應用筆記|數字化儀在醫學SS-OCT中的應用

引言

近些年來，OCT（光學相干斷層掃描，Optical Coherence?Tomography）作為一種非破壞性3D光學成像技術逐漸在醫學眼科設備中流行起來。OCT可提供實時一維深度或二維截面或三維立體的圖像，分辨率可達微米（μm）量級，成像深度為毫米（mm）量級。如果以分辨率和成像深度兩個方面來討論，OCT成像技術填補了共焦顯微鏡和超聲技術之間的空白。由于OCT設備是一個相對比較復雜的光電系統，涉及到光學、光電轉換、機械、數據采集、信號與圖像處理等原理和技術，一般還分為SS-OCT（掃頻源OCT，具有更高成像速度、更深穿透深度)和SD-OCT（光譜域OCT，更傳統且更低成本），因此本文將結合高速數據采集部分，重點探討數字化儀的重采樣技術在SS-OCT中的應用。

數字化儀的重采樣技術

高速數字化儀（Digitizer，以下簡稱“數字化儀”）是一種專注于高速和高精度信號采集與捕獲的儀器設備，其核心功能是通過模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號，同時具有專業的信號處理算法與高速數據傳輸的能力。數字化儀在信號采集與處理中具有以下特點和優勢：

高速采樣與高精度：數字化儀基于高速ADC技術，能夠實現高采樣率（如10 GS/s）和高分辨率（如12bit），從而精確捕捉復雜的信號。

重采樣技術：數字化儀通過FPGA算法實現重采樣，包括插值和降采樣，以改變信號的采樣率或時間間隔。重采樣技術在數字信號處理中廣泛應用于信號轉換、濾波和優化。

實時處理與靈活性：數字化儀支持實時信號處理，通過FPGA算法在板載硬件上執行重采樣和插值，避免了復雜的后續軟件處理，同時提高了系統的靈活性和效率。

K時鐘重映射：在SS-OCT等應用中，數字化儀通過K時鐘重映射技術，利用固定頻率的高質量時鐘源，校正非線性，確保信號的準確性和穩定性。所謂K時鐘，就是隨掃頻激光器輸出光波長與對應K空間（K-space）變化的同步信號，用于觸發數字化儀對干涉信號進行等光程差間隔采樣，確保光譜數據在K空間上呈現線性分布。而K空間則是源自磁共振成像（MRI）的術語，即存儲原始數據的傅里葉變換空間。

圖1. 可查看原始數據和重采樣的軟件界面

圖2. 重采樣后對數據進行快速傅里葉變換（FFT）的軟件界面

SS-OCT的K時鐘問題

SS-OCT技術因其高分辨率和高速成像能力，現如今如要應用于醫學領域（眼科，鼻科，血液科等）和工業缺陷檢測等領域，表1總結了SS-OCT信號的典型特征及其應用參數。

表1. SS-OCT技術的信號參數特征

在SS-OCT系統中，傳統的利用K時鐘作為數字化儀外部時鐘的方法存在以下缺點：

時鐘質量要求高：高性能數字化儀中的模數轉換器（ADC）需要極低抖動的高質量時鐘源。K時鐘無法滿足這些要求，導致ADC性能下降。

噪聲和尖峰問題：K時鐘可能出現噪聲或尖峰，有時甚至在掃描的某些部分完全關閉。

占空比影響：ADC內部采樣保持電路的設計通常就是需要使用具有恒定占空比的時鐘，所以不同的占空比可能導致ADC輸出樣本不良，甚至偶爾丟失數據。

接口限制：只有使用并行數據接口，如低壓差分信號（LVDS）的老一代ADC才能實現直接時鐘，但此類ADC僅支持有限的采樣率，限制了可實現的A掃描（Axis Scanning，軸向掃描/一維掃描）速率。

頻率非均勻性：K時鐘是不均勻的，頻率會發生變化。此外，?由于數字化儀的采樣時鐘與掃頻光源的K時鐘不能實現鎖相（PLL同步），導致K空間的零相位點（K=0）與數字化儀的采樣時刻存在隨機偏移，可能引入光譜域插值誤差。?

相比之下，K時鐘重映射或重采樣方法（如圖3的右側所示）通過以下方式解決了上述問題。

圖3. 左邊是直接K時鐘法，右邊是推薦的K空間重映射法

實時插值：重采樣過程通常包含插值運算，用于在K時鐘過零點處（K時鐘信號從正電壓跨越到負電壓，或反之由負電壓跨越到正電壓的瞬時時刻）實時估計OCT輸入信號的幅值。該插值與幅值估計由數字化儀的板載FPGA實時完成。

提高分辨率：通過插值，可以增加重采樣點數，從而顯著提高分辨率。

避免數據丟失：FPGA算法確保采樣保持電路的恒定占空比，避免因占空比變化導致的數據丟失。

支持高速采樣：該方法支持現代高速ADC，突破了傳統接口的采樣率限制，實現了更高的A掃描速率。

頻率一致性：通過FPGA實時算法，嚴格對齊K時鐘過零點與數字化儀的采樣時刻，消除掃頻激光器的頻率非均勻性影響。

由此可見，K時鐘重映射或重采樣方法在SS-OCT系統中展現出顯著優勢，解決了傳統方法的多種問題，成為理想的解決方案。

數字化儀重采樣方案的實現

重采樣原理為K-時鐘信號被ADC采樣，然后進行數字信號處理，以找到輸入信號穿越過零點的時間，如下圖4所示。

圖4. 重采樣原理圖

在SS-OCT中的具體采集流程如下圖5所示：

圖5. ?SS-OCT實際采集流程示意圖

圖6所示的數字化儀是具備重采樣固件的SP?Device?ADQ32，它具有2通道、每通道2.5GS/s采樣率、2.5GHz模擬帶寬的指標特性。將K時鐘和SS-OCT信號都連接到數字化儀上的模擬輸入通道1和通道2上，除了它們二者之外，A掃描和B掃描（二維橫斷面掃描）觸發器通常也由掃頻激光器提供給數字化儀，以實現同步數據采集。

圖6. ?具有重采樣算法的ADQ32數字化儀外觀示意圖

表2. 基于K時鐘重采樣技術的選型方案規格表

其中，FWOCT固件包含可編程數字濾波器，用于阻斷直流和降低噪聲，否則會對重映射質量產生負面影響，而且FWOCT還可以幫助預處理數據，以簡化后續的GPU處理。?

通過上述表格對比可知，在SS-OCT應用中，數字化儀重采樣技術方案可完美符合各項指標和極具挑戰性的特殊需求。值得一提的是，上述表格里數字化儀在系統級劃分方面提供了極大的靈活性。用戶可以決定是在軟件中執行所有處理，還是利用板載FPGA來處理。由上文介紹FWOCT的作用可知，使用板載FPGA 的重映射可以簡化GPU的后續處理過程，甚至可以為了節省成本而將GPU排除在外。