectional)的成像。与核磁 成像(MRI)、正子断层成像(PET)相比，鉴于OCT的分辨率最高，因此学术领域已日渐着重这项技术。此外，OCT激光输出低且无需电离辐射，因此前期准备较少， OCT高速的OCT3DOCT实现，但仍沒有方法能成功实时显示3DOCT。开发出第一代的速光谱域（SD）OCT系统，可达60MHz的A-scan扫描率。而此OCT的关键要素，就是通过光学多路解调器，从宽频入射光源中分隔256个窄光谱频带。由此可在已测得的频谱中，同步检测干扰条纹信号；这也是OCT成像的必要需求。因此A-scan扫描率，必须等于模数转换器(ADC)中的数字化率的信息速度。使用32组NIPXI-5105高密度的8通道示波器，构建自己的信息系统，以60MS/s的采样率来同步数字化全部256个频带 将它传输至电脑，再通过LabVIEW处理并呈现数据。NIPXI-6652定时与同步模块，以及NI-TClk同步技术，也是 数十微微秒的误差。另外在SD-OCT系统中，将光学多路解调器作为光谱分析器，以到达每秒6千万次轴位扫描(Axialscan)的OCT成像。针对横向扫描所使用的扫描器， 达到16kHz帧率、每帧1400组A-line、3mm深度范围以及23µm分辨率。 需约3个小时才能完全处理3D数据。最终此系统无法搭配实时光学活组织检查(内窥镜OCT的主要目标)。但现在的新系统可达到3DOCT实时图像显示(本质已可达到4DOCT显示)，且其A-scan、B-scan、VolumeRate分別可达10MHz、4kHz、每秒12个Volume。 之均分为采样端(Samplearm)和参考端(Referencearm)。系统再通过准直透镜与物镜将采样端的光线引导至采样上。接着使用扫描器与电流镜，扫描采样上的光束。扫描器为4频率，也决定了系统的B-scan扫描率。系统可通过照明光源，样本的背向散射(Back-scattered)或背向反射(Back-reflected)光线，再以光循环器，将光线导至其他光学放大器。另外还有1组耦合器，可整合放大过的输出与参考光线。参考端则包含1组光学循环器、1组准直透镜、1组参考镜。OCT系统基于50MHz的A/D转换速度，可达更高A-scan扫描率，但最初 仅先选用10MHz的A-scan扫描率。选用NIFlexRIO模块化FPGA硬件，构建出320个通道的系统，并以NILabVIEWFPGA模块图形化语言进行进一步设计，无需了解VHDL也可设计FPGA电路。NIFlexRIO提供可互换、可自定制的I/O适配器模块，且通过PXI/PXIExpress机箱搭载FPGA模块。FPGA可在硬件中构建处理演算法，让部分代码从电脑移至FPGA，进而大幅提升处理性能。 系统的简图。针对高速 使用NI5751适配器模块，16条同步通道可达14位分辨率与50MS/s采样率。适配器模块可连接NIPXIe-7962RFPGA模块，执行第一阶段的处理–减少采样剪切噪音与 共用了2台PXIExpress机箱安装了20个模块，因此再通过2组NIPXIe-6674T定时/同步模块来分配系统时钟，确保系 所需的性能，则必须使用NIPXI平台。首先， 需要PXIExpress的高数据传输率。通过x4PCIe连接背板上的各个插槽，可让各模块达到700MB/s以上的数据传输率。此外，PXIExpress背板可使用DMA功能，让不同仪器之间也能达到点对点传输；可针对模块之间的通信，减少必须穿过主处理器或内存的数据。针对传输率与处理功能的需求， 也可专注于FPGA算法，确保系统的成像功能通过P2P传输功能， 可依赖高性能的Virtex5SX95FPGA，轻松预先处理NIPXIe-7962RFPGA模块到2个NIPXIe-7965R模块的数据。此款FPGA具备大量的数字信号处理分割区(Slice)，可简化信号处理， 也将它用于密集的FFT运算。针对3D成像功能，系统共有2组FPGA运算每秒超过700,000次512点FFT。虽然 大部分的开发均是通过LabVIEWFPGAP，但仍可将XilinxCOREGenerator™VHDLIP轻松集成至LabVIEWFPGA应用中，以实现复杂的FFT运算。LabVEW可整合并控制系统的不同部分。 通过高速MXI-Express光纤界面，将数据从PXI系统传输至四核DellPrecisionT7500PC(其內搭载NVIDIAQuadroFX3800GPU)，以执行实时 也需要长时间记录数据，才能形成的相关信息。由于系统架构并不会限制影响时间， 在原型系统上选用NIHDD-8264RAD系统(共3TB硬盘空间) 预估了如表1所示的数据量和所需的传输速度。通道數（320）将决定每次A-scan（深度扫描）的采样。接着 在1次B-scan（2D横截面图像）中进行256次A-scan，以达到理想的图像品质。如此代表B-scan将生成81，920组数据采样。而每次VolumeScan又有256次B-scan，因此各个Volume将产生20,971,520个采样；而通过14位的ADC，各个采样均为2个字节。又因 想要达到12volume/s的Volumerate，所以整体数据率需略高于500MB/s；可选用NIPXIe-8375MXI-Express界面实现单次A-scan单次B-scan的采样数（帧像320x256=81,920单次V-scan的采样数320x256x256=20,971,520每秒的Volume12volumes每秒B-scan次数256x12=每秒3,072次B-20,971,520x12251,658,240个采样251,658,240x2503,316,480256x256x12=每秒786,432次503,316,480x60x100=3,019,898,880,000 设计了3种实时显示模式：(a)连续显示3D成像，(b)沿着各个轴线，以3D方块所进行的连续2D横截面帧像扫描，(c)连续显示所有已的B-scan成像。 虽然12volumes/s的信息是从系统连续传送至电脑，但数据阵列必须经由GPU绘图处理而重新格式化，进而造成数据处理的瓶颈。到目前为止， 但GPU板卡出厂测试可执行Volume绘图达每秒4次。因此， 还可将算法优化，进一步提升系统的刷新速率。图6a则是取自于OCT实时图像显示，食道的3层结构。实时显示2D横截面切割扫描，是依x与y轴所设计。也可加入z轴，如图6b、6c、6d所示。深度范围为4mm。此成像所的深度极适于发现早期。 7e所示，直接看到条状物体而无需再进行虚拟切割。此虚拟切合成像功能，很适合实时预估的深度与扩散情形。 通过NIFlexRIO的FPGA处理性能 每秒可运算超过700,000次的512点FFT，完成3D成像，并可紧密连接多达320条通道。在PXI架构下 可利用PCIExpress的 能连续显示即时3DOCT成像，并能随时以任何方向旋转3D成像。而在观察组织（如气管或食道）时，极佳的成像渗透深度，更呈现了 光学切片功能的优势。此外，若能即时虚拟切割组织的表面，以呈现 结构，将有助于诊断。 甚至可观察到组织的动态变化，在进行外科手术时，随时观察血液流动与组织变化。Author Kitasato1-15-1,Sagamihara:+81-42-778-obayashi@kitasato-图3.共320条通道的信号/处理系图4.信息系统图5.实时描绘的手指皮肤3D成像，可清楚看到(a)与(b)汗 Thiscasestudy(this"casestudy")wasdevelopedb