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实时超声可视化关键技术研究

贺承浩  
【摘要】:超声成像技术是重要的医学成像方法之一,由于其具有低成本和对人体无损等优点,在临床诊断上具有无可替代的地位。随着近年来小型化、便携式超声诊断设备的发展,扩展了超声成像在乡镇医疗、家庭医护、战地急救等领域的潜在应用,也使得超声可视化的实时性、直观性要求加大。当前的主要实现方案除了传统的B型、M型及多普勒血流成像外,主要还有多普勒能量成像、多普勒组织盛像、表面绘制三维胎儿成像、三维穿刺引导等,然而由于算法及硬件的限制,在传统CT、MRI等非实时性成像中广泛应用的体绘制方法在超声时变数据下却难以实现,同时超声诊断设备仍旧局限于大型医院定点医疗,在如今医疗需求日益高涨的形势下亟待新的思路和解决方案。本文针对超声可视化中的关键技术,结合FPGA加速、云计算等新的架构方案,对超声的实时三维成像及非局地性远程操控成像做了有益的探索,扩展了超声医疗终端的发展方向。 本学位论文主要围绕三维及云计算超声成像的实现及其应用展开,重点研究了超声数据的体绘制算法改进,Shear-warp算法的FPGA硬件加速,基于云计算的分布式超声成像架构,以及基于工作站模式的EDA设计、测试方法等。 本论文的主要研究工作和创新点包括: (1)研究了基于硬件加速的三维可视化算法,针对超声数据对实时性、便携性要求高,而对图像细节不敏感的特性,对适合于超声数据实时体绘制的算法实现进行了深入研究。在基于对象空间的Shear-warp算法基础上进行改进,针对实际存储器件的一维数据存储格式难以满足三维成像实时计算的困难,提出一种新的数据整序方法,根据视点方向,对产生的数据构型进行变换,从而避免了改变视线主轴时所需的预处理过程;另一方面将Ray-casting算法的图像空间读取顺序应用到Shear-warp算法上,结合针对性的底层优化和参数实时计算,提出基于图序的Shear-warp算法改进,克服了体绘制算法最关键的存储瓶颈,满足时变数据实时处理的时序要求。 (2)利用FPGA硬件加速实现改进的Shear-warp算法,结合FPGA的可重构性和逻辑设计灵活性,通过高度流水的并行处理架构及参数的实时计算,避免了复杂的中间图像缓存读写,基于Xilinx公司的Virtex系列高性能FPGA实现了超声时变数据处理,并在地址计算及存储控制等方面均提出了新的实现方式。地址计算方面,提出了不同于传统后端计算的前端地址写入计算方法,根据参数实时计算三维图像数据的读写地址,并通过FIFO移位改变缓存位置从而实现Shear平移,将FPGA内部存储压力转变为逻辑计算压力,有效降低了资源消耗;在存储控制方面,由于系统对实时性要求高,因此中间图像的缓存部分在视线读取顺序基础上实现多级缓存,对深度较浅的线束缓存构建双RAM来实现乒乓读写,有效地提高了同步流水线的性能。设计中应用了自主设计的定制浮点乘累加器以实现高度流水的体数据处理,在100MHz系统时钟下对可变地址的256×256×256三维图像数据进行处理,帧率可达80fps,实现了时变数据的实时体绘制成像。 (3)由于超声成像模式对前端探头的依赖性较大,需要频繁进行面向应用的针对性优化,本文搭建了基于集成式数字B超的超声成像验证测试平台,在ISE和ModelSim的基础上给出了工作站模式的逻辑系统设计方法,缩减了不同应用下的系统重构所需的设计开发周期。在普通二维B超成像的基础上保留用户IP扩展,实现了嵌入式FPGA的超声可视化验证测试平台,而第3章实现的体绘制成像以用户IP的形式导入嵌入式体系架构以实现模块测试,并用标准图像进行不同算法的测试比对,证明了基于FPGA实现的Shear-warp体绘制在超声领域的实用性。 (4)提出了基于云计算的广域医疗模式及分布式超声成像的解决方案,并对超声终端设备进行针对性的简化,只保留前端采集和处理部分,而后端图像存储和处理、高性能算法实现等均放入云端,实现了嵌入式的云计算超声终端。云计算超声系统通过CMUT\非衍射波成像获取时变的三维数据,对海量数据实现实时的体绘制成像,并利用MicroBlaze软核并移植μC/GUI操作系统实现体绘制图像输出,处理结果通过DICOM存储格式保存并上传至云端服务器,并可通过云端接收命令,改变体绘制角度、不透明度查找表等参数,实现远程会诊。针对云模式下的带宽限制,提出了将三维可视化实现集成入前端的设计方案,并研究了远程双向控制策略。


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