Sběr dat a digitizéry zdokonalují lékařské zobrazovací techniky

-- 09.06.09

Snížení stresu pacientů a současně zdokonalení lékařské přístrojové techniky používané pro detekci rakoviny při běžných kontrolách je příznivé pro všechny zúčastněné strany. To bylo úkolem, který řešili výzkumníci v Centru pro fundamentální vědy při tokijské univerzitě Kitasato. Hlavním bodem jejich výzkumu bylo zdokonalit tradiční metody detekce rakoviny, které neposkytují dostatečné rozlišení nebo jejichž použití vystavuje pacienta při kontrole silnému stresu. S tímto cílem se odborníci z univerzity Kitasato pustili do budování vysokorychlostního systému optické koherentní tomografie (Optical Coherence Tomography – OCT) pracujícího ve Fourierově oblasti.

              

OCT je neinvazivní zobrazovací metoda poskytující snímky podpovrchových řezů průsvitných nebo neprůsvitných materiálů. Snímky OCT umožňují vizualizaci tkání nebo jiných objektů s podobným rozlišením, jaké nabízejí např. určité mikroskopy. V akademickém prostředí roste zájem o OCT, protože poskytuje mnohem větší rozlišení než jiné zobrazovací metody, jako je magnetická rezonance (Magnetic Resonance Imaging – MRI) nebo pozitronová emisní tomografie (Positron Emission Tomography – PET).

Navíc je tato metoda pro pacienta mimořádně bezpečná díky nízkému výkonu laseru a absenci ionizujícího záření. OCT využívá zdroj světla o nízkém výkonu a související odrazy světla pro vytváření snímků – jde o metodu podobnou ultrazvuku. Rozdíl je v tom, že je monitorováno světlo namísto zvuku. Když je na vzorek promítnut paprsek, hodně světla se rozptýlí, ale jeho malá část se odrazí jako kolimovaný svazek, který lze detekovat a použít pro vytvoření snímku.

Přeměna světla na snímky

Systém OCT, pracující ve Fourierově oblasti, který vyvinuli výzkumníci z univerzity Kitasato, využívá optické demultiplexery pro oddělení 256 úzkých spektrálních pásem od širokopásmového dopadajícího světla v kmitočtovém intervalu 25 GHz s centrálním kmitočtem 192,2 THz (vlnová délka 1559,8 nm). Oddělení spektra umožňuje simultánní detekci všech pásem v analogovědigitálním převodníku (ADC) s 256 vysokorychlostními kanály a s vzorkovací frekvencí 60 MS/s, který je součástí digitizérů PXI-5105 společnosti National Instruments používaných pro sběr dat. Digitizér NI PXI-5105 byl zvolen pro jeho velký počet kanálů s osmi vstupy na každou desku, což umožňuje zachování malých rozměrů tohoto systému s 256 vysokorychlostními kanály.

Systém, který byl nakonec vyvinut, obsahuje 32 osmikanálových digitizérů PXI-5105 umístěných ve třech 18slotových skříních NI PXI-1045. Digitizéry v různých skříních byly synchronizovány pomocí časovacích a synchronizačních modulů NI PXI-6652 a synchronizační technologie NI-TClk zajišťující fázovou koherenci mezi kanály v řádu desetin pikosekund. Pro zpracování a vizualizaci dat bylo použito grafické programovací prostředí LabView společnosti National Instruments. Díky použití optických demultiplexerů jako spektrálních analyzérů v systému OCT, pracujícím ve Fourierově oblasti, bylo dosaženo snímkování rychlostí 60 milionů axiálních skenů za sekundu. Použitím rezonančního skeneru pro laterální skenování s obnovovacím kmitočtem 16 kHz, 1 400 A-řádků na snímek a rozsahem hloubky 3 mm dosahuje zobrazovací systém OCT rozlišení 23 μm.

Podrobné údaje o systému

V systému vyvinutém na univerzitě Kitasato se jako zdroj světla využívá širokopásmová superluminiscenční dioda (SLD, prototyp společnosti NTT Electronics). Jak je uvedeno v diagramu, světlo vydávané SDL je zesilováno polovodičovým optickým zesilovačem (Semiconductor Optical Amplifier – SOA společnosti COVEGA, typ BOA- 1004) a rovnoměrně rozděleno optočlenem (CP1) do vzorkovacího ramene a referenčního ramene. Výstupní intenzita světla z SOA1 je upravena tak, aby byl vzorek osvětlován výkonem 9 mW, což je v rámci bezpečnostního limitu normy ANSI (American National Standards Institute). Systém OCT poté nasměruje světlo vzorkovacího ramene na vzorek (S) pomocí kolimačních čoček (L1) a čoček objektivu (L2).

