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技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)高級(jí) OCT 成像應(yīng)用發(fā)展

作者: 時(shí)間:2011-08-26 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

過(guò)去幾年間,光學(xué)相干斷層掃描技術(shù) () 獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。自從 問(wèn)世以來(lái),眼科醫(yī)生便運(yùn)用近紅外線技術(shù)拍攝眼后段結(jié)構(gòu)的高畫(huà)質(zhì)影像。由于眼部組織呈半透明狀,因此 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 OCT 為基礎(chǔ)的醫(yī)療應(yīng)用已臻成熟,另外有多項(xiàng)全新應(yīng)用正在開(kāi)發(fā)階段。

圖 1. 眼科醫(yī)生運(yùn)用 OCT 儀器的范例

OCT 的原理與超聲波類似,只不過(guò)是運(yùn)用反射的近紅外線做為媒介形成影像,而非運(yùn)用反射的聲波。近紅外線光源 (一般為 800 至 1300 納米) 被一分為二,形成兩個(gè)光束。其中一束發(fā)射到取樣組織上,另一束則發(fā)射到參考反射鏡上。取樣臂掃描組織時(shí),干涉儀對(duì)取樣組織后端反射回的光線執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理算法,以達(dá)到深度解析的軸位掃描。將這些掃描相互疊加即可形成組織的 2D 或 3D 影像。一般而言,OCT 能夠以低于 10 微米的極高分辨率,解析 3 至 5 毫米組織深度的影像。
在第一代時(shí)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,因此動(dòng)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(yùn)用光譜儀以及快速傅立葉變換 (FFT)、級(jí)數(shù)運(yùn)算與對(duì)數(shù)壓縮等強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),以解析內(nèi)嵌深度信息,并且與橫向掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)合,可使時(shí)間大幅縮短,同時(shí)提升影像分辨率。

OCT 在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

現(xiàn)在 OCT 醫(yī)療系統(tǒng)大多用于眼科,但在過(guò)去幾年間,也出現(xiàn)了幾項(xiàng)新興的應(yīng)用。例如,耳鼻喉科 (ENT) 醫(yī)師及兒科醫(yī)師也采用 OCT 技術(shù)作為診斷工具。一般而言,醫(yī)生使用耳鏡檢查耳部、外耳道及鼓膜是否有細(xì)菌感染而發(fā)紅的癥狀。而OCT 則可通過(guò)表皮及皮下膜的成像判斷是否感染致病細(xì)菌,以提升診斷準(zhǔn)確度。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。如果感染的生物膜已經(jīng)去除,則患者可以停止服用抗生素。

其他新興的 OCT 醫(yī)療應(yīng)用包括牙科診斷系統(tǒng)及跨科手術(shù)技術(shù)運(yùn)用。牙醫(yī)可采用 OCT 成像技術(shù)來(lái)確定 X 光和目測(cè)都無(wú)法發(fā)現(xiàn)的早期齲齒及某些牙齦疾病,以進(jìn)行更有效的預(yù)防程序。

在跨科手術(shù)方面,OCT 可在去除腫瘤的手術(shù)過(guò)程中分析有無(wú)癌癥。一般而言,外科醫(yī)生取出腫瘤周圍組織時(shí),總是希望去除所有的癌癥細(xì)胞。去除的腫瘤及周圍的組織會(huì)送至病理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行幾周的分析,然后做出手術(shù)后的書(shū)面報(bào)告。由于 OCT 影像在組織學(xué)和病理學(xué)應(yīng)用當(dāng)中采用相同的分辨率,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(guò)程中確切知道需要去除多少組織,同時(shí)留下多少安全邊緣部份,采用如此的做法便不會(huì)錯(cuò)誤去除未感染癌癥的組織,因而省卻后續(xù)手術(shù)的費(fèi)用及痛苦。OCT 技術(shù)能夠讓醫(yī)生實(shí)時(shí)看見(jiàn)組織學(xué)分辨率的影像,以便在第一次進(jìn)行去除腫瘤的外科手術(shù)時(shí)做出更好的決定。

