Protokoły akwizycji danych

W spektralnej tomografii optycznej z pojedynczej akwizycji (gdy wiązka analizująca skierowana jest w jeden punkt na powierzchni obiektu) otrzymujemy jedną pionową linię tomogramu obrazującą wszystkie nieciągłości optyczne ośrodka wzdłuż biegu wiązki analizującej w głąb badanej próbki. Uzyskanie dwuwymiarowego przekroju wymaga liniowego przeskanowania powierzchni próbki, a w celu trójwymiarowego obrazowania struktury obiektu niezbędne jest przeskanowanie odpowiedniej jego powierzchni. W omawianej aplikacji dostępne są trzy protokoły skanowania w trybie obrazowania na żywo:

„Krzyż”, „Cztery przekroje” i „Podgląd 3D”.

Rys. 2.5. Zależności pomiędzy czasem przeznaczonym na dane zadanie wykonywane przez dwa główne wątki CPU w trakcie typowego obrazowania OCT w czasie rzeczywistym rozwijanej aplikacji

2 Budowa tomografu i architektura oprogramowania

Pierwszy z nich, bardzo prosty i szybki, pozwala na właściwe umieszczenie obiektu w zakresie pomiarowym i pobieżną analizę jego wewnętrznych struktur. W protokole tym podczas akwizycji wiązka porusza się po dwóch skrzyżowanych liniach prostych (Rys. 2.6).

Pogrubioną linią oznaczono obszar, w którym rejestrowane są widma do wizualizacji. W dolnej części obszaru skanowania pokazano punkt, w którym rejestrowane są widma do wyznaczenia sygnału tła. W rzeczywistości punkt ten umieszczony jest tak, aby znajdował się poza soczewką obrazującą (lub obiektywem) i w konsekwencji wiązka nie docierała w tym czasie do obiektu. Na rysunku przedstawiono również przykładowe zrzuty ekranu zarejestrowane podczas badań obrazu olejnego.

W drugim protokole, nazwanym „Cztery przekroje”, wiązka zakreśla trzy równoległe linie i jedną (czwartą) prostopadłą do nich (Rys. 2.8). Odległości pomiędzy równoległymi liniami definiowane są przez odpowiedni parametr. Tryb ten jest bardzo przydatny podczas obrazowania wymagającego wysokiej gęstości rejestrowania widm np. w metodzie dopplerowskiej czy też monitoringu zabiegów o lokalnym charakterze, takich jak np.

laserowa ablacja werniksu [13]. Pozwala on na dokładniejszą analizę badanego obszaru przy zachowaniu stosunkowo dużej szybkości akwizycji danych.

a) Sygnały sterujące:

- wyzwalanie kamery:

- skaner X:

- skaner Y:

b) Obszar skanowania: c) przykładowe zrzuty ekranu:

Rys. 2.6. Protokół skanowania „Krzyż”: a) sygnały napięciowe sterujące wyzwalaniem kamery oraz pozycją skanerów, b) widok z góry obszaru skanowania, c) przykładowe zrzuty ekranu zarejestrowane podczas obrazowania na żywo obrazu olejnego – widoczny werniks i warstwy malarskie

2 Budowa tomografu i architektura oprogramowania a) Sygnały sterujące:

- wyzwalanie kamery:

- skaner X:

- skaner Y:

b) Obszar skanowania: c) przykładowe zrzuty ekranu:

Rys. 2.8. Protokół skanowania „Cztery przekroje”: a) sygnały napięciowe sterujące wyzwalaniem kamery oraz pozycją skanerów, b) widok z góry obszaru skanowania, c) przykładowe zrzuty ekranu zarejestrowane podczas obrazowania na żywo przepływów krwi w obszarze tarczy nerwu ludzkiego oka

a) Sygnały sterujące:

- wyzwalanie kamery:

- skaner X:

- skaner Y:

b) Obszar skanowania: c) przykładowe zrzuty ekranu:

Rys. 2.7. Protokół skanowania „Podgląd 3D”: a) sygnały napięciowe sterujące wyzwalaniem kamery oraz pozycją skanerów, b) widok z góry obszaru skanowania, c) przykładowe zrzuty ekranu zarejestrowane podczas obrazowania na żywo źrenicy ludzkiego oka oraz przepływu wodnego roztworu Intralipidu w szklanej kapilarze

2 Budowa tomografu i architektura oprogramowania

Trzeci tryb pracy („Podgląd 3D”) pozwala na obrazowanie badanej objętości obiektu w trzech wymiarach. W tym protokole skanowanie odbywa się po liniach prostych (Rys. 2.7), równoległych względem siebie. Pokrywają one zadany obszar skanowania rastrem o określonej przez użytkownika gęstości. Aby w podglądzie 3D uzyskać dobrą jakość obrazowania, niezbędna jest rejestracja dużej liczby widm (co najmniej 10 000). Lepszą jakość wizualizacji z każdej strony tomogramu otrzymuje się wtedy, gdy odległości pomiędzy poszczególnymi A-skanami są jednakowe w obu kierunkach skanowania, tak więc dla kwadratowego obszaru do wizualizacji 3D dobrze będzie się nadawał tomogram składający się ze 100 B-skanów po 100 A-skanów każdy. Niestety, przy założeniu typowego czasu ekspozycji dla pojedynczego widma teksp = 35 µs oraz czasu martwego tm = 2 µs rejestracja danych może zająć nawet do ok. 0,4 s (dodatkowy czas potrzebny jest na wprowadzenie i wyprowadzenie wiązki z obszaru pomiarowego oraz rejestrację widm tła). Z tego względu protokół ten nie nadaje się do monitorowania szybkich procesów.

