Tristan Technologies 公司以 NI PXI 與 LabVIEW 為架構，建立可診斷嬰兒腦部活動的磁振造影系統

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

Industry:
Research, Life Science

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
開發非侵入性的磁振造影系統，針對罹患腦性麻痺與癲癇風險的嬰兒，對腦部顳皮層活動進行顯影作業，以讓醫師進行早期治療。

The Solution:
建立高速且高通道數的 NI PXI 資料擷取系統，透過 NI MXI-3 匯流排轉換即時資料至遠端控制器，並以 NI LabVIEW 的軟體架構處理相關資料。

腦部造影的挑戰

腦部活動為流經大腦神經元的複雜電流形式，於大腦區塊之間快速移動的同時，亦不斷的產生變化。這些電流所產生的微弱磁場，甚至低於 Femtotesla；即為地球磁場的十億分之一。我們受聞名世界的腦部研究者所託，針對此種微弱磁場建立可量測並構圖的機器，且要能夠於醫院的磁場雜訊環境中使用。現有的技術無法解決此問題。我們使用超導量子干涉元件 (SQUID) 建立客制化的系統；該元件對磁場極為敏感，因此必須以感測器的專業設計經驗進行原型製作。

我們的競爭對手，則主要生產成人用的腦部造影臨床設備。他們以 50 萬美元打造多層 (Multilayer) 鎳鐵合金 (Mumetal alloy) 牆壁的大型抗雜訊空間，並讓 6 名專業程式設計師花了超過 10 年，以 C 語言撰寫出該使用軟體。我們則要讓 1 名不具有正式軟體開發訓練的工程師，以不到 1 年的時間，能達到同樣的資料處理與資料顯示作業。由於我們知道手中握有 LabVIEW 與簡單易用的 NI 軟體設定，因此我們欣然接受了該項挑戰。

 

可輕鬆設定的 NI 硬體

我們的工程師先建立了嬰兒適用的頭部裝置，內含將近 100 具 SQUID 感測器，為液態氦冷卻系統，並具有真空絕緣構造。這些感測器產生的類比訊號，均輸入至 PXI 機箱中的 NI PXI-4472 DSA 高速 24 位元資料擷取卡集合。我們使用 PXI 機箱的 RTSI 匯流排，以跨所有通道進行同步資料擷取作業；此為成功產生腦部活動圖像的關鍵。於遠端的資料處理電腦中，透過 MXI-3 匯流排光纖直接存取記憶體，將所擷取的訊號持續寫入至記憶體。我們甚至使用 ni.com 中的免費範例程式，僅花費數分鐘的時間，即使用設定硬體與軟體進行基礎擷取作業。

 

LabVIEW 程式庫節省了開發時間

針對系統的資料處理與資料顯示功能，其研究原型必須具備一定的彈性，且可讓臨床醫師可輕鬆使用之。LabVIEW 做到了這一點。我們使用矩陣函式的可擴充程式庫並搭配使用 LabVIEW，撰寫出雜訊縮減的運算式，且使用 NI 進階訊號處理工具集的外掛公用程式。透過詳細的相關記錄與多種範例，我們迅速開發了應用軟體。我們的軟體亦直接整合簡單數位濾波功能的現有圖形化工具、建立小波 (Wavelet) 的圖形化工具，與聯合時頻分析 (Joint time-frequency analysis) 的工具。在整合所有軟體元件共同運作之後，我們移除了通道之間的訊號關連性 (Correlation)；該關連性是依頭部體積的外部而進行計算。更進一步來看，我們執行反覆刺激 (Repetitive stimuli) 的同步化平均作業。這些動作均大幅降低了雜訊強度，讓我們能夠直接觀看腦部訊號。

 

 

LabVIEW 的編碼作業極具效率

我們必須於資料擷取期間處理並顯示資料，讓醫師可判斷腦部位置以進行一系列的量測，並判斷多種不同刺激的本質，如對皮膚吹氣與聲音形式，均會影響腦部活動。此作業將需要極高的資料處理速度。但我們發現，由於 LabVIEW 的編碼作業極具有效率，因此現成的 Dual-Xeon 2.6 GHz 機器即可符合需要。原始資料 (Raw data) 亦可同時串流至磁碟，而軟體本身即針對此功能所撰寫。因此醫師僅需稍後轉動旋鈕，即可切換資料來源為 PXI 機箱的即時資料、檔案中的已儲存原始資料、已計算的模擬資料串流，或關閉資料來源。不論資料來源為何，資料均以雜訊衰減運算式與顯示作業，透過相同的方式通過軟體。而另 1 項附加優點，我們可於任何桌上型電腦中免費安裝相同軟體的附加備份，以方便醫師進行更深入的資料分析；因此使用者不需學習其他的軟體套件。

 

LabVIEW 圖形化公用程式極具彈性

我們必須以創造力以進一步使用 LabVIEW 圖形化元件。舉例來說，我們使用：

 

‧標籤 (Tab) 中的子面板 (Subpanel)，讓使用者可於顯示作業之間進行觸發 (Toggle)，並「釋放 (Release)」圖像至固定 (Free-floating)且可縮放的視窗中，接著再次點選「Dock」此步驟可組織顯示作業，並保有原來的彈性。

‧在此標籤中的多種不同圖表類型，可強化不同的資料概念。

‧3D 顯影公用程式，將以近乎即時 (Quasi-real-time) 的速率，顯示頭部與感測器。頭部的感測器陣列，則以光學方式偵測嬰兒頭部的自然活動，而 LabVIEW 軟體將根據感測器相對的頭部位置，進行計算與顯影作業，進一步完成活動行為。

‧3D 顯影公用程式將以近乎即時的速率，顯示磁場計算的結果。

‧可動態載入分析用的 VI，讓使用者撰寫自己的運算式與顯示作業，並隨時呼叫之 (適用於主程式執行中的程式碼編輯作業、快速測試，與評估作業)。

‧程式庫將載入分析常式，讓醫師可輕鬆使用系統。

 

在 2004 年 11 月 14 日的下午 7:44，我們見到了世界第一筆來自於嬰兒的具非抗雜訊式磁場腦部訊號。我們真的成功了。

 

 

顯影系統的未來

我們計畫擴充為相關的多通道資料擷取系統。透過 NI PXI 硬體，我們可依需要擴充並縮減通道數。有了 LabVIEW，我們可免費搬移軟體至其他作業系統，並針對國外用戶端輕鬆交換顯示作業的國際程式語言。我們的客戶現在可將低價位的磁振造影系統，廣泛應用於嬰兒診斷的臨床試驗與醫院中。接下來並希望系統可直接分析治療藥物的效力，並協助進行相關外科手術。

 

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Christopher Atwood
Tristan Technologies, Inc.
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