첨단 데이터 수집 기술을 통한 고속 SS-OCT(Swept-Source OCT) 구현
광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography, OCT)은 현대 의료 이미징 분야의 필수적인 툴 중 하나이며, 특히 SS-OCT(Swept-Source OCT)는 뛰어난 이미징 속도와 깊은 조직 침투력 및 높은 감도 덕분에 주요 이미징 방식으로 부상하고 있다. SS-OCT는 스윕 레이저 광원을 사용하여 조직의 미세 구조를 고해상도 및 실시간 이미징으로 시각화할 수 있으며, 특히 안과, 심장내과, 피부과 및 치과 이미징 등과 같은 애플리케이션에서 유용하게 활용되고 있다.
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그림 1. SS-OCT(Swept-Source OCT)는 다양한 애플리케이션에서 우수한 성능 이점을 제공한다.
이 기기의 핵심 구성 요소 중 하나는 데이터 수집 시스템이다. 간섭 신호를 정확하게 캡처해야 하는 디지타이저는 이미징의 품질과 이미징 깊이, 그리고 스캔 속도에 직접적인 영향을 미친다. SS-OCT 시스템이 더 빠른 스캔 속도와 더 우수한 축 방향 분해능, 그리고 더 깊은 침투력을 필요로 함에 따라 샘플링 속도, 대역폭, 동적 범위, 실시간 프로세싱 등 디지타이저에 요구되는 기준 또한 갈수록 엄격해지고 있다.
이 글에서는 최첨단 SS-OCT 시스템을 구현하는 데 있어 디지타이저의 핵심적인 역할을 살펴보고, 텔레다인(Teledyne)의 ADQ32 및 ADQ35를 비롯한 디지타이저 솔루션이 차세대 이미징 솔루션을 개발하는 SS-OCT 기기 개발자들에게 필요한 성능과 유연성, 그리고 첨단 기능을 어떻게 제공하는지 설명한다.
SS-OCT와 SD-OCT 비교
SS-OCT는 고속 스윕 레이저 소스와 단일 광검출기 설계를 기반으로 더 빠른 스캔 속도와 더 깊은 조직 침투력, 그리고 깊이에 따른 감도 저하를 크게 줄일 수 있어 SD-OCT(Spectral Domain OCT) 대비 주요한 기술적 이점을 제공한다.
SS-OCT는 약 1,050nm의 더 긴 동작 파장을 사용하여 산란이 심한 조직에서도 이미징 성능이 우수하며, 맥락막이나 더 깊은 안구 구조를 더욱 선명하게 시각화할 수 있게 한다. 또한, 더 높은 신호대잡음비(SNR) 성능과 보다 안정적인 위상 정보를 제공함으로써 고밀도 입체 이미징 및 OCT 혈관조영술에 특히 효과적이다.
표 1. SD-OCT 대비 SS-OCT의 장점
과거에는 SS-OCT 시스템에서 스윕 레이저가 가장 많은 비용을 차지하는 부품이었다. 그러나 최근 저비용의 대량생산이 가능한 MEMS VCSEL과 같은 새로운 반도체 기반 가변 파장 레이저가 개발되면서 SS-OCT 기기의 가격 경쟁력과 접근성이 개선되고 있다.
SS-OCT 디지타이저 요구사항
전체 시스템 성능은 디지타이저의 품질과 성능에 의해 크게 좌우된다. SS-OCT 개발자들에게 필요한 것은 단순히 빠른 데이터 수집 속도만이 아니다. GHz 단위의 간섭 프린지(Interferometric Fringe)를 정확하게 캡처할 수 있는 멀티 GS/s 샘플링 속도와 낮은 지터, 넓은 아날로그 대역폭, 높은 ENOB 성능을 모두 갖춘 디지타이저가 필요하다. 또한, 실시간 이미징 파이프라인을 지원하기 위한 결정론적 타이밍, 실시간 k-스페이스(k-space) 선형화, 고속 스트리밍 기능도 필수적이다. 궁극적으로 시스템 성능은 초고속 환경에서 깨끗하고 정밀한 타이밍의 데이터를 얼마나 정확하게 수집할 수 있는지에 달려 있다.
일반적으로 SS-OCT 디지타이저에 대한 개발자들의 주요 요구사항은 다음과 같다:
- 빠르게 스윕되는 간섭 신호를 정확하게 캡처하기 위해서는 1 ~ 5GSPS 샘플링 속도가 필요하다. 이미징 깊이는 디지타이저의 샘플링 속도와 레이저의 결맞음 길이(Coherence Length)에 비례하며, 스윕 소스 레이저의 스윕 속도, 결맞음 길이, k-클록(k-clock) 주파수 증가에 따라 더 빠른 속도의 디지타이저 기술이 요구되고 있다.
- 1 ~ 2GHz 범위의 넓은 아날로그 대역폭을 통해 왜곡 없이 고주파 프린지 신호와 k-클록 주파수를 지원해야 한다.
- 높은 동적 범위와 낮은 노이즈 특성을 통해 깊은 조직층에서 반사되는 미세한 신호를 유지할 수 있어야 하며, 최대 5GSPS 샘플링 속도에서 12bit 수직 분해능을 제공해야 한다.
- 높은 A-스캔(A-scan) 속도에서 병목 현상을 방지하기 위해 피어-투-피어(Peer-to-Peer) 스트리밍과 FPGA 사전 프로세싱을 포함한 실시간 데이터 처리가 필요하며, 초당 수GB의 속도로 CPU 또는 GPU에 실시간 스트리밍을 지원해야 한다.
