實(shí)時(shí)超聲可視化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、超聲成像技術(shù)是重要的醫(yī)學(xué)成像方法之一，由于其具有低成本和對人體無損等優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷上具有無可替代的地位。隨著近年來小型化、便攜式超聲診斷設(shè)備的發(fā)展，擴(kuò)展了超聲成像在鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)療、家庭醫(yī)護(hù)、戰(zhàn)地急救等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，也使得超聲可視化的實(shí)時(shí)性、直觀性要求加大。當(dāng)前的主要實(shí)現(xiàn)方案除了傳統(tǒng)的B型、M型及多普勒血流成像外，主要還有多普勒能量成像、多普勒組織成像、表面繪制三維胎兒成像、三維穿刺引導(dǎo)等，然而由于算法及硬件的限制，在傳統(tǒng)CT、MRI等非實(shí)

2、時(shí)性成像中廣泛應(yīng)用的體繪制方法在超聲時(shí)變數(shù)據(jù)下卻難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)超聲診斷設(shè)備仍舊局限于大型醫(yī)院定點(diǎn)醫(yī)療，在如今醫(yī)療需求日益高漲的形勢下亟待新的思路和解決方案。本文針對超聲可視化中的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合FPGA加速、云計(jì)算等新的架構(gòu)方案，對超聲的實(shí)時(shí)三維成像及非局地性遠(yuǎn)程操控成像做了有益的探索，擴(kuò)展了超聲醫(yī)療終端的發(fā)展方向。
　　 本學(xué)位論文主要圍繞三維及云計(jì)算超聲成像的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用展開，重點(diǎn)研究了超聲數(shù)據(jù)的體繪制算法改進(jìn)，Shear-w

3、arp算法的FPGA硬件加速，基于云計(jì)算的分布式超聲成像架構(gòu)，以及基于工作站模式的EDA設(shè)計(jì)、測試方法等。
　　 本論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　 (1)研究了基于硬件加速的三維可視化算法，針對超聲數(shù)據(jù)對實(shí)時(shí)性、便攜性要求高，而對圖像細(xì)節(jié)不敏感的特性，對適合于超聲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)體繪制的算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入研究。在基于對象空間的Shear-warp算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，針對實(shí)際存儲(chǔ)器件的一維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式難以滿足三維成像實(shí)時(shí)計(jì)

4、算的困難，提出一種新的數(shù)據(jù)整序方法，根據(jù)視點(diǎn)方向，對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)構(gòu)型進(jìn)行變換，從而避免了改變視線主軸時(shí)所需的預(yù)處理過程;另一方面將Ray-casting算法的圖像空間讀取順序應(yīng)用到Shear-warp算法上，結(jié)合針對性的底層優(yōu)化和參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算，提出基于圖序的Shear-warp算法改進(jìn)，克服了體繪制算法最關(guān)鍵的存儲(chǔ)瓶頸，滿足時(shí)變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的時(shí)序要求。
　　 (2)利用FPGA硬件加速實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的Shear-warp算法，結(jié)合FPG

5、A的可重構(gòu)性和邏輯設(shè)計(jì)靈活性，通過高度流水的并行處理架構(gòu)及參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，避免了復(fù)雜的中間圖像緩存讀寫，基于Xilinx公司的Virtex系列高性能FPGA實(shí)現(xiàn)了超聲時(shí)變數(shù)據(jù)處理，并在地址計(jì)算及存儲(chǔ)控制等方面均提出了新的實(shí)現(xiàn)方式。地址計(jì)算方面，提出了不同于傳統(tǒng)后端計(jì)算的前端地址寫入計(jì)算方法，根據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算三維圖像數(shù)據(jù)的讀寫地址，并通過FIFO移位改變緩存位置從而實(shí)現(xiàn)Shear平移，將FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬘?jì)算壓力，有效降低了資

6、源消耗;在存儲(chǔ)控制方面，由于系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求高，因此中間圖像的緩存部分在視線讀取順序基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多級緩存，對深度較淺的線束緩存構(gòu)建雙RAM來實(shí)現(xiàn)乒乓讀寫，有效地提高了同步流水線的性能。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了自主設(shè)計(jì)的定制浮點(diǎn)乘累加器以實(shí)現(xiàn)高度流水的體數(shù)據(jù)處理，在100MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下對可變地址的256×256×256三維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，幀率可達(dá)80fps，實(shí)現(xiàn)了時(shí)變數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)體繪制成像。
　　 (3)由于超聲成像模式對前端探頭的依賴性較大

7、，需要頻繁進(jìn)行面向應(yīng)用的針對性優(yōu)化，本文搭建了基于集成式數(shù)字B超的超聲成像驗(yàn)證測試平臺(tái)，在ISE和ModelSim的基礎(chǔ)上給出了工作站模式的邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，縮減了不同應(yīng)用下的系統(tǒng)重構(gòu)所需的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。在普通二維B超成像的基礎(chǔ)上保留用戶IP擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了嵌入式FPGA的超聲可視化驗(yàn)證測試平臺(tái)，而第3章實(shí)現(xiàn)的體繪制成像以用戶IP的形式導(dǎo)入嵌入式體系架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)模塊測試，并用標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行不同算法的測試比對，證明了基于FPGA實(shí)現(xiàn)的Shear-

8、warp體繪制在超聲領(lǐng)域的實(shí)用性。
　　 (4)提出了基于云計(jì)算的廣域醫(yī)療模式及分布式超聲成像的解決方案，并對超聲終端設(shè)備進(jìn)行針對性的簡化，只保留前端采集和處理部分，而后端圖像存儲(chǔ)和處理、高性能算法實(shí)現(xiàn)等均放入云端，實(shí)現(xiàn)了嵌入式的云計(jì)算超聲終端。云計(jì)算超聲系統(tǒng)通過CMUT、非衍射波成像獲取時(shí)變的三維數(shù)據(jù)，對海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的體繪制成像，并利用MicroBlaze軟核并移植μC/GUI操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)體繪制圖像輸出，處理結(jié)果通過DIC