Les numériseurs au service de la tomographie par cohérence optique à source balayée

Teledyne SP Devices explique pourquoi les numériseurs de la série ADQ3 répondent aux exigences des développeurs de systèmes de tomographie par cohérence optique (OCT) à source balayée (SS-OCT).

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Les sytèmes SS-OCT procurent des gains de performance dans une grande variété d’applications d'imagerie médicale.

La tomographie par cohérence optique (OCT) est devenue un outil essentiel de l’imagerie médicale moderne. Parmi ses variantes, l’OCT à source balayée (SS-OCT) s’impose comme une technologie de référence grâce à sa vitesse d’imagerie élevée, à sa profondeur de pénétration et à sa sensibilité. En s’appuyant sur des sources laser à balayage, la technologie SS-OCT permet une visualisation en temps réel et en haute résolution des microstructures tissulaires, ce qui la rend particulièrement précieuse dans des domaines tels que l’ophtalmologie, la cardiologie, la dermatologie et l’imagerie dentaire.

Un composant critique au cœur de l’instrument est le système d’acquisition de données. Le numériseur, chargé de capturer avec précision les signaux interférométriques, influence directement la qualité d’image, la profondeur d’imagerie et la vitesse de balayage. À mesure que les systèmes SS-OCT visent des vitesses de balayage toujours plus élevées, une meilleure résolution axiale et une profondeur d’imagerie accrue, les exigences imposées aux numériseurs — notamment en matière de fréquence d’échantillonnage, de bande passante, de dynamique et de traitement en temps réel — deviennent de plus en plus strictes.

Cet article analyse le rôle déterminant des numériseurs dans les systèmes SS-OCT de pointe et explique pourquoi les numériseurs Teledyne, notamment les modèles ADQ32 et ADQ35, offrent les performances, la flexibilité et les fonctionnalités requises par les développeurs d’instruments SS-OCT souhaitant concevoir des solutions d’imagerie de nouvelle génération.

Technologie SS-OCT vs SD-OCT
L’OCT à source balayée (SS-OCT) présente des avantages techniques majeurs par rapport à l’OCT en domaine spectral (SD-OCT) grâce à sa source laser à balayage rapide et à son architecture à photodétecteur unique, qui permettent des cadences de balayage plus élevées, une pénétration tissulaire plus profonde et une atténuation de sensibilité avec la profondeur nettement plus faible.

Sa longueur d’onde de fonctionnement plus élevée (~1050 nm) améliore l’imagerie à travers les tissus diffusants et permet une visualisation supérieure de la choroïde et des structures oculaires profondes. La technologie SS-OCT offre également un meilleur rapport signal/bruit et des informations de phase plus stables, ce qui la rend particulièrement adaptée à l’imagerie volumique haute densité et à l’angiographie OCT.



Avantages de la technologie SS-OCT par rapport à la technologie SD-OCT.

Historiquement, les lasers à balayage représentaient la partie la plus coûteuse des systèmes SS-OCT. Toutefois, de nouveaux lasers accordables à base de semi-conducteurs, tels que les VCSEL Mems, sont désormais conçus pour une production à faible coût et en grand volume, rendant les instruments SS-OCT plus compétitifs et plus accessibles.

Exigences des numériseurs pour la technologie SS-OCT
Les performances globales du système sont étroitement conditionnées par la qualité et les capacités du numériseur. Les développeurs ne recherchent pas uniquement une acquisition rapide ; ils ont besoin de numériseurs combinant un échantillonnage à plusieurs gigahertz, un faible jitter, une large bande passante analogique et un nombre de bits effectifs élevé  afin de capturer avec précision des franges interférométriques de l’ordre du GHz. Ils exigent également un timing déterministe, une linéarisation de l’espace k en temps réel et un streaming à haut débit pour alimenter des chaînes d’imagerie en temps réel. En définitive, les performances du système sont limitées par la capacité du numériseur à acquérir des données propres et parfaitement synchronisées à des vitesses extrêmement élevées.

Les principales exigences des développeurs pour les numériseurs SS-OCT comprennent généralement :

• Des fréquences d’échantillonnage de 1 à 5 Géch/s afin de capturer avec précision des signaux interférométriques à balayage rapide. La profondeur d’imagerie est proportionnelle à la fréquence d’échantillonnage du numériseur et à la longueur de cohérence du laser. L’augmentation des vitesses de balayage des lasers à source balayée, de la longueur de cohérence et des fréquences de k-clock entraîne un besoin accru en technologies de numérisation à haute vitesse.
• Une large bande passante analogique (1 à 2 GHz) pour prendre en charge des signaux de franges haute fréquence sans distorsion, ainsi que des fréquences de k-clock comprises entre 1 et 2 GHz.
• Une dynamique élevée et un faible niveau de bruit afin de préserver les faibles réflexions provenant des couches tissulaires profondes. Résolution verticale de 12 bits jusqu’à une fréquence d’échantillonnage de 5 Géch/s.
• Une gestion des données en temps réel, incluant le streaming pair à pair et le prétraitement sur FPGA, afin d’éviter les goulets d’étranglement à des cadences d’A-scan élevées. Streaming en temps réel vers CPU ou GPU à des débits de plusieurs gigaoctets par seconde.
• Un traitement à faible latence, permettant une reconstruction d’image immédiate ou un retour en temps réel.

