数据采集和数字化推进医学成像

减少患者在检查过程中的压力，同时改进检查过程中用于检测癌症的医疗仪器，这对所有参与者来说都是真正的双赢。这就是东京北中大学基础科学中心的研究人员面临的任务。他们的研究重点是改进传统的癌症检测方法，这些方法不能提供足够的分辨率，或者要求患者在检查期间承受严重的压力。

考虑到这一目标，北中的研究人员着手创建高速傅里叶域光学相干断层扫描(OCT)系统。OCT是一种无创成像技术，可提供半透明或不透明材料的地下、横断面图像。OCT图像使组织或其他物体的可视化具有类似于某些显微镜的分辨率。在学术界，人们对OCT越来越感兴趣，因为它比磁共振成像(MRI)或正电子发射断层扫描(PET)等其他成像技术提供更高的分辨率。此外，该方法对患者非常安全，因为激光输出非常低，不需要电离辐射。

用中性密度滤波器对30.3 dB反射进行衰减。粗大的实心曲线是在样品光被遮挡的情况下测量的噪声底限。由这些值决定的灵敏度按右侧垂直刻度进行缩放。

OCT使用低功率光源和相应的光反射来产生图像——一种类似于超声波的方法。不同之处在于光被监控而不是声音。当一束光投射到样品中时，大部分光被散射，但有少量光作为准直光束反射，这可以被检测到并用于创建图像。

光变成图像

Kitasato的研究人员开发的傅里叶域OCT系统使用光解复用器，可以在25.0 GHz频率区间内以192.2太赫兹(1559.8 nm波长)为中心从宽带入射光中分离出256个窄光谱带。使用美国国家仪器公司用于数据采集的PXI-5105数字化仪中包含的256个高速模数转换器(ADC)通道的60 MS/s采样率，光谱分离使所有频段能够同时检测。

NI PXI-5105因其高通道密度(每块板8个输入)而被选中，这使得256高速通道系统能够保持较小的占地面积。

最终开发的系统包括32个8通道PXI-5105数字化仪，分布在三个18槽NI PXI-1045机箱中。采用NI PXI-6652定时与同步模块和NI- tclk同步技术对不同机箱的数字化仪进行同步，在数十皮秒内实现通道间的相位相干。使用美国国家仪器公司的图形化编程软件LabView对数据进行处理和可视化。

利用傅里叶域OCT系统中的光学解复用器作为光谱分析仪，实现了每秒6000万次轴向扫描的OCT成像。使用共振扫描仪进行横向扫描，帧率为16 kHz，每帧1,400 a线，深度范围为3 mm，系统的OCT成像显示为23

系统细节

在北中开发的系统中，光源是宽带超发光二极管(SLD, NTT Electronics的原型)。如图所示，SLD的输出光通过半导体光放大器(SOA, COVEGA, BOA-1004型)进行放大，并通过耦合器(CP1)将其平均分为样品臂和参考臂。调整SOA1的光输出强度，使照亮样品的功率为9 mW，符合ANSI(美国国家标准协会)的安全限值。

然后OCT系统通过准直透镜(L1)和物镜(L2)将样品臂光引导到样品(S)上。使用谐振扫描仪(RS, Electro-Optical Products, SC-30型)和振镜(G, Cambridge Technology, 6210型)扫描样品上的光束。来自样品的背散射或背反射光由OCT系统的光照明光学元件收集，并通过光学环行器C1定向到SOA2 (COVEGA, BOA 1004型)。SOA2和参考光的输出用一个耦合器CP2(50:50耦合比)组合。参考臂包括光学环行器C2、准直镜L3和参考镜RM。

CP2的输出被发送到两个光解复用器(OD1和OD2)进行平衡检测。CP2使用与两个od相同的光频率，具有平衡的光接收器(New Focus, 2117型)，总共有256个光接收器。光电接收器输出由32个PXI-5105数字转换器组成的快速多通道ADC系统检测，该系统在单次采集期间将数据存储在板载存储器中，然后将其传输到计算机进行分析。

不同的好处

OD(光解复用器)-OCT与SD(谱域)-OCT相似，可以同时检测干扰谱。不同之处在于，OD-OCT以不同频率同时采集数据的速度检测整个干涉图，而不是像SD-OCT那样在一定时间内将数据积累到CCD检测器中。因此，系统通过数据采集系统的数据采集速度来确定轴向扫描速率，最快可达60 MHz。谐振扫描器的16千赫速度决定了帧率。

数据采集只采用一个扫描方向(50%占空)，采样时间为31.25

图像显示了光电接收器、解复用器和连接到计算机的数据采集系统的物理设置。来源:美国国家仪器公司

对于本项目，确定系统的动态范围为采样臂未被阻塞时点扩散函数(PSF)的峰值与本底噪声之比。从测试结果来看，动态范围估计在所有深度约为40 dB，随着深度的增加而略有下降(见“点扩展函数”图)。OD-OCT的一个优点是在阵列波导的每个通道检测到的频谱宽度比25 GHz的频率步长窄。40分贝的动态范围被认为对生物组织测量是勉强足够的。

图像的穿透深度约为1mm，与SS(扫描源)-OCT或SD-OCT通常获得的2mm穿透深度相比，该图像较浅。这是由于系统的低灵敏度。要渲染3D图像，需要许多OCT横截面。由于这个问题和有限的内存在系统中，采样率降低到10兆赫。

本案例研究的作者为:Dr. Kohji Ohbayashi, D. Choi, H. hirooka, H. Furukawa, R. Yoshimura, M. Nakanishi和K. Shimizu，均来自北中大学基础科学中心。该应用程序在NIWeek 2008期间举办的2008年度客户应用程序竞赛中被评为总冠军。信息在www.ni.com/niweek/best.htm

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