基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統

一. 設計概述

　　1. 設計意圖

　　迅速發(fā)展的醫學(xué)影像技術(shù)不斷的推動(dòng)現代醫學(xué)進(jìn)步，CT、MRI、PET廣泛地應用與臨床診斷分析，其作用已經(jīng)從人體組織器官解剖結構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)導航、放療計劃和跟蹤病灶變化的基本工具，從醫學(xué)圖象中分割出解剖結構并構造出形狀地集合表達。

　　MR脊柱圖像分割的研究對于醫學(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(zhù)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(lái)的話(huà)，那么計算機技術(shù)對于醫學(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工作也是遠遠不夠的。傳統的對椎骨骨折的評估是手動(dòng)的對每塊椎骨標注6個(gè)點(diǎn)（四個(gè)角和上下邊沿的中點(diǎn)），然后測量前面、中間、后面的椎骨的高度。但是這個(gè)過(guò)程是相當的耗時(shí)。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(gè)脊椎的定位的耗時(shí)將讓人很難接受。因此醫學(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，計算機自動(dòng)定位椎骨和椎間盤(pán)對于輔助診斷具有重要的臨床應用價(jià)值。

　　本作品的設計意圖即在Nios. II處理器的平臺上實(shí)現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)驗室研究的關(guān)于MRI Spine圖像分割算法實(shí)現了脊椎核磁共振矢狀圖（Sagittal Views）自動(dòng)的椎間盤(pán)定位以及量化的標注，充分利用Altera FPGA/Nios II資源,使系統小型化、便攜化。該算法的應用，可以改善對骨質(zhì)疏松引起的椎骨骨折進(jìn)行自動(dòng)的評估，對椎間盤(pán)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，以及圖像引導的椎骨外科手術(shù)。

　　2. 適用范圍及針對用戶(hù)群

　　本作品主要適用于各擁有核磁共振儀器的醫療機構。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防各種脊椎病情。并且本作品有網(wǎng)絡(luò )傳輸功能，方便醫生進(jìn)行遠程會(huì )診。

　　3. 本設計采用Nios II 處理器的優(yōu)勢

　?。?）Nios II處理器提供的創(chuàng )新的SOPC設計理念。

　　Nios II軟核系統的性能是可以根據應用來(lái)進(jìn)行裁減的，定制用戶(hù)自己的系統，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，方便用戶(hù)設計，有效的提高系統的運算能力。Nios II的用戶(hù)邏輯功能和用戶(hù)指令突現NiosII 處理器的技術(shù)亮點(diǎn)，提供了運算優(yōu)化、加速的一個(gè)有效途徑，將處理速度提高到一個(gè)相當的層次，易于實(shí)現算法的商用化。

　?。?）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，方便我們直接利用該操作系統完成系統的功能設計及功能行擴展。

　?。?）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(jìn)行算法級的系統開(kāi)發(fā)。并且可以將算法設計成自定義用戶(hù)指令，利用SoPC Builder和Quartus. II軟件集成至Nios II嵌入式系統處理器中，通過(guò)軟件調用該自定義指令完成DSP算法。

　?。?）C2H對設計的有力支持。

　　Nios II提供的C2H編譯器能夠將對性能要求較高的C語(yǔ)言程序自動(dòng)轉換為硬件加速器，集成到基于FPGA的Nios II子系統中。這樣，分擔了Nios II處理器的數據計算和存儲器訪(fǎng)問(wèn)功能，使處理器能夠更好的處理其他任務(wù)。由于A(yíng)valon互聯(lián)架構并沒(méi)有限制主機和從機的數量，因此，Nios II C2H編譯器可以根據轉換目標代碼的要求，產(chǎn)生多個(gè)存儲器自治硬件加速器。幫助嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員提高效率，實(shí)現成功的設計。

　　二. 功能描述

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

　　本設計硬件板塊主要包括DE1開(kāi)發(fā)平臺、MRI圖像LCD顯示板、與MR設備及PC機網(wǎng)絡(luò )接口板構成。系統的功能模塊主要分成以下六個(gè)：MRI圖像預處理模塊、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圖像數據存取模塊，網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊。

　　1. MRI圖像預處理模塊、脊髓提取模塊、脊椎檢測分割模塊是本設計的算法部分，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程序實(shí)現，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圖像顯示及人機交互模塊：我們采用LCD屏及鼠標來(lái)實(shí)現圖像的顯示和人機交互的功能。鼠標和lcd通過(guò)自己編寫(xiě)的IP核，以Avalon從設備的方式連接到 Nios II處理器。

　　設計時(shí)我們使用了IED開(kāi)發(fā)環(huán)境下的UCOSII實(shí)時(shí)操作系統來(lái)完成系統的任務(wù)管理及算法調度，移植對應于我們采用的LCD控制器芯片TCB8000C的UCGUI圖形操作界面，使系統具有良好的人機交互性。

　　3. MRI圖像數據存取模塊：直接從成像設備中獲取的圖像一般符合標準的醫學(xué)圖像格式，即dicom格式，這種格式的圖像對于普通的用戶(hù)是不常見(jiàn)的，要用專(zhuān)門(mén)的軟件或醫學(xué)設備讀取，所以為了使得圖像在任何情況下，在大多數環(huán)境下可以方便的讀取，我們在處理前經(jīng)過(guò)由dicom格式向bmp格式的轉換，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載到硬件平臺的存儲設備上的圖像是已經(jīng)進(jìn)行過(guò)格式轉換的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卡作為數據存儲區，并且移植對應于sd卡的UCFS文件系統，增強了系統的擴展性和系統的數據管理能力。

　　4. 網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊：采用以太網(wǎng)方式，實(shí)現數據的交互。以太網(wǎng)口方便系統從MR設備上獲取圖像。利用DE1的擴展接口，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)的引入使得系統具有更好的擴展性。

　　Nios II處理器的特點(diǎn)和sopc的設計理念使我們的設計過(guò)程變得不那么枯燥，這是一個(gè)不斷優(yōu)化算法，完善設計，使系統速度運行速度更快的一個(gè)過(guò)程。我們將設計分成一下兩個(gè)步驟進(jìn)行：1）搭建Nios II系統，將算法用純軟件的方式在Nios II上運行起來(lái)，并初步實(shí)現系統的功能。2）利用自定義指令和自定義外設，加速算法的運行。

　　三. 性能參數

　　系統性能參數：

　　脊柱核磁共振圖像對于診斷脊骨的疾病方面扮演著(zhù)非常重要的角色，例如對于退化椎間盤(pán)的描述比其他形式的圖像有更好的效果，并且能夠對脊椎外科手術(shù)的治療進(jìn)行評估。對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，節省時(shí)間和花費。因此對于本系統來(lái)說(shuō)，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(lái)，在保證圖像分割的準確性的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化代碼、使用C2H工具及自定義用戶(hù)外設等方法加塊運算速度。

　　下圖是系統工程編譯之后各種資源的占用情況：

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

　　算法分割的準確性從系統運行后生成的最終處理圖像可以看出，系統能夠比較準確的將脊椎標注出來(lái)，并且在平臺上將各個(gè)脊椎按照編號標注出來(lái)。醫療儀器的具體性能還需要長(cháng)期的臨床實(shí)驗來(lái)得到驗證，并通過(guò)這些數據改善我們的算法。

　　下圖是直接拍攝作品顯示的處理效果，在后面章節顯示的圖片是系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將圖片傳輸到計算機上得到的。

　　四. 設計結構

基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統硬件結構圖

　　軟件流程如下：