基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統(tǒng)

作者：北京交通大學(xué)計算機學(xué)院信息科學(xué)研究所李偉明史睿瓊李波時間：2008-05-28 來源：電子技術(shù)應(yīng)用

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一. 設(shè)計概述

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/83229.htm

　　1. 設(shè)計意圖

　　迅速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)不斷的推動現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進步，CT、MRI、PET廣泛地應(yīng)用與臨床診斷分析，其作用已經(jīng)從人體組織器官解剖結(jié)構(gòu)的非侵入檢查和可視化，發(fā)展成一種用于手術(shù)計劃和仿真、手術(shù)導(dǎo)航、放療計劃和跟蹤病灶變化的基本工具，從醫(yī)學(xué)圖象中分割出解剖結(jié)構(gòu)并構(gòu)造出形狀地集合表達。

　　MR脊柱圖像分割的研究對于醫(yī)學(xué)圖象的計算機輔助識別及神經(jīng)病理學(xué)的臨床研究有著至關(guān)重要的作用。如果不能將脊椎準確而清晰從圖像中分割和識別出來的話，那么計算機技術(shù)對于醫(yī)學(xué)臨床研究的價值是非常有限的，然而，僅僅依靠人工的方法完成這項工作也是遠遠不夠的。傳統(tǒng)的對椎骨骨折的評估是手動的對每塊椎骨標注6個點（四個角和上下邊沿的中點），然后測量前面、中間、后面的椎骨的高度。但是這個過程是相當(dāng)?shù)暮臅r。文獻記載，對于用鼠標定位一位病人1塊椎骨要花費大于15分鐘，對于整個脊椎的定位的耗時將讓人很難接受。因此醫(yī)學(xué)臨床上迫切的需要一種方法能夠自動完成MR脊柱圖像的分割，計算機自動定位椎骨和椎間盤對于輔助診斷具有重要的臨床應(yīng)用價值。

　　本作品的設(shè)計意圖即在Nios. II處理器的平臺上實現(xiàn)我們研究提出的一種可行的，魯棒性高的算法,即利用我們實驗室研究的關(guān)于MRI Spine圖像分割算法實現(xiàn)了脊椎核磁共振矢狀圖（Sagittal Views）自動的椎間盤定位以及量化的標注，充分利用Altera FPGA/Nios II資源,使系統(tǒng)小型化、便攜化。該算法的應(yīng)用，可以改善對骨質(zhì)疏松引起的椎骨骨折進行自動的評估，對椎間盤進行量化分析，有助于與其他成像圖像（如CT）進行圖像的配準，以及圖像引導(dǎo)的椎骨外科手術(shù)。

　　2. 適用范圍及針對用戶群

　　本作品主要適用于各擁有核磁共振儀器的醫(yī)療機構(gòu)。由于本作品是基于Nios II處理器，具有使用方便的特點，因此也適合普通的老百姓，他們可以以此來了解病人的病情，提醒病人在生活上注意預(yù)防各種脊椎病情。并且本作品有網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，方便醫(yī)生進行遠程會診。

　　3. 本設(shè)計采用Nios II 處理器的優(yōu)勢

　　（1）Nios II處理器提供的創(chuàng)新的SOPC設(shè)計理念。

　　Nios II軟核系統(tǒng)的性能是可以根據(jù)應(yīng)用來進行裁減的，定制用戶自己的系統(tǒng)，與固定的處理器相比，在較低的時鐘速率下具備更高的性能。具有豐富的IP核庫，方便用戶設(shè)計，有效的提高系統(tǒng)的運算能力。Nios II的用戶邏輯功能和用戶指令突現(xiàn)NiosII 處理器的技術(shù)亮點，提供了運算優(yōu)化、加速的一個有效途徑，將處理速度提高到一個相當(dāng)?shù)膶哟?，易于實現(xiàn)算法的商用化。

　　（2）Nios II IDE開發(fā)環(huán)境集成了已經(jīng)移植到Nios II 處理器的RTOS ucosII操作系統(tǒng)，方便我們直接利用該操作系統(tǒng)完成系統(tǒng)的功能設(shè)計及功能行擴展。

　?。?）Dsp Builder豐富的功能模塊和IP核。

　　有了在DSP Builder，使得我們能在Simulink下進行算法級的系統(tǒng)開發(fā)。并且可以將算法設(shè)計成自定義用戶指令，利用SoPC Builder和Quartus. II軟件集成至Nios II嵌入式系統(tǒng)處理器中，通過軟件調(diào)用該自定義指令完成DSP算法。

