Author(s):
Christopher G. Atwood - Tristan Technologies, Inc.

Industry:
Research, Biotechnology

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
  開發(fā)非侵入式的磁振成像系統(tǒng)，在時(shí)間和空間上繪制嬰兒可能出現(xiàn)大腦癱瘓及癲癇癥狀時(shí)腦活動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而能夠在早期實(shí)施醫(yī)療介入。

The Solution:
  創(chuàng)建適應(yīng)性強(qiáng)的高速多通道NI PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過NI MXI-3總線將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制器，采用基于NI LabVIEW的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

挑戰(zhàn)腦部成像

  腦部活動(dòng)涉及復(fù)雜的電流模式，電流流過腦部的神經(jīng)，迅速在不同大腦區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，并隨時(shí)間變化。這些電流產(chǎn)生極微弱的磁場(chǎng)，僅數(shù)十個(gè)毫微微特斯拉，比地球磁場(chǎng)弱10個(gè)數(shù)量級(jí)。我們受一位世界著名的學(xué)者委托，設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠在磁干擾極大的醫(yī)院環(huán)境下測(cè)量 并繪制這些微小磁場(chǎng)的機(jī)器。目前現(xiàn)有的技術(shù)都很難解決該難題。我們采用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)來設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，它具有極高的磁場(chǎng)靈敏度，從而能夠達(dá)到原型要求的傳感專業(yè)能力

   一家制造人腦成像設(shè)備的制造商提出要求用50萬美元建造具有多層屏蔽合金墻的房間，如果采用C語言編程，需要6個(gè)專業(yè)編程人員超過10年的工作量才能實(shí)現(xiàn)。用LabVIEW能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及更多其它功能，只需一個(gè)未經(jīng)正式軟件開發(fā)培訓(xùn)的工程師不到1年的時(shí)間即可完成。我們接受挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀兿嘈臠abVIEW的能力以及易用的NI硬件配置。

可輕松配置的NI硬件

   我們的機(jī)械工程師搭建了一個(gè)嬰兒尺寸的頭托，可容納將近100個(gè)SQUID傳感器，通過液態(tài)氦冷卻，并由真空隔離。傳感器上的模擬信號(hào)輸送到PXI 機(jī)箱中的NI高速24位數(shù)據(jù)采集設(shè)備(NI PXI-4472 DSA)。我們采用PXI 機(jī)箱中的背板總線傳輸所有通道間的同步采集數(shù)據(jù)，這對(duì)于成功繪制腦活動(dòng)圖非常關(guān)鍵。采集到的數(shù)據(jù)被連續(xù)寫入存儲(chǔ)器，通過光纖MXI-3總線進(jìn)行直接存儲(chǔ)器讀取，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。我們采用ni.com上的共享案例來配置軟硬件，僅用大約數(shù)分鐘時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)基本采集功能。

LabVIEW庫節(jié)省開發(fā)時(shí)間

    系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示依賴于靈活的研究模型，現(xiàn)在卻需要盡量簡(jiǎn)化以備臨床使用。LabVIEW使之成為可能。我們采用LabVIEW自帶的豐富矩陣函數(shù)庫編寫了噪聲抑制算法，并使用了NI高級(jí)信號(hào)處理工具集中的功能。通過詳細(xì)的文檔及大量案例，快速完成了軟件開發(fā)。我們還在軟件中直接集成了已有的圖形化工具，實(shí)現(xiàn)常用的數(shù)字濾波、小波設(shè)計(jì)、聯(lián)合時(shí)頻域分析。綜合以上所有軟件組件，我們消除了通道間的信號(hào)相關(guān)性。此外，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)重復(fù)刺激信號(hào)的同步平均。所有這些功能極大的降低了噪聲水平，從而使我們能夠直接獲得腦部信號(hào)。

LabVIEW代碼的高效性

   我們希望能在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)處理并顯示數(shù)據(jù)，讓醫(yī)生可以通過調(diào)整頭部位置，或調(diào)整刺激的種類(如皮膚表面的氣鼓或聲波模式)，進(jìn)而影響腦活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一系列測(cè)量。這就要求極高的數(shù)據(jù)處理速度，但我們發(fā)現(xiàn)，只要注重LabVIEW代碼的效率問題，采用商用雙Xeon 2.6 GHz機(jī)器就能滿足需求。原始數(shù)據(jù)也可同時(shí)傳輸?shù)酱疟P，軟件的設(shè)計(jì)使得醫(yī)生可通過簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)旋鈕將輸入數(shù)據(jù)源選擇為來自PXI機(jī)箱的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、保存至文件的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算后的仿真數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)以同樣的方式輸入軟件，通過噪聲抑制算法，并最終顯示。此外，同樣的軟件還能在任意桌面PC上安裝，為醫(yī)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供便利，從而用戶也無需為此去學(xué)習(xí)不同的軟件包使用方法。

LabVIEW圖表功能的靈活性

我們采用了LabVIEW圖表組件。舉例來說，我們采用了：

    標(biāo)簽中的子面板，使用戶能夠快速地在多個(gè)顯示間切換，將圖表置于獨(dú)立可調(diào)整大小的窗口中，并可任意裁剪，從而保證顯示的條理性和靈活性。
標(biāo)簽下多種不同的圖表類型，凸顯不同的數(shù)據(jù)。
3D圖表以準(zhǔn)實(shí)時(shí)的方式同時(shí)顯示頭部及傳感器。通過光學(xué)方法檢測(cè)嬰兒頭部在頭托傳感器陣列中的自然移動(dòng)，由 LabVIEW軟件計(jì)算并繪制頭部相關(guān)于傳感器的位置，并對(duì)移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
3D圖表用于顯示準(zhǔn)實(shí)時(shí)的陣列計(jì)算。
   動(dòng)態(tài)加載分析 VI，用戶可自行編寫算法以及顯示，并自由調(diào)用(用于主程序運(yùn)行中的代碼編輯，或用于快速測(cè)試及評(píng)估)。
   例行分析工具庫加載簡(jiǎn)化系統(tǒng)在臨床中的使用。
   2004年11月14日下午7:44，我們見證了世界上第一個(gè)無屏蔽的嬰兒腦磁信號(hào)。我們成功了。

成像系統(tǒng)的未來

   我們計(jì)劃開發(fā)相關(guān)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用NI PXI硬件我們可以根據(jù)需要拓展或減少通道數(shù)量。LabVIEW可使我們自由地將軟件移植到其它操作系統(tǒng)上，并可輕松將本地語言顯示轉(zhuǎn)化為其它語言?，F(xiàn)在，我們的用戶能夠擁有一臺(tái)便宜的磁振成像系統(tǒng)，可迅速用于嬰兒的臨床試驗(yàn)及醫(yī)院診療。他希望系統(tǒng)能夠直接評(píng)估藥物的功效，并輔助外科手術(shù)定位。