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處理器/DSP  

技術創新推動進階的OCT影像應用

上網時間: 2011年06月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:斷層掃描  OCT  視網膜病變  超音波  成像 

作者:Kenneth Nesteroff

德州儀器業務開發經理

過去幾年間,光學同調斷層掃描(Optical Coherence Tomography, OCT)技術有長足的進展。自從OCT問世以來,眼科醫生便運用近紅外線技術,拍攝眼部最遠端部位的高解析度影像。由於眼部組織呈現半透明狀,因此OCT可提供顯現視網膜病變的影像,藉以診斷和監控青光眼及黃斑水腫等視網膜疾病。如今,許多以OCT為基礎的醫療應用已臻成熟,更有多項全新應用正進入開發階段。

何謂OCT?

OCT成像的原理與超音波類似,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。近紅外線來源(一般為800至1300奈米)分為兩個途徑,其中一個途徑用於組織取樣;另一個則用於參考反射鏡。取樣手臂掃描經過組織時,可運用干涉儀,以參考臂的光線持續阻絕取樣組織後端發出的反射。對於持續阻絕的光線,會執行數位訊號處理演算法,以達到深度解析的軸狀掃描。將這些掃描相互堆疊即可形成2D或3D的組織影像。一般而言,OCT能夠以低於10微米的極高解析度,解析3至5毫米(mm)組織深度的影像。

在第一代時域系統中,OCT系統關鍵元件之一的參考反射鏡是機械元件,因此機器的動作緩慢,而且影像的解析度有限。第二代OCT系統以固定式參考反射鏡取代機械式參考反射鏡,並運用光譜儀以及快速傅立葉轉換(FFT)、級數運算(magnitude computation)與對數壓縮(log compression)等強大的數位訊號處理技術,以解析嵌入式深度資訊,並且即時結合橫向掃描資料,使成像時間大幅縮短,同時提升影像解析度。

OCT在生物醫學的應用

如今OCT醫療系統大多用於眼科,不過,過去幾年間出現了幾項新興的應用。例如,耳鼻喉科醫師及小兒科醫師也採用OCT技術做為診斷工具。一般而言,醫師使用耳鏡檢查耳部、外耳道及鼓膜是否有細菌感染而發紅的現象。OCT則可透過表皮及皮下膜的成像,判斷是否感染致病細菌,提升診斷準確度。在服用幾次抗生素後,可使用OCT系統分析抗生素是否發揮效用,如果已去除感染的生物膜,患者則可停止服用抗生素。

其他新興的OCT醫療應用包括牙科診斷系統及跨科手術技術運用。牙醫可採用OCT成像,確定X光及目視檢查無法發現的早期齲齒及某些牙齦疾病,以進行更有效的預防程序。

在跨科手術方面,OCT可在去除腫瘤的手術過程中分析有無癌症。一般而言,外科醫生取出腫瘤周圍組織時,總是希望能清除所有的癌症細胞。而被清除的腫瘤及周圍的組織會送至病理實驗室進行一週的分析,以做出手術後的書面報告。由於OCT影像在組織學/病理學應用均為相同的解析度,因此手術室中的OCT系統能夠讓外科醫生在手術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,採用如此的做法便不會錯誤去除未感染癌症的組織,因而省卻後續手術的費用及痛苦。OCT技術能夠讓醫生以組織學的解析度水準,即時看見影像,以便在第一次進行去除腫瘤的外科手術時做出更好的決定。

日後會有更多採用OCT的醫療應用。例如,OCT能夠搭配穿刺切片切除早期階段的小腫瘤。對於罹患乳癌的病患,OCT可搭配視覺及「智慧型」訊號處理技術,引導細針插入精確的腫瘤位置,以查明疑似感染的組織,盡可能減少手術的侵入性。對於心血管疾病患者,OCT可搭配極小型導管支架,更準確地找出血管內支架或檢查斑塊沉積。在這些類型的應用中,先進的數位訊號處理技術不僅能夠達到絕佳的影像畫質,而且能夠進行組織分類。

OCT儲存的改變

當作為醫療成像用途的OCT首度推出時,採用的系統是個人電腦(PC)平台,後來第二代系統經過修改,而目前開發中的第三代系統也將有所改變。有些OCT系統製造商已經或即將改採嵌入式處理平台,配備單一或多核心數位訊號處理器(DSP),而非個人電腦中使用的一般用途處理器(GPP)。相較於傳統運算方式,DSP的每毫瓦功耗所能達到的訊號處理效能更高,這表示運用可編程演算法即可得出準確的結果,而不需要使用成本高的電源供應及散熱器。DSP系統單晶片(SoC)能夠讓功能強大的訊號處理器與具有適當介面可進行資料處理、記憶體及儲存的系統應用處理器並存,設計人員得以縮小系統體積尺寸並降低功耗。改採DSP平台可縮小系統的實體尺寸並降低耗電量,因此不久的將來將有電池供電的可攜式OCT系統問世。與可攜式超音波系統一樣,可攜式OCT系統將有助於此一技術被許多診所及醫師診療室普遍採用。此外,對於處理自然災害或意外事件的醫療與急救人員,可攜式OCT系統將成為有效的定點照護診斷工具。

未來的醫療應用

在未來新一代OCT醫療成像技術的趨勢中,將部署功能更強大的多核心DSP,以縮短成像時間,並提高影像解析度。處理OCT影像的軟體演算法目前正處於開發階段。一項稱為極化感測OCT(polarization sensitive;PS-OCT)的技術能夠運用處理演算法將光訊號極化,以產生視覺對比度更高的影像。高對比影像可呈現在齲齒中出現的小洞或微小的結節及腫瘤。

另一項未來的OCT應用是檢查眼部極為細小的血管,其中OCT可使用都卜勒(Doppler)成像技術繪製血流量圖表,並估計血流速度,其原理與超音波類似,但是解析度更高,可提早診斷出糖尿病及某些眼部疾病。可編程DSP架構能夠針對訊號處理應用提供準確且可擴充的平台,因此有助於此類新型演算法的開發及快速部署。


圖1:眼科醫生運用OCT儀器的實例。


圖2:TI的多核心DSP開發平台用於醫療成像的範例。





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