利用NI FlexRIO開發(fā)高速、緊湊型OCT成像系統(tǒng)

"如果使用常規(guī)系統(tǒng)，由于創(chuàng)建圖像需要進(jìn)行密集計(jì)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(tǒng)體積。"

– Takuya Suzuki 鈴木 卓也 氏, Santec Corporation 株式會(huì)社

圖1. Santec公司的便攜式OCT系統(tǒng)使用基于FPGA的圖像處理

The Challenge:
增加成像速度并且減少光學(xué)相干斷層（OCT）成像系統(tǒng)的體積。

The Solution:
借助NI FlexRIO和field-programmable gate array (FPGA)技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)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(tǒng)。

Author(s):
Takuya Suzuki 鈴木 卓也 氏 - Santec Corporation 株式會(huì)社
Atsushi Morosawa - Santec Corporation 株式會(huì)社

OCT是一種無創(chuàng)性成像技術(shù)，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(guān)注，因?yàn)樗梢蕴峁┍绕渌上窦夹g(shù) [ 例如磁共振成像（MRI）或者正電子發(fā)射斷層成像術(shù)(PET) ] 更高的分辨率。OCT利用小功率光源和相應(yīng)的光反射產(chǎn)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(yīng)用中，激光器掃描樣本，同時(shí)快速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)需要數(shù)據(jù)，并且處理系統(tǒng)產(chǎn)生斷層圖像。因此，系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜圖像處理并且精確控制激光器掃描。另外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制必須緊密同步，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良性能。常規(guī)系統(tǒng)

在OCT系統(tǒng)中，獲取最終圖像需要進(jìn)行重大處理，包括快速傅里葉變換(FFTs)、內(nèi)插和直流偏移計(jì)算。傳統(tǒng)上通過在主機(jī)上運(yùn)行的軟件進(jìn)行處理，需要消耗大量時(shí)間并且影響系統(tǒng)的整體成像速度。通常也在軟件中調(diào)節(jié)激光器，進(jìn)一步加重CPU的負(fù)擔(dān)。在常規(guī)系統(tǒng)中，我們認(rèn)識到進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所需要的時(shí)間使我們僅能夠?qū)崿F(xiàn)10幀/秒的圖像顯示率，即使系統(tǒng)的其他部分能夠更快的運(yùn)行。

圖2表示常規(guī)系統(tǒng)配置，它需要通過兩個(gè)裝置來獲取圖像數(shù)據(jù)并且控制激光掃描器。因?yàn)橄到y(tǒng)中有兩個(gè)板卡，所以接線更加復(fù)雜。

需要通過快速圖像顯示率來測量快速移動(dòng)的物體，例如人體器官或者運(yùn)動(dòng)中的物體。在獲得數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)之間也存在延遲。商業(yè)現(xiàn)貨計(jì)算機(jī)不能夠?yàn)槲覀冃枰某上裥阅芴峁┳銐虻奶幚?，并且?huì)增加系統(tǒng)成本。所有這些因素帶動(dòng)了開發(fā)新系統(tǒng)的需要。

下一代方案
為了對新的架構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)語言，可以無需知道VHDL編碼設(shè)計(jì)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(jié)合在一起。

 對于I/O，我們使用定制的適配器模塊，把用于數(shù)據(jù)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(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)電路(50 kS/秒、12位分辨率)結(jié)合在一起。通過使用NI FlexRIO對新系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)。我們最初使用LabVIEW在主機(jī)端開發(fā)算法(FFTs、內(nèi)插和直流偏移)。在驗(yàn)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(jī)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(shí)硬件和固件的運(yùn)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(guī)格、且更易部署的PCI Express板卡上。圖3表示新的系統(tǒng)配置。

實(shí)現(xiàn)更快處理并且減少系統(tǒng)體積
獲取數(shù)據(jù)后，在FPGA中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且把數(shù)據(jù)送回至電腦。在把處理從電腦移至FPGA后，我們發(fā)現(xiàn)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(tǒng)配置，我們實(shí)現(xiàn)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(tǒng)現(xiàn)在可以更快地顯示物體(包括人體器官和其他移動(dòng)的樣品)的圖像。而且，新的基于FPGA的系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)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(tǒng)的LabVIEW面板。

在常規(guī)系統(tǒng)配置中，我們需要兩個(gè)裝置 – 用于數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化儀和用于控制掃描器的D/A 板卡。我們還需要進(jìn)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(shù)據(jù)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(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建、接線和配置。另外，由于不再需要進(jìn)行額外接線，我們可以節(jié)省空間。

由于系統(tǒng)體積減少，我們可以人工搬運(yùn)整個(gè)系統(tǒng)，增加產(chǎn)品在各種地方中的新應(yīng)用。

結(jié)論
如果使用常規(guī)系統(tǒng)，由于創(chuàng)建圖像需要進(jìn)行密集計(jì)算處理，我們圖像顯示率會(huì)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(tǒng)體積。

過去，我們需要使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；利用FPGA進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)的新市場的需要。另外，借助 LabVIEW FPGA，我們可以在未來對FPGA進(jìn)行修改或者定制，滿足特殊客戶需要，節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。