应用笔记|数字化仪在医学SS-OCT中的应用

引言

近些年来，OCT（光学相干断层扫描，Optical Coherence Tomography）作为一种非破坏性3D光学成像技术逐渐在医学眼科设备中流行起来。OCT可提供实时一维深度或二维截面或三维立体的图像，分辨率可达微米（μm）量级，成像深度为毫米（mm）量级。如果以分辨率和成像深度两个方面来讨论，OCT成像技术填补了共焦显微镜和超声技术之间的空白。由于OCT设备是一个相对比较复杂的光电系统，涉及到光学、光电转换、机械、数据采集、信号与图像处理等原理和技术，一般还分为SS-OCT（扫频源OCT，具有更高成像速度、更深穿透深度)和SD-OCT（光谱域OCT，更传统且更低成本），因此本文将结合高速数据采集部分，重点探讨数字化仪的重采样技术在SS-OCT中的应用。

数字化仪的重采样技术

高速数字化仪（Digitizer，以下简称“数字化仪”）是一种专注于高速和高精度信号采集与捕获的仪器设备，其核心功能是通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，同时具有专业的信号处理算法与高速数据传输的能力。数字化仪在信号采集与处理中具有以下特点和优势：

高速采样与高精度：数字化仪基于高速ADC技术，能够实现高采样率（如10 GS/s）和高分辨率（如12bit），从而精确捕捉复杂的信号。

重采样技术：数字化仪通过FPGA算法实现重采样，包括插值和降采样，以改变信号的采样率或时间间隔。重采样技术在数字信号处理中广泛应用于信号转换、滤波和优化。

实时处理与灵活性：数字化仪支持实时信号处理，通过FPGA算法在板载硬件上执行重采样和插值，避免了复杂的后续软件处理，同时提高了系统的灵活性和效率。

K时钟重映射：在SS-OCT等应用中，数字化仪通过K时钟重映射技术，利用固定频率的高质量时钟源，校正非线性，确保信号的准确性和稳定性。所谓K时钟，就是随扫频激光器输出光波长与对应K空间（K-space）变化的同步信号，用于触发数字化仪对干涉信号进行等光程差间隔采样，确保光谱数据在K空间上呈现线性分布。而K空间则是源自磁共振成像（MRI）的术语，即存储原始数据的傅里叶变换空间。

图1. 可查看原始数据和重采样的软件界面

图2. 重采样后对数据进行快速傅里叶变换（FFT）的软件界面

SS-OCT的K时钟问题

SS-OCT技术因其高分辨率和高速成像能力，现如今如要应用于医学领域（眼科，鼻科，血液科等）和工业缺陷检测等领域，表1总结了SS-OCT信号的典型特征及其应用参数。

表1. SS-OCT技术的信号参数特征

在SS-OCT系统中，传统的利用K时钟作为数字化仪外部时钟的方法存在以下缺点：

时钟质量要求高：高性能数字化仪中的模数转换器（ADC）需要极低抖动的高质量时钟源。K时钟无法满足这些要求，导致ADC性能下降。

噪声和尖峰问题：K时钟可能出现噪声或尖峰，有时甚至在扫描的某些部分完全关闭。

占空比影响：ADC内部采样保持电路的设计通常就是需要使用具有恒定占空比的时钟，所以不同的占空比可能导致ADC输出样本不良，甚至偶尔丢失数据。

接口限制：只有使用并行数据接口，如低压差分信号（LVDS）的老一代ADC才能实现直接时钟，但此类ADC仅支持有限的采样率，限制了可实现的A扫描（Axis Scanning，轴向扫描/一维扫描）速率。

频率非均匀性：K时钟是不均匀的，频率会发生变化。此外，?由于数字化仪的采样时钟与扫频光源的K时钟不能实现锁相（PLL同步），导致K空间的零相位点（K=0）与数字化仪的采样时刻存在随机偏移，可能引入光谱域插值误差。?

相比之下，K时钟重映射或重采样方法（如图3的右侧所示）通过以下方式解决了上述问题。

图3. 左边是直接K时钟法，右边是推荐的K空间重映射法

实时插值：重采样过程通常包含插值运算，用于在K时钟过零点处（K时钟信号从正电压跨越到负电压，或反之由负电压跨越到正电压的瞬时时刻）实时估计OCT输入信号的幅值。该插值与幅值估计由数字化仪的板载FPGA实时完成。

提高分辨率：通过插值，可以增加重采样点数，从而显著提高分辨率。

避免数据丢失：FPGA算法确保采样保持电路的恒定占空比，避免因占空比变化导致的数据丢失。

支持高速采样：该方法支持现代高速ADC，突破了传统接口的采样率限制，实现了更高的A扫描速率。

频率一致性：通过FPGA实时算法，严格对齐K时钟过零点与数字化仪的采样时刻，消除扫频激光器的频率非均匀性影响。

由此可见，K时钟重映射或重采样方法在SS-OCT系统中展现出显著优势，解决了传统方法的多种问题，成为理想的解决方案。

数字化仪重采样方案的实现

重采样原理为K-时钟信号被ADC采样，然后进行数字信号处理，以找到输入信号穿越过零点的时间，如下图4所示。

图4. 重采样原理图

在SS-OCT中的具体采集流程如下图5所示：

图5. SS-OCT实际采集流程示意图

图6所示的数字化仪是具备重采样固件的SP Device ADQ32，它具有2通道、每通道2.5GS/s采样率、2.5GHz模拟带宽的指标特性。将K时钟和SS-OCT信号都连接到数字化仪上的模拟输入通道1和通道2上，除了它们二者之外，A扫描和B扫描（二维横断面扫描）触发器通常也由扫频激光器提供给数字化仪，以实现同步数据采集。

图6. 具有重采样算法的ADQ32数字化仪外观示意图

表2. 基于K时钟重采样技术的选型方案规格表

其中，FWOCT固件包含可编程数字滤波器，用于阻断直流和降低噪声，否则会对重映射质量产生负面影响，而且FWOCT还可以帮助预处理数据，以简化后续的GPU处理。

通过上述表格对比可知，在SS-OCT应用中，数字化仪重采样技术方案可完美符合各项指标和极具挑战性的特殊需求。值得一提的是，上述表格里数字化仪在系统级划分方面提供了极大的灵活性。用户可以决定是在软件中执行所有处理，还是利用板载FPGA来处理。由上文介绍FWOCT的作用可知，使用板载FPGA 的重映射可以简化GPU的后续处理过程，甚至可以为了节省成本而将GPU排除在外。