多核DSP技術(shù)在OCT醫(yī)療成像中的應(yīng)用研究

過去幾年間，光學(xué)相干斷層掃描(OCT)技術(shù)有長足的進(jìn)展。自從OCT技術(shù)問世以來，眼科醫(yī)生便運用近紅外線技術(shù)，拍攝眼部最遠(yuǎn)端部位的高分辨率影像。由于眼部組織呈現(xiàn)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O(shè)CT為基礎(chǔ)的醫(yī)療應(yīng)用已臻成熟，還有多項全新應(yīng)用正進(jìn)入開發(fā)階段。

OCT成像的原理與超聲波類似，是運用反射的近紅外線做為成像媒介形成影像，而非運用反射的音波。近紅外線(一般為800~1300nm)來源分為兩個途徑，其中一個途徑用于組織取樣;另一個則用于參考反射鏡。取樣手臂掃描經(jīng)過組織時，可運用干涉儀，以參考臂的光線持續(xù)阻絕取樣組織后端發(fā)出的反射。對于持續(xù)阻絕的光線，會執(zhí)行數(shù)字信號處理算法，以達(dá)到深度解析的軸狀掃描。將這些掃描相互堆棧即可形成2D或3D的組織影像。一般而言，OCT能夠以低于10?m的極高分辨率解析3~5mm組織深度的影像。

在第一代時域系統(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，因此機(jī)器的動作緩慢，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，并運用光譜儀以及快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)、級數(shù)運算(magnitude computation)與對數(shù)壓縮(log compression)等強(qiáng)大的數(shù)字信號處理技術(shù)，以解析嵌入式深度信息，并且實時結(jié)合橫向掃描數(shù)據(jù)，使成像時間大幅縮短，同時提升影像分辨率。

OCT在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

如今OCT醫(yī)療系統(tǒng)大多用于眼科，不過，過去幾年間出現(xiàn)了幾項新興的應(yīng)用。例如，耳鼻喉科醫(yī)師及小兒科醫(yī)師也采用OCT技術(shù)作為診斷工具。一般而言，醫(yī)師使用耳鏡檢查耳部、外耳道及鼓膜是否有細(xì)菌感染而發(fā)紅的現(xiàn)象。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，提升診斷準(zhǔn)確度。在服用幾次抗生素后，可使用OCT系統(tǒng)分析抗生素是否發(fā)揮效用，如果已去除感染的生物膜，患者則可停止服用抗生素。

其它新興的OCT醫(yī)療應(yīng)用包括牙科診斷系統(tǒng)以及跨科手術(shù)技術(shù)運用。例如，牙醫(yī)可采用OCT成像來確定X光以及目視檢查無法發(fā)現(xiàn)的早期齲齒及某些牙齦疾病，以便采取更有效的預(yù)防措施。

在跨科手術(shù)方面，OCT可在去除腫瘤的手術(shù)過程中分析有無癌細(xì)胞。一般而言，外科醫(yī)生取出腫瘤周圍組織時，總是希望能清除所有的癌細(xì)胞。而被清除的腫瘤及周圍的組織會送至病理實驗室進(jìn)行一周的分析，以做出手術(shù)后的書面報告。由于OCT影像在組織學(xué)/病理學(xué)應(yīng)用均為相同的分辨率，因此手術(shù)室中的OCT系統(tǒng)能夠讓外科醫(yī)生在手術(shù)過程中精確地知道需要清除多少組織，同時留下多少安全邊緣部份，采用如此的做法便不會錯誤去除未感染癌癥的組織，因而省卻后續(xù)手術(shù)的費用及痛苦。OCT技術(shù)能夠讓醫(yī)生以組織學(xué)的分辨率水平，實時看見影像，以便在第一次進(jìn)行去除腫瘤的外科手術(shù)時做出更好的決定。

日后會有更多采用OCT技術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用。例如，OCT能夠搭配穿刺切片切除早期階段的小腫瘤。對于罹患乳癌的病患，OCT可搭配視覺及“智能”信號處理技術(shù)，引導(dǎo)細(xì)針插入精確的腫瘤位置，以查明疑似感染的組織，盡可能減少手術(shù)的侵入性。對于心血管疾病患者，OCT可搭配極小型導(dǎo)管支架，更準(zhǔn)確地找出血管內(nèi)支架或檢查斑塊沉積。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。

信號處理性能提升

當(dāng)作為醫(yī)療成像用途的OCT首度推出時，采用的系統(tǒng)是個人計算機(jī)(PC)平臺，第二代系統(tǒng)已經(jīng)過修改，目前開發(fā)中的第三代系統(tǒng)也將有所改變。有些OCT系統(tǒng)制造商已經(jīng)或即將采用嵌入式處理平臺，配備單一或多核數(shù)字信號處理器(DSP)，而非個人計算機(jī)中使用的一般用途處理器(GPP)。

相較于傳統(tǒng)運算方式，DSP的每毫瓦功耗所能達(dá)到的信號處理能力更強(qiáng)，這表示運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昂的電源供應(yīng)及散熱器。DSPSoC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，設(shè)計人員得以縮小系統(tǒng)體積尺寸并降低功耗。

采用DSP平臺可縮小系統(tǒng)的實體尺寸并降低耗電量，因此不久的將來將有電池供電的便攜式OCT系統(tǒng)問世。與便攜式超聲波系統(tǒng)一樣，便攜式OCT系統(tǒng)將有助于此技術(shù)被許多診所及醫(yī)生診療室普遍采用。此外，對于處理自然災(zāi)害或意外事件的醫(yī)療與急救人員，便攜式OCT系統(tǒng)將成為有效的定點照護(hù)診斷工具。

未來趨勢

在未來新一代OCT醫(yī)療成像技術(shù)的趨勢中，將部署功能更強(qiáng)大的多核DSP，以縮短成像時間，并提高影像分辨率。處理OCT影像的軟件算法目前正處于開發(fā)階段。一項被稱為偏振敏感OCT(PS-OCT)的技術(shù)能夠運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。高清晰度影像可呈現(xiàn)在齲齒中的小洞或微小的節(jié)結(jié)及腫瘤。

另一項未來的OCT應(yīng)用是檢查眼部極為細(xì)小的血管，其中OCT可使用多普勒成像技術(shù)繪制血流量圖，并估計血流速度。其原理與超聲波類似，但是分辨率更高，可提早診斷出糖尿病以及某些眼部疾病?？删幊藾SP架構(gòu)能夠針對信號處理應(yīng)用提供準(zhǔn)確且可擴(kuò)展的平臺，因此有助于此類新型算法的開發(fā)及快速部署。