[Teledyne LeCroy] ‘고성능 Swept-Source Optical Coherence Tomography(SS-OCT) 시스템에 필요한 디지타이저 선택 가이드’ 주제의 포스팅
- 2024-11-12
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[Teledyne LeCroy] ‘고성능 Swept-Source Optical Coherence Tomography(SS-OCT) 시스템에 필요한 디지타이저 선택 가이드’ 주제의 포스팅
1. SS-OCT란 ?
Swept-Source Optical Coherence Tomography(SS-OCT)는 빛을 이용하여 조직의 내부 구조를 검사하는 이미징 기술로, 주로 생체 조직의 내부 구조를 고해상도로 시각화하는 비접촉 기술입니다. SS-OCT는 빛의 간섭 패턴을 분석하여 조직의 단층 이미지를 생성하며, 이는 주로 안과, 피부과, 심혈관 진단 등 의료 분야에서 사용되고 있으며, 반도체나 디스플레이 등의 산업용 검사장비로 OCT 기술이 연구에서 상용 제품화 되고 있습니다.
SS-OCT 시스템은 빠르게 스위핑하는 레이저 광을 반복적으로 방출하는 스윕 소스를 사용하며, 단일 스윕을 A-Scan 이라고 하며, 넓은 영역을 스캔한다면 높은 스캔 속도가 필요하며, 여러 A-스캔을 수행하여 2D 및 3D 스캔을 생성합니다. 고성능 이미징을 구현하기 위해서는 신호를 정확하게 디지타이징 하여 데이터를 획들할 수 있는 디지타이저의 역할이 매우 중요합니다. SS-OCT의 복잡한 요구 사항을 충족하려면, 디지타이저는 단순히 데이터를 수집하는 것을 넘어 정밀하고 안정적인 신호 처리가 가능해야 합니다.
2. SS-OCT 시스템에서 디지타이저의 역할
디지타이저는 SS-OCT 시스템의 심장과도 같은 역할을 합니다. SS-OCT 시스템에서 광학 신호를 매우 빠른 속도를 디지타이징 해야 합니다. 적절한 디지타이저를 사용하지 않는다면 시스템 성능 저하, 데이터 손실, 왜곡된 이미지를 다루는 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서, 적절한 디지타이저를 선택하여 사용하는 것이 매우 중요합니다.
디지타이저를 선택할 때는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다.
Swept Source 레이저 파장은 각각의 A-Scan 안에서 증가 또는 감소합니다. 파장은 1010nm에서 1110nm 까지 4096 스텝으로 변경될 수 있으며, 스텝 크기는 선형적이지 않습니다. 특정 파장은 k라고 부르는 파수로 식별되며, 많은 레이저들이 K-clock 또는 k-trigger라고 부르는 신호를 출력합니다. 이 클럭은 MZI(Mach-Zehnder Interferometer)에서 생성하며, 디지타이저가 각 파장에서 하나의 샘플을 취할 때 사용합니다. K-Clock의 비선형 특성때문에 A-scan 중에 k-clock 주파수가 변하며 주파수 범위는 대략 약 400MHz ~ 600MHz의 범위에 속합니다.
1) Direct Clocking vs. K-Space Re-mapping
클럭을 통해 데이터를 수집하므로, SS-OCT 시스템에서 클록킹(clock) 방식은 매우 중요한 사항중의 하나입니다. 디지타이저에서 K-Clock을 이용하여 데이터를 수집하는 밥법은 일반적으로 두 가지 접근 방식이 있습니다.
그림 1. Direct clocking 방식(왼쪽)과 K-Space Re-mapping 방식(오른쪽) 비교
Direct Clocking :
일부 디지타이징 시스템에서는 디지타이저에 직접 K-클럭 신호를 입력할 수 있습니다. 하지만 위에서 말씀드린 것처럼 K-clock의 주파수가 변하기 때문에 신호의 정확도에 문제가 발생하거나, 노이즈 또는 스파이크가 클럭 신호에 포함될 수 있습니다. 위의 세 가지 이유로 Direct Clock방식은 이상적이지 않은 선택이 될 수 있습니다.
K-Space Re-mapping:
더 나은 접근 방식은 k-clock과 OCT 신호를 모두 디지타이저의 아날로그 입력에 연결하는 것입니다. 두 개의 채널에 입력되는 두 신호 모두 ADC에 의해 동시에 디지타아징하고, 디지타이저는 아날로그 신호를 포착할 때 내부 또는 외부의 안정적인 고정밀 소스로 클록됩니다. 이 방법은 디지타이저가 가지고 있는 고정밀 클럭 소스를 사용하여 안정적인 아날로그 성능을 보장하면서, 디지타이저의 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 최적화할 수 있습니다. ADC는 일정한 듀티 사이클을 가진 클럭을 사용하므로, 고품질 클럭 소스를 사용하는 것입니다.
