NI LabVIEW​と​PXI​を​用​い​て、​MRI​システム​コントローラ​と​マルチ​チャン​ネ​ルス​ペ​ク​トロ​メータ​(MCS)​の​統合​システム​を​開発​する

"NI​ツール​を​ベース​と​した​研究​用​の​スペクトロメータ​は、​柔軟性​に​優​れ​た​研究​ツール​で、​場合​によって​は、​その​性能​は​大手​の​MR​メーカー​が​提供​する​システム​を​上​回り​ます。​必要​に​応​じ​て、​ソフトウェア​を​修正​し、​新しい​要件​に​も​対応​できる​よう、​システム​を​カスタマイズ​する​こと​も​可能​です。" ​

- Martyn Paley, University of Sheffield, InnerVision

課題:

標準​で​使用​し​て​いる​ハードウェア​/​ソフトウェアに修正を加えずに、​臨床​で​使用​さ​れる​MRI​システム​で​MRI​の​研究​が​行える、​低​コスト​の​制御・​集録​システム​を​構築​する。 ​

ソリューション:

NI LabVIEW​ソフトウェア​と​NI​の​商用​ハードウェア​を​使​って、​MR​の​研究者​が​通常​の​スキャナ​制御​システム​と​は​別に​使う​こと​の​できる、​磁気​共鳴​(MR)​制御​システム​と​マルチ​チャンネル​イメージ​ン​グ​ス​ペ​ク​トロ​メータ​の​統合​システム​を​構築​する。 ​

MRI​が​現在​最も​優​れ​た​画像​診断​ツール​で​ある​こと​は​間違い​ない​で​しょう。​MR​システム​の​価格​は​通常、​100​万​米ドル​以上​で、​GE、​Siemens、​Philips​といった​大手​の​エレクトロニクス​企業​によって​提供​さ​れ​てい​ます。​この​システム​に​使用​さ​れ​て​いる​の​は、​大きな​磁石、​無線​周波数​トラ​ン​シー​バ​システム、​および​強力​な​可聴​周波​増幅器​および​コイル​に​基​づ​い​た​傾斜​磁場​です。​この​ハードウェア​は、​高度​かつ​高価​な​制御​システム​を​使用​し​て​正確​に​プログラム​さ​れ​ます。​しかし、​こうした​システム​は、​臨床​検査​用​の​設計​が​施​さ​れ​て​おり、​極めて​独自​性​の​高い​ハードウェア​および​ソフトウェア​を​使用​し​て​構築​さ​れ​て​いる​ため、​研究者​が​単独​で​プログラミング​する​の​が​困難​な​場合​が​多々​あり​ます。​世界中​の​多く​の​科学​者​が、​独自​の​プログラミング​および​ハードウェア​スキル​を​使​って​MRI​分野​で​大規模​な​科学​技術​開発​を​行​って​い​ます​が、​そのため​に​習得​すべ​き​スキル​は​大変​多く、​医療​機器​の​正常​な​操作​に​支障​を​きたす​可能性​も​あり​ます。

 

プロジェクト​の​背景

Paley​教授​は、​シェフィールド​大学​で​生体​医学​用​画像​を​専門​として​い​ます。​また、​1993​年に創立された​InnerVision MRI Ltd.​の​主任​研究員​でも​あり、​整形外科​および​新生児​画像​用​MRI​システム​という​特定​分野​の​アプリケーション​開発​の​先駆​者​です。​InnerVision​は、​1990​年代​後半​に​米国​において、​米国​食品​医薬品​局​から、​最初​の​ネオジム・​鉄・​ボロン​系​(特許​取得​済み)​の​特定​分野​向け​MRI​システム​の​販売​の​認可​を​受け、​その後、​複数​の​システム​を​世界​規模​で​販売​してき​ま​した。​2001​年​に​シェフィールド​の​新生児​集中​治療​室​(NICU)​に​設置​さ​れ​た​新生児​専用​MRI​システム​は、​過去​10​年間​で​1,000​人​以上​の​新生児​を​安全​かつ​効率​良く​スキャン​してき​ま​した。​それ​以来、​InnerVision MRI Ltd.​では、​独立​した​スペクトロメータ​の​開発​に​力​を​注​い​でき​ま​した。​これ​は​MR​研究者​が、​臨床​で​使用​さ​れる​標準​的​な​MRI​システム​に対して、​システム​の​通常​の​臨床​操作​を​妨げる​こと​なく、​新しい​研究​を​行う​こと​が​できる​よう​に​する​もの​です。​こうした​条件​は、​医用​画像​部門​において​は​不可欠​です。​英国​の​Imperial College London​および​Institute of Cancer Research​が​最近、​NI​ツール​を​用​い​た​InnerVision​スペクトロメータ​を​進行​中​の​MR​研究​に​使用​する​こと​を​選択​した​の​は、NI LabVIEWソフトウェア​プラットフォーム​が​柔軟​かつ​簡単​に​拡張​でき、​NI​ハードウェア​が​信頼​度​が​高​く​優​れ​て​いる​から​です。

