FlexRIO​による​特殊​レーザー​を​用​い​た 高​分解能・​高速・​高​感度​OCT​装置​の​開発

- Atsushi KUBOTA, Sky Technology Inc.

"NI​製品​群​および​LabVIEW​プラットホーム​を​ベース​と​する​こと​で、​FPGA​の​開発​から​Windows​で​の​データ​表示​部分​まで、​一貫​した​環境​で​実施​する​こと​が​でき​た。​また、​FlexRIO​コントローラ​により、​MXI​で​構成​した​機能​検証​用 試作​機​から​少ない​変更​で​量産​試作​機​へ​移行​する​こと​が​でき、​小型化​という​お客様​の​要望​も​満​た​せ​た​上、​システム​の​コスト​も​20%​削減​する​こと​が​でき​た。"

- Atsushi KUBOTA, Sky Technology Inc.

課題:

OCT​では、​空間​的​に​分離​さ​れ​た​光​の​情報​を​FFT​演算​する​事​により​画像​化​さ​れ​た​奥行き​情報​として​得る​こと​が​できる​が、​この​プロジェクト​では​市販​製品​(30 kHz​~​50 kHz)​より​も​高速​な​OCT​システム​(最大​75kHz​の​ライン​レート​の​InGaAs​カメラ​使用)​を​開発​する​こと​が​目的​で​あり、​より​大量​の​データ​収集​し、​高速​に​FFT​演算、​立体​画像​化​する​処理​システム​を​開発​する​必要​が​あっ​た。 また、​医療​機器​として​販売​する​ため、​これら​が​小型​で​一体化​した​システム​で​ある​必要​が​あっ​た。

ソリューション:

NI 1483 画像​処理​モジュール​と​PXIe-7966R FPGA​モジュール​を​使用​し、​ライン​カメラ​から​の​深​さ​方向​の​光​干渉​データ​(2048​点)​を​収録​し​つつ、​FPGA​で​逐次​FFT​演算​を​行い、​画像​化​した​奥行き​情報​を​MXI Express​を​使用​し​て​PC​へ​直ちに​転送。 ガル​バ​ノ​スキャナー​制御​に​は、​NI PXIe-6361​を​使用​し、​患部​へ​の​レーザー​が​当たる​位置​を​変化​さ​せ​ながら、​立体​データ​を​最大​75 kHz​の​ライン​レート​で​収録。​収録​した​立体​データ​は、​PC​の​GPU​を​使用​した​ボリューム​レン​ダ​リング​を​行い、​直ちに​立体​画像​の​表示​を​行う​事​が​できる​システム​を​構築​した。

作成​者:

Masayuki SUZUKI - Faculty of Medicine, Saitama Medical University
​Michihiro KANEDA - Sparkling Photon
​Atsushi KUBOTA - Sky Technology Inc.

 

背景

光​の​干渉​を​利用​し、​対象​の​内部​構造​を​計測​する​OCT(Optical Coherence Tomography)​の​技術​は、​従来​診断​装置​と​比較​し、​高速・​高​分解能​で​患部​の​断層​を​撮像​する​こと​が​でき、​さらに​近赤外線​を​使用​する​ため​人体​に対する​負担​が​少​なく、​眼、​皮膚、​血管​など​様々​な​人体​組織​の​撮像​に​使用​さ​れ​て​いる。

 

埼玉​医科​大学​では、​LD(Laser Diode)​励起​ファイバー​レーザー​技術​を​用​い​て​波長​1000nm​帯​における​広帯域​の​光源​の​開発​を​行い、​従来​品​に対して​高​浸​達​で​高​分解能​な​OCT​装置を製作することが可能となった。

 

今回、​この​光源​を​使用​した​OCT​システム​を、​埼玉​医科​大学、​スパーク​リング​フォト​ン​株式会社、​株式会社​スカイ​テクノロジー​の​3​社で共同開発することとなった。

 

