[NI技术]借助NIFlexRIO实现光声定量超声测量

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1、NATIONAL尸INSTRUMENTS[NI技术]借助NlFlexRIO实现光声定■超声测童“NI产品为我们提供了尖端医学研究所需的快速原型设计，使我们的开发工作变得非常迅速和轻松。借助NI产品，我们将学术概念验证研究与临床试验有效地结合起来。”・PasiKarppinen,UniversityofHelsinkiTheChallenge:开发用于训整光声测■数据的实时系统，以进行骨质疏松症临床评估。TheSolution:使用NIFlexRIO和NILabVIEW将超声波信号连接至延时激光二极管阵列，以

2、优化病人体内的超声光声激励。图1:将手卡在两个位置上进行测■Author(s):PasiKarppinen・UniversityofHelsinkiJariTuovinen・UniversityofHelsinkiTimoKarppinen・UniversityofHelsinkiEdwardHaeggstrom•UniversityofHelsinkiPetroMoilanen・UniversityofJyvaskylaJussiTimonen-UniversityofJyvaskylaZuominZha

3、o・UniversityofOuluRistoMyllyla-UniversityofOuluLifeSciences-FINALIST•GRAPHICALSYSTEMDESIGN•ACHIEVFMTNTAWARDS简介基于超声导波的多模骨定■超声可用于评估矿物密度、弹性刚度、孔隙度和皮质骨厚度等骨骼夙性。这些同性与骨骼抵抗外力避免骨折的能力相关。因此，多模QUS提供一个用于预测骨折概率的方法，并可帮助病人确定是否存在概率提高的风险。该方法的主要技术挑战在于穿过被须软组织来仿真和检测超声信号。尤其是，某些临

4、床用的超声波模式无法穿透软组织底。我们采用光声方法(PA)解决了这个问题*左这种方法中，激光朿穿过软组织激励并检测橈骨表面处的宽带超声。PA解决了传统超声激励换錢器的接触问®,同时也避免了可能对软组织造成的不利影响。在我们采用的光声定■超声(PAQUS)方法中,趨声导波在骨皮质中传播。这些导波对于临床医学感兴趣的特定骨参数非常敏感。每种超声波模式达到最高灵敏度的超声频带各有不同。由于不同个体的软组织和骨骼在大小和形状上均有差异，因而这些特性频带也因人而异。这种解剖学上的自然差异会导致显着的测园(和临床评估)

5、偏差，除非每次测量都根据不同的个体询整频带。这种佩差降低了测试的临床适用性和相关性。我们通过实施澈励调谐解决了这个问题。但是，目前的调谐速度对于实际活体临床测■来说是非常慢的。临床PAQUS方法应用弼要快速自动地进行激励调谓。为此，我们开发了一个相位延迟激光二极管阵列源。接下来，我们找到了快速激励阵列元件的方法，以充分利用激励迴谐的优势。滋励定时可控制能量传输到骨骼中以指定频带传播的所需波型的方式。因此，为了实现快速自动调谐•我们设计了一个反馈系统，可通过基于频域的反馈算法快速找到每个个体相匹配的时间。为了

6、搭建反馈系统，我们両要一个用户可配置的现场可编程门阵列(FPGA)和一个至少具有40MS/s采样速率的数字化仪。而唯一可用的现成解决方案是NIFlexRIO及其数字化仪模块・因此我们便选择了该解决方案。除了所需的采样率，数字化仪的14位分辨率为我们提供了具有宽动态范围的准确测员数据.这一点非常重要.因为在骨骼中传播的信号可能比左软组织中传播的信号弱得多。仪器功能PAQUS设备可对前習橈骨进行评估。超声信号由4个905纳米的激光二极管逬行激励,每秒可激励1.000次脉冲，每个脉冲宽度为500nsoNlPXIe

7、-7961RFPGA模块独立控制每个激光二极管。NI5732数字化仪的数字输岀将触发信号路由至激光二极管阵列。触发时间分辨率是150nso光纤将二极管产生的光脉冲引导至线性阵列。近红外线经校准后传输到前哲。棧骨中激励生成的超声信号由两个中心频率为200kHz的压电接触换能器进行检测。该设备封装在一个PXI机箱.PXI机箱为临床应用提供了一个坚固的便携式平台。定制的设备对信号进行预放大，然后由NI5732将信号数字化。NIPXIe-7961R模块实时分析接收到的声音信号，并确定每个激光二极管的延迟。执行的反馈

8、算法根据每个个体对激励逬行优化。该分析包括信号的快速傅立叶变换(FFT)和所接收的趙声信号FFT频诰的半最大值处全宽度(FWHM)测定。该算法将FFT・FWHM的导数最小化,以针对每个个体的不同参数对激励逬行优化。FFT-FWHM的导数最小时，频带的宽度最窄,超声模式色散最强•因此棧骨皮质岸度评估的测试仪灵敏度达到嚴高。结果我们开发的反馈系统帮助我们对测试对象的骨质航松症预测指标进行评估。我们可以通过反馈算法来快