Au cœur de l'instrument se trouve un composant essentiel : le système d'acquisition de données. Le numériseur, qui assure la capture précise des signaux interférométriques, influe directement sur la qualité d'image, la profondeur de champ et la vitesse de balayage. Avec l'évolution constante des systèmes SS-OCT vers des vitesses de balayage plus élevées, une résolution axiale améliorée et une plus grande profondeur de champ, les exigences imposées aux numériseurs – telles que la fréquence d'échantillonnage, la bande passante, la plage dynamique et le traitement en temps réel – sont devenues de plus en plus strictes.
Cet article explore le rôle clé des numériseurs dans le développement des systèmes SS-OCT de nouvelle génération et explique pourquoi les numériseurs Teledyne, notamment les ADQ32 et ADQ35, offrent les performances, la flexibilité et les fonctionnalités avancées requises par les développeurs d'instruments SS-OCT qui cherchent à créer des solutions d'imagerie de nouvelle génération.
SS-OCT vs SD-OCT
L'OCT à source réglable (SS-OCT) offre des avantages techniques significatifs par rapport à l'OCT à domaine spectral (SD-OCT) grâce à sa source laser de balayage à grande vitesse et à la conception unique de son photodétecteur, qui permettent des vitesses de balayage plus élevées, une plus grande pénétration des tissus et une moindre diminution de la sensibilité avec la profondeur.
Sa longueur d'onde de fonctionnement plus longue (environ 1050 nm) améliore l'imagerie à travers les tissus dispersifs et permet une visualisation supérieure de la choroïde et des structures oculaires profondes. L'OCT à balayage spectral (SS-OCT) offre également un rapport signal/bruit plus élevé et une meilleure stabilité de phase, ce qui la rend particulièrement performante pour l'imagerie volumétrique haute densité et l'angiographie OCT.
Tableau 1. Avantages de la SS-OCT par rapport à la SD-OCT.
Historiquement, les lasers de balayage représentaient la partie la plus coûteuse des systèmes SS-OCT. Cependant, de nouveaux lasers accordables à base de semi-conducteurs (par exemple, les VCSEL MEMS) sont conçus pour une production en grande série à faible coût, rendant les instruments SS-OCT plus compétitifs et abordables.
Exigences relatives au numériseur pour la tomographie par cohérence optique à balayage (SS-OCT) :
Les performances globales du système dépendent fortement de la qualité et des capacités du numériseur. Les développeurs recherchent non seulement une acquisition de données rapide, mais aussi des numériseurs combinant un échantillonnage multi-GS/s, une faible gigue, une large bande passante analogique et des performances ENOB élevées pour une capture précise des franges interférométriques dans la gamme des GHz. Ils exigent également une synchronisation déterministe, une linéarisation en temps réel de l'espace k et une transmission haute performance pour la prise en charge des flux d'images en temps réel. En définitive, les performances du système sont limitées par la capacité du numériseur à acquérir des données nettes et parfaitement synchronisées à des vitesses extrêmement élevées.
Les principales exigences pour les développeurs de numériseurs SS-OCT sont généralement les suivantes :
des fréquences d’échantillonnage de 1 à 5 GS/s pour une capture précise des signaux interférométriques à balayage rapide. La profondeur de l’image est proportionnelle à la fréquence d’échantillonnage du numériseur et à la longueur de cohérence du laser. L’augmentation des fréquences de balayage laser, des longueurs de cohérence et des fréquences d’horloge k engendre un besoin accru de numériseurs plus rapides.
Une large bande passante analogique (1 à 2 GHz) est nécessaire pour prendre en charge les signaux de franges haute fréquence sans distorsion et les fréquences d’horloge k comprises entre 1 et 2 GHz.
Une plage dynamique élevée et un faible bruit permettent de préserver les faibles réflexions des couches tissulaires profondes. Une résolution de 12 bits avec des fréquences d’échantillonnage allant jusqu’à 5 GS/s est requise.
La gestion des données en temps réel, incluant la transmission pair à pair et le prétraitement par FPGA, permet d’éviter les goulots d’étranglement aux fréquences d’acquisition A élevées. La transmission en temps réel vers un processeur ou un GPU à des vitesses de l’ordre du gigaoctet par seconde est également nécessaire. Enfin
, un traitement à faible latence permet une reconstruction ou un retour d’information immédiat sur l’image.
