專利名稱：一種數(shù)字x線設備的實時圖像處理與顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術領域中的數(shù)字x線設備，具體地說是一種數(shù) 字x線設備的實時圖像處理與顯示裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)技術中，數(shù)字X線設備的圖像系統(tǒng)一般由以下幾部分組成圖像 數(shù)據(jù)接收部分，X射線經(jīng)過濾線柵和影像增強器后，進入CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合裝置)，CCD以低壓差分信號(LVDS)傳輸影像 數(shù)據(jù)；圖像處理部分，常用的X線圖像處理算法有降噪，減影，邊緣增強， 運動檢測，圖像旋轉(zhuǎn)，枕形失真校正等；圖像顯示和歸檔部分，完成圖像 在CRT或液晶顯示器上的顯示，并按用戶的要求完成文檔的存檔，編輯等 工作。圖像系統(tǒng)實現(xiàn)圖像處理方式有以下兩種1. 基于通用計算機的設計。這種方式用軟件實現(xiàn)圖像處理，在眾多圖像 處理方式中是最常用的。但此種方式要占用CPU幾乎全部的處理能力，速 度相對較慢，不適于實時處理， 一般用于圖像后處理。同時由于通用計算 機使用的操作系統(tǒng)并非專業(yè)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，極易引起死機，崩潰 等多種問題。這種方法不適用于圖像處理運算量較大，要求實時處理的醫(yī) 療現(xiàn)場診斷圖像設備中。2. 基于DSP (digital signal processors)的設計。DSP芯片內(nèi)部采用程序 和數(shù)據(jù)分開存儲和傳輸?shù)墓鸾Y構，具有專門硬件乘法器，廣泛釆用流水 線操作，提供特殊的DSP指令，可用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 其缺點是不夠靈活，對于醫(yī)療設備上一些需要很高數(shù)字樣本處理速率的高 端應用來說，DSP仍然不能滿足系統(tǒng)對實時性的要求。目前本技術領域中通用計算機進行圖像處理，便于實現(xiàn)各種圖像處理 算法以及操作，但仍存在以下問題(1) 在使用數(shù)字X線設備進行透視、透視狀態(tài)下的減影以及圖像生數(shù) 據(jù)的回放等搡作時，要求圖像實時輸出，并且需要進行邊緣增強以及旋轉(zhuǎn) 等復雜的算法，現(xiàn)有的計算機不能滿足速度的要求。(2) 由于通用計算機使用的搡作系統(tǒng)，如WINDOWS XP等，不是專 用的實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，易引起死機，崩潰等多種問題；(3 )高速的影像數(shù)據(jù)在多個數(shù)字X線設備的模塊之間傳遞，經(jīng)過多根 線纜，連接器，傳輸和控制過程復雜，易引起電磁兼容問題，且在傳輸過 程中，干擾源眾多，因而很難保證影像數(shù)據(jù)和控制信號的信號完整性。(4)基于通用計算機因圖像處理速度慢，不能進行實時的回放，必須 加入專門的圖像處理卡。將生數(shù)據(jù)通過PCI傳到硬盤上存儲，在需要回放 的時候再由硬盤通過PCI傳到圖像處理卡上，這需要占用大量的計算機運 算資源以及PCI總線資源，同樣影響運行速度。 發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術中不能滿足系統(tǒng)對實時性的要求、系統(tǒng)不穩(wěn)定，易引 起死機以及電磁兼容等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠滿足速度要求、穩(wěn)定、并減小外界干擾的數(shù)字x線設備的實時圖像處理與顯示裝置為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是本發(fā)明包括圖像處理模塊，通過圖像輸入模塊接收外部圖像數(shù)據(jù)進 行處理；圖像顯示和存儲模塊，接收經(jīng)圖像處理模塊處理的數(shù)據(jù)，輸出至 圖像顯示裝置；微控制器，用于實現(xiàn)圖像處理模塊及圖像顯示和存儲模塊 的配置，根據(jù)外部接口傳來的X線機的主控設備的命令控制圖像處理模塊 以及圖像顯示和存儲模塊的動作；圖像處理存儲器，與圖像處理模塊中的 圖像處理存儲控制器相連，用于隨機存儲和讀取圖像數(shù)據(jù)；圖像顯示緩存， 與圖像顯示和存儲模塊中的圖像顯示緩存控制器相連，用于實現(xiàn)多種圖像 顯示功能；圖像存儲器，與圖像顯示和存儲模塊中的圖像存儲控制器相連， 用于存儲需要回放的圖像數(shù)據(jù)。