 

システム​コントローラ​と​MRI​スペクトロメータ

MRI​は、​複数​の​チャンネル​で​同時​波形​入出力​を​正確​に​統合​し、​さらに​デジタル​周波数​合成​を​位相​同期​が​取​れ​た​周波数​の​すばやい​切り替え​によって​制御​する​こと​を​必要​と​し​ます。​NI​が​提供​する​同時​サンプリング​ハードウェア​および​ソフトウェア​は、​各​チャンネル​の​高速​サンプリング​レート​で​複数​チャンネル​受信​機​システム​を​構築​する​の​に​最適​です。​小さな​ソフトウェア​変更​しか​必要​と​しない​追加​モジュール​を​購入​する​こと​によって、​チャンネル​数​を​簡単​に​増やす​こと​が​でき​ます。​私​たち​は、​3.5 MS/​秒​で​動作​する​32​個​の​受信​機​チャンネル​を​備え​た​スペクトロメータ​を​作製​する​の​に、​NI S​シリーズ​同時​サンプリング​データ​集録​(DAQ)​モジュール​を​使用​しま​した。​その​理由​は、​これらの​モジュール​が​大変​順調​に​動作​し、​エラー​を​起こす​確率​を​低​く​保てる​から​です。

 

以前​の​設計​に​は、​専用​の​デジタル​信号​プロセッサ​(DSP)​モジュール​を​使用​し​て​おり、​特殊​な​低​レベル​ソフトウェア​ドライ​バ​を​使用​する​小規模​メーカー​の​製品​を​よく​採用​し​てい​ま​した。​しかし、​この​よう​な​ドライバ​は​OS​と​コンピュータ​の​ハードウェア​インタフェース​が​進化​する​ごと​に​すぐ​に​サポート​が​廃止​さ​れ​てい​ま​した。​つまり、​その​度​に​多大​な​時間​を​費​や​し​て、​一​から​全て​を​やり直し、​ソフトウェア​が​重複​する​という​状況​に​ありま​した。​最初、​ソフトウェア​は​従来​の​ANSI C​で​プログラミング​し​てい​ま​した​が、​その後、NI LabWindows™/​CVIソフトウェア​に​移行​しま​した。​NI LabVIEW​が​本当に​スペクトロメータ​に​適​し​て​いる​の​か​どうか​懐疑​的​では​ありま​した​が、​1​ヶ月​も​経​た​ない​うち​に​ス​ペ​ク​トロ​メータ​ソフトウェア​の​NI LabWindows/​CVI​バージョン​を​NI LabVIEW​に​変換​しま​した。​NI LabVIEW​が​実際​大変​万能​で​あり、​この​目的​の​優​れ​た​開発​ツール​だ​という​こと​は​すぐ​に​明らか​に​なり​ま​した。​直感​的​な​グラフィカル​開発​ソフトウェア​は、​MRI​に​必要​な​複数​の​ループ​制御​構造​を​作成​する​の​に​最適​です。​内蔵​の​信号/​画像処理ツールを使用すれば、​ソフトウェア​アーキテクチャ​に​迅速​に​変更​を​施​し、​簡単​に​画像​再​構成​アルゴリズム​を​作成​する​こと​が​でき​ます。

 

