Hochgeschwindigkeits-Swept-Source-OCT mit Erweiterter Datenerfassung

Die optische Kohärenztomographie (OCT) hat sich zu einem unverzichtbaren Tool in der modernen medizinischen Bildgebung entwickelt. Swept-Source-OCT (SS-OCT) hat sich aufgrund der überlegenen Bildgebungsgeschwindigkeit, Eindringtiefe und Empfindlichkeit als führendes Verfahren etabliert. Durch den Einsatz von durchstimmbaren Laserquellen ermöglicht SS-OCT die hochauflösende Echtzeit-Visualisierung von Gewebemikrostrukturen und ist daher besonders wertvoll für Anwendungen in der Ophthalmologie, Kardiologie, Dermatologie und Zahnmedizin.

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Abbildung 1. Swept-Source-OCT bietet Leistungsvorteile in einer Vielzahl von Anwendungen.

Eine kritische Komponente im Kern des Geräts ist das Datenerfassungssystem. Der Digitalisierer, der für die präzise Erfassung interferometrischer Signale verantwortlich ist, beeinflusst direkt die Bildqualität, die Bildgebungstiefe und die Scangeschwindigkeit. Da SS-OCT-Systeme kontinuierlich höhere Scangeschwindigkeiten, bessere axiale Auflösung und größere Bildgebungstiefe anstreben, steigen die Anforderungen an Digitalisierer – wie Abtastrate, Bandbreite, Dynamikbereich und Echtzeitverarbeitung – stetig.

Dieser Artikel untersucht die Schlüsselrolle von Digitalisierern für moderne SS-OCT-Systeme und erläutert, warum Teledyne-Digitalisierer, darunter der ADQ32 und der ADQ35, Leistung, Flexibilität und fortschrittlichen Funktionen bieten, die Entwickler von SS-OCT-Geräten für die Entwicklung von Bildgebungslösungen der nächsten Generation benötigen.

SS-OCT vs SD-OCT
Die Swept-Source-OCT (SS-OCT) bietet gegenüber der Spectral-Domain-OCT (SD-OCT) wesentliche technische Vorteile. Grund dafür sind die schnelle, durchstimmbare Laserquelle und der Einzelphotodetektor, die schnellere Scanraten, eine tiefere Gewebepenetration und einen deutlich geringeren Empfindlichkeitsabfall mit zunehmender Tiefe ermöglichen.

Die längere Betriebswellenlänge (~1050 nm) verbessert die Bildgebung durch streuendes Gewebe und ermöglicht eine überlegene Visualisierung der Aderhaut und tiefer liegender Augenstrukturen. SS OCT bietet zudem ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und stabilere Phaseninformationen, wodurch es sich besonders für hochauflösende volumetrische Bildgebung und OCT-Angiographie eignet.



Tabelle 1. Vorteile von SS-OCT gegenüber SD-OCT.

Früher waren durchstimmbare Laser der teuerste Bestandteil von SS-OCT-Systemen. Neue, auf Halbleitern basierende, abstimmbare Laser (z. B. MEMS-VCSELs) werden jedoch für die kostengünstige Massenproduktion entwickelt, wodurch SS-OCT-Geräte wettbewerbsfähiger und erschwinglicher werden.

Anforderungen an SS-OCT-Digitalisierer
Die Gesamtleistung des Systems wird maßgeblich durch die Qualität und Leistungsfähigkeit des Digitalisierers bestimmt. Entwickler streben nicht nur eine schnelle Datenerfassung an; SS-OCT-Entwickler benötigen Digitalisierer, die Multi-GS/s-Abtastung, geringen Jitter, hohe analoge Bandbreite und hohe ENOB-Leistung für die präzise Erfassung von GHz-Interferenzstreifen kombinieren. Sie benötigen außerdem deterministisches Timing, Echtzeit-k-Raum-Linearisierung und Streaming mit hohem Durchsatz zur Unterstützung von Echtzeit-Bildverarbeitungspipelines. Die Systemleistung wird letztendlich durch die Fähigkeit des Digitalisierers begrenzt, saubere, präzise getaktete Daten mit extrem hohen Geschwindigkeiten zu erfassen.

Wichtige Anforderungen an Entwickler von SS-OCT-Digitalisierern umfassen typischerweise:

• Abtastraten von 1 bis 5 GSPS zur präzisen Erfassung schnell durchlaufender interferometrischer Signale. Die Bildgebungstiefe ist proportional zur Abtastrate des Digitalisierers und zur Kohärenzlänge des Lasers. Steigende Durchstimmraten, Kohärenzlängen und k-Taktfrequenzen von durchstimmbaren Lasern erfordern eine schnellere Digitalisierertechnologie.
• Große analoge Bandbreite (1 bis 2 GHz) zur verzerrungsfreien Darstellung hochfrequenter Interferenzsignale und k-Taktfrequenzen im Bereich von 1 bis 2 GHz.
• Hoher Dynamikbereich und geringes Rauschen zur Erhaltung schwacher Reflexionen aus tieferen Gewebeschichten. 12-Bit-Vertikalauflösung bei Abtastraten von bis zu 5 GSPS.
• Echtzeit-Datenverarbeitung, einschließlich Peer-to-Peer-Streaming und FPGA-Vorverarbeitung, um Engpässe bei hohen A-Scan-Raten zu vermeiden. Echtzeit-Streaming an CPU oder GPU mit Gigabyte-pro-Sekunde-Raten.
• Verarbeitung mit geringer Latenz, die eine sofortige Bildrekonstruktion oder Rückmeldung ermöglicht.

