Habilitación de la OCT de fuente sintonizable de alta velocidad mediante adquisición de datos avanzada

La tomografía de coherencia óptica (OCT) se ha convertido en una herramienta esencial en la imagen médica moderna, con la OCT de fuente sintonizable (SS-OCT) posicionándose como una modalidad líder debido a su superior velocidad de imagen, penetración en profundidad y sensibilidad. Al emplear fuentes láser de barrido, la SS-OCT permite la visualización en tiempo real de alta resolución de microestructuras tisulares, lo que la hace especialmente valiosa en aplicaciones como oftalmología, cardiología, dermatología e imagen dental.

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Figura 1. La OCT de fuente sintonizable ofrece ventajas de rendimiento en una amplia variedad de aplicaciones.

Un componente crítico en el núcleo del instrumento es el sistema de adquisición de datos. El digitalizador, responsable de capturar con precisión las señales interferométricas, afecta directamente la calidad de la imagen, la profundidad de imagen y la velocidad de escaneo. A medida que los sistemas SS-OCT continúan avanzando hacia mayores velocidades de escaneo, mejor resolución axial y mayor profundidad de imagen, las exigencias impuestas a los digitalizadores —como la tasa de muestreo, el ancho de banda, el rango dinámico y el procesamiento en tiempo real— se han vuelto cada vez más estrictas.

Este artículo explora el papel clave de los digitalizadores en en el desarrollo de sistemas SS-OCT de última generación y explica por qué los digitalizadores de Teledyne, incluidos el ADQ32 y el ADQ35, proporcionan el rendimiento, la flexibilidad y las funciones avanzadas que requieren los desarrolladores de instrumentos SS-OCT que buscan crear soluciones de imagen de próxima generación.

SS-OCT vs SD-OCT
La OCT de fuente sintonizable (SS-OCT) ofrece importantes ventajas técnicas frente a la OCT de dominio espectral (SD-OCT) gracias a su fuente láser de barrido de alta velocidad y su diseño de fotodetector único, que permiten mayores tasas de escaneo, mayor penetración en el tejido y una menor caída de sensibilidad con la profundidad.

Su mayor longitud de onda operativa (~1050 nm) mejora la obtención de imágenes a través de tejidos dispersivos y permite una visualización superior de la coroides y de estructuras oculares más profundas. La SS-OCT también ofrece una mayor relación señal-ruido y una mayor estabilidad de fase, lo que la hace especialmente potente para la obtención de imágenes volumétricas de alta densidad y la angiografía OCT.



Tabla 1. Ventajas de la SS-OCT frente a la SD-OCT.

Históricamente, los láseres de barrido eran la parte más costosa de los sistemas SS-OCT. Sin embargo, los nuevos láseres sintonizables basados en semiconductores (por ejemplo, VCSEL MEMS) se están diseñando para una producción de bajo coste y alto volumen, haciendo que los instrumentos SS-OCT sean más competitivos y asequibles.

Requisitos de digitalizadores para SS-OCT
El rendimiento global del sistema está estrechamente condicionado por la calidad y la capacidad del digitalizador. Los desarrolladores no solo buscan una adquisición de datos rápida; necesitan digitalizadores que combinen muestreo de varios GS/s, bajo jitter, alto ancho de banda analógico y un alto rendimiento ENOB para la captura precisa de franjas interferométricas en GHz. También requieren temporización determinista, linealización en espacio k en tiempo real y transmisión de alto rendimiento para soportar flujos de imagen en tiempo real. En última instancia, el rendimiento del sistema está limitado por la capacidad del digitalizador para adquirir datos limpios y sincronizados con precisión a velocidades extremadamente altas.

Requisitos clave para los desarrolladores de digitalizadores SS-OCT suelen incluir:

• Tasas de muestreo de 1 a 5 GS/s para capturar con precisión señales interferométricas de barrido rápido. La profundidad de imagen es proporcional a la tasa de muestreo del digitalizador y a la longitud de coherencia del láser. El aumento de las tasas de barrido de los láseres, la longitud de coherencia y las frecuencias de k-clock están impulsando la necesidad de digitalizadores de mayor velocidad.
• Amplio ancho de banda analógico (1 a 2 GHz) para soportar señales de franjas de alta frecuencia sin distorsión y frecuencias de k-clock en el rango de 1–2 GHz.
• Alto rango dinámico y bajo ruido para preservar reflejos débiles de capas profundas del tejido. Resolución de 12 bits con tasas de muestreo de hasta 5 GSPS.
• Gestión de datos en tiempo real, incluida transmisión peer-to-peer y preprocesamiento en FPGA, para evitar cuellos de botella a altas tasas de A-scan. Transmisión en tiempo real a CPU o GPU a velocidades de gigabytes por segundo.
• Procesamiento de baja latencia, que permite la reconstrucción inmediata de la imagen o la retroalimentación.