課題

OCT​では、​空間​的​に​分離​さ​れ​た​光​の​情報​を​FFT​演算​する​事​により​画像​化​さ​れ​た​奥行き​情報​として​得る​こと​が​できる​が、​この​プロジェクト​では​市販​製品​(30kHz​~​50kHz)​より​も​高速​な​OCT​システム​(最大​75kHz​の​ライン​レート​の​InGaAs​カメラ​使用)​を​開発​する​こと​が​目的​で​あり、​より​大量​の​データ​収集​し、​高速​に​FFT​演算、​立体​画像​化​する​処理​システム​を 開発​する​必要​が​あっ​た。

 

また、​医療​機器​として​販売​する​ため、​これら​が​小型​で​一体化​した​システム​で​ある​必要​が​あっ​た。

 

ソリューション

FlexRIO NI 1483 画像​処理​モジュール​と​PXIe-7966R FPGA​モジュール​を​使用​し、​ライン​カメラ​から​の​深​さ​方向​の​光​干渉​データ​(2048​点)​を​収録​し​つつ、​FPGA​で​逐次​FFT​演算​を​行い、​画像​化​した​奥行き​情報​を​MXI Express​を​使用​し​て​PC へ​直ちに​転送。​ガル​バ​ノ​スキャナー​制御​に​は、​NI-​DAQ PXIe-6361​を​使用​し、​患部​へ​の​レーザー​が​当たる​位置​を​変化​さ​せ​ながら、​立体​データ​を​最大​75kHz​の​ライン​レート​で​収録。​収録​した​立体​データ​は、​PC​の​GPU​を​使用​した​ボリューム​レン​ダ​リング​を​行い、​直ちに​立体​画像​の​表示​を​行う​事​が​できる​システム​を​構築​した。

 

 

アプリケーション​概要・​システム​概要

【機能​検証​用 試作​機​の​作成】

埼玉​医科​大学​で​開発​した​光源​が​全​波長​型​(広帯域)​で​ある​ため、​OCT​の​システム​として​分光​器​型​OCT(SD-​OCT)​を​採用​し​て​いる。

 

SD-​OCT​では、​光源​から​全て​の​波長​を​同時に​出力​し、​ハーフ​ミラー​で​参照​光​と​測定​光​に​分離。​患部からの反射光と参照光を干渉させ、​干渉​波​を​分光​器​で​分光​し、​ライン​カメラ​で​検出​する​事​で​深​さ​方向​の​情報​を​取得​する。

 

この​時、​測定​光​を​ガル​バ​ノ​スキャナー​で​走査​する​事​により、​立体​画像​を​得る​こと​が​できる。

 

 

本​プロジェクト​では、​最初​に​機能​検証​用 試作​機​(以下 試作​機)​を​作成​し、​開発​した​OCT​光源と光学系の調整および処理アルゴリズムの確立を行った。

試作​機​の​システム​構成​(図​2.)​は​以下​と​なる。

  • PXI​シャー​シ: PXIe-1071
  • 画像​収録​ボード: FlexRIO​モジュール NI1483 + PXIe-7966R
  • DAQ​ボード: PXIe-6361
  • MXI​ボード: PXe-​PCIe8381
  • RAID​システム: HDD-8265
  • ライン​カメラ: UTC Aerospace GL2048
  • 分光​器: BaySpece
  • ホスト​PC: Intel Xeon 3G、​24GB Ram、​512SSD、​Nvidia GeForce TITAN
  • 開発​言語: LabVIEW 2013 + LabVIEW FPGA 2013

 

 

DAQ​ボード PXIe-6361​で、​ガル​バ​ノ​スキャナー​制御​(アナログ​電圧)​と​カメラ​へ​の​シャッター​信号​(TTL)​を​制御​し、​画像​収録​ボード FlexRIO NI 1483+PXIe-7966R​で​1​ライン​毎​データ​の​収録​を​行い​ながら、​逐次​FFT​演算​を​行う。 この​FFT​演算​処理​は、​カメラ​の​最大​収録​速度​75kHz​で​ある​こと​から、​同等​の​速度​で​実行​さ​れる​必要​が​ある​が、​当初​は​カメラ​から​の​データ​転送​の​仕組み​による​影響​など​で​半分​の​速度​(37kHz)​しか演算することができなかった。​そこで、​FFT​演算​処理​を​2​つ​並列​に​実装​し、​ライン​毎​に​FFT​演算​処理​を​割り振る​こと​で、​当初​目標​の​75kHz​の​FFT​演算​処理​を​実現​し​て​いる。

