采用NI LabVIEW和RIO技術(shù)開發(fā)的革命性獸醫(yī)影像系統(tǒng)

Author(s):
Matt Antonelli - Animage, LLC
Ivan Charamisinau - Animage, LLC
James Carver - JAMCO Engineering

Industry:
Medical, Biotechnology

Products:
Real-Time Module, CompactRIO, LabVIEW, Single-Board RIO, FPGA Module

The Challenge:
   開發(fā)、部署一個(gè)用于小動(dòng)物獸醫(yī)診斷的嵌入式、多模式診斷影像系統(tǒng)，且要求快速完成。

The Solution:
  方案決定采用NI LabVIEW和CompactRIO技術(shù)可快速創(chuàng)建功能原型，并論證可行性，然后100%地將原型軟件代碼移植到NI Single-Board RIO，完成系統(tǒng)部署的最終方案。

Animage和Fidex
   Animage LLC是Exxim Computing Corporation公司的子公司，成立于2008年，為獸醫(yī)市場提供高端的影像產(chǎn)品。在成功成為諸如錐束CT掃描等影像產(chǎn)品算法開發(fā)的行業(yè)專家后，Animage LLC決定擴(kuò)展其業(yè)務(wù)到硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由此誕生了首款面向獸醫(yī)市場的前所未有的產(chǎn)品 ——Fidex三合一影像系統(tǒng)。此多模式診斷影像系統(tǒng)主要用于小動(dòng)物獸醫(yī)診斷。
 
   Fidex可產(chǎn)生三種模式的診斷影像，而之前，這需要三個(gè)單獨(dú)的設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。

   第一種模式是數(shù)字化射線成像（X-射線），通常是為病人實(shí)施的第一次成像，一般被認(rèn)為是診斷影像的必不可少的步驟。 但有時(shí)X射線成像并不能為診斷提供足夠的信息，此時(shí)就需要更高級的技術(shù)。

圖1 數(shù)字化射線成像通常是獸醫(yī)需要的第一類圖像

    第二種模式使用三維CT，也就是大家熟知的采用錐束技術(shù)的CAT掃描。 這種技術(shù)與我們在人體醫(yī)療掃描器中見到的標(biāo)準(zhǔn)扇束技術(shù)不同，錐束CT通過帶有C形臂的X射線光源及探測器在物體周圍循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，使用寬錐束采集全息CT數(shù)據(jù)。采用錐束技術(shù)，F(xiàn)idex得以實(shí)現(xiàn)較小的覆蓋面積，CT部件也簡單易用。

圖2 CT掃描，C形臂繞受診動(dòng)物旋轉(zhuǎn)，采集數(shù)千幅單獨(dú)影像，然后將重建這些影像。Fidex采用一種叫做錐束成像的革命性影像重建算法。

    第三種模式是透視（或者運(yùn)動(dòng)捕捉X射線攝像），使用C形臂可在任何所需角度進(jìn)行攝像。此種模式一般用來研究關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、吞咽、心臟功能、其他生理運(yùn)動(dòng)，以及某些外科手術(shù)和插管過程的實(shí)時(shí)導(dǎo)引。

圖3 移動(dòng)X射線成像，或稱作透視，在多種診斷和臨床應(yīng)用中都是理想的方案——如觀察關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，或?qū)σ恢徽驹谄脚_(tái)上吃東西的小狗進(jìn)行吞咽研究等。

   采用NI LabVIEW和CompactRIO進(jìn)行原型創(chuàng)建
2008年4月進(jìn)行第一階段的開發(fā)，目標(biāo)是開發(fā)出測試臺(tái)原型，控制X射線光源、X射線探測器和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。軟件開發(fā)從風(fēng)險(xiǎn)最高的部分開始，然后逐漸進(jìn)行。我們使用了LabVIEW軟件，這使得我們可以專注于產(chǎn)品的關(guān)鍵算法，而不受瑣碎、復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)的影響。

    開發(fā)從控制X射線光源開始。然后編寫定時(shí)代碼，對X射線光源的激發(fā)及傳感器的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行同步。 最后，我們將機(jī)械原型系統(tǒng)和安裝在機(jī)架上的激發(fā)與采集系統(tǒng)集成到一起，并加入運(yùn)動(dòng)控制對基本過程進(jìn)行論證。此功能原型成功地論證了產(chǎn)品的可行性，這使得我們對于成功完成其他階段的開發(fā)任務(wù)充滿了信心。由于此系統(tǒng)基于LabVIEW，可以很容易地對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，即便更換一些部件也幾乎不會(huì)對我們的進(jìn)度安排帶來影響，因此，首個(gè)原型的建立僅耗時(shí)約6個(gè)月。

 采用NI Single-Board RIO進(jìn)行部署
   在接下來的階段中，我們需要試制首個(gè)影像系統(tǒng)。最終的機(jī)械設(shè)計(jì)幾乎完全基于原型機(jī)械系統(tǒng)，僅做了幾處細(xì)微改進(jìn)。我們采用了NI CompactRIO對一臺(tái)具有完整X射線系統(tǒng)、移動(dòng)掃描架和移動(dòng)準(zhǔn)直器的原型掃描器F-001進(jìn)行控制。完成此系統(tǒng)僅耗時(shí)3個(gè)月。

   最后，我們需要開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)緩解代碼及豐富的用戶界面，并采用專為嵌入式機(jī)器開發(fā)設(shè)計(jì)的單板計(jì)算機(jī)硬件將我們的原型移植到最終的部署平臺(tái)。我們采用NI Single-Board RIO作為部署平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了與原型系統(tǒng)一樣的代碼。 然后我們繼續(xù)開發(fā)，增加了病人定位功能及系統(tǒng)控制面板。甚至使用了LabVIEW進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì)，在3個(gè)月內(nèi)就完成了新系統(tǒng)F-002。 NI Single-Board RIO使用以下部件對終端設(shè)備進(jìn)行控制：

帶編碼器和端位開關(guān)的旋轉(zhuǎn)掃描架
帶編碼器和端位開關(guān)的定位探測器
帶編碼器和端位開關(guān)的升降病床
X射線發(fā)生器（千伏，毫安，脈沖發(fā)生和錯(cuò)誤處理）
旋轉(zhuǎn)陽極
四個(gè)準(zhǔn)直器電機(jī)
探測器觸發(fā)信號
用于病人定位的現(xiàn)場燈光和激光
掃描架控制面板輸入和狀態(tài)顯示模塊
未來的計(jì)劃
我們計(jì)劃再試制兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行臨床試驗(yàn)。雖然可以預(yù)見會(huì)有一些必要的修改，但我們對使用LabVIEW對這些性能進(jìn)行簡單地添加非常有信心。通過使用LabVIEW和NI Single-Board RIO，我們避免了從零開始開發(fā)絕大部分的系統(tǒng)，從而縮短了上市時(shí)間，節(jié)省了約3位研發(fā)人員全年的工作量或約$300,000美元的人力成本。