基于高性能處理器的醫(yī)用X光視頻圖像采集和處理系統(tǒng)

蔣偉

摘要：采用CCD+高性能處理器采集方式實現(xiàn)了高分辨率X光醫(yī)學(xué)視頻圖像采集和處理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括三大模塊，視頻圖像采集部分、圖像處理部分和圖像疊加部分。視頻圖像采集完成對原始圖像信號的數(shù)字化；圖像處理部分完成數(shù)字圖像的去噪、鏡像與負(fù)像等數(shù)字圖像處理功能；圖像疊加部分完成圖像數(shù)字的影像疊加和部分字符功能的顯示功能。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，在針對系統(tǒng)指標(biāo)的要求下比較多種方案后完成系統(tǒng)的硬件電路方案的選擇和設(shè)計，并介紹了軟件規(guī)劃方法。

關(guān)鍵詞：圖像采集和處理；圖像疊加；DSP

中圖分類號：TP274.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2011）22-0072-02

在醫(yī)學(xué)上，隨著微電子和計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)射線圖像進行量化、傳輸、存儲、顯示和處理的數(shù)字化X射線成像技術(shù)進入了X射線影像領(lǐng)域，具有重大意義和應(yīng)用前景，是醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，它能節(jié)省大量的膠片，其市場潛力巨大，解決了約占影像學(xué)科70%左右的數(shù)字化問題，有利于X射線圖象的存儲、處理、傳輸和顯示，并合適進入圖象存儲、處理、傳輸和顯示，并適合進入圖象存儲與通信系統(tǒng)（PACS）及遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。

有三種方式實現(xiàn)X射線成像的數(shù)字化，CR（計算機X射線照相術(shù)）、DR（數(shù)字X射線照相術(shù)）和視頻數(shù)字采集。CR和DR都是將X光模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖象。視頻數(shù)字采集直接對由X射線探測器產(chǎn)生的視頻信號實施模數(shù)轉(zhuǎn)化，并且獲得單幀圖像或圖像序列。

跟CR和DR相比，視頻數(shù)字采集擁有自己獨特的優(yōu)點，因此可以應(yīng)用在不同場合，視頻數(shù)字采集適合連續(xù)動態(tài)X射線透視圖象信號的數(shù)字化采集，并可以看到器官的動態(tài)變化以及設(shè)備簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點。采集的大量動態(tài)視頻和圖象數(shù)據(jù)可以儲存在外部存儲在外部存儲內(nèi)，用在采集后獨立的診斷上（普通的熒光透視法診斷與成像必須同時），診斷后這些數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要保存或者刪除，根本就不需要膠片。

1系統(tǒng)主要性能

系統(tǒng)主要應(yīng)用于CCD醫(yī)用X線電視設(shè)備的后端視頻處理，其相應(yīng)的系統(tǒng)性能要求和實現(xiàn)功能如下所使示：

①視頻輸入。CCIR（與PAL兼容的黑白電視信號），75Ω（高阻可選）BNC接口。

②3路視頻輸出。A輸出CCIR視頻信號（50場隔行）輸出，B、C兩路輸出100 Hz（逐行、或隔行）視頻信號輸出；A、B顯示與輸入信號同步的實時圖像，C顯示凍結(jié)圖像、存儲圖像和DSA圖像；75ΩBNC接口，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，能驅(qū)動3個標(biāo)準(zhǔn)顯示設(shè)備。

視頻信號處理部分。圖像分辨率：768×576、720×540、540×540、512×512像素；圖像位數(shù)：8 bit或10 bit；對輸入的視頻信號（50 Hz）進行倍頻處理，輸出100 Hz（隔行場頻，或逐行禎頻）視頻信號；遞歸濾波數(shù)字去噪功能；通過一組外部信號（比如腳踏開關(guān)閉合信號）控制，圖像凍結(jié)，能存儲16幅凍結(jié)圖像；通過另一組信號控制，末位圖像凍結(jié)；能對圖像進行鏡像與負(fù)像處理；通過鍵盤或其他方式設(shè)置參數(shù)，控制“灰度”、“對比度”電平調(diào)整；視頻通道帶寬>8M，8M以上的高頻衰減陡，量化噪聲<分貝；具有字符疊加功能，鍵盤輸入字符；能采集存儲1～2 min實時圖像，并對采集圖像進行DSA（數(shù)字減影）等實時處理；圖像采集時間長短根據(jù)內(nèi)存大小可以調(diào)整設(shè)置，內(nèi)存大小可以在一定范圍擴展；圖像±90°、±180°旋轉(zhuǎn)，或任意角度旋轉(zhuǎn)；能進行局部圖像放大。

