高速穩(wěn)定內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)

劉勤穎，唐玉國，歐陽楠，李桂琴，李 敏*

（1.上海大學(xué) 上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200444；2.中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215000）

1 引 言

光學(xué)相干層析成像（Optical Coherence To?mography，OCT）結(jié)合內(nèi)窺探頭技術(shù)可實(shí)現(xiàn)體腔器官在體的斷層成像［1-2］。與傳統(tǒng)超聲內(nèi)窺成像技術(shù)相比，內(nèi)窺OCT技術(shù)具有成像速度快、分辨率高、無需耦合介質(zhì)［3］等優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助醫(yī)生快速識(shí)別微小病灶，適用于診斷早期食道癌、宮頸癌、結(jié)直腸癌等體腔內(nèi)疾?。?］。

光纖旋轉(zhuǎn)掃描內(nèi)窺OCT作為一種較為成熟的內(nèi)窺成像方式已經(jīng)開始向商業(yè)化產(chǎn)品發(fā)展，如Ninepoint公司的NvisionVLE系統(tǒng)，采用50 kHz掃頻光源，成像速度為12.5 frame/s；Abbott公司的Ilumien3系統(tǒng)，采用90 kHz掃頻光源，成像速度為100 frame/s。2014年，Cho等人［5］指出提高內(nèi)窺OCT的成像速度能夠有效避免在體成像時(shí)生物抖動(dòng)造成的圖像模糊，因此研究人員在提高內(nèi)窺OCT成像速度方面進(jìn)行了大量研究。

內(nèi)窺OCT的成像速度主要取決于系統(tǒng)的掃描速度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。在系統(tǒng)掃描速度方面，Wang等人［6］利用微型電機(jī)研制遠(yuǎn)端掃描OCT探頭，最高每秒可產(chǎn)生4 000 frame/s的數(shù)據(jù)量，但是在進(jìn)行成像時(shí)必須重新調(diào)整圖像以補(bǔ)償微型電機(jī)的旋轉(zhuǎn)誤差，且微型電機(jī)價(jià)格昂貴，對(duì)外部磁場(chǎng)高度敏感，在實(shí)際臨床應(yīng)用方面，還需要克服一定的技術(shù)困難。在數(shù)據(jù)處理方面，圖形處理單元（Graphics Processing Unit，GPU）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Ar?ray，F(xiàn)PGA）已被用于OCT數(shù)據(jù)處理加速。Zhang等人［7］利用GPU實(shí)現(xiàn)了125 MS/s的OCT數(shù)據(jù)處理速度，Tang［8］利用FPGA實(shí)現(xiàn)了200 MS/s的數(shù)據(jù)處理速度。Chen等人［9］利用壓縮感知重構(gòu)圖像減輕數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的壓力。但是對(duì)于技術(shù)成熟的掃描頻率為200 kHz的掃頻光源，每秒可采樣數(shù)據(jù)流量為409 MS/s，由于內(nèi)窺圖像重構(gòu)算法的復(fù)雜性，單純依靠GPU或FP?GA處理方案難以滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的要求。另外，對(duì)于光纖旋轉(zhuǎn)掃描的內(nèi)窺成像方式，掃描速度的大幅提高會(huì)引起嚴(yán)重的圖像漂移，也是一個(gè)亟待解決的問題。

本文針對(duì)200 kHz高速內(nèi)窺式掃頻OCT（Swept Source OCT，SSOCT）系統(tǒng)中存在的大量數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)處理和高速轉(zhuǎn)動(dòng)下圖像漂移的問題，提出了一種具有141 frame/s成像速度的內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將FPGA與GPU相結(jié)合提高數(shù)據(jù)處理速度，并利用碼盤反饋漂移校正技術(shù)提高成像穩(wěn)定性。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，本文使用的數(shù)據(jù)處理方法能夠滿足高速內(nèi)窺SSOCT數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理要求并有效提高成像穩(wěn)定性。最后，按照動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理要求，利用研制的系統(tǒng)對(duì)小鼠結(jié)直腸進(jìn)行在體成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)可清晰識(shí)別結(jié)直腸的多層組織結(jié)構(gòu)。

2 高速內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)如圖1所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊等組成。光學(xué)系統(tǒng)模塊包括掃頻光源、光纖耦合器、光纖旋轉(zhuǎn)器與準(zhǔn)直器等部分。其中，掃頻光源（AXP50124-8，AXSUN，美國）的掃描頻率為200 kHz，中心波長為1 310 nm，帶寬為110 nm。光源發(fā)出的光經(jīng)過10/90光纖耦合器后，10%的光束入射到參考平面鏡，90%的光束經(jīng)過光纖旋轉(zhuǎn)器和探頭入射到樣品上。兩路光束經(jīng)樣品和參考平面鏡反射后形成干涉光信號(hào)，干涉光信號(hào)通過平衡探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過差分處理扣除直流信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

