利用下一代醫學成像技術以及PXI模塊化儀器系統與NI LabVIEW進行進展性癌癥研究

作者：Kitasato University基礎科學中心 （Kohji Ohbayashi, D. Choi等） NI供稿 “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，實現了對高通道數數據采集的支持。” OCT是一種非入侵式成像技術，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組織或其他物體。OCT越來越受到研究人員的關注，因為它具有比核磁共振成像（MRI）和正電子發射型斷層成像（PET）等其他成像技術高很多的分辨率。此外，該方法不要求我們作其他準備，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的光反射以創建圖像，該方法類似于超聲，但我們監測的是光波，而不是聲波。當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建圖像。 高級別系統概覽 我們的任務便是利用光學解復用器創建一個高速傅立葉域OCT系統，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數字化儀的256個高速模數轉換器（ADC）通道能以60 MS/s的采樣率進行數據采集，并對所有的頻帶進行同步檢測。 我們的任務便是利用光學解復用器創建一個高速傅立葉域OCT系統，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數字化儀的256個高速模數轉換器（ADC）通道能以60 MS/s的采樣率進行數據采集，并對所有的頻帶進行同步檢測。 利用傅立葉域OCT系統中的光解復用器充當頻譜分析儀，實現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。 系統深度描述 在我們的系統中，所采用的光源是一個寬帶超發光二極管（SLD，由NTT電子提供原型產品）。我們利用一個半導體光放大器（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）將其等分導入到樣本支路和參考支路。我們調整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。我們的系統利用一個準直透鏡（L1）和一個物鏡（L2），將樣本支路光信號導入到采樣點（S）。我們使用一個共振掃描裝置（RS、光電產品、SC-30型）和一個電鏡（G，劍橋技術出品，6210型）掃描采樣點的光束。我們的系統利用光照明光學收集來自采樣點的后向散射或后向發射的光信號，并利用一個光循環裝置C1將其導入至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裝置C2、準直透鏡L3和參考反射鏡RM組成。 我們的系統利用兩只光解復用器（OD1與OD2）分離CP2的輸出信號，以實現平衡檢測。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系統的32塊PXI-5105數字化儀，檢測來自圖片接收裝置的輸出信號。所采集數據在單次采集過程中存儲于數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據采集速率檢測整個干涉圖譜，而不是像SD-OCT那樣——在某個時間跨度內累計輸入到CCD檢測裝置中。因而，它根據數據采集系統的數據采集速率——在現有系統中該速率高達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行數據采集（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。 研究結果 我們將動態范圍定義為點擴散函數（PSF）的峰值與樣本支路暢通時的背景噪聲間的比值。我們根據結果估計，動態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的一個技術優勢在于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。由這些數值確定的敏感度按照右手側的垂直刻度標示。 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的研究團隊能夠創建世界上最快速的OCT系統，其軸向掃描速率高達60 MHz。該研究的根本目標在于幫助患者提高癌癥檢測速度并改善其生活質量。為了創建這一系統，我們整合了三項創新技術。第一項技術來自NTT技術公司，我們將它用作寬帶光源。第二項技術便是由光解復用器和平衡圖片接收裝置組成的信號調理系統，它使得我們的系統能夠檢測256條窄頻帶。 最后一項技術是來自NI公司的PXI平臺，憑借其同步功能、微小尺寸和模塊化特性，支持高通道數的數據采集。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擴展到更高的通道數。隨著該平臺利用高性能儀器擴展功能并利用快速PXI提高數據傳輸速率，我們可以滿足未來的需求并持續推進我們的研究。