Arjan Huisstede, Benno Aalderink en Ewout Jonker werken respectievelijk als senior electronics engineer, senior applied research engineer en mechatronic systems engineer bij Demcon in Enschede.

29 mei 2015

Hemics ontwikkelde een methode om de ontstekingsactiviteit te visualiseren bij reumatoïde artritis. Een niet-invasief systeem, Handscan geheten, meet optisch de doorbloeding van gewrichten door de handen en polsen van de patiënt te scannen. Cruciaal voor een betrouwbare beeldvorming is de timing van het scannen. Demcon kwam met een fpga-oplossing voor de aansturing en regelde daarin tegelijkertijd de veiligheid.

Onder de naam Handscan brengt het Eindhovense Hemics, een spin-out van Philips Research, een niet-invasief en compact apparaat naar de markt om de ontstekingsactiviteit bij reumatoïde artritis te visualiseren. Met een combinatie van diffuse optische transmissie en bloedstroommodulatie meet het apparaat de bloeddoorstroming in de gewrichten van de handen en polsen. Door optische technologie te gebruiken, is het systeem veilig voor de patiënt en snel en goedkoop in gebruik – een sessie duurt slechts drie minuten.

Tijdens zo’n sessie knijpt een manchet de bloedstroom in de onderarm van de patiënt tijdelijk af, waardoor het bloed zich ophoopt. Ondertussen wordt de hand van onderen belicht terwijl een camera aan de bovenkant meet hoeveel licht er op elke plek wordt doorgelaten. Door de meting uit te voeren bij twee golflengtes, rood en infrarood, kunnen de subtiele verschillen in doorbloeding van gewrichten nauwkeurig worden bepaald. Dat geeft informatie over de mate van ontsteking. Inzet van het systeem helpt de kwaliteit van leven voor de patiënt te verhogen en zorgkosten te verminderen, aldus Hemics.

Subtiele verschillen in doorbloeding van gewrichten geven informatie over de mate van ontsteking.

Bij de ontwikkeling van de Handscan zijn diverse partijen betrokken. Hemics richt zich vooral op het data-algoritme dat de meetgegevens van de scanner vertaalt in klinische informatie voor de reumatoloog. De implementatie hiervan werd uitbesteed aan Topic Embedded Systems. ICT Automatisering was verantwoordelijk voor de verbinding tussen de Handscan en de it-infrastructuur van het ziekenhuis. Demcon droeg zorg voor de systeemengineering en het mechatronisch ontwerp en betrok daar Focal Vision & Optics (optisch ontwerp) en d’Andrea & Evers Design (industrieel ontwerp) bij. De high-end technologieleverancier bouwde tevens een prototype en richtte in Enschede een lijn voor serieproductie in.

De feitelijke beeldverwerking is Hemics’ geheim van de smid. De voorafgaande data-acquisitie is het ‘kunstje’ van Demcon en mag gelukkig wel worden belicht.

Voor een complete meting hoeft de patiënt alleen maar drie minuten lang beide handen in de Handscan te steken.

Vier blokjes

Tijdens een meetsessie worden om en om 2d-afbeeldingen gemaakt in een van de twee golflengtes. Het maken van een enkele afbeelding neemt 250 ms in beslag, en zo wordt in een sessie van honderd seconden een driedimensionale datakubus opgebouwd (één tijds- en twee beelddimensies) met in totaal vierhonderd plaatjes. Op deze kubus laat Hemics zijn algoritmes los.

Voor een acceptabele signaal-ruisverhouding moet het belichtingsniveau onder de hand uiterst stabiel zijn. Reflecties en lekkage van licht tussen de vingers door zijn uit den boze. Daarom wordt het meetvlak vooraf opgedeeld in een matrix van honderd bij honderdtwintig meetvakjes. Aan het begin van een sessie wordt eerst een afbeelding gemaakt om aan elk vakje een specifieke lichtintensiteit toe te wijzen. Zo wordt als het ware een ‘belichtingsmasker’ opgebouwd dat zorgt voor voldoende signaal zonder de beeldsensor te overbelichten.

De eerste optie voor de belichting was een matrix van high-end leds, maar Demcon ontwikkelde een alternatief scanning-laserconcept gebaseerd op roterende spiegels. Dit is beter geschikt voor productie en de aanpak biedt een grotere flexibiliteit bij de inrichting van de functionaliteit.

De belichtingsopstelling is dubbel uitgevoerd, voor meting aan de beide handen. Het scanpatroon ontstaat door de combinatie van twee draaiende spiegels. De bundel valt eerst op de zijkant van een snel roterende schijf, waar elk spiegelsegment gelijkstaat aan een sweep. Via een statische, vlakke spiegel wordt deze beweging verticaal gemaakt en naar een tweede, langzamer draaiende spiegel geleid met segmenten in een taps toelopende configuratie, model ouderwetse lampenkap zeg maar. Hierdoor wordt de verticale lijn steeds een stukje in de horizontale richting verschoven. Met deze opstelling wordt elk deel van de hand met een nagenoeg loodrecht invallende straal belicht.

