多核DSP技術(shù)在OCT醫療成像中的應用

過(guò)去幾年間，光學(xué)相干斷層掃描(OCT)技術(shù)有長(cháng)足的進(jìn)展。自從OCT技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，眼科醫生便運用近紅外線(xiàn)技術(shù)，拍攝眼部最遠端部位的高分辨率影像。由于眼部組織呈現半透明狀，因此OCT可提供顯現視網(wǎng)膜病變的影像，藉以診斷和監控青光眼及黃斑水腫等視網(wǎng)膜疾病。如今，許多以OCT為基礎的醫療應用已臻成熟，還有多項全新應用正進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。

OCT成像的原理與超聲波類(lèi)似，是運用反射的近紅外線(xiàn)做為成像媒介形成影像，而非運用反射的音波。近紅外線(xiàn)(一般為800~1300nm)來(lái)源分為兩個(gè)途徑，其中一個(gè)途徑用于組織取樣；另一個(gè)則用于參考反射鏡。取樣手臂掃描經(jīng)過(guò)組織時(shí)，可運用干涉儀，以參考臂的光線(xiàn)持續阻絕取樣組織后端發(fā)出的反射。對于持續阻絕的光線(xiàn)，會(huì )執行數字信號處理算法，以達到深度解析的軸狀掃描。將這些掃描相互堆棧即可形成2D或3D的組織影像。一般而言，OCT能夠以低于10?m的極高分辨率解析3~5mm組織深度的影像。

在第一代時(shí)域系統中，OCT系統關(guān)鍵組件之一的參考反射鏡是機械組件，因此機器的動(dòng)作緩慢，而且影像的分辨率有限。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，并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)等強大的數字信號處理技術(shù)，以解析嵌入式深度信息，并且實(shí)時(shí)結合橫向掃描數據，使成像時(shí)間大幅縮短，同時(shí)提升影像分辨率。
OCT在生物醫學(xué)中的應用

如今OCT醫療系統大多用于眼科，不過(guò)，過(guò)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采用OCT技術(shù)作為診斷工具。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(fā)紅的現象。OCT則可通過(guò)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。在服用幾次抗生素后，可使用OCT系統分析抗生素是否發(fā)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。

其它新興的OCT醫療應用包括牙科診斷系統以及跨科手術(shù)技術(shù)運用。例如，牙醫可采用OCT成像來(lái)確定X光以及目視檢查無(wú)法發(fā)現的早期齲齒及某些牙齦疾病，以便采取更有效的預防措施。

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)癌細胞。一般而言，外科醫生取出腫瘤周?chē)M織時(shí)，總是希望能清除所有的癌細胞。而被清除的腫瘤及周?chē)慕M織會(huì )送至病理實(shí)驗室進(jìn)行一周的分析，以做出手術(shù)后的書(shū)面報告。由于OCT影像在組織學(xué)/病理學(xué)應用均為相同的分辨率，因此手術(shù)室中的OCT系統能夠讓外科醫生在手術(shù)過(guò)程中精確地知道需要清除多少組織，同時(shí)留下多少安全邊緣部份，采用如此的做法便不會(huì )錯誤去除未感染癌癥的組織，因而省卻后續手術(shù)的費用及痛苦。OCT技術(shù)能夠讓醫生以組織學(xué)的分辨率水平，實(shí)時(shí)看見(jiàn)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 )有更多采用OCT技術(shù)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。對于罹患乳癌的病患，OCT可搭配視覺(jué)及“智能”信號處理技術(shù)，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(shù)的侵入性。對于心血管疾病患者，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(lèi)型的應用中，先進(jìn)的數字信號處理技術(shù)不僅能夠達到絕佳的影像畫(huà)質(zhì)，而且能夠進(jìn)行組織分類(lèi)。

信號處理性能提升

當作為醫療成像用途的OCT首度推出時(shí)，采用的系統是個(gè)人計算機(PC)平臺，第二代系統已經(jīng)過(guò)修改，目前開(kāi)發(fā)中的第三代系統也將有所改變。有些OCT系統制造商已經(jīng)或即將采用嵌入式處理平臺，配備單一或多核數字信號處理器(DSP)，而非個(gè)人計算機中使用的一般用途處理器(GPP)。

相較于傳統運算方式，DSP的每毫瓦功耗所能達到的信號處理能力更強，這表示運用可編程算法即可得出準確的結果，而不需要使用成本高昂的電源供應及散熱器。DSPSoC能夠讓功能強大的信號處理器與具有適當接口可進(jìn)行數據處理、內存及儲存的系統應用處理器并存，設計人員得以縮小系統體積尺寸并降低功耗。

采用DSP平臺可縮小系統的實(shí)體尺寸并降低耗電量，因此不久的將來(lái)將有電池供電的便攜式OCT系統問(wèn)世。與便攜式超聲波系統一樣，便攜式OCT系統將有助于此技術(shù)被許多診所及醫生診療室普遍采用。此外，對于處理自然災害或意外事件的醫療與急救人員，便攜式OCT系統將成為有效的定點(diǎn)照護診斷工具。

未來(lái)趨勢

在未來(lái)新一代OCT醫療成像技術(shù)的趨勢中，將部署功能更強大的多核DSP，以縮短成像時(shí)間，并提高影像分辨率。處理OCT影像的軟件算法目前正處于開(kāi)發(fā)階段。一項被稱(chēng)為偏振敏感OCT(PS-OCT)的技術(shù)能夠運用處理算法將光信號極化，以產(chǎn)生視覺(jué)對比度更高的影像。高清晰度影像可呈現在齲齒中的小洞或微小的節結及腫瘤。

另一項未來(lái)的OCT應用是檢查眼部極為細小的血管，其中OCT可使用多普勒成像技術(shù)繪制血流量圖，并估計血流速度。其原理與超聲波類(lèi)似，但是分辨率更高，可提早診斷出糖尿病以及某些眼部疾病?？删幊藾SP架構能夠針對信號處理應用提供準確且可擴展的平臺，因此有助于此類(lèi)新型算法的開(kāi)發(fā)及快速部署。