基于DM642的X光片醫學輔助診斷系統*

董 亮，朱 磊，苗鳳娟，何 鵬

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

自1895年倫琴發現X線，由此引發了醫學診斷技術的一場革命，并形成了放射診斷學,為醫生確診疾病的病因提供了重要直觀的信息。隨著患者數量的增加，醫生大量閱讀圖像容易造成疲勞與分心，導致判斷質量下降。且僅憑醫生自身的臨床經驗很難對影像資料進行一致的定量解釋[1],難以保證不會出現漏診和誤診的情況。隨著微電子技術的發展,將數字信號處理器與復雜的醫學圖像分析技術相結合,將復雜費時的計算應用在數字芯片中，大大提高了系統的運行效率。借助處理器快速準確的智能化分析判斷能力，可為醫生提供一個較為客觀的參考意見，提高了診斷效率。

臨床醫生對患者進行診斷的主要手段是通過臨床經驗來分析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生進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據是個難題。國內外一些研究機構對此也進行了研究,例如德國GCRC研究中心開發了醫學影像交互平臺,美國賓州大學放射系醫學圖像處理小組開發的3D VIEWNIX系統，提供了醫學圖像預處理、二維和三維可視化、圖像分析等功能。國內的華中科技大學、深圳邁科特、沈陽東軟在此方面也進行了研究與探索。以上研究機構雖然推出了臨床使用系統，但價格昂貴，而且在圖像清晰度、病灶定位、病灶細節放大及數據分析預處理等方面還有待完善。針對此種情況，設計了一個醫療輔助診斷系統，由上位機軟件和DM642圖像處理與分析硬件系統組成。該系統可以根據醫生的需要對醫學膠片進行數字化讀取，并在此基礎上實現局部放大、邊緣分析、圖像增強、參數測量、網絡傳送等功能，醫生可以根據需要靈活地對數字膠片進行放大、增強、參數測量等操作，最大程度地輔助醫生分析病情。

1 圖像處理系統概述

隨著醫學成像技術的快速發展，臨床診斷所產生的圖像數據越來越多。如何借助DSP芯片快速準確地處理這些圖像，提高圖像質量并幫助醫生對病灶進行判讀，為醫生提供一個較為客觀的參考意見已成為研究熱點。

醫療設備雖然能進行簡單編程調試，但是其處理能力較低。本系統充分利用了DM642通信接口多的特點，無需對設備進行改造，只需將輔助診斷裝置通過PCI接口接入計算機，通過上位機軟件直接將來自PACS(圖像存檔與通信系統)或者攝像頭采集到的圖像送入DM642處理器中進行分析。為了使本系統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，系統帶有PCI 2.2版本的主模式/從模式接口和100 MB以太網接口的DM642核心板直接插入主機，采用DICOM 3.0協議在以太網中進行數據傳輸。其處理器主芯片采用TI公司的專門用于數字媒體應用的高性能32位定點DSP TMS320DM642,主頻工作頻率高達720 MHz，處理性能可達5 760 MS/s。

本系統中計算機作為主設備，圖像處理系統作為從設備。其中PCI接口既可向DSP發出中斷，也可向PCI主機發出中斷。通過PCI接口，主機可最高以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作為高速的數據緩沖區，當FIFO中的數據達到設定的存儲值時，由DMA控制PCI模塊的寄存器發出中斷信息，主機通過收到中斷信號，調用上位機程序，將處理后的圖像輸入到上位機軟件平臺進行顯示。系統硬件結構[3]如圖1所示，虛線部分是DM642核心板卡。

系統工作流程：由醫生對膠片位置、LED光源進行手動調節使其達到最佳效果后，啟動系統。系統工作時，DSP通過讀寫速度高達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中對圖像進行指令所需的各種運算[4]，將最終運算結果通過PCI傳輸給主機。如果圖像直接來自PACS，則無需對圖像進行采集，由DM642通過以太網接口將圖像數據讀入SDRAM中進行各種運算。

2 解碼器接口設計

TMS320DM642芯片支持BT.656格式的視頻數據流的輸入格式，能與TVP5150A的視頻數據流進行無縫連接。TVP5150A是一款高性能視頻解碼器，可將NTSC和PAL轉換成數字色差信號（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實現對VP0口輸入視頻數據的采集。系統中將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。輸入的數據通過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FIFO快要達到其設定的門限值時，就會觸發EDMA傳輸，將其數據送入視頻編碼器中。接口電路如圖2所示。

3 系統應用

3.1 系統軟件設計

考慮到系統的可擴展性,采用TI公司的RF5結構框架和CCS調試系統中的DSP/BIOS對系統進行了模塊化設計。系統初始化后，經過視頻編碼器讀入圖像，DM642對其進行預處理，目的是為了減少電子干擾噪聲及抖動噪聲，為后續圖像分析與處理做準備。由于各種醫學圖片及患者的病灶有其不同的特點，可根據情況進行適當的選擇性分析，其中包括區域放大、參數測量、特征區域尋找、邊緣提取及圖像增強。

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個任務模塊結構，包括控制任務、網絡初始化任務、圖像處理任務、網絡接收任務、網絡發送任務、圖像編碼任務、圖像解碼任務及輸出任務。8個任務通過RF-5的SCOM模塊互相發送消息，完成整個圖像從處理到接收的整個過程。

3.2 圖像增強

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

式中k1與k2分別代表原圖像與期望圖像，將得到的參數估計函數的最小值帶入到局部增強函數中，與全增強圖像進行疊加得到最終輸出，增強前后的圖像如圖3所示。

采用DM642多媒體芯片輔以PCI、以太網及視頻編碼器等多種外設，設計了具有醫學影像輔助分析功能的圖像處理系統。系統采用模塊化程序設計方法，結合DSP/BIOS和RF5框架體系，使系統具有良好的擴展性。通過圖像增強實驗證明，該算法對提高圖像質量、加強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.醫學影像診斷[M].湖北：湖北科學技術出版社，2008.

[2]許彬，鄭鏈，王克勇，等.基于 DM642的 PCI總線接口技術實現[J].微計算機信息，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設計與實現[J].電視技術，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設計[J].電子測量與儀器學報，2007，21(01)：86-89.

[5]諶家喜.直接數字化X線攝影系統圖像處理方法研究[D].安徽：中國科學技術大學，2008.