Les numériseurs de la série ADQ3 de Teledyne répondent à ces exigences, voire les dépassent.
Numériseurs de la série ADQ3 pour SS-OCT :
La fréquence d’échantillonnage jusqu’à 5 GSPS garantit un échantillonnage haute fidélité, même pour les lasers de balayage les plus rapides, capturant ainsi des fréquences de franges élevées et préservant la résolution axiale. Cette fréquence d’échantillonnage élevée, associée à d’excellentes performances de l’étage d’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 micrologiciel dédié. FWOCT, développé par Teledyne SP Devices, permet de faire correspondre l'horloge k échantillonnée au signal OCT dans les systèmes d'imagerie SS-OCT et d'effectuer toutes les autres étapes de traitement du signal nécessaires à la génération d'images OCT. Les signaux d'horloge k et OCT sont connectés à un numériseur à deux canaux. Le signal d'horloge k est échantillonné par le numériseur, puis traité pour identifier les points d'échantillonnage OCT souhaités. Pour ces points, la valeur correspondante du signal OCT d'entrée est estimée avec une grande précision. Cette approche offre de nombreux avantages par rapport aux approches utilisant une horloge directe.
Figure 2. Schéma fonctionnel d'un système SS-OCT typique avec numériseur intégré.
Le micrologiciel embarqué décharge le numériseur des étapes de traitement clés, telles que le rééchantillonnage (linéarisation en k), le filtrage numérique et, potentiellement, la préparation de la FFT, offrant ainsi plusieurs avantages :
une charge CPU/GPU réduite sur l’hôte, permettant une architecture système plus simple ;
des besoins en bande passante de transfert de données moindres, les données pouvant être prétraitées avant transmission ;
des performances temps réel déterministes, essentielles pour les systèmes d’imagerie à haute vitesse ;
et une stabilité de phase améliorée grâce au traitement contrôlé au niveau matériel.
Points forts de FWOCT :
Prise en charge flexible de l’horloge k (4–2000 MHz) pour une utilisation avec une large gamme de lasers.
Interpolation de l’horloge k pour la prise en charge des interféromètres MZI et des basses fréquences d’horloge k (4–2000 MHz).
Modes programmables pour sélectionner les points d’horloge k échantillonnés mappés sur le signal OCT, tels que le front montant, les fronts montant et descendant, ou des configurations interpolées avec plusieurs points par période d’horloge k.
Bande passante maximale élevée du signal OCT (0–2000 MHz).
Réduction du bruit du signal via des filtres FIR configurables par l’utilisateur.
Ajustements temporels entre les chemins de l’horloge k et du signal OCT.
FFT avec des formats de sortie flexibles : complexe, carré du module, logarithmique.
La taille de la FFT s’adapte à la fréquence d’acquisition A jusqu’à 32 000 bins.
Latence inférieure à celle de la FFT implémentée sur GPU
. Suppression du bruit de fond.
Compensation de la diffusion.
Figure 3. Numériseur ADQ35 avec traitement SS-OCT en temps réel intégré via FWOCT.
À l'inverse, de nombreuses solutions concurrentes reposent fortement sur un traitement logiciel après l'acquisition, ce qui introduit de la latence, augmente la complexité du système et peut limiter les vitesses d'acquisition d'images réalisables.
L'association d'un matériel capable d'atteindre 5 GSPS et d'un firmware FWOCT dédié offre une plateforme d'acquisition et de traitement parfaitement intégrée. C'est pourquoi la série ADQ3 s'impose comme un choix de premier plan pour les développeurs SS-OCT souhaitant repousser les limites de la vitesse, de la sensibilité et des capacités d'imagerie en temps réel.
Tableau 2. Valeurs de performance sélectionnées pour différents numériseurs de la série ADQ3.
Les ADQ32, ADQ33 et ADQ35 sont disponibles au format PCIe ou avec une interface USB 3.2 (voir ADQ3-USB - Appareils Teledyne SP), tandis que l'ADQ36 est disponible au format PXIe.
