NI PXI及LabVIEW的磁振成像系统在诊断婴儿脑活动的应用
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2020-10-22
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NI PXI及及LabVIEW的磁振成像系统在诊断婴儿脑活动的应用的磁振成像系统在诊断婴儿脑活动的应用
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。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。"现在，我们的用户拥有了一台便宜的磁振
成像系统，可迅速用于婴儿的临床实验及医院诊疗。" PXI （PCI eXtensions for Instrumentation,面向仪器
系统的PCI扩展） 是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与
CompactPCI的坚固性、模块
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。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。"现在，我们的用户拥有了一台便宜的磁振成像系统，可迅速用于婴儿的临床实验及
医院诊疗。"
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation,面向仪器系统的PCI扩展） 是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动
化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测
量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器
领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平
台。
挑战脑部成像 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。我们受一位世界着名的学者委托，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 可轻松配置的NI硬件硬件
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库节省开发时间库节省开发时间
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与
其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编
写程序，产生的程序是框图的形式。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已
经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式。上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。
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
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