Pro skenování paprsku světla na vzorku se využívá rezonanční skener (RS, společnosti Electro-Optical Products, typ SC-30) a galvanické zrcadlo (G, společnosti Cambridge Technology, typ 6210). Zpětně rozptýlené nebo zpětně odražené světlo ze vzorku je zachycováno osvětlovací optikou systému OCT a směrováno do zesilovače SOA2 (COVEGA, typ BOA 1004) pomocí optického cirkulátoru C1. Výstup z SOA2 a referenční světlo jsou kombinovány pomocí optočlenu CP2 (kombinační poměr 50:50).

Referenční rameno obsahuje optický cirkulátor C2, kolimační čočku L3 a referenční zrcadlo RM. Výstupy z CP2 jsou odesílány do dvou optických demultiplexerů (OD1 a OD2) pro vyváženou detekci. CP2 používá stejnou optickou frekvenci jako dva OD s vyváženými fotosnímači (New Focus, typ 2117), které jsou vybaveny celkem 256 fotosnímači. Výstupy fotosnímačů jsou detekovány pomocí rychlého vícekanálového systému ADC s 32 digitizéry PXI- 5105, které ukládají data do zabudované paměti během pořizování jednoho snímku a následně je odešlou do počítače k analýze.

Významné přínosy

Systém OCT s optickými demultiplexory (OD- OCT) se podobá systému OCT pracujícímu se spektrální oblastí (SD-OCT) v tom, že detekuje interferenční spektrum simultánně. Liší se tím, že OD-OCT detekuje celý interferogram při rychlosti sběru dat na různých frekvencích simultánně namísto jeho shromažďování na CCD detektoru po určitou dobu, jako je tomu u systému SD-OCT. Proto systém určuje rychlost axiálního skenování podle rychlosti sběru dat, která může činit až 60 MHz. Rychlost rezonančního skeneru 16 kHz určuje obnovovací frekvenci. Pro sběr dat se používá jen jeden skenovací směr (50 % chodu), což dává vzorkovací dobu 31,25 μs na jeden snímek.

Systém pořizuje 1 875 axiálních skenů na snímek; nicméně laterální skenování pomocí rezonančního skeneru je vysoce nelineární, a proto se používá pouze 1 400 axiálních skenů a 475 se nepoužije. Pro tento projekt bylo stanoveno, že dynamický rozsah systému bude poměr mezi špičkovou hodnotou impulsní charakteristiky (Point Spread Function – PSF) a hladinou šumu, když vzorkovací rameno není blokováno. Podle výsledků testů je dynamický rozsah odhadován na zhruba 40 dB při všech hloubkách a s rostoucí hloubkou se mírně snižuje (viz graf Impulsní charakteristika).

Výhodou systému OD-OCT je to, že spektrální šířka detekovaná v každém kanálu pole vlnovodů je užší než frekvenční krok 25 GHz. Dynamický rozsah 40 dB je považován za právě dostatečný pro měření biologických tkání. Penetrační hloubka snímku je cca 1 mm, což je poměrně málo ve srovnání s penetrační hloubkou obvykle dosahovanou systémem SS-OCT (swept source) nebo SD-OCT. Je to dáno nízkou citlivostí systému. Pro vykreslení 3D snímku je zapotřebí mnoho průřezových snímků OCT. Z tohoto důvodu a kvůli omezené paměti systému byla vzorkovací frekvence snížena na 10 MHz.ce

Autoři této případové studie: Dr. Kohji Ohbayashi, D. Choi, H. Hiro-Oka, H. Furukawa, R. Yoshimura, M. Nakanishi a K. Shimizu z Centra pro fundamentální vědy univerzity Kitasato. Tato aplikace byla vyhlášena celkovým vítězem soutěže Zákaznická aplikace roku 2008 (Customer Application of the Year) pořádané během akce NIWeek 2008.

Pro další informace navštivte:

www.ni.com/niweek/best.htm

www.faqs.org/patents/app/20080252901