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烧赤惠
5 years ago
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1 基于 LabVIEW 的组织光学测量系统的设计 Design of Tissue Optics Measuring System Based on LabVIEW (1. 第四军医大学 ;2. 天津大学 ) 曾召利 1, 刘迎 2, 屈学民 1, 龙开平 ZENG ZHAOLI, LIU YING, QU XUEMIN, LONG KAIPING 基金项目 : 国家自然科学基金 ; 项目名称 : 强吸收小体积生物组织的近红外光漫反射光谱研究 ; 编号 : ; 摘要 : 以 NI 公司 B 系列数据采集卡 PCI-6014 和步进电机为硬件, 以 LabVIEW 为软件开发平台, 设计了一种组织光学实时测量系统该系统通过步进电机驱动探测光纤对样品进行连续测量, 并由数据采集卡对信号进行采集, 实现了探测与采集的自动控制同时将采集的数据存盘, 以备后续的组织光学参数分析并用不同浓度的 Intralipid 组织模拟液进行了实验, 取得了较好的测量效果关键词 :LabVIEW; 数据采集 ; 组织光学 ; 虚拟仪器中图分类号 :TP319 文献标识码 :B Abstract: In this paper, a real-time tissue optics measuring system is designed by using the motor and the B series data acquisition card PCI-6014 produced by NI company, and taking LabVIEW as software designing platform. The system achieves the automatic control and acquisition by the motor driving the optical fiber and the data acquisition card. Simultaneously, it can save the acquired data record for analysis of the tissue optical properties. The measurement is executed using Intralipid tissue-simulating phantom, which is proved to achieve success. Key words: LabVIEW; data acquisition; tissue optics; virtual instruments 0 引言组织光学是介于光学和生物学之间的交叉学科, 是医学光子技术的理论基础 [1], 它主要研究光辐射与生物组织的相互作用并通过相互作用来反映生物组织内部的特征信息对生物组织的光学参数进行比较准确的测量, 是组织光学研究的一个重要课题, 也是进一步研究光在生物组织中传播的基础, 并且在激光外科光动力疗法等激光临床治疗中具有重要的指导意义对生物组织光学参数进行测量, 传统的方法可以采用光功率计对生物组织的漫反射光进行测量和分析, 但缺点是探测光纤移动困难, 工作繁琐, 耗时长本文采用虚拟仪器技术 [3,4], 开发了一种基于 LabVIEW 软件平台的组织光学漫反射自动测量系统能够有效解决上述问题, 并用不同浓度的 Intralipid 组织模拟液进行了实验, 结果表明, 该系统具有稳定性好操作简单测量精度高测量速度快等优点 1 总体设计方案 1 曾召利 : 硕士助教 sea3053@163.com Tel:

图 1 系统原理框图系统框图如图 1 所示激光器发出的红光经过源光纤到达被测样品, 源光纤固定不动, 漫反射光由探测光纤接收, 探测光纤通过 LabVIEW 编程控制步进电机进行驱动和连续测量, 接收到的光信号由光电倍增管 (PMT) 转换为电流信号, 再经过前置放大器放大为足够大的电压信号 ( 噪声信号由前置放大器滤除 ), 最后由数据采集卡 (PCI-6014) 采集,

2 图 1 系统原理框图系统框图如图 1 所示激光器发出的红光经过源光纤到达被测样品, 源光纤固定不动, 漫反射光由探测光纤接收, 探测光纤通过 LabVIEW 编程控制步进电机进行驱动和连续测量, 接收到的光信号由光电倍增管 (PMT) 转换为电流信号, 再经过前置放大器放大为足够大的电压信号 ( 噪声信号由前置放大器滤除 ), 最后由数据采集卡 (PCI-6014) 采集, 计算机存储和显示 2 硬件部分 2.1 激光器在组织光学参数测量中, 激光器的选择主要考虑的是功率波长和稳定性等参数本设计采用的是美国普林公司的光纤耦合激光器 (LPF650-62FC), 该激光器最大输出功率为 10mw, 波长为 650nm, 同时采用了 Instek 公司的多通道直流稳压电源外串电阻作为驱动电路, 避免了电源电压不稳带来的输出光强的波动 2.2 数据采集卡采用美国国家仪器有限公司 (NI) 的多功能数据采集 (DAQ) 卡 PCI-6014, 该数据采集卡可采集 16 路单端或 8 路差分模拟输入信号, 具有 2 路模拟输出通道,8 路数字输入输出通道,2 个 24 位计数 / 定时器, 采样精度为 16 位, 采样速率为 200kS/s 2.3 步进电机本系统采用北京光学仪器厂的 SC101 型步进电机控制器及精密平移台, 步进电机利用 LabVIEW 编程, 通过 RS-232 串口通信, 控制平移台驱动探测光纤进行高分辨和小距离移动步进电机的脉冲当量为 mm, 丝杠导程为 4mm, 光纤移动间距为 0.125mm 2.4 光电倍增管光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件, 系统采用的是华东电子管厂的 GDB-423 型光电倍增管 (PMT), 该 PMT 的峰值波长为 420nm, 它具有红白比光电特性好, 增益高暗电流低和工作稳定等优点 3 软件部分软件部分用 LabVIEW 进行编写, 系统前面板如图 2 所示图 2 系统前面板界面前面板包括两个图形显示区 : 监测波形显示和保存波形显示, 监测波形显示用于将系统调

整到稳定状态, 而保存波形显示用于实时显示采集信号并将该数据保存, 采集按钮用于两个显示区之间的切换 ; 步进电机控制方框用于设置步进电机串口通信参数, 以及调整步进电机的步长和运行速度 ; 采集卡控制方框用于设置 PCI-6014 采集卡的采样通道采样速率采样点数等参数 ; 数据保存方框可以设定采集数据在 PC 中的保存路径, 以便后续的数据处理和参数分析 3.

