基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統(tǒng)

一. 設(shè)計(jì)概述

　　1. 設(shè)計(jì)意圖

　　迅速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)不斷的推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進(jìn)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(jì)劃和仿真、手術(shù)導(dǎo)航、放療計(jì)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(dá)。

　　MR脊柱圖像分割的研究對(duì)于醫(yī)學(xué)圖象的計(jì)算機(jī)輔助識(shí)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(zhǔn)確而清晰從圖像中分割和識(shí)別出來(lái)的話，那么計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于醫(yī)學(xué)臨床研究的價(jià)值是非常有限的，然而，僅僅依靠人工的方法完成這項(xiàng)工作也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。傳統(tǒng)的對(duì)椎骨骨折的評(píng)估是手動(dòng)的對(duì)每塊椎骨標(biāo)注6個(gè)點(diǎn)（四個(gè)角和上下邊沿的中點(diǎn)），然后測(cè)量前面、中間、后面的椎骨的高度。但是這個(gè)過(guò)程是相當(dāng)?shù)暮臅r(shí)。文獻(xiàn)記載，對(duì)于用鼠標(biāo)定位一位病人1塊椎骨要花費(fèi)大于15分鐘，對(duì)于整個(gè)脊椎的定位的耗時(shí)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(dòng)完成MR脊柱圖像的分割，計(jì)算機(jī)自動(dòng)定位椎骨和椎間盤對(duì)于輔助診斷具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

　　本作品的設(shè)計(jì)意圖即在Nios. II處理器的平臺(tái)上實(shí)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(shí)驗(yàn)室研究的關(guān)于MRI Spine圖像分割算法實(shí)現(xiàn)了脊椎核磁共振矢狀圖（Sagittal Views）自動(dòng)的椎間盤定位以及量化的標(biāo)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(duì)骨質(zhì)疏松引起的椎骨骨折進(jìn)行自動(dòng)的評(píng)估，對(duì)椎間盤進(jìn)行量化分析，有助于與其他成像圖像（如CT）進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)，以及圖像引導(dǎo)的椎骨外科手術(shù)。

　　2. 適用范圍及針對(duì)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(jī)構(gòu)。由于本作品是基于Nios II處理器，具有使用方便的特點(diǎn)，因此也適合普通的老百姓，他們可以以此來(lái)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(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。

　　3. 本設(shè)計(jì)采用Nios II 處理器的優(yōu)勢(shì)

　?。?）Nios II處理器提供的創(chuàng)新的SOPC設(shè)計(jì)理念。

　　Nios II軟核系統(tǒng)的性能是可以根據(jù)應(yīng)用來(lái)進(jìn)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(shí)鐘速率下具備更高的性能。具有豐富的IP核庫(kù)，方便用戶設(shè)計(jì)，有效的提高系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)，提供了運(yùn)算優(yōu)化、加速的一個(gè)有效途徑，將處理速度提高到一個(gè)相當(dāng)?shù)膶哟?，易于?shí)現(xiàn)算法的商用化。

　　（2）Nios II IDE開(kāi)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(jì)及功能行擴(kuò)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(jìn)行算法級(jí)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。并且可以將算法設(shè)計(jì)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(guò)軟件調(diào)用該自定義指令完成DSP算法。

　?。?）C2H對(duì)設(shè)計(jì)的有力支持。

　　Nios II提供的C2H編譯器能夠?qū)?duì)性能要求較高的C語(yǔ)言程序自動(dòng)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(jì)算和存儲(chǔ)器訪問(wèn)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(méi)有限制主機(jī)和從機(jī)的數(shù)量，因此，Nios II C2H編譯器可以根據(jù)轉(zhuǎn)換目標(biāo)代碼的要求，產(chǎn)生多個(gè)存儲(chǔ)器自治硬件加速器。幫助嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員提高效率，實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計(jì)。

　　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(duì)人體組織進(jìn)行定性或定量分析所必不可少的關(guān)鍵步驟。引入計(jì)算機(jī)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(zhǔn)確及時(shí)，降低醫(yī)療費(fèi)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(jì)硬件板塊主要包括DE1開(kāi)發(fā)平臺(tái)、MRI圖像LCD顯示板、與MR設(shè)備及PC機(jī)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(gè)：MRI圖像預(yù)處理模塊、脊髓提取模塊、脊椎檢測(cè)分割模塊，LCD圖像顯示及人機(jī)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(cè)分割模塊是本設(shè)計(jì)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(qiáng)大的運(yùn)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(shí)間的部分使用該工具進(jìn)行加速，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

　　2. LCD圖像顯示及人機(jī)交互模塊：我們采用LCD屏及鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的顯示和人機(jī)交互的功能。鼠標(biāo)和lcd通過(guò)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(jì)時(shí)我們使用了IED開(kāi)發(fā)環(huán)境下的UCOSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)完成系統(tǒng)的任務(wù)管理及算法調(diào)度，移植對(duì)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像格式，即dicom格式，這種格式的圖像對(duì)于普通的用戶是不常見(jiàn)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?cè)谔幚砬敖?jīng)過(guò)由dicom格式向bmp格式的轉(zhuǎn)換，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到硬件平臺(tái)的存儲(chǔ)設(shè)備上的圖像是已經(jīng)進(jìn)行過(guò)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(jī)。在這種情況下，就需要比較大的存儲(chǔ)空間，因此采用sd卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，并且移植對(duì)應(yīng)于sd卡的UCFS文件系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)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(shí)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(kuò)展接口，以DM9000A芯片為核心，自行開(kāi)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(kuò)展性。

　　Nios II處理器的特點(diǎn)和sopc的設(shè)計(jì)理念使我們的設(shè)計(jì)過(guò)程變得不那么枯燥，這是一個(gè)不斷優(yōu)化算法，完善設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)速度運(yùn)行速度更快的一個(gè)過(guò)程。我們將設(shè)計(jì)分成一下兩個(gè)步驟進(jìn)行：1）搭建Nios II系統(tǒng)，將算法用純軟件的方式在Nios II上運(yùn)行起來(lái)，并初步實(shí)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(yùn)行。

　　三. 性能參數(shù)

　　系統(tǒng)性能參數(shù)：

　　脊柱核磁共振圖像對(duì)于診斷脊骨的疾病方面扮演著非常重要的角色，例如對(duì)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(jìn)行評(píng)估。對(duì)脊椎核磁共振圖像進(jìn)行分析處理可以輔助診斷更加精確，節(jié)省時(shí)間和花費(fèi)。因此對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的就是要將脊椎準(zhǔn)確而清晰從圖像中分割和識(shí)別出來(lái)，在保證圖像分割的準(zhǔn)確性的同時(shí)，通過(guò)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(yùn)算速度。

　　下圖是系統(tǒng)工程編譯之后各種資源的占用情況：

　　算法各個(gè)步驟運(yùn)行時(shí)間如下：（以下是經(jīng)過(guò)代碼優(yōu)化后的運(yùn)行時(shí)間）

　　算法分割的準(zhǔn)確性從系統(tǒng)運(yùn)行后生成的最終處理圖像可以看出，系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確的將脊椎標(biāo)注出來(lái)，并且在平臺(tái)上將各個(gè)脊椎按照編號(hào)標(biāo)注出來(lái)。醫(yī)療儀器的具體性能還需要長(zhǎng)期的臨床實(shí)驗(yàn)來(lái)得到驗(yàn)證，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)改善我們的算法。

　　下圖是直接拍攝作品顯示的處理效果，在后面章節(jié)顯示的圖片是系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將圖片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上得到的。

　　四. 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　軟件流程如下：