基于DM642的X光片醫(yī)學(xué)輔助診斷系統(tǒng)*

董 亮，朱 磊，苗鳳娟，何 鵬

(齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線，由此引發(fā)了醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)的一場革命，并形成了放射診斷學(xué),為醫(yī)生確診疾病的病因提供了重要直觀的信息。隨著患者數(shù)量的增加，醫(yī)生大量閱讀圖像容易造成疲勞與分心，導(dǎo)致判斷質(zhì)量下降。且僅憑醫(yī)生自身的臨床經(jīng)驗很難對影像資料進(jìn)行一致的定量解釋[1],難以保證不會出現(xiàn)漏診和誤診的情況。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,將數(shù)字信號處理器與復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像分析技術(shù)相結(jié)合,將復(fù)雜費(fèi)時的計算應(yīng)用在數(shù)字芯片中，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。借助處理器快速準(zhǔn)確的智能化分析判斷能力，可為醫(yī)生提供一個較為客觀的參考意見，提高了診斷效率。

臨床醫(yī)生對患者進(jìn)行診斷的主要手段是通過臨床經(jīng)驗來分析X光片中的圖像信息，所以充分挖掘隱藏在膠片圖像中的信息對幫助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷有著重要的意義。然而，如何從大量的病例中提取出有用的數(shù)據(jù)是個難題。國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)對此也進(jìn)行了研究,例如德國GCRC研究中心開發(fā)了醫(yī)學(xué)影像交互平臺,美國賓州大學(xué)放射系醫(yī)學(xué)圖像處理小組開發(fā)的3D VIEWNIX系統(tǒng)，提供了醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理、二維和三維可視化、圖像分析等功能。國內(nèi)的華中科技大學(xué)、深圳邁科特、沈陽東軟在此方面也進(jìn)行了研究與探索。以上研究機(jī)構(gòu)雖然推出了臨床使用系統(tǒng)，但價格昂貴，而且在圖像清晰度、病灶定位、病灶細(xì)節(jié)放大及數(shù)據(jù)分析預(yù)處理等方面還有待完善。針對此種情況，設(shè)計了一個醫(yī)療輔助診斷系統(tǒng)，由上位機(jī)軟件和DM642圖像處理與分析硬件系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)可以根據(jù)醫(yī)生的需要對醫(yī)學(xué)膠片進(jìn)行數(shù)字化讀取，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)局部放大、邊緣分析、圖像增強(qiáng)、參數(shù)測量、網(wǎng)絡(luò)傳送等功能，醫(yī)生可以根據(jù)需要靈活地對數(shù)字膠片進(jìn)行放大、增強(qiáng)、參數(shù)測量等操作，最大程度地輔助醫(yī)生分析病情。

1 圖像處理系統(tǒng)概述

隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的快速發(fā)展，臨床診斷所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)越來越多。如何借助DSP芯片快速準(zhǔn)確地處理這些圖像，提高圖像質(zhì)量并幫助醫(yī)生對病灶進(jìn)行判讀，為醫(yī)生提供一個較為客觀的參考意見已成為研究熱點。

醫(yī)療設(shè)備雖然能進(jìn)行簡單編程調(diào)試，但是其處理能力較低。本系統(tǒng)充分利用了DM642通信接口多的特點，無需對設(shè)備進(jìn)行改造，只需將輔助診斷裝置通過PCI接口接入計算機(jī)，通過上位機(jī)軟件直接將來自PACS(圖像存檔與通信系統(tǒng))或者攝像頭采集到的圖像送入DM642處理器中進(jìn)行分析。為了使本系統(tǒng)具備兼容性與實用性，在硬件上采用高分辨率(1 280×960)的CCD攝像頭采集打印X光片，系統(tǒng)帶有PCI 2.2版本的主模式/從模式接口和100 MB以太網(wǎng)接口的DM642核心板直接插入主機(jī)，采用DICOM 3.0協(xié)議在以太網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其處理器主芯片采用TI公司的專門用于數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32位定點DSP TMS320DM642,主頻工作頻率高達(dá)720 MHz，處理性能可達(dá)5 760 MS/s。

本系統(tǒng)中計算機(jī)作為主設(shè)備，圖像處理系統(tǒng)作為從設(shè)備。其中PCI接口既可向DSP發(fā)出中斷，也可向PCI主機(jī)發(fā)出中斷。通過PCI接口，主機(jī)可最高以264 MB/s的速度的訪問DM642板卡的所有片外資源[2]。在圖像處理過程中DM642采用FIFO作為高速的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的存儲值時，由DMA控制PCI模塊的寄存器發(fā)出中斷信息，主機(jī)通過收到中斷信號，調(diào)用上位機(jī)程序，將處理后的圖像輸入到上位機(jī)軟件平臺進(jìn)行顯示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示，虛線部分是DM642核心板卡。