2系統(tǒng)性能分析和方案選擇

2.1系統(tǒng)性能分析

①系統(tǒng)所要求采樣的視頻信號的圖象分辨率最大是768×576，這是標(biāo)準(zhǔn)的PAL信號分辨率上限，也就是說我們需要處理的信號是標(biāo)準(zhǔn)的PAL兼容的CCIR信號，且是黑白圖象信號，這對于我們處理視頻信號更為方便。

②系統(tǒng)要求圖像位數(shù)是8位或是10位，由于我們的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中圖像的清晰度置關(guān)重要，我們選擇圖像位數(shù)為10位。

③一般的PAL制信號的場頻是50 Hz，但在高清晰視頻信號采集的情況下選擇100 Hz的場頻是合適的，我們在電路中要做好50 Hz的倍頻處理。

④視頻的灰度調(diào)節(jié)和對比度調(diào)節(jié)使視頻信號具有可調(diào)節(jié)性，更符合對于視頻信號的可調(diào)節(jié)性，選擇合適的方案后這部分的工作將變的很簡單。

⑤系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了圖像的采集，存儲和凍結(jié)，這對于醫(yī)學(xué)影像中的處理是很重要的一個功能。這部分的功能實現(xiàn)也是很重要的。

⑥系統(tǒng)需要采集存儲1～2 min實時圖像，以最大的22 min和最大分辨率來計算。22 min的圖像是： 25×120×768×576×16 bit=4 045 M~5 G

⑦系統(tǒng)需要能存儲16幅凍結(jié)圖像。所需要的存儲器最大容量是：16×2 M=32 M。

2.2系統(tǒng)方案比較和選擇

在系統(tǒng)總體方案的實現(xiàn)實現(xiàn)上選擇DSP+ FPGA + ARM9+wince的實現(xiàn)方案。

系統(tǒng)采用兩塊電路板，一塊電路板是協(xié)處理器電路，由視頻采集電路+DSP+FPGA+視頻輸出電路+圖像存儲電路實現(xiàn)視頻信號的采集和處理，一塊電路板是主處理器電路，由ARM9+wince+人機界面構(gòu)成，實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的增強功能的其他功能和相應(yīng)的鍵盤輸入。把兩塊電路分開是系統(tǒng)可以做的很柔性，主處理器部分可以根據(jù)需要替換成工控機系統(tǒng)（PC系統(tǒng)），協(xié)處理器電路提供了相應(yīng)的接口。圖1為系統(tǒng)原理總體框圖。

下面就主要的一些電路方案的比較和選擇論述如下。

2.2.1視頻采集電路

無論是攝像頭信號的輸出，視頻信號的存儲，視頻信號的疊加、綜合，還是DSP的算法實現(xiàn)，系統(tǒng)時基信號在系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中都起著非常重要的作用。

系統(tǒng)的輸入的是標(biāo)準(zhǔn)制式的電視信號，它是一種復(fù)合視頻信號（簡稱CVBS），主要包括兩個主要的信號，一是反映當(dāng)前視場信息的視頻信號，另一個是用于視頻信號的接收以及同步掃描的同步信號。視頻信號的采集、存儲、處理和綜合都需要知道復(fù)合視頻信號中有用的視頻信號何時開始何時結(jié)束，因此就需要產(chǎn)生代表這些信息的系統(tǒng)時基信號，包括行同步信號（簡稱HS）、場同步信號（簡稱VS）和像素時鐘信號。隨著技術(shù)的發(fā)展，在我們的系統(tǒng)中采用了另一種方案來實現(xiàn)內(nèi)同步，即選用集成解碼芯片結(jié)合視頻分離電路來得到上面所說的兩種視頻信息。

2.2.2視頻輸出電路和倍頻電路實現(xiàn)

現(xiàn)在的PAL標(biāo)準(zhǔn)信號使用的是50 Hz頻率，在高清晰的電視處理中目前廣泛的采用的100 Hz的場頻，所以有必要在電路中實現(xiàn)50 Hz的倍頻電路，傳統(tǒng)的倍頻電路是PLL+分頻器，這樣做不僅需要額外的電路實現(xiàn)而且成本高，我們在系統(tǒng)中也是選用合適的編碼芯片，合適的編碼芯片同時帶有倍頻電路，這樣同步時序還是由FPGA產(chǎn)生，同步信號經(jīng)過編碼芯片倍頻結(jié)合編碼輸出完成視頻信號的輸出。

