（光学工程专业论文）鼻咽癌荧光分光定位系统信号处理软件的设计.pdf

内容提要 y - 7 6 8 8 2 8 内容提要 本文从医用光活检的基本理论出发，开展早期鼻咽癌荧光分光定位系 统的研究，设计出该系统信号处理的软件。首先从系统的检测原理入手， 概述了荧光光谱分析的原理，再介绍光活检技术，说明该系统所采用的检 铡方法，接着分析系统的光学设计以及系统外部硬件的设计方法。在此基 础上，通过虚拟仪器的开发平台l a b v i e w 设计出与整个系统完善结合的 信号处理软件。我们详细介绍该软件各个模块的功能，重点讨论了定标信 号的处理方法与其可行性；对采集的数据信号与定标信号的同步问题进行 研究，使用数据采集卡的数字触发采集功能来保证软硬件采集数据的同步 性能；使用经典数值分析方法对数据进行处理，以多种方式进行显示，方 便鼻咽癌数据的分析：可以随时保存采集到的荧光光谱曲线。该软件为以 后鼻咽癌的光活检，尤其是定位技术提供了必要的处理方式和基础软件。 为了验证信号的同步性和波长定标的准确性，我们设计了软硬件同步 测试实验，实验结果表明我们的软件系统不论是定标信号的定位性能，还 是与系统硬件检测的同步性能都比较稳定，分析与显示功能强大，使用方 便，可以用于早期鼻咽癌的诊断与定位。 关键词：荧光分光；鼻咽癌；光活检；信号处理；虚拟仪器 a b s t r a c t b a s e do nr e s e a r c h i n gm e d i c a lo p t i c a lb i o p s yo fe a r l yn a s o p h n r y n g e a l c a r c i n o m a , w ed e s i g nt h es o f t w a r eo ns i g n a lp r o c e s s i n go ff l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p yf o rd i a g n o s i sa n dl o c a l i z a t i o no f n a s o p h a r y n g e a lc a r c i n o m a f i r s t , w ea n a l y z et h et h e o r yo ff l u o r e s c e n c es p e c t r u m s e c o n d ，w ei n t r o d u c et h e o p t i c a lb i o p s yt e c h n i q u ef o rn a s o p h a r y n g e a lc a r c i n o m aw h i c hi st h ed e l e e t i n g m e t h o df o rt h i ss y s t e m t h i r d ，t h eo p t i c a la n dt h eh a r d w a r ed e s i g na r e i l l u s t r a t e d b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，w ed e s i g nt h es o l a r eo n s i g n a l p r o c e s s i n gb yt h ev i r t u a li n s t r u m e n td e s i g nt o o l 吨a b v i e w w ep r e s e n tt h e m o d u l e so nd e t a i l ，t h et e c h n i q u eo fc a l i b r a t i o n sp r o c e s s i n gi sd i s c u s s e d ；w e a l s oi n t r o d u c et h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h eh a r d w a r ea n dt h es o t t w a r e ，a n d u s et h ed a qb o a r d sh a r d w a r ed i g i t a lt r i g g e rt os t a r tt h es i g n a la c q u i s i t i o n w e u s et h ec l a s s i c a ln u m e r i c a la n a l y t i c a lm e t h o dt op r o c e s st h es i g n a ld a t aa n d d i s p l a yi ti nm a n yw a y s ，y o uc a ns a v et h es i g n a ld a t aa ta n yt i m ea n ds t o r ei tt o d a t a b a s e t h i ss o f t w a r ei st h eb a s e s o f t w a r ea n dp r o v i d e st h ep r o c e s s i n g m e t h o df o rt h e o p t i c a lb i o p s y , e s p e c i a