圖1 內(nèi)窺式SSOCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of endoscopic SSOCT system

為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和顯示，系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)采集卡（ATS9373，AlazarTech，加拿大）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該采集卡具有12位分辨率，單通道模擬輸入的采樣率高達(dá)4 GS/s。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)嵌在采集卡上的FPGA模塊進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)處理后，上傳至部署了GPU加速模塊的PC主機(jī)完成進(jìn)一步的圖像重構(gòu)、顯示和存儲(chǔ)等功能。

為了實(shí)現(xiàn)探頭高速旋轉(zhuǎn)且系統(tǒng)圖像的穩(wěn)定顯示，系統(tǒng)采用理論最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min的無刷電機(jī)（CHB-BLDC4260，馳海，中國）驅(qū)動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，并在光纖旋轉(zhuǎn)器上安裝反饋碼盤。采用控制器（MSFOCD-5AL，美固思，中國）進(jìn)行電機(jī)控制，其速度閉環(huán)控制可設(shè)定為-32 768～32 768 r/min。邏輯控制卡驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并對(duì)碼盤反饋信號(hào)與光源的觸發(fā)信號(hào)（A-trigger）進(jìn)行邏輯判斷，輸出數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號(hào)（DAQ-trigger）。

高速內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)中使用的內(nèi)窺探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示，探頭由光纖、折射梯度透鏡（Grin Lens，GL）和棱鏡等構(gòu)成。樣品臂的光束通過光纖旋轉(zhuǎn)器、單模光纖、光纖插針和GL，最后形成的聚焦光束直徑約為20μm，探頭聚焦光束直徑即SSOCT系統(tǒng)的橫向分辨率。探頭實(shí)物如圖2（b）所示，探頭直徑約為1.2 mm，外套透明塑料套管保護(hù)探頭。

圖2 內(nèi)窺探頭設(shè)計(jì)Fig.2 Design of endoscopic probe

3 高速數(shù)據(jù)處理和圖像穩(wěn)定方法設(shè)計(jì)

3.1 高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方法設(shè)計(jì)

內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)通常涉及的數(shù)據(jù)處理包括漢明窗整形、傅里葉變換（Fourier Transform，F(xiàn)FT）、取對(duì)數(shù)和極坐標(biāo)變換（Polar Coordinate Transformation，PCT）等操作。針對(duì)本文采用的200 kHz掃頻光源，當(dāng)每個(gè)A-scan上采集數(shù)據(jù)點(diǎn)為2 048時(shí)，系統(tǒng)每秒需處理的數(shù)據(jù)流量將達(dá)到409.6 MS/s。FFT數(shù)據(jù)變換后，僅選擇頻譜數(shù)據(jù)中的一半數(shù)據(jù)量進(jìn)行圖像重構(gòu)，則每秒進(jìn)行PCT極坐標(biāo)圖像變換的數(shù)據(jù)量約為204.8 MS/s。為了滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理要求，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程通過FPGA和GPU來完成，具體過程如下：首先，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡ATS9373對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行采集；然后，利用ATS9373內(nèi)嵌的FPGA模塊（5SGXMA 3K3F40C3N，Altera，美國）進(jìn)行漢明窗整形、傅里葉變換、取對(duì)數(shù)等數(shù)據(jù)處理來減輕后續(xù)處理壓力。隨后，經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)上傳至PC端進(jìn)行一維數(shù)據(jù)顯示。最后，將數(shù)據(jù)經(jīng)過PCIe×16（理論傳輸速率為16 GB/s）總線傳送至圖形處理器GPU（RTX2080s，NVIDIA，美國）進(jìn)行PCT圖像重建，處理后的圖像數(shù)據(jù)再通過PCIe×16總線傳回PC端進(jìn)行圖像顯示。

圖3 數(shù)據(jù)處理與圖像顯示流程Fig.3 Flow chart of data processing and image display

ATS9373采集卡中FPGA模塊的邏輯元件數(shù)量為340 000，F(xiàn)FT的處理速度可達(dá)1 GS/s。RTX2080s的核心頻率為1 650～1 815 MHz，流處理器單元為3 072個(gè)，每秒可計(jì)算峰值為11TFLOPS，可滿足實(shí)時(shí)處理的要求。

