基于LabVIEW的磁振成像系統(tǒng)用于診斷嬰兒腦活動(dòng)

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

Industry:
Research, Biotechnology

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
開(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)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(wàn)美元建造具有多層屏蔽合金墻的房間，如果采用C語(yǔ)言編程，需要6個(gè)專業(yè)編程人員超過(guò)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(kāi)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(guò)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(xiě)入存儲(chǔ)器，通過(guò)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(lái)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(kù)節(jié)省開(kāi)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(kù)編寫(xiě)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(guò)詳細(xì)的文檔及大量案例，快速完成了軟件開(kāi)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)。