　?。?）C2H對設(shè)計的有力支持。

　　Nios II提供的C2H編譯器能夠?qū)π阅芤筝^高的C語言程序自動轉(zhuǎn)換為硬件加速器，集成到基于FPGA的Nios II子系統(tǒng)中。這樣，分擔(dān)了Nios II處理器的數(shù)據(jù)計算和存儲器訪問功能，使處理器能夠更好的處理其他任務(wù)。由于Avalon互聯(lián)架構(gòu)并沒有限制主機和從機的數(shù)量，因此，Nios II C2H編譯器可以根據(jù)轉(zhuǎn)換目標代碼的要求，產(chǎn)生多個存儲器自治硬件加速器。幫助嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員提高效率，實現(xiàn)成功的設(shè)計。

　　二. 功能描述

　　MRI脊柱圖像分割的研究是利用磁共振成像設(shè)備對人體組織進行定性或定量分析所必不可少的關(guān)鍵步驟。引入計算機輔助MRI脊柱圖像分割技術(shù)將使得醫(yī)生的臨床診斷更加準確及時，降低醫(yī)療費用，減輕醫(yī)生的工作壓力，具有良好的應(yīng)用前景。

　　本設(shè)計硬件板塊主要包括DE1開發(fā)平臺、MRI圖像LCD顯示板、與MR設(shè)備及PC機網(wǎng)絡(luò)接口板構(gòu)成。系統(tǒng)的功能模塊主要分成以下六個：MRI圖像預(yù)處理模塊、脊髓提取模塊、脊椎檢測分割模塊，LCD圖像顯示及人機交互模塊，MRI圖像數(shù)據(jù)存取模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

　　1. MRI圖像預(yù)處理模塊、脊髓提取模塊、脊椎檢測分割模塊是本設(shè)計的算法部分，也是本作品的功能核心所在。我們利用 Nios II處理器強大的運算能力，將大部分的算法使用C程序?qū)崿F(xiàn)，得益于C2H工具的加速功能，我們將算法中最耗時間的部分使用該工具進行加速，縮短了開發(fā)周期。

　　2. LCD圖像顯示及人機交互模塊：我們采用LCD屏及鼠標來實現(xiàn)圖像的顯示和人機交互的功能。鼠標和lcd通過自己編寫的IP核，以Avalon從設(shè)備的方式連接到 Nios II處理器。

　　設(shè)計時我們使用了IED開發(fā)環(huán)境下的UCOSII實時操作系統(tǒng)來完成系統(tǒng)的任務(wù)管理及算法調(diào)度，移植對應(yīng)于我們采用的LCD控制器芯片TCB8000C的UCGUI圖形操作界面，使系統(tǒng)具有良好的人機交互性。

　　3. MRI圖像數(shù)據(jù)存取模塊：直接從成像設(shè)備中獲取的圖像一般符合標準的醫(yī)學(xué)圖像格式，即dicom格式，這種格式的圖像對于普通的用戶是不常見的，要用專門的軟件或醫(yī)學(xué)設(shè)備讀取，所以為了使得圖像在任何情況下，在大多數(shù)環(huán)境下可以方便的讀取，我們在處理前經(jīng)過由dicom格式向bmp格式的轉(zhuǎn)換，通過網(wǎng)絡(luò)下載到硬件平臺的存儲設(shè)備上的圖像是已經(jīng)進行過格式轉(zhuǎn)換的bmp格式圖像，處理后仍然以bmp格式的圖像上傳到PC機。在這種情況下，就需要比較大的存儲空間，因此采用sd卡作為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，并且移植對應(yīng)于sd卡的UCFS文件系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的擴展性和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理能力。

　　4. 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊：采用以太網(wǎng)方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。以太網(wǎng)口方便系統(tǒng)從MR設(shè)備上獲取圖像。利用DE1的擴展接口，以DM9000A芯片為核心，自行開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)接口板，由于以太網(wǎng)的引入使得系統(tǒng)具有更好的擴展性。

　　Nios II處理器的特點和sopc的設(shè)計理念使我們的設(shè)計過程變得不那么枯燥，這是一個不斷優(yōu)化算法，完善設(shè)計，使系統(tǒng)速度運行速度更快的一個過程。我們將設(shè)計分成一下兩個步驟進行：1）搭建Nios II系統(tǒng)，將算法用純軟件的方式在Nios II上運行起來，并初步實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。2）利用自定義指令和自定義外設(shè)，加速算法的運行。

　　三. 性能參數(shù)

　　系統(tǒng)性能參數(shù)：

　　脊柱核磁共振圖像對于診斷脊骨的疾病方面扮演著非常重要的角色，例如對于退化椎間盤的描述比其他形式的圖像有更好的效果，并且能夠?qū)棺低饪剖中g(shù)的治療進行評估。對脊椎核磁共振圖像進行分析處理可以輔助診斷更加精確，節(jié)省時間和花費。因此對于本系統(tǒng)來說，最重要的就是要將脊椎準確而清晰從圖像中分割和識別出來，在保證圖像分割的準確性的同時，通過優(yōu)化代碼、使用C2H工具及自定義用戶外設(shè)等方法加塊運算速度。

　　下圖是系統(tǒng)工程編譯之后各種資源的占用情況：