Anspruchsvolle Krebsforschung mithilfe modernster medizinischer Bildgebung basierend auf PXI-Modulen und NI LabVIEW

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"Die PXI-Plattform von National Instruments ermöglichte aufgrund der Synchronisationsoptionen, der kompakten Größe und der Modularität ein Datenerfassungssystem mit hoher Kanalanzahl."

- Dr. Kohji Ohbayashi, Kitasato University, Center for Fundamental Sciences

The Challenge:
Erstellung eines medizinischen Geräts, das bei Vorsorgeuntersuchungen Krebs erkennen kann, durch Optimierung traditioneller Methoden, die nicht genug Auflösung bieten oder den Patienten während der Untersuchung erheblichem Stress aussetzen

The Solution:
Einsatz von Optischer Kohärenztomografie (OCT, Optical Coherence Tomography) und einer patentierten Lichtquellentechnologie zusammen mit einem Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem (60 MS/s) bestehend aus 32 Digitizern des Typs NI PXI-5105, die insgesamt 256 simultan abgetastete Kanäle zur Verfügung stellen

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

OCT ist eine nichtinvasive Bildgebungsmethode, die verdeckte Querschnitte von transparenten oder lichtundurchlässigen Stoffen abbildet. OCT-Bilder ermöglichen die Darstellung von Gewebe oder anderen Objekten mit einer Auflösung ähnlich der eines Mikroskops. In akademischen Kreisen wächst das Interesse an OCT, da es eine wesentlich höhere Auflösung ermöglicht als andere Bildgebungstechniken, wie etwa die Magnetresonanztomografie (MRT) oder die Positronen-Emissions-Tomografie (PET). Darüber hinaus erfordert diese Methode keine große Vorbereitung und ist für den Patienten sehr sicher, da eine sehr niedrige Laserleistung verwendet wird und keine ionisierende Strahlung nötig ist.

OCT verwendet eine Niedrigenergie-Lichtquelle und die entsprechenden Reflektionen, um Bilder darzustellen. Diese Technik ähnelt dem Ultraschall, nur wird hier Licht anstatt Schall überwacht. Dazu wird ein Lichtstrahl in die zu untersuchende Probe geleitet, wobei ein Großteil des Lichts gestreut wird. Ein kleiner Teil wird allerdings als kollimiertes Strahlenbündel reflektiert, das dann erkannt und zur Bildgebung verwendet wird.

Überblick über das System

Unsere Aufgabe bestand darin, ein Hochgeschwindigkeits-OCT-System mit optischen Demultiplexern zu entwickeln, um die Trennung von 256 schmalen Spektralbändern von einem Auflicht in einem 25,0-GHZ-Frequenzintervall um eine Mittelfrequenz von 192,2 THz (Wellenlänge 1559,8 nm) zu ermöglichen. Die Trennung des Spektrums erlaubte die simultane Erkennung aller Bänder mit der Abtastrate von 60 MS/s der 256 Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler-Kanäle, die zur Datenerfassung in den Digitizern PXI-5105 integriert sind.

Unser System umfasst 32 der achtkanaligen PXI-5105-Digitizer, die auf drei Chassis des Typs NI PXI-1045 mit je 18 Steckplätzen verteilt sind. Synchronisiert wurden die Digitizer in den unterschiedlichen Chassis mit den Timing- und Synchronisationsmodulen NI PXI-6652 und der Synchronisationstechnologie NI-TClk. Diese sorgt für Phasenkohärenz im zweistelligen Pikosekundenbereich zwischen den Kanälen. Die Entscheidung fiel auf PXI-5105 aufgrund der hohen Kanaldichte von acht Eingängen pro Modul, durch die das 256-kanalige Hochgeschwindigkeitssystem sehr kompakt gehalten werden konnte. Nach der Erfassung der Daten wurde LabVIEW zu deren Verarbeitung und Darstellung eingesetzt.

Mit den optischen Demultiplexern, die in einem OCT-System als Spektrumanalysatoren fungierten, konnte eine OCT-Darstellung von 60 Millionen Axial-Scans pro Sekunde erreicht werden. Mit einem Resonanzscanner für die laterale Abtastung, einer 16-kHz-Bildrate, 1400 Axial-Linien pro Bild und einem Tiefenbereich von 3 mm bietet unsere OCT-Bildgebung eine Auflösung von 23 µm.

Detaillierte Beschreibung

Die Lichtquelle in unserem System ist eine Breitband-Superluminescent-Diode (SLD, Prototyp von NTT Electronics). Das von der SLD ausgehende Licht wird mit einem optischen Halbleiterverstärker (SOA, COVEGA, BOA-1004) verstärkt und mit dem Koppler (CP1) zu gleichen Teilen in den Probenzweig und den Referenzzweig aufgeteilt. Die Ausgangsintensität des Lichts von SOA1 wird angepasst, so dass die Probe mit 9 mW beleuchtet wird, entsprechend der ANSI-Sicherheitsgrenze. Das System steuert das Licht, das auf die Probe (S, Sample) fällt, mit einer Kollimatorlinse (L1) und einer Objektivlinse (L2). Um den Lichtstrahl auf der Probe zu führen, kommen ein Resonanzscanner (RS, optoelektronische Produkte, Typ SC-30) und ein Galvano-Spiegel (Cambridge-Technologie, Typ 6210) zum Einsatz. Das System „sammelt“ von der Probe zurückgestreutes oder reflektiertes Licht und leitet es mit einem optischen Zirkulator C1 an SOA2 (Typ COVEGA, BOA 1004) weiter. Der Ausgang von SOA2 und das Referenzlicht werden mit einem Koppler CP2 (Koppelverhältnis 50:50) kombiniert. Der Referenzzweig umfasst den optischen Zirkulator C2, die Kollimatorlinse L3 und den Referenzspiegel RM.