2.2.3存儲器選擇

方案中凍結(jié)圖像的存儲器選擇SRAM，SRAM的操作簡單，速度快，適合實時存儲。存儲圖像的要求是實時性，要求掉電不丟失的能力，在考慮到所要保存圖片的最大容量，采用乒乓NVRAM+硬盤的方式。硬盤用來存儲1-2分鐘的圖像，而NVRAM存儲凍結(jié)圖像。

2.2.4凍結(jié)圖像和存儲圖像輸

出

方案中采用了FPGA+VHDL

+存儲器的方案。

系統(tǒng)有兩路動態(tài)圖像輸出，設(shè)計成一路經(jīng)DSP直接處理后送DA直接輸出，另一路是要輸出凍結(jié)圖像，存儲的圖像。它的設(shè)計原理如下：

當(dāng)系統(tǒng)的C路輸出不需要輸出時，即不需要輸出凍結(jié)圖像和存儲的圖像時，DSP處理好的圖像數(shù)據(jù)不送入C路的存儲部分，存儲器的總線與DSP總線是斷開的，與DA總線是連在一起的。當(dāng)有圖像凍結(jié)命令時，總線切換使得DSP總線處理好的圖像送入凍結(jié)SRAM，連續(xù)保存，并在FPGA中做好索引，當(dāng)圖像凍結(jié)命令解除后，有FPGA中的總線切換開關(guān)斷開DSP與存儲器的連接，有與DA相連，有外部信號控制FPGA中的索引單元查找所要查開對像的地址，然后由相應(yīng)的地址開始輸出凍結(jié)的圖像，地址不斷循環(huán)，只要有新的控制命令。

顯示存儲和DSA的圖像的原理與顯示凍結(jié)圖像的原理相同，不同的是因為要存儲的實時圖像的容量較大，所以選用IDE硬盤，IDE硬盤是掛在ARM9上的，如果直接操作速度是個瓶頸，所以考慮用NVRAM+硬盤的方式，NVRAM是掉電數(shù)據(jù)不丟失存儲器，它有與SRAM相同的速度。我們采用乒乓存儲的方式作為兩者間的緩沖。采集數(shù)據(jù)放入到NVRAMa保存后,通過FPGA切換把采集的數(shù)據(jù)放到NVRAMb后，同時a中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到硬盤中，顯示數(shù)據(jù)時也是采用相同的方法。

2.2.5字符產(chǎn)生

字符顯示也是系統(tǒng)人機接口的重要部分，它以字符的形式在監(jiān)視器的屏幕上實時顯示出系統(tǒng)的工作狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以此提示系統(tǒng)的操控者實施相應(yīng)的動作。

從字符疊加的工作方式及本身電路的構(gòu)成來看，字符疊加技術(shù)可以有以下三種方法來實現(xiàn)。

第一種是“圖解顯示控制”即GDC 方法。它是利用中小規(guī)模數(shù)字集成電路來實現(xiàn)各部分所要求的嚴(yán)格的時序關(guān)系，將形成的字符信號與視頻信號在預(yù)定的時間關(guān)系上混合并顯示在屏幕上。

第二種是用CRT 控制器這一類專用集成電路的方法。常用的有8350、8275、MC6845等。它將“圖解顯示控制方式”中的中小規(guī)模集成器件構(gòu)成的電路集成化。字符或圖形等以點陣方式存儲在外圍的ROM或RAM 中。它使電路大為簡化，因而使用較為方便。

第三種是單片“屏幕顯示”（OSD）器件方法：因為在與電視有關(guān)的產(chǎn)品上并不需要顯示很多的字符或圖形，因此將以上CRT控制器中的外部存儲器與其集成在一起而形成所謂專用字符疊加芯片。常見的有NEC公司的uPD6453字符疊加芯片以及富士通公司的MB90092字符、圖形疊加芯片。

本文設(shè)計的系統(tǒng)中需要顯示的字符量比較少，為了降低開發(fā)的成本，合理利用系統(tǒng)的資源，我們采用上述的第二種方案，但字符疊加控制器是由可編程邏輯器件編程實現(xiàn)。

3結(jié)語

本文的高性能X光視頻圖象采集和處理系統(tǒng)實現(xiàn)了對視頻信號的實時采集、處理和存儲，為信號的實時處理提供了方便。文章討論的方案的比較與選擇對于不同的系統(tǒng)要求都有借鑒意義，對醫(yī)學(xué)視頻圖象數(shù)字化采集與處理方面作了一定的探討，具有一定的應(yīng)用價值。

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