3.2 圖像穩(wěn)定方法設(shè)計(jì)

由于內(nèi)窺探頭高速旋轉(zhuǎn)下旋轉(zhuǎn)速度的不均一性，圖像會(huì)因每幀采樣起始位置的隨機(jī)變化而發(fā)生不可控制的漂移。為解決圖像漂移問題，系統(tǒng)采用隨動(dòng)碼盤反饋信號(hào)來標(biāo)記圖像的起始位置并將信號(hào)反饋給邏輯控制卡。光纖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，碼盤（TEP-K60，特恩普，中國）通過連接器裝配在光纖旋轉(zhuǎn)器上，保證與探頭旋轉(zhuǎn)同步。無刷電機(jī)作為系統(tǒng)探頭旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)器，通過皮帶帶動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)。

圖4 探頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Probe rotation control structure

為了控制探頭轉(zhuǎn)動(dòng)并保證圖像穩(wěn)定性，選用 邏 輯 控 制 卡（SB-RIO9637，National Instru?ments，美國）進(jìn)行高速邏輯時(shí)序控制。該邏輯控制卡可在40 MHz基本時(shí)鐘下，每25 ns響應(yīng)一次，高于掃頻光源觸發(fā)信號(hào)（A-trigger）頻率，滿足系統(tǒng)的高速邏輯控制需求。當(dāng)邏輯控制卡通過I/O輸出高電平時(shí)，無刷電機(jī)開始帶動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)碼盤開始計(jì)數(shù)。邏輯控制卡對(duì)旋轉(zhuǎn)掃描信號(hào)與掃頻光源觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。同時(shí)，邏輯控制卡根據(jù)碼盤計(jì)數(shù)確定每圈起始位置，并且通過控制每圈掃頻光源觸發(fā)信號(hào)個(gè)數(shù)保證每幀圖像的尺寸相同。

邏輯控制卡的邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)如圖5所示。旋轉(zhuǎn)掃描信號(hào)變成高電平時(shí)，探頭開始旋轉(zhuǎn)，并且碼盤開始計(jì)數(shù)。碼盤反饋信號(hào)計(jì)數(shù)達(dá)到360，表示探頭旋轉(zhuǎn)一圈。每圈掃頻光源產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)A-trigger數(shù)量，理論上為：

圖5 采集邏輯時(shí)序原理Fig.5 Schematic diagram of logic timing acquisition

其中：S為探頭的轉(zhuǎn)速，v為掃頻光源觸發(fā)信號(hào)頻率。當(dāng)探頭轉(zhuǎn)速為100 r/s時(shí)，圖像幀數(shù)為100 frame/s，每圈掃頻光源觸發(fā)信號(hào)A-trigger數(shù)量為2 000。經(jīng)過多次測(cè)試，探頭旋轉(zhuǎn)一圈實(shí)際上的觸發(fā)信號(hào)數(shù)量會(huì)略高于理論數(shù)量N（1～30）。為了保證每幀圖像大小不變，每轉(zhuǎn)一圈強(qiáng)制設(shè)置M個(gè)DAQ-trigger采集觸發(fā)信號(hào)給到采集卡，進(jìn)而避免圖像漂移現(xiàn)象。

相較于其他提高內(nèi)窺OCT穩(wěn)定性的方法，如Ahsen等人［10］利用內(nèi)窺探頭結(jié)構(gòu)標(biāo)記對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，Abouei等人［11］提出基于方位角的圖像校準(zhǔn)算法，本文提出的硬件邏輯控制方法無需后續(xù)算法處理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)內(nèi)窺OCT的穩(wěn)定成像。

4 結(jié)果與討論

4.1 數(shù)據(jù)處理測(cè)試

影響內(nèi)窺SSOCT數(shù)據(jù)處理速度的瓶頸主要為FFT數(shù)據(jù)處理和PCT圖像重建。為了驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)的合理性，本文對(duì)上述處理算法在不同的硬件處理平臺(tái)下進(jìn)行了對(duì)比分析。首先，針對(duì)系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的409.6 MS原始數(shù)據(jù)量，通過程序循環(huán)運(yùn)行測(cè)試3種硬件的FFT處理能力。3種硬件分別是中央處理器CPU（W2223）、圖形處理器GPU（RTX2080s）、以及采集卡ATS9373內(nèi)嵌的FPGA模塊。測(cè)試結(jié)果如圖6顯示，CPU的處理速度約為21.5 MS/s，GPU的處理速度約為240.2 MS/s，F(xiàn)PGA的處理速度約為1.1 GS/s。由此可見，單獨(dú)使用CPU或單獨(dú)使用GPU都不能滿足實(shí)時(shí)FFT處理的實(shí)時(shí)性要求，僅有ATS9373數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)嵌的FPGA模塊可以滿足。