日后會(huì)有更多實(shí)行 OCT 的醫(yī)療應(yīng)用。例如,OCT 能夠搭配穿刺活檢去除早期階段的小腫瘤。對(duì)于罹患乳腺癌的病患,OCT 可搭配視覺(jué)及「智能型」信號(hào)處理技術(shù),引導(dǎo)針插入確切的腫瘤位置,以查明疑似感染的組織,盡可能減少手術(shù)的侵入性。對(duì)于心血管患者,OCT 可搭配極小型導(dǎo)管支架,更準(zhǔn)確得找出血管內(nèi)支架或檢查斑塊積聚的情況。在這些類型的應(yīng)用中,先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不僅能夠達(dá)到絕佳的影像畫(huà)質(zhì),而且能夠進(jìn)行組織分類。

OCT 存儲(chǔ)方式的改變

用于醫(yī)療成像的 OCT 技術(shù)首度推出時(shí),采用個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC)作為系統(tǒng)平臺(tái),后來(lái)第二代系統(tǒng)得以修改,而目前開(kāi)發(fā)中的第三代系統(tǒng)也將有所改變。多個(gè) OCT 系統(tǒng)制造商已經(jīng)或者即將采用嵌入式處理平臺(tái),其中配備單一或多核數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP),而非 PC 中使用的通用處理器 (GPP)。與傳統(tǒng)運(yùn)算方式相比,DSP 的每毫瓦功耗所能達(dá)到的信號(hào)處理效能更高,這意味著運(yùn)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的電源供應(yīng)和散熱器件。DSP 型片上系統(tǒng) (SoC) 能夠讓功能強(qiáng)大的信號(hào)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(chǔ)存的系統(tǒng)應(yīng)用處理器并存,可幫助設(shè)計(jì)人員縮小系統(tǒng)體積尺寸并降低耗電量。采用 DSP 平臺(tái)可縮小系統(tǒng)的實(shí)際尺寸并降低耗電量,因此不久的將來(lái)將有電池供電的可攜式 OCT 系統(tǒng)問(wèn)世。和便攜式超聲波系統(tǒng)一樣,便攜式 OCT 系統(tǒng)將有助于此技術(shù)獲得諸多診所及醫(yī)師辦公室的普遍采用。此外,對(duì)于處理自然災(zāi)害和意外事故的醫(yī)療與急救專業(yè)人員來(lái)說(shuō),便攜式 OCT 系統(tǒng)將成為有效的即時(shí)診斷工具。

圖 2. TI 多核 DSP 開(kāi)發(fā)平臺(tái)用于醫(yī)療成像的范例

未來(lái)的醫(yī)療應(yīng)用

在未來(lái)新一代 OCT 醫(yī)療成像技術(shù)的趨勢(shì)中,功能更強(qiáng)大的多核 (DSP) 將得到部署,以縮短成像時(shí)間,提高影像畫(huà)質(zhì)。處理 OCT 影像的軟件算法增強(qiáng)功能目前正處于開(kāi)發(fā)階段。一項(xiàng)稱為全光纖偏振敏感光學(xué)相干層析系統(tǒng)OCT (PS-OCT) 的技術(shù)能夠運(yùn)用處理算法將光信號(hào)極化,以產(chǎn)生視覺(jué)對(duì)比度更高的影像。高對(duì)比度的影像可以呈現(xiàn)齲齒中出現(xiàn)的小洞或者微小的囊腫和腫瘤。
另一項(xiàng)未來(lái)的 OCT應(yīng)用可檢查眼部極為細(xì)小的血管,其中 OCT可使用多普雷成像技術(shù)繪制血流量圖表,估算血流速度,原理與超聲波類似,但分辨率更高,可早期診斷出糖尿病及某些眼部疾病。可編程 DSP 架構(gòu)能夠針對(duì)信號(hào)處理應(yīng)用提供準(zhǔn)確的可擴(kuò)展平臺(tái),因此有助于此類新型算法的開(kāi)發(fā)及快速部署。

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