Abilitare la SS-OCT ad alta velocità con acquisizione dati avanzata

La Tomografia a Coerenza Ottica (OCT) è diventata uno strumento essenziale nell’imaging medico moderno, con la swept-source OCT (SS-OCT) che emerge come modalità di riferimento grazie alla sua superiore velocità d'acquisizione, profondità di penetrazione e sensibilità. Utilizzando sorgenti laser swept, la SS-OCT consente una visualizzazione in tempo reale e ad alta risoluzione delle microstrutture tissutali, risultando particolarmente preziosa in applicazioni quali oftalmologia, cardiologia, dermatologia e imaging dentale.

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Figura 1. La swept-source OCT offre vantaggi prestazionali in un’ampia gamma di applicazioni.

Un componente critico al cuore dello strumento è il sistema di acquisizione dati. Il digitalizzatore, responsabile della cattura accurata dei segnali interferometrici, influisce direttamente sulla qualità dell’immagine, sulla profondità di imaging e sulla velocità di scansione. Con l’evoluzione dei sistemi SS-OCT verso velocità di scansione più elevate, migliore risoluzione assiale e maggiore profondità di imaging, i requisiti imposti ai digitalizzatori—come frequenza di campionamento, larghezza di banda, gamma dinamica ed elaborazione in tempo reale—sono diventati sempre più stringenti.

Questo articolo analizza il ruolo chiave dei digitalizzatori nell’abilitare sistemi SS-OCT all’avanguardia e spiega perché i digitalizzatori Teledyne, tra cui ADQ32 e ADQ35, offrono le prestazioni, la flessibilità e le funzionalità avanzate richieste dagli sviluppatori di strumenti SS-OCT impegnati nella realizzazione di soluzioni di imaging di nuova generazione.

SS-OCT vs SD-OCT
La swept source OCT (SS-OCT) offre importanti vantaggi tecnici rispetto alla spectral domain OCT (SD-OCT) grazie alla sorgente laser swept ad alta velocità e al design con singolo fotodetettore, che garantiscono velocità di scansione più elevate, maggiore penetrazione nei tessuti e una riduzione significativa del decadimento della sensibilità con la profondità.

La maggiore lunghezza d’onda operativa (~1050 nm) migliora l’imaging attraverso tessuti diffusivi e consente una visualizzazione superiore della coroide e delle strutture oculari più profonde. La SS-OCT offre inoltre migliori prestazioni in termini di rapporto segnale-rumore e una maggiore stabilità di fase, rendendola particolarmente efficace per imaging volumetrico ad alta densità e angiografia OCT.



Tabella 1. Vantaggi della SS-OCT rispetto alla SD-OCT.

Storicamente, i laser swept rappresentavano la componente più costosa dei sistemi SS-OCT. Tuttavia, nuovi laser sintonizzabili basati su semiconduttori (ad esempio MEMS VCSEL) sono progettati per una produzione a basso costo e ad alto volume, rendendo gli strumenti SS-OCT più competitivi e accessibili.

Requisiti dei digitalizzatori per SS-OCT
Le prestazioni complessive del sistema sono strettamente vincolate alla qualità e alle capacità del digitalizzatore. Gli sviluppatori non cercano semplicemente un’acquisizione dati veloce; necessitano di digitalizzatori che combinino campionamento multi-GS/s, basso jitter, elevata larghezza di banda analogica e alte prestazioni ENOB per la cattura accurata di frange interferometriche nell’ordine dei GHz. Sono inoltre richiesti timing deterministico, linearizzazione in k-space in tempo reale e streaming ad alta velocità per supportare pipeline di imaging in tempo reale. In definitiva, le prestazioni del sistema sono limitate dalla capacità del digitalizzatore di acquisire dati puliti e sincronizzati con precisione a velocità estremamente elevate.

I requisiti chiave per i digitalizzatori SS-OCT includono generalmente:

• Frequenze di campionamento da 1 a 5 GSPS per catturare accuratamente segnali interferometrici rapidamente variabili. La profondità di imaging è proporzionale alla frequenza di campionamento del digitalizzatore e alla lunghezza di coerenza del laser. L’aumento delle velocità di sweep del laser, della lunghezza di coerenza e delle frequenze k-clock sta guidando la necessità di digitalizzatori sempre più veloci.
• Ampia larghezza di banda analogica (1–2 GHz) per supportare segnali di frangia ad alta frequenza senza distorsioni e frequenze k-clock nell’intervallo 1–2 GHz.
• Elevata gamma dinamica e basso rumore per preservare i segnali deboli provenienti dagli strati tissutali più profondi. Risoluzione verticale a 12 bit fino a 5 GSPS.
• Gestione dei dati in tempo reale, inclusi streaming peer-to-peer e pre-elaborazione FPGA, per evitare colli di bottiglia ad alti tassi di A-scan. Streaming verso CPU o GPU a velocità di diversi gigabyte al secondo.
• Elaborazione a bassa latenza, che consente la ricostruzione immediata delle immagini o feedback in tempo reale.