 

こうして​FFT​演算​さ​れ​た​データ​は、​MXI​を通して​ホスト​PC​に直ちに転送され​(1024​点​x​(実​部​4bytes​+虚​部​4bytes)x75kHz≒614.4Mb/​s)、​ホスト​PC​では、​転送​さ​れ​た​データ​を​収集​し、​GPU​へ​データ​転送​し、​GPU​で​ボリューム​レン​ダ​リング​後に​ディスプレイ​に​表示​さ​れる。

 

また、​診断​時​の​エビデンス​用​に、​OCT​立体​画像​データ​保存​機能​も​有​し​て​おり、​RAID​を​使用​する​事​で、​収録​し​て​いる​全て​の​データ​保存​が​できる​よう​に​な​って​いる。​さらに、​OCT​光学​系​の​調整​用​に、​FPGA​で​FFT​演算を行わず、​カメラ​から​収録​した​生​データ​を​保存​し、​波形​として​同時に​表示​する​機能​も​持​た​せ​て​いる。

 

【 量産​機​の​試作】

試作​機​で​OCT​装置​の​性能​目標​を​達成​する​こと​が​でき​た​が、​量産​に​向け​て​は、​さらなる​小型化・​低コスト化が求められた。​量産​機​の​検討​を​行​って​い​た​ところ、​NI​より​FlexRIO​用​コントローラ NI 7935R​が発売された。​NI 7935R​は、​NI Linux Real-​Time OS​を​備え​た​スタンドアロン​で​動作​する​FlexRIO FPGA​モジュール​と​な​って​おり、​FlexRIO​アダプタ​モジュール​が​そのまま​使用​でき、​Real-​Time OS​用​に​一部​コード​を​変更​する​必要​が​ある​が、​試作​機​で​作成​した​LabVIEW​コード​が​そのまま​利用​できる​こと​から、​量産機のデバイスとして採用に至った。

量産​機​の​システム​構成​(図​3.)​は​以下​と​なる。

  • FlexRIO​コントローラ: NI 7935R
  • FlexRIO​アダプタ​モジュール: NI 1483
  • DAQ​ボード: USB-6361
  • ライン​カメラ: UTC Aerospace GL2048
  • 分光​器: BaySpece
  • Ethernet​ボード: Intel 82599 10Gb Ethernet Controller
  • ホスト​PC: Advantech​カスタム​PC (Intel Xeon E5-2630、​16GB Ram、​256+512SSD、​Nvidia Quadro M4000)
  • 開発​言語: LabVIEW 2015 + LabVIEW Real-​Time 2015 + LabVIEW FPGA 2015

 

 

試作​機​と​量産​機​で​の​変更​点​は​以下​3​点​と​なる。

  • カメラ​トリガ​の​入力​方法
  • 接続​方法​の​違い​による​処理​の​変更
  • ホスト​PC​と​FlexRIO​モジュール​と​の​データ​転送​方法

カメラ​トリガ​の​入力​方法​は、​試作​機​では、​DAQ​ボード​から​出力​した​トリガ​信号​は、​PXI​シャー​シ​の​バック​プレー​ン​を通して、​FlexRIO​ボード​へ​転送​し​てい​た​が、​量産​機​では、​DAQ​ボード​から​の​トリガ​信号​を、​一度​端子​台​に​出力​し、​その​信号​を​FlexRIO​コントローラ​の​Trig In​端子​に​入力​する​よう​に​変更​し​て​いる。

 

