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多核DSP技术在OCT医疗成像中的应用

  过去几年间,光学相干断层扫描(OCT)技术有长足的进展。自从OCT技术问世以来,眼科医生便运用近红外线技术,拍摄眼部最远端部位的高分辨率影像。由于眼部组织呈现半透明状,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,还有多项全新应用正进入开发阶段。
  OCT成像的原理与超声波类似,是运用反射的近红外线做为成像媒介形成影像,而非运用反射的音波。近红外线(一般为800~1300nm)来源分为两个途径,其中一个途径用于组织取样;另一个则用于参考反射镜。取样手臂扫描经过组织时,可运用干涉仪,以参考臂的光线持续阻绝取样组织后端发出的反射。对于持续阻绝的光线,会执行数字信号处理算法,以达到深度解析的轴状扫描。将这些扫描相互堆栈即可形成2D或3D的组织影像。一般而言,OCT能够以低于10?m的极高分辨率解析3~5mm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,因此机器的动作缓慢,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转换(FFT)、级数运算(magnitude computation)与对数压缩(log compression)等强大的数字信号处理技术,以解析嵌入式深度信息,并且实时结合横向扫描数据,使成像时间大幅缩短,同时提升影像分辨率。

OCT在生物医学中的应用
  如今OCT医疗系统大多用于眼科,不过,过去几年间出现了几项新兴的应用。例如,耳鼻喉科医师及小儿科医师也采用OCT技术作为诊断工具。一般而言,医师使用耳镜检查耳部、外耳道及鼓膜是否有细菌感染而发红的现象。OCT则可通过表皮及皮下膜的成像,判断是否感染致病细菌,提升诊断准确度。在服用几次抗生素后,可使用OCT系统分析抗生素是否发挥效用,如果已去除感染的生物膜,患者则可停止服用抗生素。
  其它新兴的OCT医疗应用包括牙科诊断系统以及跨科手术技术运用。例如,牙医可采用OCT成像来确定X光以及目视检查无法发现的早期龋齿及某些牙龈疾病,以便采取更有效的预防措施。
  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细胞。一般而言,外科医生取出肿瘤周围组织时,总是希望能清除所有的癌细胞。而被清除的肿瘤及周围的组织会送至病理实验室进行一周的分析,以做出手术后的书面报告。由于OCT影像在组织学/病理学应用均为相同的分辨率,因此手术室中的OCT系统能够让外科医生在手术过程中精确地知道需要清除多少组织,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技术能够让医生以组织学的分辨率水平,实时看见影像,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。
  日后会有更多采用OCT技术的医疗应用。例如,OCT能够搭配穿刺切片切除早期阶段的小肿瘤。对于罹患乳癌的病患,OCT可搭配视觉及“智能”信号处理技术,引导细针插入精确的肿瘤位置,以查明疑似感染的组织,尽可能减少手术的侵入性。对于心血管疾病患者,OCT可搭配极小型导管支架,更准确地找出血管内支架或检查斑块沉积。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。

信号处理性能提升
  当作为医疗成像用途的OCT首度推出时,采用的系统是个人计算机(PC)平台,第二代系统已经过修改,目前开发中的第三代系统也将有所改变。有些OCT系统制造商已经或即将采用嵌入式处理平台,配备单一或多核数字信号处理器(DSP),而非个人计算机中使用的一般用途处理器(GPP)。
  相较于传统运算方式,DSP的每毫瓦功耗所能达到的信号处理能力更强,这表示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昂的电源供应及散热器。DSPSoC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,设计人员得以缩小系统体积尺寸并降低功耗。
  采用DSP平台可缩小系统的实体尺寸并降低耗电量,因此不久的将来将有电池供电的便携式OCT系统问世。与便携式超声波系统一样,便携式OCT系统将有助于此技术被许多诊所及医生诊疗室普遍采用。此外,对于处理自然灾害或意外事件的医疗与急救人员,便携式OCT系统将成为有效的定点照护诊断工具。

未来趋势
  在未来新一代OCT医疗成像技术的趋势中,将部署功能更强大的多核DSP,以缩短成像时间,并提高影像分辨率。处理OCT影像的软件算法目前正处于开发阶段。一项被称为偏振敏感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。高清晰度影像可呈现在龋齿中的小洞或微小的节结及肿瘤。
  另一项未来的OCT应用是检查眼部极为细小的血管,其中OCT可使用多普勒成像技术绘制血流量图,并估计血流速度。其原理与超声波类似,但是分辨率更高,可提早诊断出糖尿病以及某些眼部疾病。可编程DSP架构能够针对信号处理应用提供准确且可扩展的平台,因此有助于此类新型算法的开发及快速部署。

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