l l y t h el o c a l i z a t i o no f e a r l y n a s o p h a r y n g e a lc a r c i n o m a t ot e s tt h es y n c h r o n i z a t i o no fs i g n a la c q u i s i t i o na n dt h ea c c u r a c yo ft h e w a v e l e n g t hc a l i b r a t i o n ，w ed e s i g nt h es y n c h r o n i z a t i o nt e s t i n ge x p e r i m e n t t h e r e s u hd e m o n s t r a t e st h a tt h es o f t w a r ew h i c hw ed e s i g nh a sag o o da c c u r a c yo f t h ew a v e l e n g t hc a l i b r a t i o na n dt h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h eh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mw o r k sw e l l i ta l s oh a sa p o w e r f u la n a l y s i sa n dd i s p l a yf u n c t i o n t h es y s t e mi sc o n v e n i e n t l yt ob eu s e d ， a n di ts h o w sp r o m i s ef o rd e v e l o p i n gt h eo p t i c a lb i o p s yt e c h n o l o g yo fe a r l y n a s o p b _ a r y n g e a lc a r c i n o m a k e yw o r d s ：f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y ；n a s o p h a r y n g e a lc a r c i n o m a ； o p t i c a lb i o p s y ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；v i r t u a li n s t r u m e n t 第一章绪论 本课题依托以下项目： 1 国家自然科学基金项目：“鼻咽癌光热特性及其光活检技术的研 究”，项目编号：6 0 1 7 8 0 2 2 。 2 福建省自然科学基金重大项目：“激光成像式活检定位肿瘤的原理 与技术的研究”，项目编号：2 0 0 2 f 0 0 8 。 3 福建省教育厅重大科研项目：“激光动力鼻咽癌内镜诊断仪( 实用 新型) ”，项目编号：j a 0 3 0 2 4 。 4 福建省科技厅科研项目；“鼻咽癌定位光谱信号处理系统”，项目编 号：k 0 4 0 2 0 。 第一章绪论 第一章绪论 第一节荧光与荧光光谱的基本知识 1 8 5 2 年，s t o k e s 阐明了荧光发射的机制，认为荧光是由于物质吸收了 光能而重新发出的波长不同的光，并由一种能发荧光的矿物萤石 ( f l u o s p a r ) 而定名为荧光。我们通常所说的荧光，是指物质在吸收紫外光 后发出的波长较长的紫外荧光或可见荧光，以及吸收波长较短的可见光后 发出波长较长的可见荧光。除了紫外荧光和可见荧光，还有红外荧光、x 射线荧光等i l i 。 荧光光谱足在激发光的波长和强度保持不变的情况下，由荧光物质所 产生的荧光通过单色仪后照射于检测器上，扫描单色仪并检测各种波长下 相应的荧光强度对发射波长的关系曲线。荧光光谱具有以下两个主要优点： 第一是灵敏度高。由于荧光辐射的波长比激发光波长长，因此测量到 的荧光频率与入射光的频率不同。另外，由于荧光光谱是发射光谱，可以 在与入射光成直角的方向上检测，这样，荧光不受来自激发光的本底的干 扰，灵敏度大大高于紫外可见吸收光谱。 第二，荧光光谱可以检测一些紫外可见吸收光谱检测不到的过程。紫 外和可见荧光涉及的是电子能级之间的跃迁，荧光产生包括两个过程：吸 收以及随之而来的发射。每个过程发生的时间与跃迁频率的倒数是同一个 量级( 大约1 0 1 5 秒) ，但两个过程中有一个时间延迟，大约为1 0 。9 秒，这段 时间内分子处于激发态。激发态的寿命取决于辐射与非辐射之间的竞争。 由于荧光有一定的寿命，因此可以检测一些与其寿命相当的时间过程1 2 l o 例如，生色团及其环境的变化过程在紫外吸收的1 0 ”秒的过程中基本上是 静止不变的，因此无法用紫外吸收光谱检测，但可以用荧光光谱检测。荧 光光谱分析在癌症的检测上得到广泛的应用p “i 。 第一章绪论 第二节鼻咽癌早期诊断和定位的意义 光活检技术是以生物分子学为基础，集当代光电子、光谱和计算机技 术为一体的国际前沿技术。该项技术将从根本上改变传统诊断癌症的方法， 摆脱了依靠医生目视经验诊断和取样活检，依据人体组织的光学特性和微 弱荧光特征实时诊断出被检组织是正常组织、良性病变组织还是早期癌变 组织，从而实现癌症的早期诊断，这在临床医学应用中有巨大的实用价值。 