利用下一代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行癌癥研究

OCT是一種非入侵式成像技術(shù)，它提供半透明或不透明的材料的表下、斷層圖像。OCT圖像使我們可以以與一些顯微鏡相近的精度可視化地展現(xiàn)組織或其他物體。OCT越來越受到研究人員的關(guān)注，因為它具有比核磁共振成像（MRI）和正電子發(fā)射型斷層成像（PET）等其他成像技術(shù)高很多的分辨率。此外，該方法不要求我們作其他準(zhǔn)備，而且對于患者非常安全，因為我們使用的激光輸出能量非常之低并且無需使用電離輻射。

OCT利用一個低功耗光源及其相應(yīng)的光反射以創(chuàng)建圖像，該方法類似于超聲，但我們監(jiān)測的是光波，而不是聲波。當(dāng)我們將一束光投射在一個樣品上，其中大部分光線被散射，但仍有小部分光線以平行光的形式反射，這些平行光可以被檢測到并用于創(chuàng)建圖像。

高級別系統(tǒng)概覽

我們的任務(wù)便是利用光學(xué)解復(fù)用器創(chuàng)建一個高速傅立葉域OCT系統(tǒng)，以支持來自以192.2 THz為中心頻率、頻率間隔為25.0 GHz的寬帶入射光（波長為1559.8 nm）的256個窄頻帶的分隔。頻譜分離使得PXI-5105數(shù)字化儀的256個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道能以60 MS/s的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對所有的頻帶進(jìn)行同步檢測。

我們的系統(tǒng)包含32塊8通道的PXI-5105數(shù)字化儀，它們分布在三個18槽的NI PXI-1045機箱上。我們利用NI PXI-6652定時與同步模塊和NI-TClk同步技術(shù)，實現(xiàn)不同機箱上的數(shù)字化儀的同步，它提供了數(shù)十皮秒精度級的通道間相位同步性。我們選用PXI-5105是因為其高通道密度——每塊板卡八個輸入通道，這樣使得256個高速通道的系統(tǒng)保持較小的外形尺寸。當(dāng)我們完成數(shù)據(jù)采集之后，我們利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化展示。

利用傅立葉域OCT系統(tǒng)中的光解復(fù)用器充當(dāng)頻譜分析儀，實現(xiàn)了每秒六千萬次軸向掃描的OCT成像。利用一臺共振掃描裝置進(jìn)行幀速率為16 kHz、每幀1400 A-線和3毫米深度范圍的左右掃查，我們的OCT成像展示了23 μm的精度。

系統(tǒng)深度描述

在我們的系統(tǒng)中，所采用的光源是一個寬帶超發(fā)光二極管（SLD，由NTT電子提供原型產(chǎn)品）。我們利用一個半導(dǎo)體光放大器（SOA，來自COVEGA公司，BOA-1004型）放大該SLD的輸出光信號，并利用耦合器（CP1）將其等分導(dǎo)入到樣本支路和參考支路。我們調(diào)整SOA1的輸出光信號強度，使得樣本信號的功率為9 mW，以滿足ANSI的安全限制。我們的系統(tǒng)利用一個準(zhǔn)直透鏡（L1）和一個物鏡（L2），將樣本支路光信號導(dǎo)入到采樣點（S）。我們使用一個共振掃描裝置（RS、光電產(chǎn)品、SC-30型）和一個電鏡（G，劍橋技術(shù)出品，6210型）掃描采樣點的光束。我們的系統(tǒng)利用光照明光學(xué)收集來自采樣點的后向散射或后向發(fā)射的光信號，并利用一個光循環(huán)裝置C1將其導(dǎo)入至SOA2（來自COVEGA公司，BOA-1004型）。我們通過一個耦合器CP2（耦合比為50：50）整合SOA2的輸出信號與參考光信號。該參考支路由光循環(huán)裝置C2、準(zhǔn)直透鏡L3和參考反射鏡RM組成。

我們的系統(tǒng)利用兩只光解復(fù)用器（OD1與OD2）分離CP2的輸出信號，以實現(xiàn)平衡檢測。它利用平衡圖片接收裝置（來自New Focus公司，2117型）——共有256個圖片接收裝置，檢測來自這兩個OD的具有相同光頻率的輸出信號。它利用前述快速多通道ADC系統(tǒng)的32塊PXI-5105數(shù)字化儀，檢測來自圖片接收裝置的輸出信號。所采集數(shù)據(jù)在單次采集過程中存儲于數(shù)字化儀的板載深度存儲器中，然后傳輸至計算機供分析。

就同步檢測干涉頻譜而言，OD-OCT與SD-OCT相似。其差別在于OD-OCT同時在不同頻率以數(shù)據(jù)采集速率檢測整個干涉圖譜，而不是像SD-OCT那樣——在某個時間跨度內(nèi)累計輸入到CCD檢測裝置中。因而，它根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率——在現(xiàn)有系統(tǒng)中該速率高達(dá)60 MHz——來確定軸向掃描速率。共振掃描裝置的16 kHz速率確定了幀速率。我們僅使用了一個掃描方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（50%的占空比），從而得到每幀的采樣時間為31.25 μs。該系統(tǒng)在每幀中獲得1875次軸向掃描；然而，由于共振掃描裝置的左右掃查呈高度非線性，我們僅使用了1400次軸向掃描，舍棄了475次軸向掃描。

研究結(jié)果

我們將動態(tài)范圍定義為點擴散函數(shù)（PSF）的峰值與樣本支路暢通時的背景噪聲間的比值。我們根據(jù)結(jié)果估計，動態(tài)范圍在各種深度下均約為40 dB并隨著深度加深略有下降。OD-OCT的一個技術(shù)優(yōu)勢在于AWG的每個通道所檢測的頻帶寬度小于25 GHz的頻率間距。40 dB的動態(tài)范圍基本足夠生物組織的測量。

我們利用中性密度濾光鏡將發(fā)射光衰減了39.3 dB。粗實曲線是在阻塞樣本光信號的情況下測量所得的背景噪聲。由這些數(shù)值確定的敏感度按照右手側(cè)的垂直刻度標(biāo)示。

圖像的滲入深度約1毫米，淺于通常利用SS-OCT或SD-OCT獲得的2毫米滲入深度。這是由低敏感度決定的。為得到一幅3D圖像，需要大量的OCT截面。受限于存儲器的大小，我們把采樣率降至10 MHz。

我們在Kitasato University的研究團隊能夠創(chuàng)建世界上最快速的OCT系統(tǒng)，其軸向掃描速率高達(dá)60 MHz。該研究的根本目標(biāo)在于幫助患者提高癌癥檢測速度并改善其生活質(zhì)量。為了創(chuàng)建這一系統(tǒng)，我們整合了三項創(chuàng)新技術(shù)。第一項技術(shù)來自NTT技術(shù)公司，我們將它用作寬帶光源。第二項技術(shù)便是由光解復(fù)用器和平衡圖片接收裝置組成的信號調(diào)理系統(tǒng)，它使得我們的系統(tǒng)能夠檢測256條窄頻帶。

最后一項技術(shù)是來自NI公司的PXI平臺，憑借其同步功能、微小尺寸和模塊化特性，支持高通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集。利用PXI平臺的模塊化特性，我們的團隊能夠最初從128通道擴展到256通道。該平臺還支持將系統(tǒng)擴展到更高的通道數(shù)。隨著該平臺利用高性能儀器擴展功能并利用快速PXI提高數(shù)據(jù)傳輸速率，我們可以滿足未來的需求并持續(xù)推進(jìn)我們的研究。