所述圖像處理模塊包括圖像處理FPGA，其內(nèi)部配置有預降噪模塊， 通過圖像輸入模塊接收外部輸入的圖像數(shù)據(jù)進行預降噪，輸出端接至運動 檢測模塊，預降噪模塊通過第1圖像處理存儲控制器接有第1圖像處理存 儲器；運動檢測模塊，接收運動檢測模塊輸出的圖像數(shù)據(jù)，判斷圖像是否 有移動；遞歸降噪模塊，接收外部輸入的圖像數(shù)據(jù)及運動檢測模塊反饋的 運動檢測結果，以降低遞歸降噪的系數(shù)；圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊，接收 遞歸降噪模塊的輸出數(shù)據(jù)，或通過總線接口模塊接收微控制器的控制命令，完成圖像旋轉(zhuǎn)和/或枕形失真的處理操作，其通過兩個高速同步存儲控制器 分別接有第l、 2高速同步存儲器，以實現(xiàn)實時存儲與顯示；減影模塊，接 收遞歸降噪模塊的輸出數(shù)據(jù)，通過總線接口模塊與微控制器相連，通過第2 圖像處理存儲控制器接有第2圖像處理存儲器；圖像輸出多路復用模塊， 接收經(jīng)過圖像處理或減影后的圖像，輸出給圖像顯示和存儲模塊；圖像后 處理模塊，接收圖像顯示和存儲模塊返回的圖像數(shù)字，處理后輸出至圖像 旋轉(zhuǎn)及枕形失真校正模塊。在遞歸降噪模塊、圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊、圖像后處理模塊之間設 有邊緣增強模塊，其接收遞歸降噪模塊及圖像后處理模塊的數(shù)據(jù)，輸出至 圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊；在所述圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊與圖像輸出多 路復用模塊之間設有伽瑪校正模塊和/或正負翻轉(zhuǎn)模塊，伽瑪校正模塊或正 負翻轉(zhuǎn)模塊通過總線接口模塊接收微控制器的控制命令。所述圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真處理模塊包括輸入/輸出數(shù)據(jù)流控制模塊， 接收遞歸降噪模塊或邊緣增強模塊的圖像數(shù)據(jù)，通過兵乓操作將接收的圖 像數(shù)據(jù)等時分配到第1、 2高速同步存儲器中；旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊和/或失 真前地址計算模塊，對接收的入/輸出數(shù)據(jù)流控制模塊的數(shù)據(jù)進行計算，輸出給雙線性插值模塊；控制模塊，接收總線接口模塊傳來的指令，根據(jù)該 指令選擇對圖像進行枕形失真操作、旋轉(zhuǎn)操作還是枕形失真與旋轉(zhuǎn)操作；第l、 2存儲控制器，用于輸入/輸出數(shù)據(jù)流控制模塊與第1、 2存儲器進行數(shù)據(jù)存??；雙線性插值模塊，接收旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊和/或失真前地址計 算模塊的圖像數(shù)據(jù)，傳輸至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊的下一級處理模塊。所述減影模塊具有查找表、減法器及亮度提升器，其中第l查找表， 接收遞歸降噪模塊的數(shù)據(jù)；第2查找表，接收第2圖像處理存儲控制器的 數(shù)據(jù)；減法器，接收第l查找表及第2查找表的輸出數(shù)據(jù)進行減法運算， 該減法器的輸出端通過亮度提升器后接至圖像輸出多路復用模塊。