光活检技术具有极高光谱分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速 等优点，因此在国内外正被广泛进行研究和应用i n l 。 鼻咽癌( n a s o p h a r y n g e a lc a r c i n o m a ，n p c ) 是头颈部危害人类健康和 生命的顽症之一，发病率为耳鼻喉科恶性肿瘤之首。占我国肿瘤发病率的 1 8 ，探索鼻咽癌的有效诊断和治疗方法是当今医学的重要研究课题。据 统计，中国的鼻咽癌人数占全世界鼻咽癌人数的6 6 左右，尤以广东、香 港和福建等南方几个省份发病率最高，我国自7 0 年代的死亡回顾调查、肿 瘤登记、高癌症系统追踪、高危人群筛查等系统研究表明：我国南方的鼻 咽癌具有明显的地区性、部分人群易感性、家庭聚集现象和发病率的相对 稳定性。我国鼻咽癌的年均发病率为2 0 - 2 5 1 0 万，广州发病率高达8 0 1 0 万“射。而处于i 期的鼻咽癌患者在5 年内的生存率高达8 1 ，晚期的鼻咽 癌患者生存率一般低于5 0 ，而v 期的鼻咽癌患者的生存时间只有5 个月 1 1 5 j 。但是，大多数鼻咽癌患者就诊时已经处于期。可见，对鼻咽癌的 早期诊断具有十分重大意义。但是鼻咽癌原发部位在鼻咽部，发病部位隐 蔽。鼻咽部是个粘膜覆盏的部分，患者早期无明显症状，检查困难，病 灶不易发现。鼻咽肿瘤在引起症状之前会在空隙中生长，当医生用白光检 查能发现时，瘤体已相当大。鼻咽部又与眼、耳、鼻、喉、颅底骨及脑神 经等重要器官相邻，鼻咽癌对周围器官组织侵及方式、方向和范围不同， 引起的症状多变或不典型，常被医师误诊。此外，鼻咽癌绝大多数癌细胞 分化不良，恶性度和转移率高，大多数原发病灶较小、局部症状不明显， 或根本无局部症状时就已转移。这是长期以来造成鼻咽癌漏诊率高，特别 是i 期诊断率未能提高的主要原因i l 4 l 。 2 第一章绪论 鼻咽镜是长期以来在临床上作为一种鼻咽癌的主要的检查手段，但由 于其是基于对鼻咽总体结构和形态的改变，依靠医生的肉眼识别，对于粘 膜下型癌病变以及微小病变，其诊出率较低，大多数情况需数次取样活检 加以证实。而国内外对鼻咽癌诊断常见方法还有从血清学角度分析的p c r 和e l i s a 等，从病理学角度分析的x 线、c t 、m r 和内窥镜等。采用p c r 技术在鼻咽癌的早期诊断中其灵敏度达到9 6 ，特异性为9 3 1 1 6 i 。e l i s a 技术在鼻咽癌的早期诊断中其灵敏度达到9 5 ，特异性为9 7 i i 。c t 在 鼻咽癌的早期诊断中其灵敏度达到8 5 7 ，特异性为9 2 9 i 埔i 。内窥镜在 区分正常组织( 或良性病变) 、微小癌、异常增生时其准确率仅为7 5 左 右【i ”。上述各种诊断方法普遍存在或者无法准确定位，或者费用昂贵，或 者灵敏度和特异性较低的缺点。而采用利用生物组织自体荧光光谱特性的 诊断方法其灵敏度和特异性可分别达到9 8 和9 5 f 加i 。因此本课题的研究 对鼻咽癌的早期诊断和定位有十分重要的意义。 第三节研究现状和动态 由美国p r o f i o 和d o r i o n 等人开创的激光诱导荧光法诊断肺癌技术实现 了原位癌的诊断和定位，被人们广泛应用于其它肿瘤诊断研究1 2 1 i 。目前， 对荧光光谱诊断方法主要的研究有两种类型：自体荧光和药物荧光诊断。 药物荧光光谱诊断是目前研究实现早期鼻咽癌诊断和定位的热点，在国内 以及国际上都得到相对比较广泛的研究，同时也有不少相应的研究成果， 并已经有相应的诊断设备应用于临床。而自体荧光光谱诊断方法的研究， 目前正处于实验室研究阶段，离真正应用于临床仍有比较长的距离 2 2 - 2 5 1 。 荧光诊断的主要依据是组织工作中的癌变细胞对某些光敏药物( 例如 血卟衍生物h p d ) 具有特殊的亲和力，同时光敏剂在适当波长激光的激发 下能发出特性荧光，正常组织细胞对h p d 等则吸收很少并迅速排除。通过 肿瘤荧光成像系统精确定位癌变组织的解剖位置和侵犯范围，从而达到临 床鉴别、诊断早期癌症组织的目的。而且这项定位技术对于临床上被漏诊 的粘膜下型鼻咽癌也同样有效，由此解决迄今为止仍无有效早期诊断鼻咽 癌方法的国际性难题。我们所在的工作小组经过多年来的调查和研究，结 第一章绪论 果表时，此法是一种快捷、无损、灵敏度高的“光活检”，能实时、有效地 从正常组织中鉴别出癌变组织1 2 6 - 3 1 i 。 迄今为止，国内外很少开展荧光光动力学诊断与定位鼻咽癌的研究工 作，而我们的工作小组已进入正式的研究过程。初步完成了实验装置的模 型，提出了相应的技术研究路线i 珏4 0 】。本课题的进一步研究成果将为广大 的鼻咽癌患者带来福音。给社会带来巨大的经济效益， 第四节本课题研究的内容和意义 本课题研究的主要内容是在研究鼻咽癌荧光分光定位系统的理论基础 上。建立和完善相应的检测实验装置，采用虚拟仪器开发平台设计对应的 信号处理软件系统。该软件系统可以控制鼻咽癌荧光分光定位系统进行数 据采集。对采集到的数据，设计对应的处理方法，并以最优的方式显示数 据结果，得到对应的光谱特性曲线，同时还可以随时保存对应的光谱特性 曲线，方便以后对比观察。我们还设计软硬件同步性能测试实验，验证软 硬件系统检测的同步性能和定标信号的定位性能， 该软件系统具有以下特点： 1 )采用虚拟仪器技术和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操 作性和可维护性好。 