系統(tǒng)工作流程：由醫(yī)生對膠片位置、LED光源進(jìn)行手動調(diào)節(jié)使其達(dá)到最佳效果后，啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，DSP通過讀寫速度高達(dá)120 MHz的外部存儲器接口(EMIF)將圖像處理程序輸入Flash，通過VP0接口讀取來自視頻解碼器的信號,而后DM642就可以在SDRAM中對圖像進(jìn)行指令所需的各種運(yùn)算[4]，將最終運(yùn)算結(jié)果通過PCI傳輸給主機(jī)。如果圖像直接來自PACS，則無需對圖像進(jìn)行采集，由DM642通過以太網(wǎng)接口將圖像數(shù)據(jù)讀入SDRAM中進(jìn)行各種運(yùn)算。

2 解碼器接口設(shè)計

TMS320DM642芯片支持BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)流的輸入格式，能與TVP5150A的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行無縫連接。TVP5150A是一款高性能視頻解碼器，可將NTSC和PAL轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號（YUV4:2:2）。由于外部視頻信號輸入為 1 Vpp，而 TVP5150A則要求輸入 0.75 Vpp，所以在輸入前加入分壓電路，確保芯片安全。TVP5150的GPCL引腳用來作 VP0口的 CAPEN,通過0、1實現(xiàn)對VP0口輸入視頻數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)中將DM642的VP0配置為VP0A+McASP模式，其中VP0A配置為8 bit BT.656視頻輸入，用來接一路視頻輸入。輸入的數(shù)據(jù)通過VP0D[9:2]讀入DM642中,DM642中的視頻FIFO用來接收讀入的視頻信號。當(dāng)FIFO快要達(dá)到其設(shè)定的門限值時，就會觸發(fā)EDMA傳輸，將其數(shù)據(jù)送入視頻編碼器中。接口電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,采用TI公司的RF5結(jié)構(gòu)框架和CCS調(diào)試系統(tǒng)中的DSP/BIOS對系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計。系統(tǒng)初始化后，經(jīng)過視頻編碼器讀入圖像，DM642對其進(jìn)行預(yù)處理，目的是為了減少電子干擾噪聲及抖動噪聲，為后續(xù)圖像分析與處理做準(zhǔn)備。由于各種醫(yī)學(xué)圖片及患者的病灶有其不同的特點，可根據(jù)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇性分析，其中包括區(qū)域放大、參數(shù)測量、特征區(qū)域?qū)ふ摇⑦吘壧崛〖皥D像增強(qiáng)。

實驗程序采用RF-5來整合圖像的編碼、解碼庫。程序使用了8個任務(wù)模塊結(jié)構(gòu)，包括控制任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)初始化任務(wù)、圖像處理任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任務(wù)、圖像編碼任務(wù)、圖像解碼任務(wù)及輸出任務(wù)。8個任務(wù)通過RF-5的SCOM模塊互相發(fā)送消息，完成整個圖像從處理到接收的整個過程。

3.2 圖像增強(qiáng)

醫(yī)生在診斷病情時非常希望獲得大量的病灶細(xì)節(jié)，而圖像增強(qiáng)能夠突出病灶細(xì)節(jié)，改善視覺效果。根據(jù)圖像顯示所要改善的不同區(qū)域，可以分為整體增強(qiáng)與局部細(xì)節(jié)增強(qiáng)。在本系統(tǒng)中采用整體增強(qiáng)與局部細(xì)節(jié)增強(qiáng)相結(jié)合的方法處理圖像。整體增強(qiáng)采用基于非線性變換的圖像增強(qiáng)技術(shù)，這種方法能夠提取出感興趣的特征部位，但是對圖像的細(xì)節(jié)信息會忽略，結(jié)合局部細(xì)節(jié)增強(qiáng)與圖像評價函數(shù)，通過調(diào)整參數(shù)估計函數(shù)確定局部增強(qiáng)圖像的相關(guān)參數(shù)，能夠顯示出更多的細(xì)節(jié)，為臨床醫(yī)生診斷提供有力的保證。參數(shù)估計函數(shù)[5]為：

式中k1與k2分別代表原圖像與期望圖像，將得到的參數(shù)估計函數(shù)的最小值帶入到局部增強(qiáng)函數(shù)中，與全增強(qiáng)圖像進(jìn)行疊加得到最終輸出，增強(qiáng)前后的圖像如圖3所示。

采用DM642多媒體芯片輔以PCI、以太網(wǎng)及視頻編碼器等多種外設(shè)，設(shè)計了具有醫(yī)學(xué)影像輔助分析功能的圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計方法，結(jié)合DSP/BIOS和RF5框架體系，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。通過圖像增強(qiáng)實驗證明，該算法對提高圖像質(zhì)量、加強(qiáng)圖像判讀及豐富圖像信息量具有顯著的效果。

[1]付建國，樊建中.醫(yī)學(xué)影像診斷[M].湖北：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2]許彬，鄭鏈，王克勇，等.基于 DM642的 PCI總線接口技術(shù)實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2006，22（4-2）:113-115.

[3]王徐華，樊曉光，徐顯亮.基于TMS320DM642的視頻圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2009，33(10)：28-31.

[4]趙劼，劉鐵根，李晉申.基于DM642的高速圖像識別系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量與儀器學(xué)報，2007，21(01)：86-89.

[5]諶家喜.直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)圖像處理方法研究[D].安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.