接続​方法​の​違い​による​処理​の​変更​では、​試作​機​では​MXI​により​ホスト​PC​に​各種​ボード​が​直接​接続​さ​れ​て​いる​状態​と​な​って​い​た​が、​量産​機​で​採用​し​て​いる​FlexRIO​コントローラ​の​場合、​それ​自体​が​Real-​Time OS​により​独立​し​て​動作​し​て​いる​デバイス​と​なる​ため、​ここ​の​処理​と​ホスト​PC​と​の​通信​部分​を​追記​する​必要​が​あっ​た。

 

また、​物理​的​接続​の​部分​でも、​試作​機​では​MXI​ケーブル​で​の​接続​だ​っ​た​の​に対して、​量産​機​では、​ホスト​PC​から​FlexRIO​コントローラ​へ​の​指令​を​USB​による​仮想​Ethernet​通信​で​行い、​FlexRIO​コントローラ​から​の​大量​の​データ​転送​は、​SFP​+による​10Gb Ethernet​の​UDP​通信​として​いる。

 

特に、​10Gb Ethernet​通信​は、​FlexRIO​コントローラ​の​FPGA​が​直接​サポート​する​機能​を​使用​し​て​おり、​データ​通信​の​高速​性​と​信頼​性​を​両立​する​ため、​難しい処理となったが、​NI 技術​部​の​手厚い​サポート​の​おかげ​も​有​り、​試作​機​と​同等​の​614.4Mb/​s​で​の​安定​した​データ​転送​を​実現​し、​高速​性・​信頼​性​を​確保​する​こと​が​でき​た。​よって、​当初​心配​し​てい​た​最新​機種​へ​の​変更​による​開発​工数​の​増加​や​小型化​による​処理​速度​の​低下​は​殆ど​なく​完成​する​こと​が​出来​た。

 

導入​効果

新た​に​構築​した​ソリューション​の​メリット

  • 埼玉​医科​大学​で​新た​に​開発​した​光源​と​NI​プラットホーム​を​使用​した​高速​な​データ​処理​システム​を​組み合わせる​こと​により、​既存​製品​と​比較​し、​高​浸食・​高​分解能​な​断層​画像​撮像​による、​中途​失明​疾患​の​早期​診断・​治療​に​貢献​する​こと​が​でき、​撮像​時間​の​高速​化​により​患者​へ​の​負担​を​軽減​する​こと​が​でき​た。
  • 新た​に​開発​した​光源​により​従来​技術​の​OCT​で​可視​化​でき​なか​っ​た​深部​の​可視​化​が​できる​こと​が​期待​できる。​同時に​新薬​の​効果​による​微小​変化​を​経時​的​に​観察​できる​ため、​患者​に​合わせ​た​新た​な​治療​の​開拓​が​期待​さ​れる。

 

NI​製品​を​採用​する​メリット

  • NI​製品​群​および​LabVIEW​プラットホーム​を​ベース​と​する​こと​で、​FPGA​の​開発​から​Windows​で​の​データ​表示​部分​まで、​一貫​した​環境​で​実施​する​こと​が​でき​た。
  • 75kHz​という​高速​の​ライン​カメラ​信号​を​FFT​し​画像​化​する​ため​に​は、​NI1483 + PXIe-7966R​が​不可欠​で​あっ​た。
  • 今回​使用​した​NI 7935R FlexRIO​コントローラ​により、​MXI​で​構成​した​機能​検証​用 試作​機​から​少ない​変更​で​量産​試作​機​へ​移行​する​こと​が​でき、​小型化​という​お客様​の​要望​も​満たす​こと​が​でき​た。​また、​量産​時には​重要​に​なる​システム​の​コスト​も​20%​削減​する​こと​が​でき​た。

 

まとめ​と​今後​の​展望

開発​した​装置​の​有用​性​を​証明​する​臨床​データ​の​取得​と同時に​電気​試験​を​行い、​医療​機器​として​の​認証​を​取得​する。 また、​医療​機器​として​の​装置​の​利便​性​を​医師​の​意見​を​伺い​ながら​向上​させる。

 

著者​情報:

Atsushi KUBOTA
​Sky Technology Inc.
​Japan