2 )提供数据分析功能，包括线性拟合、归一化、平均值等。 3 )可以实现单波形显示或多波形周时显示，便于分折与观察。 4 ) 充分利用了计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形可 直接打印输出或通过网络菸享。 5 )具有频域分析功能：由于计算机有着丰富的函数库，所以把波形 的模拟数据采集下来转变为具体的数字信息后，可以很容易实现 频域分析功能。 第二章系统总体设计方案 第一节系统总体结构设计 本系统是基于一系列的研究而设计的鼻咽癌荧光分光定位系统，下图 为总体的设计框图。 l 罕嚏宴婆兰捧l j 风冷氩离l 子激光器l ； 步进电机 ( 驱动电路) l 兰兰! 竺l 竺! l 竺! 竺一 图2 1 鼻咽癌荧光分光定位系统总体设计框图 如图2 1 所示，系统采用风冷氩离子激光器去照射鼻咽癌组织，被激 发产生的荧光经一个由步进电机驱动的光栅( 在分光计内) 分光后，由光 电倍增管接收，从而将光信号转换成电信号( 光谱信号) 送到信号调理电 路，最后由数据采集卡做a d 转换后，将数字化的信号数据送给虚拟光谱 仪做数据分析、处理和显示。其中步进电机的转动受虚拟光谱仪的控制1 4 1 1 。 在该系统中，得到荧光信号前的部分( 由风冷氩离子激光器去照射鼻咽癌 组织而激发荧光，再由光栅进行分光送给光电倍增管) ，这部分是系统的光 学设计。而信号调理器和步进电机的驱动电路为系统的硬件设计，虚拟光 谱仪则为系统的软件设计。 下图为鼻咽癌荧光分光定位系统的实物图： 第二章系统总体设计方案 图2 2 鼻咽癌荧光分光定位系统实物图 第二节系统的光学设计 该系统中的光学子系统主要采用北京光电技术研究所制造的j a z d i i 型快速激光荧光分光计，主要功能是对激发的荧光进行分光。再把对应的 荧光强度信号送给光电倍增管，转变为对应的光电流信号，最后再送给系 统硬件子系统处理，其光学设计如图2 3 所示。 从组织激发的荧光经耦合光导纤维束 1 】送到荧光分光计的入射狭缝 【2 】，再让荧光经抛物镜【3 】反射到光栅台【4 】进行分光，分光后的再返回到抛 物镜 3 】反射到小反光镜 5 】上，经出射狭缝【6 】送入光电倍增管【7 】，从而转 化成对应的荧光电信号，再送给硬件子系统进行处理。其中，光栅台【4 】的 转动由凸轮【8 】和光姗臂【9 】控制。 7 1 、耦合光导纤维柬2 、入射狭缝3 、抛物镜4 、光栅台5 、小反光镜 6 、出射狭缝7 、光电倍增管8 、凸轮9 、光栅臂 图2 3j a z d - i i 型快速激光荧光分光计光路图 第三节系统的硬件设计 图2 5 中虚线内的部分为整个硬件电路的结构图，通过该硬件系统， 可以很好的驱动整个系统进行工作，并把得到的光电流信号进行调理后送 入计算机进行处理。 如图2 5 所示，本系统硬件主要负责定标信号检测和步进电机驱动， 还有信号调理三大部分： 定标信号检测是用来做数据采集模块开始采集数据的启动信号。本硬 件直接由2 0 5 1 单片机完成定标信号的采集，并同时把a d 时钟传给计算机， 以此来确定波长与所测量数据的对应关系，为软件定标波长提供依据。 步进电机的驱动是由2 0 5 1 单片机与对应的电路来产生对应的步进脉 冲。从而控制步进电机的转动来带动光栅台。 信号调理电路对采集的荧光信号先进行一定的滤波与整流处理，处理 过的信号才能直接送给计算机软件进行处理与显示1 4 2 l 。 8 第二章系统总体设计方案 圈2 5 硬件电路的总体结构图 此外，硬件也提供高压给光电倍增管，高压的增益可由系统软件进行 调整。 第四节系统的软件设计 本系统中，软件子系统的设计是我们论文研究的重点，我们在第四章 进行详细介绍。 9 堂三空盛垫翌彗垫查 第三章虚拟测试技术 第一节虚拟仪器的概念及发展 虚拟仪器( v i r t u a ii n s t r u m e n t ，简称v i ) 是指在通用计算机平台上加 上一组软件和硬件或接通其他仪器，用户根据自己的需要定义和设计仪器 的测试功能，以实现对被测对象的数据采集、信号分析、数据处理、数据 存储、可视化显示等功能，完成测试、测量、控制等任务h 烈。 一般来说，虚拟仪器的发展至今可以分为三个阶段，这三个阶段可以 说是同步进行的。 第阶段，利用计算机技术增强传统仪器的功能。 由于计算机技术的成熟和普及，性能价格比不断上升，用计算机技术 控制测控仪器，并构成计算机测控系统成为新的发展趋势，计算机为了通 信的需要在硬件上确立了g p i b 总线标准。因此，系统仪器只要通过g p i b 或r s 2 3 2 接口就能实现与计算机的通信，速度上也能满足测试要求，计 算机软件技术的发展更快能提供各种驱动程序、数据分析函数、图形接 口函数等，完全可以通过软件的升级来增强仪器系统的功能。因而，用户 和厂商将大量的独立仪器与计算机相连接形成虚拟仪器。 第二阶段，开放式的虚拟仪器。 仪器厂商和用户都企图尽可能地以计算机为公用平台，减少在个人虚 拟仪器上的软、硬件设计，充分共用计算机上的标准件，以提高效率、降 低成本。相关软件可以安装在任何计算机上，即一台计算机可以是一台或 多台仪器。因此，这种仪器的构建具有很大的开放性和灵活性。应用更广 泛，性能更好，升级和维护更方便。 第三阶段，面向对象的虚拟仪器。 