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)、部署一個用于小動物獸醫(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決定擴展其業(yè)務到硬件系統(tǒng)設計，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，這需要三個單獨的設備才能實現(xiàn)。

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

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的CAT掃描。 這種技術與我們在人體醫(yī)療掃描器中見到的標準扇束技術不同，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，使用寬錐束采集全息CT數(shù)據(jù)。采用錐束技術，F(xiàn)idex得以實現(xiàn)較小的覆蓋面積，CT部件也簡單易用。

圖2 CT掃描，C形臂繞受診動物旋轉(zhuǎn)，采集數(shù)千幅單獨影像，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（或者運動捕捉X射線攝像），使用C形臂可在任何所需角度進行攝像。此種模式一般用來研究關節(jié)運動、吞咽、心臟功能、其他生理運動，以及某些外科手術和插管過程的實時導引。

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

   采用NI LabVIEW和CompactRIO進行原型創(chuàng)建
2008年4月進行第一階段的開發(fā)，目標是開發(fā)出測試臺原型，控制X射線光源、X射線探測器和運動系統(tǒng)。軟件開發(fā)從風險最高的部分開始，然后逐漸進行。我們使用了LabVIEW軟件，這使得我們可以專注于產(chǎn)品的關鍵算法，而不受瑣碎、復雜的硬件設計的影響。

    開發(fā)從控制X射線光源開始。然后編寫定時代碼，對X射線光源的激發(fā)及傳感器的數(shù)據(jù)采集進行同步。 最后，我們將機械原型系統(tǒng)和安裝在機架上的激發(fā)與采集系統(tǒng)集成到一起，并加入運動控制對基本過程進行論證。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)任務充滿了信心。由于此系統(tǒng)基于LabVIEW，可以很容易地對設計進行修改，即便更換一些部件也幾乎不會對我們的進度安排帶來影響，因此，首個原型的建立僅耗時約6個月。

 采用NI Single-Board RIO進行部署
   在接下來的階段中，我們需要試制首個影像系統(tǒng)。最終的機械設計幾乎完全基于原型機械系統(tǒng)，僅做了幾處細微改進。我們采用了NI CompactRIO對一臺具有完整X射線系統(tǒng)、移動掃描架和移動準直器的原型掃描器F-001進行控制。完成此系統(tǒng)僅耗時3個月。

   最后，我們需要開發(fā)風險緩解代碼及豐富的用戶界面，并采用專為嵌入式機器開發(fā)設計的單板計算機硬件將我們的原型移植到最終的部署平臺。我們采用NI Single-Board RIO作為部署平臺，實現(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進行用戶界面設計，在3個月內(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備進行控制：

帶編碼器和端位開關的旋轉(zhuǎn)掃描架
帶編碼器和端位開關的定位探測器
帶編碼器和端位開關的升降病床
X射線發(fā)生器（千伏，毫安，脈沖發(fā)生和錯誤處理）
旋轉(zhuǎn)陽極
四個準直器電機
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
未來的計劃
我們計劃再試制兩臺設備進行臨床試驗。雖然可以預見會有一些必要的修改，但我們對使用LabVIEW對這些性能進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。