3 整到稳定状态, 而保存波形显示用于实时显示采集信号并将该数据保存, 采集按钮用于两个显示区之间的切换 ; 步进电机控制方框用于设置步进电机串口通信参数, 以及调整步进电机的步长和运行速度 ; 采集卡控制方框用于设置 PCI-6014 采集卡的采样通道采样速率采样点数等参数 ; 数据保存方框可以设定采集数据在 PC 中的保存路径, 以便后续的数据处理和参数分析 3.1 步进电机控制模块图 3 步进电机控后面板 LabVIEW 中采用 VISA 实现与步进电机之间的串口通信与控制 [4] VISA 是英文虚拟仪器软件架构 (Virtual Instrument Soft Architecture) 的缩写, 它定义了新一代 I/O 接口的软件规范, 支持包括串口在内的多种类型的接口, 为应用程序和仪器之间的通信建立了通道, 提供了一致的接口步进电机控制的后面板如图 3 所示, 所用到的接口函数有 :VISA Configure Serial Port 设定串口的传输参数, 其中数据传输的波特率为 19200b/s, 数据位为 8 位, 停止位为 1 位, 没有校验位, 这些设置都与系统设计的硬件传输特性一致 ;VISA Resource Name 选择 I/O 接口类型以及设备地址等信息 ;VISA Write 把 write buffer 中的字符串写入指定的设备 ;VISA Close 关闭与指定设备的通讯过程, 释放系统资源 3.2 数据采集控制模块 NI 公司的 DAQ 程序库中包含了 PCI-6014 卡的驱动程序, 在 Measurement & Automation Explorer 界面下 Devices and Interfaces 中就可以识别该设备, 采集卡的输入信号按照参考地单端输入 (RSE) 方式进行连接, 输入范围为 ± 10V 数据采集的后面板如图 4 所示, 模块中使用 AI Acquire Waveform.vi 对数据采集卡的相关参数进行设置, 包括采样设备采样通道采样频率采样点数等测量时, 系统首先启动步进电机驱动光纤探头移动微小间距, 然后设置 0.5 秒的延迟作为探头的稳定时间, 再控制采集卡对样品进行数据采集, 如此循环, 直到采集完成所需的采样点数 3.3 数据显示及保存模块图 4 数据采集后面板

4 LabVIEW 开放平台中集成了许多功能函数用来保存用户数据, 根据数据量的大小可以按文本文件二进制文件数据库以及生成报表的方式进行存储本系统采用最简单的 *.txt 格式对采集数据进行保存, 包括实验者实验时间实验结果和存取路径等, 以便后续的数据处理和参数分析, 并采用 charts.vi 子函数对采集数据进行实时显示 4 实验测量实验中采用 Intralipid 组织模拟液作为样品, 该模拟液的医用名称叫脂肪乳注射液, 它的结构和光学特性与人体皮肤十分接近利用设计的组织光学测量系统, 在激光器电压为 4.5v 时分别对 10%,20%,30% 三种不同浓度的 Intralipid 模拟液进行了测量, 其结果如图 5 所示实验结果表明, 该系统运行良好, 测量速度快, 对不同浓度模拟液的组织光学漫反射测量精度较高, 完全满足课题研究中对生物组织参数测量的要求图 5 不同浓度 Intralipid 组织模拟液漫反射测量结果 5 结束语利用 PCI-6014 数据采集卡和步进电机开发了一种基于 LabVIEW 的组织光学漫反射自动控制和采集系统, 并进行了实验测量实验结果表明 : 该系统能够对 Intralipid 组织模拟液的光学参量进行实时测量, 并具有稳定性好测量精度高操作简单测量速度快等优点, 完全能够满足课题研究的需要本文作者创新点 : 采用虚拟仪器技术, 设计了一种组织光学参数的自动测量系统参考文献 [1] Farrel T J, Patterson M S, Wilson B C. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. Med Phys. 1992, 19: [2] 刘君华. 基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计 [M]. 北京 : 电子工业出版社,2003. [3] 邓焱, 王磊. LabVIEW7.1 测试技术与仪器应用 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2004. [4] 任丽丽, 张志杰, 基于 LABVIEW 的串口数据采集系统 [J] 微计算机信息,2008,3-1:56-58 作者简介 : 曾召利 (1981-), 男, 汉族,2007 年毕业于天津大学应用物理系,2008 年至今在第四军医大学生物医学工程系, 助教, 主要从事生物物理的研究 Biography: Zeng Zhaoli(1981-), male(han), College of Biology Medical Engineering, Fourth Military Medical University. Assistant. Research in biology physics. ( 西安第四军医大学生物医学工程系 ) 曾召利屈学民龙开平

5 ( 天津天津大学应用物理系 ) 刘迎 (College of Biology Medical Engineering, Fourth Military Medical University, Xian , China)Zeng Zhaoli, Qu Xuemin, Long Kaiping (College of Applied Physics, Tianjin University, Tianjin , China)Liu Ying

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