圖6 實(shí)際數(shù)據(jù)量與各平臺(tái)FFT處理速度Fig.6 Actual data volume and FFT processing speed of each platform

其次，針對(duì)重構(gòu)PCT圖像所需的204.8 MS/s數(shù)據(jù)處理流量，通過程序循環(huán)運(yùn)行，采用66幀圖像尺寸為1 024×3 000像素的數(shù)據(jù)量，對(duì)CPU和GPU兩種硬件的PCT處理能力進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果如圖7所示，CPU的處理速度約為15.2 MS/s，GPU的處理速度約為284.3 MS/s，顯然，GPU的處理速度可以實(shí)現(xiàn)圖像極坐標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示。在圖像重構(gòu)數(shù)據(jù)處理中沒有使用FPGA的原因是圖像重構(gòu)算法對(duì)于FPGA編譯而言過于復(fù)雜，且板載內(nèi)存容量不夠。因此，本文設(shè)計(jì)的如圖3所示數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了FPGA和GPU各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺SSOCT成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)流處理的高速實(shí)時(shí)進(jìn)行。

圖7 實(shí)際數(shù)據(jù)量與各平臺(tái)的PCT處理速度Fig.7 Actual data volume and PCT processing speed of each platform

4.2 實(shí)際成像幀數(shù)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖3的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)是否實(shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時(shí)顯示，本文通過對(duì)無刷電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的成像幀數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試過程中，無刷電機(jī)實(shí)際帶負(fù)載狀態(tài)下的最高轉(zhuǎn)速為9 000 r/min。測(cè)試結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)的實(shí)際成像速度與理論計(jì)算結(jié)果接近。但是，由于光纖旋轉(zhuǎn)器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與無刷電機(jī)理論設(shè)置值之間存在一定的偏差，因此表1中實(shí)際測(cè)試成像速度略低于理論計(jì)算數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程完全滿足高速內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)的實(shí)時(shí)成像，特別是在9 000 r/min轉(zhuǎn)速下，成像速度可達(dá)到141 frame/s。

表1 在不同轉(zhuǎn)速下的圖像幀數(shù)Tab.1 Number of image frames at different speeds

4.3 成像穩(wěn)定性測(cè)試

為驗(yàn)證圖5設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖像穩(wěn)定方法的有效性，設(shè)計(jì)了如圖8（a）所示的系統(tǒng)成像測(cè)試。將探頭放置在桌面上，探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)對(duì)桌面進(jìn)行掃描成像。其中，轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min。圖8（b）為系統(tǒng)掃描桌面的OCT圖像，圖中圓環(huán)表示探頭上的塑料套管，亮線表示桌面信號(hào)。以圖像中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，桌面與塑料套管的切點(diǎn)A和原點(diǎn)的連線與坐標(biāo)軸形成的夾角θ表示桌面所在位置。

圖8 圖像穩(wěn)定性測(cè)試方法Fig.8 Image stability test method

利用tracker（實(shí)驗(yàn)影像分析）軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)過程中切點(diǎn)A進(jìn)行了位置追蹤，連續(xù)追蹤100張圖像中A的軌跡。如圖9所示，“方塊”和“圓形”分別是有無碼盤反饋時(shí)A的軌跡變化。結(jié)果表明，有碼盤反饋的情況下，A點(diǎn)位置始終保持相對(duì)穩(wěn)定；而無碼盤反饋的情況下，A點(diǎn)位置則無規(guī)律漂移。無碼盤反饋狀態(tài)下，統(tǒng)計(jì)A點(diǎn)位置每幀抖動(dòng)的平均角度為±23.46°，利用1-23.46/180計(jì)算得到圖像穩(wěn)定性在87.0%；碼盤反饋狀態(tài)下，統(tǒng)計(jì)A點(diǎn)位置每幀抖動(dòng)角度平均為±2.47°，利用1-2.47/180計(jì)算得到圖像穩(wěn)定性在98.6%以上。圖像中剩余的微小抖動(dòng)可能是探頭本身細(xì)微抖動(dòng)引起的。

圖9 100幀圖像A點(diǎn)偏移角度Fig.9 Point A offset angle of 100 frames of images

4.4 小鼠結(jié)直腸成像實(shí)驗(yàn)