NI​ハードウェア​および​ソフトウェア​へ​の​初期​投資​は​小規模​な​企業​にとって​は​高額​で​ある​よう​に​思​え​ま​した​が、​NI​ツール​が​この​プロジェクト​の​一番​の​選択​で​あっ​た​と​最終​的​に​は​確信​しま​した。​NI​は​定期​的​に​製品​開発​に​投資​し​て、​自社​ツール​が​常に​最新​技術​を​取り入れる​と同時に​後方​互換性​も​維持​する​こと​を​保証​し​てい​ます。​したがって、​私​たち​は​ソフトウェア​および​ハードウェア​プラットフォーム​を​継続​的​に​再​開発​する​必要​が​なく​なり、​ソフトウェア​および​コンピュータ​技術​の​最新​イノベーション​の​メリット​を​活用​する​こと​が​簡単​に​なり​ま​した。

 

NI​アナログ​波形​エディタ(私​たち​の​顧客​が​独自​の​MRI​波形​を​簡単​に​可視​化​し​て​編集​できる、​あらかじめ​設計​さ​れ​た​ソフトウェア​ツール)​の​よう​な​NI​製品​を​使用​する​こと​で、​さらに​メリット​が​ある​こと​も​実感​しま​した。​社内​で​同等​の​エディタ​を​作成​し​てい​た​と​したら、​多大​な​ソフトウェア​作業​が​生​じ、​大幅​に​開発​が​遅れ​た​こと​で​しょう。

 

NI​の​営業、​トレーニング、​および​サポート​担当​者​は​大変​知識​豊富​で、​数多くの疑問にもすぐに回答してくれて、​私​たち​の​要求​を​満​た​し​てく​れ​ま​した。​NI​は​常に​納期​厳守​で、​機器​も​良い​状態​で​納品​さ​れ​ます。​NI​の​標準​サポート・​保守​プログラム​(SSP)​によって、​新しい​リリース​について​も​常に​把握​でき​ます。​これ​は​現代​の​移り変わり​の​激しい​製品​環境​において​は​欠​か​せ​ない​サービス​です。

 

 

将来​の​システム​アップ​グレード

NI​ツール​を​ベース​と​した​研究​用​の​スペクトロメータ​は、​柔軟性​に​優​れ​た​研究​ツール​で、​場合​によって​は、​その​性能​は​大手​の​MR​メーカー​が​提供​する​システム​を​上​回り​ます。​必要​に​応​じ​て、​ソフトウェア​を​修正​し、​新しい​要件​に​も​対応​できる​よう、​システム​を​カスタマイズ​する​こと​も​可能​です。​NI​の​再​構成​可能​な​FPGA(field-​programmable gate array)​ハードウェア​について​も、​NI LabVIEW​で​プログラミング​できる​という​こと​から、​将来​の​設計​に​向け​て、​さらに​研究​を​重ね​たい​と​望​んで​い​ます。​例えば、NI FlexRIOハードウェア​によって、​高性能​な​FPGA​バック​エンド​を​カスタマイズ​可能​な​I/​O​と組み合わせれば、​数百​メガヘルツ​で​信号​を​集録​し、​最強​の​MRI​磁石​に​まで​ダイレクト​デジタル​ダウン​コン​バージョン​を​実行​できる​かも​し​れ​ま​せん。​また、​FPGA​に​信号​処理​関数​を​追加​する​プロセス​も​研究​し​て、​システム​の​画像​性能​を​向上​させる​こと​も​でき​ます。

 

LabWindows​という​商標​は、​Microsoft Corporation​から​の​使用​許諾​を​得て​使用​し​てい​ます。​Windows​は、​Microsoft Corporation​の​米国​および​その他​の​国​における​登録​商標​または​商標​です。

 

著者​情報:

Martyn Paley
University of Sheffield, InnerVision
​United Kingdom
​Tel: +44 1142713208

図​2. ​ ​InnerVision MRI​ニッチ​システム​は、​0.2​テスラ​の​磁場強度​で​動作​し​ます。​開口​部​は​縦​が​750 mm、​横​が​200 mm​で、​重​さ​は​500 kg、​設置​面​は​幅、​奥行き​ともに​500 mm​と​な​って​い​ます。 ​
図​3. ​ ​軸​平面​で​集録​した​手​の​骨​と​軟​組織​の​MRI​断面​画像。​NI LabVIEW​を​ベース​に​した​MR​スペクトロメータ​と​1.5​テスラ​MR​スキャナ​の​独立​した​RF/​傾斜​磁場​コイル​を​使用​し​て​集録​しま​した。 ​