多核DSP技术在OCT医疗成像中的应用研究

中心议题：
    *  OCT在生物医学中的应用
    *  信号处理性能提升
    *  未来趋势

过去几年间，光学相干断层扫描(OCT)技术有长足的进展。自从OCT技术问世以来，眼科医生便运用近红外线技术，拍摄眼部最远端部位的高分辨率影像。由于眼部组织呈现半透明状，因此OCT可提供显现视网膜病变的影像，藉以诊断和监控青光眼及黄斑水肿等视网膜疾病。如今，许多以OCT为基础的医疗应用已臻成熟，还有多项全新应用正进入开发阶段。

OCT成像的原理与超声波类似，是运用反射的近红外线做为成像媒介形成影像，而非运用反射的音波。近红外线(一般为800~1300nm)来源分为两个途径，其中一个途径用于组织取样；另一个则用于参考反射镜。取样手臂扫描经过组织时，可运用干涉仪，以参考臂的光线持续阻绝取样组织后端发出的反射。对于持续阻绝的光线，会执行数字信号处理算法，以达到深度解析的轴状扫描。将这些扫描相互堆栈即可形成2D或3D的组织影像。一般而言，OCT能够以低于10?m的极高分辨率解析3~5mm组织深度的影像。

在第一代时域系统中，OCT系统关键组件之一的参考反射镜是机械组件，因此机器的动作缓慢，而且影像的分辨率有限。第二代OCT系统以固定式参考反射镜取代机械式参考反射镜，并运用光谱仪以及快速傅立叶转换(FFT)、级数运算(magnitude computation)与对数压缩(log compression)等强大的数字信号处理技术，以解析嵌入式深度信息，并且实时结合横向扫描数据，使成像时间大幅缩短，同时提升影像分辨率。

OCT在生物医学中的应用

如今OCT医疗系统大多用于眼科，不过，过去几年间出现了几项新兴的应用。例如，耳鼻喉科医师及小儿科医师也采用OCT技术作为诊断工具。一般而言，医师使用耳镜检查耳部、外耳道及鼓膜是否有细菌感染而发红的现象。OCT则可通过表皮及皮下膜的成像，判断是否感染致病细菌，提升诊断准确度。在服用几次抗生素后，可使用OCT系统分析抗生素是否发挥效用，如果已去除感染的生物膜，患者则可停止服用抗生素。

其它新兴的OCT医疗应用包括牙科诊断系统以及跨科手术技术运用。例如，牙医可采用OCT成像来确定X光以及目视检查无法发现的早期龋齿及某些牙龈疾病，以便采取更有效的预防措施。

在跨科手术方面，OCT可在去除肿瘤的手术过程中分析有无癌细胞。一般而言，外科医生取出肿瘤周围组织时，总是希望能清除所有的癌细胞。而被清除的肿瘤及周围的组织会送至病理实验室进行一周的分析，以做出手术后的书面报告。由于OCT影像在组织学/病理学应用均为相同的分辨率，因此手术室中的OCT系统能够让外科医生在手术过程中精确地知道需要清除多少组织，同时留下多少安全边缘部份，采用如此的做法便不会错误去除未感染癌症的组织，因而省却后续手术的费用及痛苦。OCT技术能够让医生以组织学的分辨率水平，实时看见影像，以便在第一次进行去除肿瘤的外科手术时做出更好的决定。

日后会有更多采用OCT技术的医疗应用。例如，OCT能够搭配穿刺切片切除早期阶段的小肿瘤。对于罹患乳癌的病患，OCT可搭配视觉及“智能”信号处理技术，引导细针插入精确的肿瘤位置，以查明疑似感染的组织，尽可能减少手术的侵入性。对于心血管疾病患者，OCT可搭配极小型导管支架，更准确地找出血管内支架或检查斑块沉积。在这些类型的应用中，先进的数字信号处理技术不仅能够达到绝佳的影像画质，而且能够进行组织分类。

信号处理性能提升

当作为医疗成像用途的OCT首度推出时，采用的系统是个人计算机(PC)平台，第二代系统已经过修改，目前开发中的第三代系统也将有所改变。有些OCT系统制造商已经或即将采用嵌入式处理平台，配备单一或多核数字信号处理器(DSP)，而非个人计算机中使用的一般用途处理器(GPP)。

相较于传统运算方式，DSP的每毫瓦功耗所能达到的信号处理能力更强，这表示运用可编程算法即可得出准确的结果，而不需要使用成本高昂的电源供应及散热器。DSPSoC能够让功能强大的信号处理器与具有适当接口可进行数据处理、内存及储存的系统应用处理器并存，设计人员得以缩小系统体积尺寸并降低功耗。

采用DSP平台可缩小系统的实体尺寸并降低耗电量，因此不久的将来将有电池供电的便携式OCT系统问世。与便携式超声波系统一样，便携式OCT系统将有助于此技术被许多诊所及医生诊疗室普遍采用。此外，对于处理自然灾害或意外事件的医疗与急救人员，便携式OCT系统将成为有效的定点照护诊断工具。

未来趋势

在未来新一代OCT医疗成像技术的趋势中，将部署功能更强大的多核DSP，以缩短成像时间，并提高影像分辨率。处理OCT影像的软件算法目前正处于开发阶段。一项被称为偏振敏感OCT(PS-OCT)的技术能够运用处理算法将光信号极化，以产生视觉对比度更高的影像。高清晰度影像可呈现在龋齿中的小洞或微小的节结及肿瘤。

另一项未来的OCT应用是检查眼部极为细小的血管，其中OCT可使用多普勒成像技术绘制血流量图，并估计血流速度。其原理与超声波类似，但是分辨率更高，可提早诊断出糖尿病以及某些眼部疾病。可编程DSP架构能够针对信号处理应用提供准确且可扩展的平台，因此有助于此类新型算法的开发及快速部署。