通過速度最快的相機和采集卡實現(xiàn)醫(yī)學成像的實時全息渲染

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展；以及評估管理治療的效率。采用CoaXPress圖像傳輸標準的超高速數(shù)碼相機問世后，實現(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。

在這個實施示例中，一臺高速、先進的高分辨率相機捕捉到了眼底血管的細節(jié)及其動態(tài)變化，并可顯示出心跳的節(jié)奏。 形態(tài)和時間細節(jié)對于實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 高速攝像機為機器視覺應(yīng)用提供高達7 Gpx/s (87.5 Gbps)的數(shù)據(jù)吞吐量，它借助 VEO 710 高速攝像機的性能和極高的幀速率、通過CXP6協(xié)議來實現(xiàn)機器視覺應(yīng)用。Euresys為特定相機（例如Phantom S710）提供示例程序，用戶可以在此基礎(chǔ)上進行適用性修改以支持更多的高速相機。

此前的相機方案已經(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，在相機和處理器之間高速實時傳輸數(shù)字數(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。

要實現(xiàn)這種數(shù)字數(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)視覺標準。這是因為該標準能夠在不丟失任何信息的情況下以極高的速度實時傳輸圖像。 另外，Euresys提供的C2C-Link能實現(xiàn)同一PC或遠程PC中一個或多個Coaxlink卡相連的多臺相機的同步。  可以通過PC內(nèi)C2C-Link帶狀電纜進行這種同步連接（同步同一臺PC中的多個板卡）

正是考慮到這一點，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標準兼容。與EURESYS Coaxlink系列的所有型號一樣，當同一臺計算機上安裝了兩張或更多的采集卡時，可以同步運行。無論傳輸?shù)膱D像多大，它們都能保證Phantom S710相機發(fā)揮最大傳輸能力。

它在同一臺電腦中成對使用，以達到Phantom S710相機通過它的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、圖像采集卡、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序相關(guān)的事件的準確日志。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)、計算機斷層掃描(CT)和超聲波成像等其他醫(yī)學成像技術(shù)一樣，基于高速數(shù)字計算的圖像渲染技術(shù)在取得這些改進后，診斷領(lǐng)域勢必會帶來重大進展。

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。測試可以在當前可用的相機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。