Skanery galwanometryczne zastosowane w układach SOCT to produkowane przez Cambridge Technology zestawy dostępne komercyjnie wraz ze sterownikami Galvanometer Based Optical Scanner, 6220H (dostrojonymi impedancyjnie do konkretnych egzemplarzy).

Zgodnie ze specyfikacją techniczną maksymalny czas ich pozycjonowania wynosi 200 µs, a więc po zatrzymaniu skanera przez wskazany czas mogą pojawiać się na nim gasnące oscylacyjne drgania. Ze względu na bardzo krótkie czasy ekspozycji w tomografii SOCT nie ma konieczności zatrzymywania zwierciadeł podczas pomiaru – akwizycja odbywa się w trakcie ich ruchu, jednak gwałtowna zmiana kierunku skanowania powoduje drgania skanera, które widoczne są na brzegach tomogramów jako artefakty. W przypadku tomogramów dopplerowskich są to naprzemiennie występujące linie (w stosowanej przez nas skali:

niebiesko-czerwone), sugerujące słabnący, oscylacyjny ruchu obiektu. W celu minimalizacji tego niekorzystnego zjawiska autor przygotował specjalne trajektorie skanowania.

Najważniejszą ich cechą jest wprowadzenie przebiegów napięciowych (sterujących pozycją skanera) o kształcie paraboli, pozwalających na łagodniejsze wprowadzanie wiązki w obszar skanowania. Wyznaczane są one na podstawie trzech więzów: punktu początkowego i końcowego (wynikających z obszaru i parametrów skanowania) oraz trzeciego warunku – równości pierwszej pochodnej w punkcie końcowym ze współczynnikiem kierunkowym prostej, po której następuje skanowanie w dalszej części przebiegu. Dodatkowym elementem minimalizującym drgania jest niewielkie wydłużenie pierwszej trajektorii liniowej, na której następuje akwizycja, aby ewentualne drgania wygasły jeszcze przed rejestracją danych. Czasy wprowadzenia wiązki oraz wspomniane względne wydłużenie trajektorii wprowadzającej mogą być oczywiście dostosowywane parametrycznie, jednak w praktyce wystarcza jeden zestaw parametrów dobrany do danego układu skanerów. Przedstawione na rysunkach (2.6 – 2.8) trajektorie zostały wygenerowane z różnymi parametrami, aby lepiej zobrazować

2 Budowa tomografu i architektura oprogramowania

wprowadzanie po trajektoriach linowych (większe szybkości skanowania, Rys. 2.8) oraz parabolicznych z wydłużeniem trajektorii wprowadzającej (Rys. 2.6 i Rys. 2.7).

Ważną kwestią dotyczącą protokołów „Cztery przekroje” i „Podgląd 3D” jest fakt, że skaner szybki (na wykresach oznaczony jako Y) sterowany jest przebiegiem trójkątnym, a nie piłokształtnym. Dzięki temu wiązka nie musi powracać za każdym razem po akwizycji jednego przekroju w stronę, z której rozpoczęto skanowanie i w konsekwencji rejestracja kolejnego B-skanu może rozpocząć się znacznie szybciej. Postępowanie takie ma jednak podstawową wadę – co drugi B-skan ma odwróconą kolejność tworzących go A-skanów i odpowiednia korekta tej kolejności musi zostać wykonana w oprogramowaniu. Przy takim sposobie skanowania po odwróceniu odpowiednich B-skanów zauważalne są również niewielkie przesunięcia obrazów przekrojów (parzystych względem nieparzystych) w płaszczyźnie skanowania spowodowane bezwładnością skanerów (dla typowych protokołów ok. 5 linii), które również korygowane są numerycznie.

2.5. Podsumowanie

Spektralna tomografia optyczna jest rozwijana przez wiele ośrodków naukowych na świecie. Pomimo że w każdym z nich prace rozwojowe dotyczą tej samej metody, to jednak każda grupa wypracowuje swoje własne rozwiązania dotyczące budowy poszczególnych podzespołów. W niniejszym rozdziale przedstawiona została ogólna budowa i wykorzystywane elementy stosowane w układach tomografów projektowanych i rozwijanych na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Opisana została również architektura oprogramowania przygotowanego przez autora do szybkiego przetwarzania danych na kratach graficznych oraz sterowania podzespołami tomografu. Omówione zostały trajektorie stosowane do sterowania skanerami galwanometrycznymi podczas obrazowania w czasie rzeczywistym.

(2)