De optiek van de Handscan is dubbel uitgevoerd voor beide handen, alleen de snel roterende schijf voor de scanlijnen wordt gedeeld. Het licht van de twee lasers wordt eerst via een dichroïsche spiegel (reflecterend voor de ene laser, transparant voor de andere) geleid, zodat de bundel steeds uit dezelfde hoek komt. De snel roterende schijf verzorgt elke twee microseconden een volledige sweep, die via een statische spiegel wordt omgezet van een horizontale in een verticale beweging. De ‘lampenkap’ zorgt ervoor dat deze scanlijn honderdtwintig keer wordt herhaald over de hele breedte.

Boven de hand meet een cmos-camera met een resolutie van 512 bij 640 pixels de intensiteit. Tijdens een complete opname staat de sluiter van de camera open, dus de belichting moet worden geregeld met de intensiteit van de lasers. Dat gebeurt grotendeels via de voedingsstroom, behalve bij zeer lage intensiteiten. De ondergrens die nodig is om de laser te voeden, is namelijk gevoelig voor veroudering en omgevingsomstandigheden. Daarom moet een veiligheidsmarge worden aangehouden voor de stroom, en is er dus altijd een minimumwaarde voor de laserintensiteit. Om toch intensiteiten onder dit punt te krijgen, wordt pwm (pulse width modulation) toegepast. Elk meetvakje wordt twintig microseconden belicht, maar dat interval is opgedeeld in vier blokjes van vijf microseconden waarin de laser aan of uit kan staan. Daardoor kan per vakje nog een gemiddelde intensiteit bereikt worden die een factor vier lager ligt.

Daadwerkelijk parallel

Per meetvakje moet het belichtingsniveau onder de hand natuurlijk constant zijn. Primair betekent dit dat de belichtingsduur nauwkeurig moet worden gestuurd. Dit gebeurt door de lasers te timen (aan- en uitschakelen en de voedingsstroom variëren) en de laserpuls te synchroniseren met de posities van de roterende spiegels. In principe moet de laserintensiteit elke vijf microseconden kunnen veranderen. De gevraagde frequentie voor de timing ligt dus op tweehonderd kilohertz.

Uit een meetserie volgt een datakubus waarop Hemics zijn algoritmes kan loslaten.

Besturing van dit uiterst tijdkritieke proces is heel lastig te implementeren met een microcontroller. De schedulers en interruptafhandeling in embedded software kunnen het realtime gedrag nadelig beïnvloeden. Een fpga-implementatie bleek een beter alternatief. Processen kunnen op een fpga daadwerkelijk parallel en onafhankelijk van elkaar lopen.

Een fpga heeft natuurlijk wel weer als nadeel dat de programmering meer inspanning vergt. Om die reden zijn de niet-tijdkritieke zaken zo veel mogelijk op een hoger niveau geprogrammeerd, op een krachtige pc met Intel Core I7. Die verzorgt onder meer het binnenhalen van de data uit de camera via een usb 3.0-aansluiting en de beeldverwerking, terwijl de fpga de besturing van de laserstroom en de motorstromen voor de spiegels afhandelt.

Voordeel van de keuze voor een fpga is dan weer dat daarop meteen de veiligheidsfeatures kunnen worden geregeld die vereist zijn bij het toepassen van een laser in een medische omgeving. Een aparte watchdog-beveiliging zoals bij een microcontroller is daardoor niet nodig. De beveiliging moet bijvoorbeeld de laser kunnen uitzetten als de temperatuur stijgt, de patiënt de handen uit het apparaat trekt of de spiegels om welke reden dan ook stilstaan.

Bij de besturing van de optiek in de Handscan draait het behalve om de laserintensiteit (instelbaar op zestien niveaus) ook om de beweging van de roterende spiegels. Voor de positionering van de spiegels zijn de assen uitgerust met encoders die de positie van elk segment markeren. Het verkrijgen van een stabiel beeld bleek nog de nodige voeten in de aarde te hebben. Een eerste ontwerp voor de regeling, met feedback op de laserstroom en de snelheden van de spiegels, resulteerde in trillende beelden. De oorzaak bleek het hoogfrequent stapelen van onnauwkeurigheden zoals afwijkingen in de lasers, afwerkingsfouten van de spiegels, meetonnauwkeurigheden van de encoders, enzovoorts.

De oplossing lag in een feedforward-aansturing van de motoren voor de spiegels (stappenmotoren en borstelloze dc-motoren) op basis van gewenste positie. Uit stabiliteitsmetingen bleek vervolgens dat de standaarddeviatie van de gemeten grijswaarden voldoende klein is. Gemeten variaties zijn nu met voldoende betrouwbaarheid toe te schrijven aan verschillen in ontstekingsactiviteit. Dankzij de scherpe timing kan de reumatoloog met een scherp oog naar de handen van de patiënt kijken.

Redactie Pieter Edelman