Los digitalizadores de la serie ADQ3 de Teledyne cumplen y superan estos requisitos.

Serie de digitalizadores ADQ3 para SS-OCT
La capacidad de hasta 5 GSPS garantiza que incluso los láseres de barrido más rápidos puedan muestrearse con alta fidelidad, capturando frecuencias de franjas elevadas y preservando la resolución axial. Esta alta tasa de muestreo, combinada con un excelente rendimiento de la etapa analógica de entrada de hasta 2,5 GHz, permite a los desarrolladores aprovechar plenamente el ancho de banda de las fuentes de luz SS-OCT modernas sin compromisos.

Una parte esencial de la solución de digitalización es el firmware específico de la aplicación. FWOCT es un firmware desarrollado por Teledyne SP Devices para mapear el k-clock muestreado a la señal OCT en sistemas de imagen SS-OCT y realizar todos los demás pasos de procesamiento de señal necesarios para generar imágenes OCT. El k-clock y la señal OCT se conectan a un digitalizador de doble canal. La señal de k-clock es muestreada por el digitalizador y posteriormente procesada para identificar los puntos de muestreo OCT deseados. Para los puntos seleccionados, el valor correspondiente de la señal de entrada OCT se estima con alta precisión. Este enfoque presenta numerosas ventajas frente a los enfoques de reloj directo.



Figura 2. Diagrama de bloques de un sistema SS-OCT típico con digitalizador integrado.

El firmware integrado traslada pasos clave del procesamiento —como el remuestreo (linealización en k), el filtrado digital y, potencialmente, la preparación de la FFT— al propio digitalizador, lo que ofrece varias ventajas:

• Reducción de la carga de CPU/GPU del host, permitiendo una arquitectura de sistema más sencilla.
• Menores requisitos de ancho de banda de transferencia de datos, ya que los datos pueden procesarse previamente antes de la transmisión.
• Rendimiento determinista en tiempo real, esencial para sistemas de imagen de alta velocidad.
• Mejor estabilidad de fase gracias a un procesamiento controlado a nivel de hardware.

Aspectos destacados de FWOCT

• Soporte flexible de k-clock (4–2000 MHz) para su uso con una amplia gama de láseres.
• Interpolación de k-clock para soportar interferómetros MZI y bajas frecuencias de k-clock (4–2000 MHz).
• Modos programables para seleccionar puntos de k-clock muestreados mapeados a la señal OCT, como flanco ascendente, flanco ascendente y descendente, o configuraciones interpoladas con múltiples puntos por periodo de k-clock.
• Alto ancho de banda máximo de señal OCT (0–2000 MHz).
• Reducción de ruido de señal mediante filtros FIR configurables por el usuario.
• Ajustes de temporización entre las rutas de k-clock y señal OCT.
• FFT con formatos de salida flexibles: complejo, magnitud al cuadrado, logarítmico.

• Eliminación de fondo.
• Compensación de dispersión.

Figura 3. Digitalizador ADQ35 con procesamiento SS-OCT en tiempo real integrado mediante FWOCT.

En contraste, muchas soluciones competidoras dependen en gran medida del procesamiento basado en software tras la adquisición, lo que introduce latencia, incrementa la complejidad del sistema y puede limitar las velocidades de imagen alcanzables.

En conjunto, la combinación de hardware con capacidad de hasta 5 GSPS y firmware FWOCT dedicado proporciona una plataforma estrechamente integrada de adquisición y procesamiento. Por estas razones, la serie ADQ3 destaca como una opción líder para desarrolladores de SS-OCT que buscan llevar al límite la velocidad, la sensibilidad y la capacidad de imagen en tiempo real.



Tabla 2. Valores de rendimiento seleccionados para varios digitalizadores de la serie ADQ3.

ADQ32, ADQ33 y ADQ35 están disponibles en formato PCIe o con interfaz USB 3.2 (véase ADQ3-USB - Teledyne SP Devices), mientras que el ADQ36 está disponible en PXIe. Para más información sobre las soluciones SS-OCT de Teledyne SP Devices, visite Digitizer for swept-source OCT (SS-OCT) - Teledyne SP Devices.

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