硬件的标准化程度虽然提高很快，但由于测试对象越来越多，项目越 1 0 来越复杂，测试的指标要求越来越高，计算机的多任务特点愈来愈突出， 因此，软件成为虚拟仪器发展和应用的关键。美国国家仪器公司( n i 公司) 总结并提出“软件即仪器”的概念，并推出l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 两种比较好的面向对象的可视化开发环境，配合n i d a q ( 插入式数据采 集卡) ，提供虚拟仪器的软、硬件框架，供用户设计虚拟仪器，从而大大缩 短了，丌发周期，这种框架得到了广泛的认同和采用i 州i 。v i 技术经过十余年 的发展。正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块化，以及编程平 台的图形化和硬件模块的即插即用( p l u g & p l a y ) 化等方向发展。 第二节虚拟仪器的特点 虚拟仪器系统是基于p c 构成的，它的硬件部分往往具有很大程度上 的通用性，软件是系统的核心。因此，虚拟仪器相对于传统仪器的优势是 显而易见的，归纳起来有以下几个方面： 性价比高。虚拟仪器的价格一般是具有相同功能传统仪器的1 ，5 1 1 0 ，而且可以重复利用，技术更新快( 一般为1 2 年) 。 开放系统。用户可根据需要组成仪器或系统，甚至不用更改任何硬 件，只需应用相应的软件模块即可构成新的虚拟仪器，从而改变了传统仪 器的各项功能由厂商定义，用户有更大的灵活性。 智能化高。计算机强大的分析、计算、逻辑判断能力，可以在其上 建立一套智能专家系统，对于数据则可以编辑、存储、打印，在完善的数 据库基础上，还可以实现数据的检索与分析。 界面友好，使用简便。在基于w i n d o w s 技术的虚拟仪器面板上， 用户通过鼠标即可完成所有功能，人机界面十分友好。测量结果可通过显 示器直观地显示出来。 具备网络功能。虚拟仪器是面向应用的系统结构，可方便地与网络、 外设及其它应用相联系。 误差的减小。在虚拟仪器的测量过程中，减少了硬件的使用，因而 减小了误差。 正是因为虚拟仪器具有的以上特点，使其在工程实际中得到越来越广 l l 泛的应用。国际上，虚拟仪器早己步入实用阶段，我国虚拟仪器的应用刚 刚起步，但发展迅速，具有良好的发展前景1 4 孓6 2 1 。 下表为虚拟仪器与传统仪器的比较： 虚拟仪器 传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低开发和维护开销高 技术更新周期短 技术更新周期长 关键是软件 关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强 价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活可与计算机技术同步发展 封闭、固定 与网络及其它周边设备方便互联的面向功能单一、互联有限的独立设备 应用的仪器系统 表3 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 目前虚拟仪器最大的缺点是受计算机输入输出带宽的限制，而随着计 算机采用越来越快的总线接口，这个问题将得到解决。在我们的检测系统 中，我们采用缓冲技术结合自己设计的外部调理电路来协助完成仪器的设 计，因此可以采用虚拟测试技术以实现我们需要的虚拟仪器功能。 第三节虚拟仪器的组成结构 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和仪器物 理硬件。较为常用硬件的接口部分包括数据采集卡系统、g p i b 仪器控制 系统、v 仪器系统等以及他们之间的任意组合。虚拟仪器硬件部分可完 成信号采集、计算机与物理仅器通信、物理仪器闽定时同步等功能i 珏鲫。 图3 1 基本虚拟仪器系统构成圈 图3 1 是n i 公司提出的基本的虚拟仪器系统。虚拟仪器系统是一个基 于计算机的开放系统，可以很方便的与外设、网络或其他应用程序连接。 与传统的仪器不同，虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过 它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，而硬件仅仅作为输入和输出途径。 “软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。 虚拟仪器的软件主要由硬件驱动程序、控制软件和图形化用户接l l - - 部分组成。 1 硬件驱动程序：是虚拟仪器软件的最底层部分，是真正对仪器硬件 实现通信和控制的软件层。目前，仪器驱动程序一般是按模块化和 与设备无关的方式向用户开放，用户可直接调用这些易使用、可理 解的控制功能，从而避免了复杂的编程过程重复开发。驱动程序主 要实现对测试信号的采集和控制。 2 控制软件：实现对测试数据的分析、处理和管理，处于驱动程序与 图形化用户界面之间。它将其自身产生的数据和来自硬件的信息传 给图形化用户界面，并接受图形化用户界面的数据和命令，完成虚 拟仪器对数据的分析、处理等功能，并通过驱动程序将相应的信号 1 3 传递给硬件。 3 图形化用户界面：是与用户交互的虚拟仪器面板，主要实现测试结 果的正确表达和直观的输出显示。它是虚拟仪器的最上层，面向用 户设计提供有图形和数据显示的控制功能等。 