2) 고성능 ADC 요구 사항
SS-OCT 시스템에서는 높은 해상도의 이미지를 생성하기 위해 매우 정확한 데이터 수집이 필요합니다. 이를 위해 고성능 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 필수적입니다.
◐ 클럭 품질: 고성능 ADC는 매우 낮은 지터와 고품질 클럭이 필요합니다. K-클럭은 이러한 요구 사항을 충족하지 못할 수 있으므로, 디지타이저에는 안정적인 클럭 소스가 필요합니다.
◐ 데이터 손실 방지: 변동하는 클럭 주기나 잡음이 많은 신호는 샘플링 오류나 데이터 손실로 이어질 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하려면 고성능 디지타이저가 필요합니다.
3) K-클럭 리매핑 및 보간
SS-OCT 시스템에서 K-클럭의 주파수는 시간에 따라 변하기 때문에, 정밀한 샘플링을 위해 리매핑(re-mapping) 또는 보간(interpolation)이 필요합니다.
리매핑: 리매핑은 K-클럭 제로 크로싱에서 OCT 신호의 진폭을 추정하는 작업을 통해 이루어집니다. 이 과정은 디지타이저의 FPGA에서 실시간으로 처리되며, 이를 통해 신속하고 정확한 데이터 처리가 가능합니다(그림 2)
그림 2. 디지타이저 내부에서 실시간으로 처리되는 re-mapping
4) FWOCT 펌웨어와 FPGA 활용
Teledyne SP Devices와 같은 고급 디지타이저에는 SS-OCT 신호 처리에 특화된 펌웨어(FWOCT)를 제공합니다.. 이 펌웨어는 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이)에서 K-space re-mapping 작업을 실시간으로 처리합니다. 내부에서 실시간으로 처리하는 방식은 OCT 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 복잡한 신호 처리 워크플로우를 간소화해줍니다.
FPGA의 추가 리소스를 활용하여 펄스 데이터 수집 및 분석 과정을 최적화하고, 펄스 레이저 제어 시스템을 구축할 수도 있습니다.
그림 3. 클럭의 상승 에지에서 k-space re-mpping한 결과(위)와 1.5배 k-clock 인터폴레이션을 이용하여 k-space remapping을 이용한 결과(아래), 아래에서는 깊이가 증가하여 수정체의 뒤쪽면이 결과에 나타나고 있습니다.
Teledyne SP Devices FWOCT에서 제공하는 remapping mode
Teledyne SP Devices 디지타이저의 주요 기능
Teledyne SP Devices는 SS-OCT 애플리케이션에서 매우 뛰어난 디지타이저 솔루션을 제공합니다. 이 디지타이저들은 SS-OCT 시스템의 요구 사항을 충족하며, 다음과 같은 강력한 기능을 제공합니다.
유연한 디지털 K-공간 재매핑: 온보드 FPGA는 상승 에지, 하강 에지, 고급 보간 기능을 포함한 다양한 K-클럭 처리 모드를 지원합니다.
실시간 신호 처리: 배경 보정, 윈도잉, 분산 보정, FFT(8k, 32k)와 같은 중요한 신호 처리 작업이 실시간으로 이루어져 OCT 장치의 출력을 최적화합니다.
고주파수 K-클럭 지원: 최대 2GHz의 K-클럭 주파수를 지원하여 깊이 향상과 고해상도 이미징을 가능하게 합니다.
고속 데이터 스트리밍: 최대 14GB/s의 GPU로의 P2P 스트리밍 속도를 제공하여, 신속한 데이터 처리 및 이미징이 가능합니다.
SS-OCT 시스템의 성능은 디지타이저의 품질에 크게 의존합니다. 고성능 디지타이저는 신호 정확도, 데이터 수집 속도, 실시간 신호 처리 기능을 강화해줍니다. Teledyne SP Devices의 디지타이저는 이 모든 요구 사항을 충족하며, SS-OCT 시스템에서 최상의 성능을 보장합니다.
디지타이저 선택 시 신중하게 고려해야 할 요소는 클럭 품질, ADC 성능, K-클럭 재매핑, FPGA 활용 가능성 등입니다. 이러한 요소들을 제대로 반영한 디지타이저는 SS-OCT 시스템의 핵심적인 성능 향상을 가능하게 합니다.
SS-OCT 시스템의 고해상도 이미징과 정밀한 데이터 처리를 위해 올바른 디지타이저 선택은 필수적이라고 할 수 있습니다.