Die Digitalisierer der ADQ3-Serie von Teledyne erfüllen und übertreffen diese Anforderungen.

ADQ3-Digitalisierer-Serie für SS-OCT
Die Abtastrate von bis zu 5 GSPS gewährleistet die hochpräzise Abtastung selbst schnellster durchstimmbarer Laser, die Erfassung hochfrequenter Interferenzstreifen und den Erhalt der axialen Auflösung. Diese hohe Abtastrate, kombiniert mit der exzellenten Leistung des analogen Frontends bis zu 2,5 GHz, ermöglicht es Entwicklern, die Bandbreite moderner SS-OCT-Lichtquellen kompromisslos auszuschöpfen.

Ein wesentlicher Bestandteil der Digitalisiererlösung ist die anwendungsspezifische Firmware. FWOCT ist eine von Teledyne SP Devices entwickelte Firmware, die das abgetastete k-Taktsignal dem OCT-Signal in SS-OCT-Bildgebungssystemen zuordnet und alle weiteren Signalverarbeitungsschritte zur Erzeugung von OCT-Bildern durchführt. Das k-Taktsignal und das OCT-Signal werden an einen Zweikanal-Digitalisierer angeschlossen. Das k-Taktsignal wird vom Digitalisierer abgetastet und anschließend verarbeitet, um die gewünschten OCT-Abtastpunkte zu ermitteln. Für die ausgewählten Punkte wird der entsprechende Wert des OCT-Eingangssignals mit hoher Präzision ermittelt. Dies bietet zahlreiche Vorteile gegenüber Direkttaktverfahren – siehe Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices für weitere Informationen.



Abbildung 2. Blockdiagramm eines typischen SS-OCT-Systems mit integriertem Digitalisierer.

Die integrierte Firmware verlagert wichtige Verarbeitungsschritte – wie Resampling (k-Linearisierung), digitale Filterung und gegebenenfalls FFT-Vorbereitung – direkt auf den Digitalisierer. Dies bietet mehrere Vorteile:

• Reduzierte CPU-/GPU-Last des Hostsystems ermöglicht eine einfachere Systemarchitektur.
• Geringere Anforderungen an die Datenübertragungsbandbreite, da die Daten vor dem Streaming vorverarbeitet werden können.
• Deterministische Echtzeitleistung, unerlässlich für Hochgeschwindigkeits-Bildgebungssysteme.
• Verbesserte Phasenstabilität durch präzise gesteuerte Hardwareverarbeitung.

FWOCT-Highlights

• Flexible k-Takt-Unterstützung (4–2000 MHz) für die Verwendung mit einer Vielzahl von Lasern.
• K-Takt-Interpolation zur Unterstützung von MZI-Interferometern und niedrigen k-Takt-Frequenzen (4–2000 MHz unterstützter k-Takt).
• Programmierbare Modi zur Auswahl abgetasteter k-Takt-Punkte, die dem OCT-Signal zugeordnet werden. Beispielsweise steigende Flanke, steigende und fallende Flanke oder interpolierte Konfiguration mit mehreren Punkten pro k-Takt-Periode.
• Hohe maximale OCT-Signalbandbreite (0–2000 MHz).
• Rauschunterdrückung durch benutzerkonfigurierbare FIR-Filter.
• Timing-Anpassungen zwischen k-Takt- und OCT-Signalpfad.
• FFT mit flexiblen Ausgabeformaten – komplex, größen-quadriert, logarithmisch .

• Hintergrundentfernung.
• Dispersionskompensation.

Abbildung 3. Der ADQ35-Digitalisierer mit integrierter Echtzeit-SS-OCT-Verarbeitung mittels FWOCT.

Im Gegensatz dazu basieren viele Konkurrenzprodukte stark auf softwarebasierter Nachbearbeitung der Datenerfassung, was zu Latenzzeiten führt, die Systemkomplexität erhöht und die erreichbaren Bildgebungsgeschwindigkeiten einschränken kann.

Die Kombination aus Hardware mit bis zu 5 GSPS und der dedizierten FWOCT-Firmware bietet eine eng integrierte Erfassungs- und Verarbeitungsplattform. Aus diesen Gründen ist die ADQ3-Serie eine führende Wahl für SS-OCT-Entwickler, die die Grenzen von Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Echtzeit-Bildgebung erweitern möchten.



Tabelle 2. Ausgewählte Leistungsdaten für verschiedene Digitalisierer der ADQ3-Serie.

ADQ32, ADQ33 und ADQ35 sind wahlweise als PCIe-Variante oder mit USB-3.2-Schnittstelle erhältlich (siehe ADQ3-USB - Teledyne SP Devices) während ADQ36 als PXIe-Variante verfügbar ist. Weitere Informationen zu den SS-OCT-Lösungen von Teledyne SP Devices finden Sie unter Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices

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