通常，对实现人机交互的关键环节虚拟仪器的软件面板设计，应 根据实际仪器面板和用户的习惯，做好各种显示信息和操作按钮的设计， 并兼顾到各类功能面板的合理布局。此外，还可采用交互界面的帮助菜单 或状态提示，尽可能给操作者提供有益的帮助信息( 如操作指导、问题解 决方法等) 。 第四节l a b v i e w 简介 l a b v i e w 全称是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟仪器工程平台。它是种适合应用于任何编程任务、具有 扩展函数库的编程语言。其编程方式不同于b a s i c 或c 语言，属于g 语言 的一种。和b a s i c 或c 一样，l a b v i e w 定义了数据模型、结构类型和模块 调用语法规则等编程语言的基本要素，在功能完整和应用灵活上不逊于任 何高级语言，同时l a b v l e w 丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大 的方便。这些扩展函数库主要面向数据采集、g p i b 和串行仪器控制以及 数据分析、数据显示和数据存储。l a b v i e w 还包括常用的程序调试工具， 比如容许设置断点、单步调试、数据探针和动态显示执行流程等功能。 l a b v i e w 与传统编程语言最大的差别在于编程方式，一般高级语言采用文 本编程，而l a b v i e w 采用图形化编程方式i s s - s 8 1 。 l a b v i e w 编写的程序称为虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，因为它 的界砸和功能与真实仪器十分相象，在l a b v i e w 环境下开发的应用程序 都被冠以v i 后缀，以表示虚拟仪器的含义。一个v i 由交互式用户接口、 数据流框图和图标连接端口组成。同时，l a b v i e w 最佳地实现了模块化编 程思想。用户可以将一个应用分解为一系列任务，再将任务细分，将一个 复杂的应用分解为一系列的简单子任务，为每个子任务建立一个，然后， 把这些v i 组合在一起完成最终的应用程序。因为每个s u b v i 可以单独执 1 4 行，所以很容易调试。进一步而言，许多低级s u b v i 可以完成一些常用功 能，因此，用户可以开发特定的s u b v i 库，以适用一般的应用程序。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算 机体系结构的执行方式。传统的计算机语言( 如c ) 中的顺序执行结构在 l a b v i e w 中被并行机制所代替。从本质上讲，它是一种带有图形控制流结 构的数据流模式，这种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后 才能执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱 动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。 l a b v i e w 程序是图形化程序设计的，是数据流驱动的。数据流程序设 计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出， 只有当它的功能完全时才是有效的。这样，l a b v i e w 中被连接的方框图之 间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约 束。从而，我们可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序， 甚至还可以有多个数据通道同步运行。l a b v i e w 的核心是v i 。v i 有一个 人机对话的用户界面前面板( f r o n tp a n e l ) 和类似于源代码功能的方 框图( d i a g r a m ) 。前面板接受来自方框图的指令。在v i 的前面板中，控 件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给v i 的方框图；而指 示器( i n d i c a t o r s ) 则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的 数据。 用l a b v i e w 编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限 制首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位 置；然后用导线( w i r e s ) 连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能 方框之间传输数据。这些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分析 v i 以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层( t o p l e v e l ) 程序，也可用作其它程序或予程序的子程序。显然l a b v i e w 依附 并发展了模块化程序设计的概念。图形化程序设计编程简单、直观、开发 效率高。 