以新一代醫療成像技術搭配使用 PXI 模組化儀控與 NI LabVIEW，進行高階的癌症研究

Author(s):
Dr. Kohji Ohbayashi - Kitasato University, Center for Fundamental Sciences
D. Choi - Kitasato University, Center for Fundamental Sciences
H. Hiro-Oka - Kitasato University, center for Fundamental Sciences
H. Furukawa - Kitasato University, Center for Fundamental Sciences
R. Yoshimura - Kitasato University, Center for Fundamental Sciences
M. Nakanishi - Kitasato University, Center for Fundamental Sciences
K. Shimizu - Kitasato University, Center for Fundamental Sciences

Industry:
Biotechnology, Education, Research, Medical, Machine Vision/Imaging

Products:
PXI-5105, PXI-6652, PXI-1045, LabVIEW

The Challenge:
此醫療儀器必須能於健康檢查期間即偵測出癌症病灶，並要能提升傳統儀器無法達成的效能與解析度，且降低病人在健康檢查期間所可能面臨的壓力。

The Solution:
使用光學同調斷層掃瞄術 (OCT) 與專利的光源技術，並搭配高速 (60 MS/s) 資料擷取系統與 32 組 NI PXI-5105 示波器，構成 256 個同步取樣通道。

OCT 為非侵入式的成像技術，可針對透半明或不透明材質進行次表面 (Subsurface) 與截面 (Cross-sectional) 的成像作業。針對生物組織或其他材質，OCT 影像甚至可達到近似於顯微鏡的解析度。由於 OCT 的解析度可超過如合磁共振造影 (MRI) 或正子斷層造影 (PET)，因此學術領域已日漸著重此一技術。此外，OCT 僅需極低的雷射輸出且不需使用游離輻射 (Ionizing radiation)，因此並不需要額外特別的準備工作，亦可對病人提供較高的安全性。

OCT 使用低功率光源與對應的光源反射以進行成像，因此更近似於超音波性質；其中僅為光線與聲音的區別。當我們將光束投射至樣本時，大多數的光線將進而消散，而有少部分的光線將反射為準直束 (Collimated beam)，系統接著偵測之並用於建立而為影像。

高階系統概述

我們即必須使用光學的解多工器 (Demultiplexer)，以建立高速的 Fourier-domain OCT 系統，以 192.2 THz (1559.8 nm 波長) 為中心，將 25.0 GHz 做為頻率區間，於寬帶入射光 (Incident light) 中切割出共 256 組狹窄的光譜頻帶 (Spectral band)。此頻譜切割將可透過 PXI-5105 示波器，整合 256 個高速類比數位轉換器 (ADC) 的通道，以 60 MS/s 取樣率同步偵測所有的頻帶，並進行資料擷取作業。

我們的系統包含 32 組 8 個通道的 PXI-5105 示波器，分散於 3 組 18 槽式的 NI PXI-1045 機箱中。我們使用 NI PXI-6652 時脈與同步化模組搭配 NI-TClk 同步化技術，以數十個微微秒 (Picosecond) 的時間，於通道之間進行相位同調 (Phase coherency)。由於每組 PXI-5105 介面卡均具有 8 組輸入的高通道密度，因此所構成的 256 高速通道系統僅佔用極小的針腳空間。在擷取資料後，我們使用 LabVIEW 處理並呈現資料。

於 Fourier domain OCT 系統中，將光學解多工器做為光譜分析器，讓我們達到每秒 6 千萬次軸位掃瞄 (Axial scan) 的 OCT 成像作業。透過橫向掃瞄的共振掃描器、16 kHz 幀率 (Frame rate)、每幀 1400 個 A-line，與 3 mm 的深度範圍，讓我們的 OCT 成像系統達到 23 µm 解析度。

系統進階說明

在我們的系統中，其光源為寬頻的超冷光 (Superluminescent) 二極體 (SLD，由 NTT Electronics 公司進行原型製作)。我們透過半導體光學放大器 (SOA，為 COVEGA 公司的 BOA-1004 型)，放大 SLD 的輸出光源，並使用偶合器 (CP1) 將之均分為取樣端 (Sample arm) 與參考端 (Reference arm)。我們調整 SOA1 的輸出光源密度，使其樣本照射功率為 9 mW，以確實符合 ANSI 的安全規定。我們的系統再透過準直透鏡 (L1) 與物鏡 (L2)，將取樣端引導至樣本 (S) 上。我們使用共振掃描器 (RS，Electro-Optical Products 公司的 SC-30 型) 與電流鏡 (G，Cambridge Technology 公司的 6210 型)，以掃瞄樣本上的光束。我們的系統亦透過照明光源，蒐集樣本的背向散射 (Back-scattered) 或背向反射 (Back-reflected) 光源，並使用光循環器 (Optical circulator) C1，將之引導至 SOA2 (COVEGA 公司的 BOA 1004 型)。針對 SOA2 的輸出與參考光源，我們將之整合至 CP2 偶合器 (50:50 的偶合比)。參考端並由光循環器 C2、準直器透鏡 L3，與參考鏡面 (Reference mirror) RM 所組成。