Das System demultiplext die Ausgänge von CP2 mit zwei optischen Demultiplexern (OD1 und OD2) und sorgt somit für eine abgestimmte Erkennung. Es erkennt Ausgangssignale mit derselben optischen Frequenz von den zwei ODs mit ausgeglichenen Lichtempfängern (Typ New Focus, 2117), insgesamt 256 an der Zahl. Die Ausgangssignale der Lichtempfänger werden mit dem oben beschriebenen schnellen Mehrkanal-A/D-Wandler-System, bestehend aus 32 PXI-5105-Digitizern, erkannt. Das System legt Daten während der Erfassung im Single-Shot-Modus im großen Speicher der Digitizer ab und überträgt sie dann an einen Computer, wo sie analysiert werden.

Der OD-OCT ist dem SD-OCT insofern ähnlich, als dass er das Interferenzspektrum simultan erkennt. Der Unterschied besteht darin, dass er ein ganzes Interferogramm in der Geschwindigkeit der Datenerfassung mit verschiedenen Frequenzen gleichzeitig erkennt, anstatt es über eine Periode in einem CCD-Detektor zu akkumulieren, wie bei SD-OCT. Deshalb ergibt sich die Rate der Axial-Scans durch die Datenerfassungsgeschwindigkeit des Datenerfassungssystem, die zur Zeit 60 MHz beträgt. Die Geschwindigkeit des Resonanzscanners von 16 kHz bestimmt die Bildrate. Hier wird für die Datenerfassung nur eine Scan-Richtung verwendet (50 % Auslastung), was in einer Abtastzeit von 31,25 μs pro Bild resultiert. Das System erfasst 1875 Axial-Scans pro Bild. Jedoch ist der laterale Scan mit einem Resonanzscanner in hohem Maße nichtlinear, so dass nur 1400 Axial-Scans verwendet und 475 verworfen werden.

Ergebnisse

Der Dynamikbereich wurde als das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert der Punktspreizfunktion (PSF) und dem Störpegel, wenn der Probenzweig nicht blockiert ist, festgelegt. Aus dem Ergebnis lässt sich schließen, dass sich der Dynamikbereich bei allen Messtiefen um ca. 40 dB bewegt und mit größerer Messtiefe tendenziell abnimmt. Ein Verdienst des OD-OCT ist, dass die Spektralbreite, die an jedem AWG-Kanal erkannt wird, schmäler ist als der Frequenzschritt von 25 GHz. Der Dynamikbereich von 40 dB ist knapp ausreichend für Messungen an biologischem Gewebe.

In Abbildung 5 stellt die linke vertikale Achse die Signalstärke dar. Die Reflektion von 39,3 dB wird mit Neutraldichtefiltern gedämpft. Die dicke, durchgehende Kurve ist der Rauschpegel, der gemessen wird, wenn das Licht von der Probe blockiert ist. Die von diesen Werten vorgegebene Empfindlichkeit wird an der rechten vertikalen Skala angezeigt.

Die Eindringtiefe des Bildes beträgt ca. 1 mm, wenig im Vergleich zu den 2 mm, die mit SS-OCT oder SD-OCT normalerweise erzielt werden. Dies liegt an der niedrigen Empfindlichkeit. Um ein 3D-Bild wiederzugeben, sind mehrere OCT-Querschnitte notwendig. Aufgrund des begrenzten Speichers wurde die Abtastrate auf 10 MHz reduziert.

Unserem Team an der Kitasato University ist es gelungen, das weltweit schnellste OCT-System zu erstellen, das eine Axial-Scan-Rate von 60 MHz erreicht. Das Ziel der Forschungen besteht darin, Krebs bei Patienten früher zu erkennen und ihre Lebensqualität zu erhöhen. Um dieses System zu entwickeln, wurden drei innovative Technologien kombiniert. Die erste war die Technologie von NTT Technologies, die als Breitband-Lichtquelle eingesetzt wurde. Die zweite war das Signalkonditionierungssystem aus optischen Multiplexern und abgestimmten Lichtempfängern, das unserem System die Erkennung der 256 schmalen Spektralbänder erlaubte.

Schließlich ermöglichte die PXI-Plattform von National Instruments aufgrund ihrer Synchronisationsoptionen, der kompakten Größe und der Modularität ein Datenerfassungssystem mit hoher Kanalanzahl. Dank der Modularität der PXI-Plattform konnte unser Team das System von 128 auf 256 Kanäle erweitern. Die Plattform bot auch die Möglichkeit, das System für noch mehr Kanäle zu skalieren. Wird die Plattform um leistungsstärkere Geräte und höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten mit PXI Express ergänzt, können auch künftige Anforderungen erfüllt und die Forschungen damit weiter vorangetrieben werden.

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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