OCT是一種測(cè)量組織散射特性的成像技術(shù)。不同生物組織因成分差異導(dǎo)致其散射特性不同，從而在OCT圖像中顯示出不同的圖像特征。由文獻(xiàn)［12］和［13］可知，結(jié)直腸不同層次結(jié)構(gòu)之間的散射特性不同，因此OCT能夠區(qū)分結(jié)直腸的層次結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)結(jié)直腸的成像能力，選用活體小鼠結(jié)直腸進(jìn)行OCT成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)小鼠為C57小鼠，體重為20～25 g。首先，對(duì)小鼠腹腔注射4%水合氯醛2 mL進(jìn)行麻醉后，放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，如圖10所示。其次，將帶有塑料套管的探頭從肛門插入小鼠腸道約2～3 cm處。實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)探頭輸出的光功率約為7 mW（屬于國家激光安全標(biāo)準(zhǔn)3b級(jí)別），旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為3 000 r/min。最后，OCT成像采集完成后，對(duì)小鼠結(jié)直腸掃描部位進(jìn)行蘇木精—伊紅（HE）切片處理，用于OCT成像和HE切片結(jié)果的對(duì)比分析。

圖10 小鼠實(shí)驗(yàn)圖Fig.10 Mouse experiment diagram

小鼠結(jié)直腸成像結(jié)果如圖11（a）所示，局部放大圖如圖11（b）所示，HE切片對(duì)照?qǐng)D如圖11（c）所示。對(duì)比HE切片和局部放大OCT圖像，OCT圖像中結(jié)直腸黏膜層表現(xiàn)為弱反射層，黏膜下層的上下邊界表現(xiàn)為強(qiáng)反射層，固有肌層表現(xiàn)為弱反射層，最外側(cè)漿膜層表現(xiàn)為強(qiáng)反射層。在許多小鼠結(jié)直腸樣本成像中，黏膜下層較窄，上下兩條邊界較難區(qū)分，只能觀察到一條亮線。

圖11 結(jié)直腸成像與HE對(duì)比Fig.11 Comparison of colorectal image with HE

生物實(shí)驗(yàn)過程中采取了麻醉等一系列手段減少對(duì)小鼠的傷害，所有操作均通過了中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，并且符合《江蘇省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理方法》的要求。

圖12（a）為Welge等［14］利用OCT對(duì)小鼠結(jié)直腸成像的效果圖，其掃頻光源的中心波長為1 040 nm，掃 頻 速 率 為16 kHz。圖12（b）為Li等［15］利用OCT對(duì)小鼠結(jié)直腸成像的效果圖，其掃頻光源的中心波長為1 310 nm，掃頻速率為100 kHz。由圖可以看出，小鼠結(jié)直腸的層次分布與本文測(cè)試結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證本文利用高速數(shù)據(jù)處理、圖像穩(wěn)定方法和200 kHz掃頻光源研制的高速內(nèi)窺SSOCT成像系統(tǒng)可以清晰穩(wěn)定地分辨結(jié)直腸組織結(jié)構(gòu)，具有一定的應(yīng)用潛力。

圖12 結(jié)直腸成像對(duì)比Fig.12 Comparison of colorectal images

5 結(jié) 論

本文采用FPGA和GPU相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決了高速內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)數(shù)據(jù)量過大而無法實(shí)時(shí)處理的問題，利用碼盤反饋技術(shù)有效地解決了探頭在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的圖像漂移問題，并設(shè)計(jì)搭建了基于200 kHz掃頻光源的高速內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)圖像尺寸為1 024×1 333時(shí)，可實(shí)現(xiàn)141 frame/s的成像速度，并且圖像穩(wěn)定性從87.0%提高到98.6%以上。利用研制的直徑1.2 mm內(nèi)窺成像探頭，對(duì)小鼠結(jié)直腸進(jìn)行了SSOCT實(shí)時(shí)成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效地分辨生物組織層次。相較于現(xiàn)有的商業(yè)化產(chǎn)品，本文研制的系統(tǒng)采用技術(shù)成熟度較高的光纖旋轉(zhuǎn)掃描方案，實(shí)現(xiàn)了141 frame/s高速內(nèi)窺SSOCT穩(wěn)定成像，有望在很大程度上減少在體實(shí)時(shí)成像時(shí)生物抖動(dòng)引起的圖像模糊。在下一步工作中將通過大量的實(shí)驗(yàn)探索內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)的臨床應(yīng)用價(jià)值，為早期消化道癌癥診斷，特別是對(duì)發(fā)生于黏膜層到黏膜下層的早期癌癥浸潤深度的診斷，提供一種新型的高分辨診斷方法。in vivo［J］.Biomedical Optics Express，2014，5（1）：223-232.