- 즉각적인 이미지 재구성 또는 피드백이 가능하도록 저지연 프로세싱이 필요하다.
텔레다인의 ADQ3 시리즈 디지타이저는 이러한 요구사항을 충족할 뿐만 아니라 이를 상회하는 성능을 제공한다.
SS-OCT를 위한 ADQ3 디지타이저 시리즈
최대 5GSPS의 성능을 통해 가장 빠른 스윕 레이저도 높은 충실도로 샘플링할 수 있으며, 고주파 프린지 신호를 정확하게 캡처하고 축 방향 분해능을 유지할 수 있다. 이러한 높은 샘플링 속도와 최대 2.5GHz에 이르는 우수한 아날로그 프런트엔드 성능이 결합되어 개발자들이 최신 SS-OCT 광원의 대역폭을 손실 없이 최대한 활용할 수 있도록 해준다.
디지타이저 솔루션의 필수 요소 중 하나는 애플리케이션에 특화된 전용 펌웨어다. FWOCT는 텔레다인 SP 디바이스(Teledyne SP Devices)가 개발한 펌웨어로, SS-OCT 이미징 시스템에서 샘플링된 k-클록을 OCT 신호에 매핑하고, OCT 이미징을 생성하기 위한 모든 신호 프로세싱 단계를 수행한다. k-클록과 OCT 신호는 듀얼 채널 디지타이저에 연결된다. 디지타이저는 k-클록 신호를 샘플링하고 이를 분석해 원하는 OCT 샘플링 지점을 결정하며, 선택된 특정 지점의 OCT 신호 입력값을 매우 정밀하게 산출한다. 이러한 방식은 직접 클로킹 방식에 비해 많은 이점을 제공한다. 자세한 내용은 ‘텔레다인 SP 디바이스의 SS-OCT용 디지타이저’에서 확인할 수 있다.
그림 2. 디지타이저가 통합된 일반적인 SS-OCT 시스템의 블록 다이어그램
통합된 펌웨어는 리샘플링(k-선형화), 디지털 필터링, 그리고 경우에 따라 FFT 준비 등과 같은 주요 프로세싱 단계를 디지타이저 내부에서 직접 수행할 수 있도록 함으로써 다음과 같은 여러 이점을 제공한다:
- 호스트 CPU/GPU 부하를 줄임으로써 시스템 아키텍처를 간소화할 수 있다.
- 스트리밍 전에 데이터를 사전 처리할 수 있어 데이터 전송에 필요한 대역폭 요건을 줄일 수 있다.
- 고속 이미징 시스템에 필수적인 결정론적 실시간 성능을 제공한다.
- 정밀하게 제어된 하드웨어 레벨 프로세싱으로 위상 안정성을 향상시킨다.
FWOCT 주요 특징
- 광범위한 레이저와 호환될 수 있도록 4 ~ 2,000MHz 범위의 유연한 k-클록 지원
- MZI 간섭계(Interferometer) 및 낮은 k-클록 주파수를 지원하기 위한 k-클록 보간 기능 제공(4 ~ 2,000MHz의 k-클록 지원)
- OCT 신호에 매핑되는 k-클록 샘플링 지점을 선택할 수 있는 프로그래머블 모드 제공. 예를 들어, 상승 에지, 상승 및 하강 에지, 또는 k-클록 주기당 다중 지점을 갖는 보간 구성 등
- 최대 0 ~ 2,000MHz 범위의 높은 OCT 신호 대역폭 지원
- 사용자 구성이 가능한 FIR 필터를 통해 신호 노이즈 감소
- k-클록과 OCT 신호 경로 간 타이밍 조정 지원
- 다양한 출력 형식을 지원하는 FFT(복소수, 제곱 크기, 로그)
o GPU에 구현된 FFT 대비 더 낮은 지연 시간 제공
- 백그라운드 제거 기능 제공
- 분산 보정 기능 제공
그림 3. FWOCT를 활용한 온보드 실시간 SS-OCT 프로세싱을 수행하는 ADQ35 디지타이저
반면, 많은 경쟁사 솔루션들은 데이터 수집 이후 소프트웨어 기반 프로세싱에 크게 의존하고 있다. 이러한 방식은 지연 시간을 유발하고, 시스템 복잡성을 가중시키며, 구현 가능한 이미징 속도를 제한할 수 있다.
종합하면, 최대 5GSPS를 지원하는 하드웨어와 전용 FWOCT 펌웨어를 결합하여 긴밀하게 통합된 데이터 수집 및 프로세싱 플랫폼을 구현할 수 있다. 이러한 이유로 ADQ3 시리즈는 속도와 감도, 실시간 이미징 성능의 한계를 뛰어넘고자 하는 SS-OCT 개발자들에게 최선의 선택지로 평가된다.
표 2. ADQ3 시리즈 디지타이저 주요 성능 지표
ADQ32, ADQ33, ADQ35는 PCIe 폼팩터 또는 USB 3.2 인터페이스('텔레다인 SP 디바이스의 ADQ3-USB' 참조)로 제공되며, ADQ36은 PXIe 형식으로 제공된다. 텔레다인 SP 디바이스의 SS-OCT 솔루션에 대한 자세한 내용은 '텔레다인 SP 디바이스의 SS-OCT용 디지타이저'에서 확인할 수 있다.