笫四章系统软件设计 第四章系统软件设计 第一节软件功能介绍 鼻咽癌荧光分光定位系统信号处理软件的目标功能如下： 可以设定扫描的波段范围与扫描精度( 波段的可调范围从5 4 6 n m 到7 0 0 n m ，扫描精度可达o 1 4 3 9 n m s a m p l e ) 。 保证软件与外部硬件协调工作。具有良好的同步性能。 可以选择采集的信号类型( 背景或是信号) 。 可以完成信号的处理，包括是否去除背景噪声、进行一定的数值 分析( 线性拟会、归一化等) 。 能实现单波形显示或多波形同时显示功能，对波形可以进行放大、 移动观察等。 可以将采集的信号数据进行存储，还可显示历史数据。 可以对外部硬件电路的参数进行设定，实现对系统信号增益和光 电倍增管工作电压的控制。 第二节总体设计 我们利用l a b v m w 虚拟仪器开发平台进行软件设计，结合 p c i - m i o 1 6 e - 4 型号的数据采集卡，以此来把启动信号送给2 0 5 1 单片机， 驱动步进电机，从而带动分光系统进行分光检测，同时取得定标的信号以 提供数据的定位，最后采集对应的光谱数据并进行相应的数据处理与显示。 总体上我们编制了这套美观实用的系统软件虚拟光谱仪。 图4 1 为虚拟光谱仪软件设计的原理图，软件的各个模块是有机结合 在一起的。 1 6 卜【 砸剐隧章嚣螺垛；匝 舡魁掌餐嚣l董料哥瓣 一 一一 蔓婴童薹堡塾笠墼生 图4 2 为虚拟光谱仪软件的数据流程图。信号处理器控制模块把控制 参数通过数据采集卡送给硬件系统进行系统控制。定标信号模块接收定标 信号数据进行处理，同时也让数据采集模块进行数据采集。步进电机模块 发送启动信号给硬件系统并接收硬件系统发送过来的a d c 时钟信号。定 标数据、a d c 时钟数据和采集的荧光数据都送到数据处理模块进行合成并 进行相应的处理，合成后的数据送给与显示模块进行显示与分析。 光 学 与 硬 件 系 统 定标 信号 i 开始采集l 广= d 曼土 犍h 戛理 菽酷台妇 高五 步迸苎机l 竺翌j l ，厂赢 i 手；刊兰! ! 苎兰 对钟数据合成的数据。l 二二二 图4 2 数据流程图 图4 3 为虚拟光谱仪软件信号控制流程图。我们采用虚拟光谱仪软件 来控制信号处理器调整系统检测的参数，给出启动信号的同时，系统开始 等待外部电路给出定标信号。一等到定标信号的出现，系统就触发打开数 据采集通道进行数据采集，并根据设定的参数来控制采集数据的样点，同 时与根据定标信号设定的标尺合成我们所需的荧光光谱曲线。对于得到的 荧光光谱曲线，我们可以通过软件设定多种处理方式，如归一化处理、线 性拟合等等，同时我们可以保存对应的光谱益线，以备后期的处理显示。 系统可以对保存的多组数据进行单波形显示或多波形同时显示，方便我们 分析与使用。 圈4 3 虚拟光谱仪的信号控制流程图 软件的主要模块如图4 4 所示； n 丽一 ii l ( d a q ) f i一 信号处理疆控制横块 步进电机控制模块 定标信号处理模块 簸擐采集模块 数据处理模块 显示模块 图4 4 虚拟光谱仪主要功能模块 该软件主要包括信号处理器控制模块、步进电机控制模块、定标信号 处理模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块六大模块。 1 9 厂iili、il 第三节 信号处理器控制模块的设计 信号处理器控制模块完成的主要功能为：由软件通过d a q 卡产生控制 信号，进行系统增益系数的调整和光电倍增管高压的控制，以适应不同环 境。图4 5 为信号处理器控制模块流程图。 图4 5 信号处理器控制模块流程图 下图为信号处理器程序设计，对输入的参数设置不同的二进制数值， 从而设定数据采集卡上数字口的高低电平，再通过数据采集卡的数字通道 送到外部电路。 第四章系统软件设计 输入参数 ( 信号增益、高压增益) 转化为对应的 二进制数值 通过d a q 的数字 通道送给外部电路 ( a ) 程序流程图( b ) 程序框图 图4 6 信号处理器程序设计 第四节步进电机控制模块的设计 步进电机控制模块完成的主要功能为：系统启动后发出步进电机启动 信号，启动2 0 5 1 单片机产生驱动信号，带动步进电机开始工作。在得到定 标信号后，开始采集所需荧光强度数据和对应的脉冲系列，采集完成后自 动发出停止信号控制步进电机停止工作，恢复到初始状态。图4 7 为步进 电机控制模块流程图。 图4 8 为步进电机程序流程图，图4 9 ( a ) 为步进电机启动程序框图， 图4 9 ( b ) 为步进电机停止程序框图。采集按钮按下的时候，程序向步进 电机发出启动信号，同时启动采集模块，等待定标信号。在采集结束后， 程序自动发出停止信号控制步进电机停止转动。 步进电机l l 启动，停止l 信号 l d a 馓据采集卡 i 光电控制 与 信号处理器 步进脉冲 图4 7 步进电机控制模块流程图 蹴电机启动信号 l 转化为对应的 二进制数值 i 通过d a q i 的 数字 臣道送给外部电路 采集结束 l 步进电机停止信号 转化为对应的 二迸制数值 l 通过d a q 的数字 通道送给外部电路 图4 8 步进电机程序流程图 ( a ) 启动程序框图 ( b ) 停止程序框图 图4 9 步进电机程序框图 第五节定标信号处理模块的设计 定标信号处理模块完成的主要功能为：在系统启动时，由光电断续器 生成的窄脉冲作为定标信号，由该定标信号触发系统软件打开数据通道进 行数据采集，接着根据扫描范围和采样点数结束定标信号。