Les numériseurs de la série ADQ3 de Teledyne répondent à ces exigences.

Numériseurs de la série ADQ3 pour la technologi SS-OCT
Une capacité d'échantillonnage allant jusqu’à 5 Géch/s garantit que même les lasers à balayage les plus rapides peuvent être échantillonnés avec une très grande fidélité, en capturant les fréquences de franges élevées et en préservant la résolution axiale. Cette fréquence d’échantillonnage élevée, associée à d’excellentes performances en entrée analogique jusqu’à 2,5 GHz, permet aux développeurs d’exploiter pleinement la bande passante des sources lumineuses SS-OCT modernes, sans compromis.

Un élément essentiel de la solution de numérisation est le firmware FWOCT  dédié à l’application. Ce firmware a développé par Teledyne SP Devices pour associer le k-clock échantillonné au signal OCT dans les systèmes d’imagerie SS-OCT et effectuer l’ensemble des étapes de traitement du signal nécessaires à la génération des images OCT. Le k-clock et le signal OCT sont connectés à un numériseur double canal. Le signal k-clock est échantillonné par le numériseur puis traité afin d’identifier les points d’échantillonnage OCT souhaités. Pour les points sélectionnés, la valeur correspondante du signal OCT est estimée avec une grande précision. Cette approche présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de synchronisation directe — voir Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices pour plus de détails.



Schéma fonctionnel d’un système SS-OCT intégrant un numériseur.

Le firmware intégré déporte sur le numériseur les étapes clés du traitement — telles que le rééchantillonnage (linéarisation en k), le filtrage numérique et, le cas échéant, la préparation de la FFT — ce qui présente plusieurs avantages :

• Réduction de la charge du CPU/GPU hôte, permettant une architecture système plus simple.
• Réduction des besoins en bande passante de transfert, les données pouvant être prétraitées avant le streaming.
• Performances déterministes en temps réel, essentielles pour les systèmes d’imagerie à grande vitesse.
• Amélioration de la stabilité de phase grâce à un traitement étroitement contrôlé au niveau matériel.

Points forts du firmware FWOCT

• Prise en charge flexible du k-clock (4 – 2000 MHz) pour une utilisation avec une large gamme de lasers.
• Interpolation du k-clock pour prendre en charge les interféromètres MZI et les faibles fréquences de k-clock (prise en charge de 4 à 2000 MHz).
• Modes programmables permettant de sélectionner les points de k-clock échantillonnés associés au signal OCT. Par exemple : front montant, fronts montant et descendant, ou configuration interpolée avec plusieurs points par période de k-clock.
• Bande passante maximale élevée du signal OCT (0 – 2000 MHz).
• Réduction du bruit du signal grâce à des filtres FIR configurables par l’utilisateur.
• Ajustements de synchronisation entre les voies k-clock et signal OCT.
• FFT avec formats de sortie flexibles — complexe, module au carré, logarithmique.

• Suppression du fond.
• Compensation de dispersion.

Numériseur de la série ADQ35 avec traitement SS-OCT embarqué en temps réel grâce au firmware FWOCT.

À l’inverse, de nombreuses solutions concurrentes reposent largement sur un traitement logiciel post-acquisition, ce qui introduit de la latence, accroît la complexité du système et peut limiter les vitesses d’imagerie atteignables.

Pris dans leur ensemble, le matériel capable d’atteindre jusqu’à 5 Géch/s et le firmware dédié FWOCT constituent une plateforme d’acquisition et de traitement étroitement intégrée. Pour ces raisons, les numériseurs de la série ADQ3 s’imposent comme un choix de premier plan pour les développeurs de systèmes SS-OCT souhaitant repousser les limites en matière de vitesse, de sensibilité et d’imagerie en temps réel.



Caractéristiques des numériseurs de la série ADQ3.

Les numériseurs de la série ADQ32, ADQ33 et ADQ35 sont disponibles au format PCIe ou avec une interface USB 3.2 (voir ADQ3-USB - Teledyne SP Devices), tandis que le modèle ADQ36 est proposé en PXIe. Pour plus d’informations sur les solutions SS-OCT de Teledyne SP Devices, consultez Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices 

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