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科普知識
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線路板連接器

利用NI FlexRIO開發高速、緊湊型OCT成像系統

發布日期:2022-04-27 點擊率:67 品牌:恩艾_NI

"如果使用常規系統,由于創建圖像需要進行密集計算處理,我們圖像顯示率受到限制。借助NI FlexRIO平臺并且使用基于FPGA的處理,我們能夠把成像速度增加四倍并且明顯減少系統體積。" – Takuya Suzuki 鈴木 卓也 氏, Santec Corporation 株式會社

The Challenge:

增加成像速度并且減少光學相干斷層(OCT)成像系統的體積。

The Solution:

借助NI FlexRIO和field-programmable gate array (FPGA)技術創造一個可以把成像速度增加四倍、且與以前方案相比體積明顯更小的OCT系統。


圖1. Santec公司的 便攜式OCT系統使 用基于FPGA的圖 像處理

OCT是一種無創性成像技術,按照與相同顯微鏡類似的分辨率,使組織或者其他物體可視化。OCT越來越受關注,因為它可以提供比其他成像技術 [ 例如磁共振成像(MRI)或者正電子發射斷層成像術(PET) ] 更高的分辨率。OCT利用小功率光源和相應的光反射產生圖片,這種方法與使用光而不是使用聲音的超聲類似。在掃頻光源(Swept Source)-OCT (SS-OCT)應用中,激光器掃描樣本,同時快速數模轉換器(ADC)需要數據,并且處理系統產生斷層圖像。因此,系統必須能夠進行高速數據采集、復雜圖像處理并且精確控制激光器掃描。另外,系統的數據采集和控制必須緊密同步,以實現優良性能。常規系統

在OCT系統中,獲取最終圖像需要進行重大處理,包括快速傅里葉變換(FFTs)、內插和直流偏移計算。傳統上通過在主機上運行的軟件進行處理,需要消耗大量時間并且影響系統的整體成像速度。通常也在軟件中調節激光器,進一步加重CPU的負擔。在常規系統中,我們認識到進行數據處理所需要的時間使我們僅能夠實現10幀/秒的圖像顯示率,即使系統的其他部分能夠更快的運行。

圖2表示常規系統配置,它需要通過兩個裝置來獲取圖像數據并且控制激光掃描器。因為系統中有兩個板卡,所以接線更加復雜。


圖2. 常規系統配置

需要通過快速圖像顯示率來測量快速移動的物體,例如人體器官或者運動中的物體。在獲得數據和顯示數據之間也存在延遲。商業現貨計算機不能夠為我們需要的成像性能提供足夠的處理,并且會增加系統成本。所有這些因素帶動了開發新系統的需要。

下一代方案

為了對新的架構進行原型制作,我們使用通過NI LabVIEW FPGA模塊 的NI FlexRIO FPGA模塊。NI LabVIEW FPGA模塊是一種圖形設計語言,可以無需知道VHDL編碼設計FPGA電路。NI FlexRIO 把可互換、可定制的I/O適配器模塊與PXI或者PXI Express總線中的用戶可編程FPGA模塊結合在一起。

對于I/O,我們使用定制的適配器模塊,把用于數據采集的高速ADC(100 MS/秒、12位分辨率)與用于激光掃描器控制的數模轉換器(DAC)電路(50 kS/秒、12位分辨率)結合在一起。通過使用NI FlexRIO對新系統進行原型制作,我們能夠快速獲得工作方案并且確定是否需要改動。我們最初使用LabVIEW在主機端開發算法(FFTs、內插和直流偏移)。在驗證算法之后,這些算法被移至FPGA上,以加快處理性能。而且,由于I/O從為主機電腦提供PCI Express接口的FPGA后端分離,我們可以快速確定需要的硬件變更。 在證實硬件和固件的運行令人滿意后,我們非常有信心地把算法移到了具有相同的規格、且更易部署的PCI Express板卡上。圖3表示新的系統配置。


圖3. 新系統配置

實現更快處理并且減少系統體積

獲取數據后,在FPGA中對數據進行處理,并且把數據送回至電腦。在把處理從電腦移至FPGA后,我們發現速度明顯加快,并且明顯提高了視頻顯示率。與以前10幀/秒的圖像顯示率相比,借助新的基于FPGA的系統配置,我們實現了40幀/秒的圖像顯示率,或者說性能提高了四倍。

我們的系統現在可以更快地顯示物體(包括人體器官和其他移動的樣品)的圖像。而且,新的基于FPGA的系統可以提供實時測量信號處理,通過消除測量和顯示之間的延遲,提高顯示性能。圖4表示成像系統的LabVIEW面板。


圖4. SS- OCT成像系統的面板

在常規系統配置中,我們需要兩個裝置 – 用于數據采集的數字化儀和用于控制掃描器的D/A 板卡。我們還需要進行額外布線,使裝置同步。借助新的平臺,我們可以在單一模塊中合并數據采集并且控制I/O,并且利用FPGA使這兩種功能同步,因此可以更加容易地對系統進行構建、接線和配置。另外,由于不再需要進行額外接線,我們可以節省空間。

由于系統體積減少,我們可以人工搬運整個系統,增加產品在各種地方中的新應用。


圖5. 整個系統的 圖像

結論

如果使用常規系統,由于創建圖像需要進行密集計算處理,我們圖像顯示率會受到限制。借助NI FlexRIO平臺并且使用基于FPGA的處理,我們能夠把成像速度增加四倍并且明顯減少系統體積。

過去,我們需要使用功能強大的計算機進行數據處理;利用FPGA進行處理可以使我們減少對電腦性能的依賴。我們可以降低系統成本并且使用筆記本電腦或者低功率CPU板卡,滿足需要體積更小、低成本系統的新市場的需要。另外,借助 LabVIEW FPGA,我們可以在未來對FPGA進行修改或者定制,滿足特殊客戶需要,節省開發時間和成本。(e

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