所述圖像顯示和存儲模塊包括圖像顯示FPGA,其內(nèi)部配置有圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，接收來自圖像處理模塊中圖像輸出多路復用模塊的圖像 數(shù)據(jù)和控制命令在圖像處理FPGA與圖像顯示FPGA之間進行圖像數(shù)據(jù)的 格式轉(zhuǎn)換；第1實時顯示緩存控制器，接收圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)，接有第l實時顯示緩存；第2實時顯示緩存控制器，接收第l實時顯示緩存控制器的數(shù)據(jù)，接有第2實時顯示緩存，輸出端與圖像輸出選擇模塊相連；系統(tǒng)控制模塊，接收來自微控制器的控制命令，輸出端分別通過圖像 存儲器控制模塊、外部接口控制器接有圖像存儲器、x線設備主機，控制 命令送至圖像輸出選擇模塊；參考顯示緩存控制器，接有參考顯示緩存， 輸出至圖像輸出選擇模塊，接收外部接口控制器的命令；圖像輸出選擇模 塊，接收來自第2實時顯示存儲器控制器及參考顯示存儲器控制器的圖像數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)控制模塊的控制下，通過選擇VGA輸出控制器和/或DVI 輸出控制器輸出圖像至圖像顯示和存儲模塊外部的VGA輸出模塊和/或 DVI輸出模塊；具有VGA輸出模塊和/或DVI輸出模塊，分別將VGA輸 出控制器和/或DVI輸出控制器輸出的圖像數(shù)據(jù)送至CRT顯示器和/或液晶 顯示器。所述圖像存儲器及圖像顯示緩存為SDRAM或DDR SDRAM。各模塊或器件整體集成在一電路板上，通過微控制器以及嵌入式實時 操作系統(tǒng)控制。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.運行穩(wěn)定可靠。本發(fā)明使用FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)和微控制 器以及在工業(yè)環(huán)境中使用的嵌入式實時操作系統(tǒng)，整個圖像處理及顯示過 程通過硬件實現(xiàn)，集圖像采集、重建、顯示于一體，可以獨立于X線設備 主機運行；將圖像顯示部分和圖像處理部分分開，分別在不同特點的FPGA 中實現(xiàn)，因而穩(wěn)定、可靠、靈活，避免了一般數(shù)字X線機設備由于釆用通 用平臺加多個分立模塊的結構常常出現(xiàn)的如丟幀、死機，崩潰搞干擾性差 等多種問題；本發(fā)明將圖像系統(tǒng)的多個模塊集成在一塊電路板上，大量的 數(shù)據(jù)處理主要在兩片F(xiàn)PGA中運行，外界干擾要小的多； 2. 處理圖像速度快。本發(fā)明將圖像顯示部分和圖像處理部分分開，分別在兩片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)，使用微控制器加FPGA的架構，充分利用了 FPGA 強大的運算能力和圖像算法處理功能及資源，同時也利用了微控制器內(nèi)部 具有豐富外設、尋址方式靈活、通訊機制強大以及軟件資源豐富等特點， 滿足了圖像處理模塊需要使用速度快，資源多，有較多乘法器資源的FPGA 的需求；3. 功能強大。本裝置主要可實現(xiàn)以下功能-.透視或連續(xù)曝光模式下醫(yī)療圖像的實時圖像處理和顯示，圖像數(shù)據(jù)經(jīng) 過圖像處理模塊，傳送到圖像顯示和存儲模塊并顯示出來；圖像數(shù)據(jù)的回放，圖像數(shù)據(jù)存儲在圖像存儲器中，通過圖像顯示和存 儲模塊與圖像處理模塊之間的通道送到圖像處理模塊中，經(jīng)過圖像處理后 回到圖像顯示和存儲模塊并送到顯示模塊顯示；參考圖像的顯示，由X線主機將參考圖像數(shù)據(jù)通過USB 口傳給圖像顯 示和存儲模塊，圖像顯示和存儲模塊將參考圖像送到CRT或是液晶顯示器 上進行顯示；實時減影，傳統(tǒng)的計算機技術無法實現(xiàn)實時減影，只能先把圖像信息 存起來進行后處理，而本發(fā)明裝置通過在圖像處理FPGA中配置減影模塊 來實現(xiàn)此功能。為計算機采集提供數(shù)據(jù)，圖像的存儲和后處理是數(shù)字化圖像設備的一 個重要功能，輸入圖像在經(jīng)過基本的處理以后，通過LVDS圖像輸出模塊 輸出給圖像采集卡，以便于計算機對圖像的存儲和后處理，以及以醫(yī)學數(shù) 字圖像存儲與通信標準(DICOM)傳輸?shù)取?br>