我們的系統並透過 2 組光學解多工器 (OD1 與 OD2)，針對 CP2 的輸出進行解多工，以用於平衡偵測 (Balanced detection)。此將可透過總數為 256 組的平衡式光接收器 (New Focus 公司的 2117 型)，偵測出自於 2 組 OD 的相同光學頻率輸出。亦可透過上述 32 組 PXI-5105 示波器的高速多通道 ADC 系統，偵測光接收器的輸出。並於單擊式 (Single-shot) 擷取作業期間，將資料儲存於示波器所內建的記憶體中，且接著將之傳輸至電腦中進行分析。

就同步偵測干涉光譜 (Interference spectrum) 來說，OD-OCT 與 SD-OCT 極為類似。其中的差別即為 OD-OCT 可透過不同的頻率，同步以資料擷取速度偵測完整的干涉圖形 (Interferogram)；而 SD-OCT 則是於特定的時間中累積至 CCD 偵測器。基於此項特性，軸向掃瞄率則取決於資料擷取系統的資料擷取速度，目前系統則可達 60 MHz 的速率。共振掃描器的 16 KHz 速度則決定了幀率 (Frame rate)。我們僅針對資料擷取使用單一掃瞄方向 (50% 的負荷)，因此每幀可達 31.25 μs 的取樣時間。系統的每幀將需要 1875 次軸向掃瞄；然而，以共振掃描器所進行的橫向掃瞄屬於高度的非線性化，因此我們僅使用 1,400 次軸向掃瞄，而必須省略剩下的 475 次軸向掃瞄。

結果

當取樣端未受限制時，我們所決定的動態範圍即為點擴散函式 (Point spread function，PSF) 峰值與雜訊水平 (Noise floor) 之間的比例。從此結果來看，我們所估計的動態範圍均約處於 40 dB 上下，依深度增加而微幅減少。OD-OCT 的優點即為，於 AWG 各通道所偵測到的頻譜寬度，均小於 25 GHz 的頻率間隔 (Step)。40 dB 的動態範圍，可針對生物組織量測達到極高的邊際效益。

在圖 5 中，左側平行軸則代表了訊號功率。我們使用中性密度濾鏡 (Neutral density filter) 進行 39.3 dB 反射的衰減作業。粗曲線即是以受限的取樣光源所測得的雜訊水平。由這些數值所決定的敏感度，即於右側的水平圖表中進行調整。

相較於SS-OCT 或 SD-OCT 所達的 2 mm 穿透深度 (Penetration depth)，該影像的穿透深度約為較淺的 1 mm；此即由於其較低的敏感度所造成。若要取得 3D 影像，則必須達到某特定數量的 OCT 橫截面圖 (Cross section)。又因為記憶體有限，我們將取樣率降至 10 MHz。

我們於北里大學 (Kitasato University) 的團隊，已可建立世界上最快的 OCT 系統達到 60 MHz 的軸向掃瞄率。此研究的最終目標，即是要能更快偵測出癌症病灶，並提升病人的生活品質。為了建立此系統，我們整合了 3 項創新技術。第一項即為 NTT Technologies 公司的技術，可將之做為寬頻的光源。第二項為光學解多工器與平衡式光接收器所構成的訊號處理系統，可讓系統偵測 256 組狹窄的頻帶。

最後，由於 NI 的 PXI 平台具有同步化功能、精巧體積，與模組化的特性，因此可進行高通道數的擷取作業。透過 PXI 平台的模組化特性，我們的團隊可自由運用 128 到 256 個通道。此平台亦可依需要達到更高的通道數。只要平台透過 PXI Express，即可新增更高效能的儀器，並達到更快的資料轉換速度，可讓我們隨時因應未來的系統與研究需要。

Author Information:
Dr. Kohji Ohbayashi
Kitasato University, Center for Fundamental Sciences
Kitasato 1-15-1, Sagamihara
Kanagawa 228-8555
Japan
Tel: +81-42-778-8034
obayashi@kitasato-u.ac.jp

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