通過速度最快的相機(jī)和采集卡實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)成像的實(shí)時全息渲染

在臨床眼科中使用Coaxlink技術(shù)，可以克服全息激光多普勒成像裝置實(shí)時觀察眼底血管的局限性。血流檢測在許多眼部疾病的診斷中起著核心作用。例如年齡相關(guān)性黃斑變性、青光眼、糖尿病性視網(wǎng)膜病變等可導(dǎo)致永久性視力喪失的眼部疾病。

測量眼部血流量的動機(jī)是研究血管化在疾病發(fā)展中的作用：及早發(fā)現(xiàn)疾病，在視力喪失之前阻止疾病進(jìn)展；以及評估管理治療的效率。采用CoaXPress圖像傳輸標(biāo)準(zhǔn)的超高速數(shù)碼相機(jī)問世后，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像采集與高頻激光多普勒測量的兼容。它為視網(wǎng)膜血管血流的無創(chuàng)成像提供了非凡的性能和圖像質(zhì)量。

眼部血流成像的目標(biāo)是：以高空間分辨率顯示血管；量化所有血管中的血流（cm/s 或 μl/min）；以高時間分辨率測量變化。

在這個實(shí)施示例中，一臺高速、先進(jìn)的高分辨率相機(jī)捕捉到了眼底血管的細(xì)節(jié)及其動態(tài)變化，并可顯示出心跳的節(jié)奏。 形態(tài)和時間細(xì)節(jié)對于實(shí)時重建原位血管及其可能病變的精確全息圖像非常重要。

相機(jī)制造商在提高傳感器圖像質(zhì)量和直接數(shù)據(jù)傳輸速度方面取得了巨大進(jìn)步，能夠以前所未有的分辨率和數(shù)據(jù)速率流式傳輸圖像。隨著光學(xué)傳感器的尺寸不斷得到改善，速度不斷得到提高，現(xiàn)在使用AMETEK旗下Vision Research公司的Phantom S710相機(jī)可以每秒20,000幀以上的幀率捕捉512x512像素（12位）的圖像。

Phantom S710 高速攝像機(jī)為機(jī)器視覺應(yīng)用提供高達(dá)7 Gpx/s (87.5 Gbps)的數(shù)據(jù)吞吐量，它借助 VEO 710 高速攝像機(jī)的性能和極高的幀速率、通過CXP6協(xié)議來實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺應(yīng)用。Euresys為特定相機(jī)（例如Phantom S710）提供示例程序，用戶可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適用性修改以支持更多的高速相機(jī)。

此前的相機(jī)方案已經(jīng)可以存儲同樣吞吐量水平的數(shù)據(jù)，但只支持在檢查完成以后進(jìn)行下載和分析。但如今的研究人員和從業(yè)者需要能夠?qū)崟r采集、顯示和分析數(shù)據(jù)，以便能夠立即用于解決現(xiàn)實(shí)問題。

此外，隨著圖形處理器(GPU)的出現(xiàn)，信號處理能力隨之大大提高。在這種情況下，在相機(jī)和處理器之間高速實(shí)時傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)就成為一大關(guān)鍵因素。 GPU 直接傳輸消除了不必要的系統(tǒng)內(nèi)存拷貝工作，降低了 CPU 開銷，減少了延遲，從而顯著改善了應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸時間。

要實(shí)現(xiàn)這種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸能力，取決于該方案的這兩個參數(shù)：最高連接速度和并行連接數(shù)量，同時還需要保證數(shù)據(jù)完整性和時序穩(wěn)定性。于是，我們選擇了CoaXPress工業(yè)視覺標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)能夠在不丟失任何信息的情況下以極高的速度實(shí)時傳輸圖像。 另外，Euresys提供的C2C-Link能實(shí)現(xiàn)同一PC或遠(yuǎn)程PC中一個或多個Coaxlink卡相連的多臺相機(jī)的同步。  可以通過PC內(nèi)C2C-Link帶狀電纜進(jìn)行這種同步連接（同步同一臺PC中的多個板卡）

正是考慮到這一點(diǎn)，Langevin Institute與巴黎Quinze-Vingt醫(yī)院合作，選擇將EURESYS的Coaxlink Octo卡與Phantom S710相機(jī)結(jié)合使用。該卡提供8個CoaXPress CXP-6連接器 (5,000 MB/s)，可用來設(shè)計(jì)新型臨床全息多普勒成像裝置，成像裝置的圖像采集和渲染軟件由HolovibesDigital Holography Foundation開發(fā)。

EURESYS Coaxlink Octo采集卡與CoaXPress標(biāo)準(zhǔn)兼容。與EURESYS Coaxlink系列的所有型號一樣，當(dāng)同一臺計(jì)算機(jī)上安裝了兩張或更多的采集卡時，可以同步運(yùn)行。無論傳輸?shù)膱D像多大，它們都能保證Phantom S710相機(jī)發(fā)揮最大傳輸能力。

它在同一臺電腦中成對使用，以達(dá)到Phantom S710相機(jī)通過它的16路CoaXPress CXP-6通信端口提供的幀率。 這兩張EURESYS Coaxlink Octo卡管理同步的采集數(shù)據(jù)，實(shí)時重建單個全局圖像，通過直接訪問內(nèi)存（直接內(nèi)存訪問 - DMA）， Coaxlink Octo圖像采集卡還包括Memento調(diào)試工具，可記錄與相機(jī)、圖像采集卡、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序相關(guān)的事件的準(zhǔn)確日志。通過上下文信息和邏輯分析器視圖，它為所有流數(shù)據(jù)提供了時間戳事件的精確日志。該工具提供接近1微秒的精度，使其成為解決時間問題（如識別電纜、觸發(fā)和緩沖問題）的理想選擇。

在這個過程中，Holovibes應(yīng)用程序可以實(shí)時處理采集的激光干涉圖，以極小的延遲構(gòu)建并顯示高質(zhì)量的全息激光多普勒圖像。Coaxlink技術(shù)造就了這一前所未有的性能，標(biāo)志著超快全息多普勒激光在眼科成像領(lǐng)域邁出了重要一步。與磁共振成像(MRI)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和超聲波成像等其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)一樣，基于高速數(shù)字計(jì)算的圖像渲染技術(shù)在取得這些改進(jìn)后，診斷領(lǐng)域勢必會帶來重大進(jìn)展。

臨床全息多普勒成像裝置 (左圖) R記錄的干涉圖  (中間圖), 通過數(shù)字計(jì)算構(gòu)建的全息多普勒圖像 (右圖)

Phantom S710和Coaxlink Octo圖像采集卡的組合在眼科成像和許多其他應(yīng)用中提供了無與倫比的性能。測試可以在當(dāng)前可用的相機(jī)和圖像采集卡所需的一半時間內(nèi)完成，大大減少了患者的不適感和測試成本。