圖1為本發(fā)明圖像處理與顯示裝置的結構框圖；圖2為本發(fā)明圖像處理模塊中圖像處理FPGA的內(nèi)部配置框圖；圖3為本發(fā)明圖像處理FPGA中圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊內(nèi)部配置框圖；圖4為本發(fā)明圖像處理FPGA中減影模塊內(nèi)部配置框圖； 圖5為本發(fā)明圖像顯示和存儲模塊中圖像顯示FPGA的內(nèi)部配置框圖； 圖6為本發(fā)明微控制器及FPGA配置模塊結構框圖。
具體實施方式
本發(fā)明為一種基于微控制器MCU和FPGA的數(shù)字X線設備的實時圖 像處理與顯示裝置，其結構框圖如圖1所示，LVDS圖像輸入模塊接收外部 影像數(shù)據(jù)送至圖像處理模塊進行處理，本實施例為接收由影像增強器以 LVDS (低壓差分信號)信號標準傳來的影像數(shù)據(jù)，并將影像數(shù)據(jù)送給圖像 處理模塊；圖像處理模塊周圍連接了 2片高速同步存儲器和4片圖像處理 存儲器，高速同步存儲器與圖像處理模塊中的高速同步存儲器控制器相連， 用于實現(xiàn)圖像旋轉(zhuǎn)功能；圖像處理存儲器與圖像處理模塊中的圖像處理存
儲器控制器相連，用于隨機存儲和讀取影像數(shù)據(jù)；經(jīng)圖像處理模塊處理的 數(shù)據(jù)由圖像顯示和存儲模塊接收，通過圖像輸出模塊接至圖像顯示裝置， 完成圖像的存儲和顯示，本實施例中，圖像顯示和存儲模塊通過數(shù)據(jù)線連接有圖像顯示緩存及圖像存儲器；通過VGA輸出模塊接至透視圖像顯示 器，或者通過DVI輸出模塊接至液晶顯示屏；上述圖像處理模塊及圖像顯示和存儲模塊的配置由微控制器MCU控 制CPLD完成，用微控制器MCU對FPGA進行配置，實質(zhì)上就是用微控制 器MCU和CPLD(復雜可編程邏輯器件)來仿真FPGA的下載時序，本實 施例中，微控制器MCU根據(jù)經(jīng)CAN接口模塊傳來的X線機的主控設備的 命令控制圖像處理模塊以及圖像顯示和存儲模塊的動作，實現(xiàn)整個實時圖 像處理與顯示裝置的控制和通訊功能，如圖6所示，具體方法為將配置數(shù) 據(jù)放在FLASH中，當需要配置時，X線主機通過CAN總線發(fā)給微控制器 MCU控制命令以及配置參數(shù)，由微控制器MCU向CPLD發(fā)送命令，隨后通 過微控制器MCU的總線將配置數(shù)據(jù)傳給CPLD,最后由CPLD完成邏輯轉(zhuǎn) 換和控制配置過程。由于配置文件存儲在FLASH中，而FLASH存儲器具 有容量大，價格便宜等特點，所以可以把不同的圖像處理包存儲在FLASH 中不同的位置上。當需要不同的圖像處理包時，由微控制器MCU(本實施 例中釆用ARM類微處理器)控制FPGA的重新配置，這使該平臺具有很好 的可配置性能，可滿足不同的圖像處理要求。如圖5所示，圖像顯示和存儲模塊主要由一片F(xiàn)PGA、兩片圖像實時顯 示緩存(第1、 2實時顯示緩存)、 一片參考顯示緩存和一片圖像存儲器組 成。圖像實時顯示緩存與圖像顯示和存儲模塊中的緩存控制器(即第1、 2 實時顯示緩存控制器，本實施例采用SDRAM控制器)相連，用于實現(xiàn)多 種圖像顯示功能，如曝光或透視圖像的實時顯示，參考圖像顯示等，并同 時支持CRT顯示器和DVI顯示器；圖像存儲器與圖像顯示和存儲模塊中的 圖像存儲控制器(本實施例釆用SDRAM存儲控制器)相連，用于存儲需 要回放的影像數(shù)據(jù)，圖像存儲器可以根據(jù)實際需要加以擴展，為了完成圖 像的回放功能，通常需要大容量的存儲器，本實施例中可存儲12bit灰度的 影像數(shù)據(jù)32幅，8bit灰度的影像數(shù)據(jù)64幅。圖像處理模塊主要在圖像處理FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)中實現(xiàn)，該 模塊可以實現(xiàn)1024 x 1024圖像的預降噪、減影、邊緣增強、運動檢測、圖 像旋轉(zhuǎn)、枕形失真校正、伽瑪校正以及正負翻轉(zhuǎn)等算法，實現(xiàn)過程如圖2 所示，圖像處理模塊中的圖像處理FPGA配置生成如下結構預降噪模塊，通過圖像輸入模塊(LVDS圖像輸入模塊)接收外部輸入 的影像數(shù)據(jù)進行預降噪，輸出端接至運動檢測模塊，預降噪模塊通過第1 圖像處理存儲控制器接有第1圖像處理存儲器；運動檢測模塊，接收預降噪模塊輸出的影像數(shù)據(jù)，判斷圖像的移動； 將運動檢測結果反饋給遞歸降噪模塊；如果沒有移動，遞歸降噪模塊采用