定标数据经过 处理后形成坐标数据，再与检测到的数据合成对应的光谱数据。下图为定 标信号处理模块流程图。 第四章系统软件设计 图4 1 0 定标信号处理模块流程图 图4 1 l 为坐标轴产生程序流程图，图4 1 2 为坐标轴产生程序框图。坐 标轴将根据所设定的扫描范围自动生成。根据输入的起始波长、结束波长 和扫描精度，转换成一个三角波的波长起点和采样点数，为了让扫描的结 果更加精确，我们可以设定采样点数的倍数值，增加采样的点数( 点数的 最大值受数据采集卡采样速率的限制) ，让扫描的结果更加精确，产生的三 角波就可以当作我们的坐标轴。 图4 1 1l 坐标轴产生程序流程图 l 定标信号的生成 图4 1 2 坐标轴产生程序框图 我们在载着光栅的转盘下面安置一个随电机转动轴转动的刻有一个凹 槽的遮光铝片，如图4 1 3 所示。在转盘外的一个固定位置，即遮光铝片的 上下面安置了一个光电断续器( 即一个发光二极管和一个光敏三极管) 。当 遮光铝片转动到特定位置时，由发光二极管发出的光将通过凹槽射到光敏 三极管上，由光敏三极管接收从而形成一个尖脉冲。我们把这个尖脉冲称 为定标脉冲。 敷献日 步进电机、广 ，y0 地 日m 定标脉冲 图4 1 3 定标脉冲产生原理图 定标脉冲产生后，定标控制模块就会开始接收步进脉冲。步进电机需 要1 0 7 0 步来完成整个扫描范围，即分光镜最宽的频谱范围：5 4 6 n m 到 7 0 0 h m 。假设最大的扫描精度为p ，我们有： p ：7 0 0 - 5 4 6 0 1 4 3 9n m s a m p l e 1 0 7 0 这意味着虚拟光谱仪的扫描精度只能是p 的倍数。我们可以通过选择几个 脉冲取一个采样点来改交扫描精度。在波长定标模块里，波长定标信号和 步进脉冲合成波长定标信号。 2 定标信号的采集 在接收到系统启动的命令后系统控制模块同时将“启动”信号送往数 据采集模块和步进电机控制模块。步进电机控制模块因此生成一个启动步 进电机的控制信号送往2 0 5 1 单片机，控制荧光分光系统的步迸电机驱动单 元，并做好接收由驱动单元反馈回来的步进电机的步进脉冲信号的准备。 当步进电机转动到指定位置时将生成一个定标信号。步进电机驱动单元会 将该定标信号以及与其对应的步进脉冲信号同时送往信号控制处理系统的 定标信号处理模块，一旦定标信号处理模块开始接收步进脉冲信号，则该 过程将一直持续到系统控制模块发出“停止”信号为止。定标信号处理模 块将定标信号和步进信号合并后生成与波长对应的定标信号并被缓存，经 过一个延迟时间t 时后送往数据合成处理模块。 数据采集模块接收到“启动”信号后，将等待i k 时后才打开数据采集 通道进行数据采集，并将采集到的信号数据转换成数字信号后送至数据合 成处理模块与定标信号合并后生成包含波长信息的光谱信号。 3 光谱信号与定标信号的同步问题 在上述过程中有一个很重要的问题，那就是需要保证定标信号和光谱 采样信号同时到达数据合成处理模块，使得对应的信息可以被打包在一起， 构成一个完整的光谱信号数据点。下面分析在整个测量过程中所包含的时 间延迟特性。 图4 1 4 给出了各部分的时间延迟情况，它表明在系统控制模块发出“启 动”命令后，需要经过t d 。i 。的延迟时间第一个光谱电平信号才会到达数据 采集模块的端口。图2 中t l 、t 2 分别是启动信号从自动模块到达数据采集 模块和步进电机控制模块所需要的时间。由于这三个模块同在一个计算机 系统内，故t l 、t 2 的大小约为几个c p u 时钟周期。t 3 是启动控制信号到 达步进电机驱动单元所需的时间和控制信号在驱动单元内接受处理所花费 的时间之和。t 4 则为由步进电机驱动单元产生定标信号所需的时间和定标 信号到达定标信号处理模块所需的时间之和。t 5 是光谱信号从分光计出口 到光电信号转换系统的传输时间。t 6 是光电信号转换所需的时间加上电信 号到达信号调理器所需的时间。t 7 是信号调理器处理信号所需的时间与电 信号传输到数据采集卡端口所耗去的时问。考虑到数据采集模块和步进电 机控制模块接收到“启动”信号存在一个时间差( t l - i 2 ) ，所以，为了保 证数据采集卡能够同步采集到第一个有效光谱信号，需要在系统控制模块 与数据采集卡之间增加一个延迟缓冲器。延缓数据采集卡的开始采集数据 的时间，若该延迟缓冲模块的延迟时间为t d 。l 。，则要求： t d d 鲥= ( t l - t 2 ) + t 3 + t 5 + t 6 + t 7 图4 1 4 鼻咽癌荧光分光定位系统信号控制处理系统信号传输时间特性示意图 同理在定标信号生成后也需要一个延迟时间为t 么时延迟缓冲器用来 缓存定标信号。由于定标信号从缓冲器出来到数据合成模块还需要几个 c p u 时钟周期，因此还有一个传输时间t 9 需要考虑。而从数据采集卡完 成采集到数据合成模块之间也有一个延迟时间t 8 ，因此有： t d c i 町= t d c i a y + ( t s - t g ) 考虑到t d 。i 。的影响，在d a q 卡上，有专用的缓冲器来缓冲处理数据， 保证数据准确的传给计算机。 在我们步进电机的驱动过程中，我们的预定扫描完整个周期为是1 5 s ， 步进电机上共有1 0 7 0 步即每步所需时间为1 4 m s 。而对于t 蝌，我们 所用的c p u 为1 g h zp e n t i u mi i i ，它