创建基于NI PXI及LabVIEW的磁振成像系统用于诊断婴儿脑活动

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

Industry:
Research, Biotechnology

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
  开发非侵入式的磁振成像系统，在时间和空间上绘制婴儿可能出现大脑瘫痪及癫痫症状时脑活动所产生的磁场，从而能够在早期实施医疗介入。

The Solution:
  创建适应性强的高速多通道NI PXI数据采集系统，通过NI MXI-3总线将实时数据传输到远程控制器，采用基于NI LabVIEW的软件进行数据处理。

挑战脑部成像

  脑部活动涉及复杂的电流模式，电流流过脑部的神经，迅速在不同大脑区域内移动，并随时间变化。这些电流产生极微弱的磁场，仅数十个毫微微特斯拉，比地球磁场弱10个数量级。我们受一位世界著名的学者委托，设计一台能够在磁干扰极大的医院环境下测量 并绘制这些微小磁场的机器。目前现有的技术都很难解决该难题。我们采用超导量子干涉仪(SQUID)来设计该系统，它具有极高的磁场灵敏度，从而能够达到原型要求的传感专业能力

   一家制造人脑成像设备的制造商提出要求用50万美元建造具有多层屏蔽合金墙的房间，如果采用C语言编程，需要6个专业编程人员超过10年的工作量才能实现。用LabVIEW能够实现同样的数据处理、数据显示及更多其它功能，只需一个未经正式软件开发培训的工程师不到1年的时间即可完成。我们接受挑战，因为我们相信LabVIEW的能力以及易用的NI硬件配置。

可轻松配置的NI硬件

   我们的机械工程师搭建了一个婴儿尺寸的头托，可容纳将近100个SQUID传感器，通过液态氦冷却，并由真空隔离。传感器上的模拟信号输送到PXI 机箱中的NI高速24位数据采集设备(NI PXI-4472 DSA)。我们采用PXI 机箱中的背板总线传输所有通道间的同步采集数据，这对于成功绘制脑活动图非常关键。采集到的数据被连续写入存储器，通过光纤MXI-3总线进行直接存储器读取，在远程计算机上实现数据处理。我们采用ni.com上的共享案例来配置软硬件，仅用大约数分钟时间即可实现基本采集功能。

LabVIEW库节省开发时间

    系统的数据处理及数据显示依赖于灵活的研究模型，现在却需要尽量简化以备临床使用。LabVIEW使之成为可能。我们采用LabVIEW自带的丰富矩阵函数库编写了噪声抑制算法，并使用了NI高级信号处理工具集中的功能。通过详细的文档及大量案例，快速完成了软件开发。我们还在软件中直接集成了已有的图形化工具，实现常用的数字滤波、小波设计、联合时频域分析。综合以上所有软件组件，我们消除了通道间的信号相关性。此外，我们实现了对重复刺激信号的同步平均。所有这些功能极大的降低了噪声水平，从而使我们能够直接获得脑部信号。

LabVIEW代码的高效性

   我们希望能在数据采集的同时处理并显示数据，让医生可以通过调整头部位置，或调整刺激的种类(如皮肤表面的气鼓或声波模式)，进而影响脑活动，实现一系列测量。这就要求极高的数据处理速度，但我们发现，只要注重LabVIEW代码的效率问题，采用商用双Xeon 2.6 GHz机器就能满足需求。原始数据也可同时传输到磁盘，软件的设计使得医生可通过简单调节旋钮将输入数据源选择为来自PXI机箱的实时数据、保存至文件的原始数据、计算后的仿真数据。不同数据源的数据以同样的方式输入软件，通过噪声抑制算法，并最终显示。此外，同样的软件还能在任意桌面PC上安装，为医生进行数据分析提供便利，从而用户也无需为此去学习不同的软件包使用方法。

LabVIEW图表功能的灵活性

我们采用了LabVIEW图表组件。举例来说，我们采用了：

    标签中的子面板，使用户能够快速地在多个显示间切换，将图表置于独立可调整大小的窗口中，并可任意裁剪，从而保证显示的条理性和灵活性。
标签下多种不同的图表类型，凸显不同的数据。
3D图表以准实时的方式同时显示头部及传感器。通过光学方法检测婴儿头部在头托传感器阵列中的自然移动，由 LabVIEW软件计算并绘制头部相关于传感器的位置，并对移动进行补偿。
3D图表用于显示准实时的阵列计算。
   动态加载分析 VI，用户可自行编写算法以及显示，并自由调用(用于主程序运行中的代码编辑，或用于快速测试及评估)。
   例行分析工具库加载简化系统在临床中的使用。
   2004年11月14日下午7:44，我们见证了世界上第一个无屏蔽的婴儿脑磁信号。我们成功了。

成像系统的未来

   我们计划开发相关的多通道数据采集系统。使用NI PXI硬件我们可以根据需要拓展或减少通道数量。LabVIEW可使我们自由地将软件移植到其它操作系统上，并可轻松将本地语言显示转化为其它语言。现在，我们的用户能够拥有一台便宜的磁振成像系统，可迅速用于婴儿的临床试验及医院诊疗。他希望系统能够直接评估药物的功效，并辅助外科手术定位。