I digitalizzatori della serie ADQ3 di Teledyne soddisfano e superano questi requisiti.

Serie di digitalizzatori ADQ3 per SS-OCT
La capacità fino a 5 GSPS garantisce il campionamento ad alta fedeltà anche dei laser swept più veloci, consentendo la cattura di frequenze di frangia elevate e preservando la risoluzione assiale. Questa elevata frequenza di campionamento, combinata con eccellenti prestazioni del front-end analogico fino a 2,5 GHz, permette agli sviluppatori di sfruttare appieno la larghezza di banda delle moderne sorgenti luminose SS-OCT senza compromessi.

Un elemento fondamentale della soluzione è il firmware dedicato e specifico per l’applicazione. FWOCT è un firmware sviluppato da Teledyne SP Devices per mappare il k-clock campionato sul segnale OCT nei sistemi di imaging SS-OCT ed eseguire tutte le altre fasi di elaborazione del segnale necessarie alla generazione delle immagini OCT. Il segnale k-clock e il segnale OCT sono collegati a un digitalizzatore a doppio canale. Il segnale k-clock viene campionato dal digitalizzatore e quindi elaborato per individuare i punti di campionamento OCT desiderati. Per tali punti selezionati, il valore corrispondente del segnale OCT viene stimato con elevata precisione. Questo approccio offre numerosi vantaggi rispetto alle soluzioni con clock diretto – per maggiori dettagli consultare Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices.



Figura 2. Diagramma a blocchi di un tipico sistema SS-OCT con digitalizzatore integrato.

Il firmware integrato trasferisce le principali fasi di elaborazione—come il ricampionamento (k-linearizzazione), il filtraggio digitale e la preparazione FFT—direttamente sul digitalizzatore, offrendo diversi vantaggi:

• Riduzione del carico su CPU/GPU host, consentendo un’architettura di sistema più semplice.
• Minori requisiti di banda per il trasferimento dati, grazie alla pre-elaborazione prima dello streaming.
• Prestazioni deterministiche in tempo reale, fondamentali per sistemi di imaging ad alta velocità.
• Migliore stabilità di fase grazie all’elaborazione a livello hardware strettamente controllata.

Caratteristiche principali di FWOCT

• Supporto flessibile del k-clock (4–2000 MHz) per un’ampia gamma di laser.
• Interpolazione del k-clock per supportare interferometri MZI e basse frequenze di k-clock (4–2000 MHz).
• Modalità programmabili per selezionare i punti di k-clock campionati mappati sul segnale OCT (fronte di salita, fronte di salita e discesa o configurazioni interpolate con più punti per periodo).
• Elevata larghezza di banda del segnale OCT (0–2000 MHz).
• Riduzione del rumore del segnale tramite filtri FIR configurabili dall’utente.
• Regolazioni di timing tra i percorsi del segnale k-clock e OCT.
• FFT con formati di uscita flessibili – complesso, modulo al quadrato, logaritmico.

• Rimozione del background.
• Compensazione della dispersione.

Figura 3. Digitalizzatore ADQ35 con elaborazione SS-OCT in tempo reale onboard tramite FWOCT.

Al contrario, molte soluzioni concorrenti si basano fortemente su elaborazioni software successive all’acquisizione, introducendo latenza, aumentando la complessità del sistema e limitando le velocità di imaging raggiungibili.

Nel complesso, la combinazione di hardware fino a 5 GSPS e firmware dedicato FWOCT offre una piattaforma integrata di acquisizione ed elaborazione. Per questi motivi, la serie ADQ3 rappresenta una scelta di riferimento per gli sviluppatori SS-OCT che mirano a spingere i limiti di velocità, sensibilità e capacità di imaging in tempo reale.



Tabella 2. Prestazioni selezionate per diversi digitalizzatori della serie ADQ3.

ADQ32, ADQ33 e ADQ35 sono disponibili sia in formato PCIe sia con interfaccia USB 3.2 (vedi ADQ3-USB - Teledyne SP Devices), mentre ADQ36 è disponibile in formato PXIe. Per maggiori informazioni sulle soluzioni SS-OCT di Teledyne SP Devices visitare Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices

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