較大的降噪系數(shù)，獲得好的圖像質(zhì)量；如果有移動現(xiàn)象，遞歸降噪模塊采 用較小的降噪系數(shù)來改善遞歸降噪中而產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象。遞歸降噪模塊，接收外部輸入的影像數(shù)據(jù)及運動檢測模塊反饋的運動檢測結果，通過第3、 4圖像處理存儲控制器分別接有第3、 4圖像處理存 儲器，以降低圖像的噪聲；圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊，接收遞歸降噪模塊的輸出數(shù)據(jù)，或通過總線接口模塊接收微控制器MCU的控制命令，完成圖像旋轉(zhuǎn)和/或枕形失真 的處理操作，其通過第l、 2存儲控制器(本實施例均為高速同步存儲控制 器)分別接有第1、 2存儲器(本實施例均為高速同步存儲器)，以實現(xiàn)實 時存儲與顯示；減影模塊，接收遞歸降噪模塊的輸出數(shù)據(jù)，通過總線接口模塊與微控 制器MCU相連，通過第2圖像處理存儲控制器接有第2圖像處理存儲器；圖像輸出多路復用模塊，接收經(jīng)過圖像處理后的圖像，輸出給圖像顯 示和存儲模塊。圖像后處理模塊，接收圖像顯示和存儲模塊返回的圖像數(shù)字據(jù)，處理 后輸出至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊。在遞歸降噪模塊、圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊、圖像后處理模塊之間還 可設有邊緣增強模塊，其接收遞歸降噪模塊或圖像后處理模塊的數(shù)據(jù)，輸 出至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊。在所述圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊與圖像輸出多路復用之間還可設有伽 瑪校正模塊和/或正負翻轉(zhuǎn)模塊，伽瑪校正模塊和/或正負翻轉(zhuǎn)模塊通過總線 接口模塊接收微控制器MCU的控制命令。如圖3所示，上述圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真處理模塊包括輸入/輸出數(shù)據(jù)流控制模塊，接收遞歸降噪模塊或邊緣增強模塊的影像 數(shù)據(jù)，通過乒乓操作將接收的影像數(shù)據(jù)等時分配到第l、 2存儲器中，本實 施例通過兩個高速同步存儲控制器分配到兩個高速同步存儲器中；旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊和/或失真前地址計算模塊，對接收的輸入/輸出數(shù) 據(jù)流控制模塊的數(shù)據(jù)進行計算，輸出給雙線性插值模塊；控制模塊，接收總線接口模塊傳來的指令，根據(jù)該指令選擇對圖像進 行枕形失真操作、旋轉(zhuǎn)操作還是枕形失真與旋轉(zhuǎn)操作；第l、 2存儲控制器(即高速同步存儲器控制器)，用于輸入/輸出數(shù)據(jù) 流控制模塊與第l、 2存儲器(即高速同步存儲器)進行數(shù)據(jù)存?。浑p線性插值模塊，接收旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊和/或失真前地址計算模塊 的影像數(shù)據(jù)，傳輸至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊的下一級處理模塊。如圖4所示，所述減影模塊具有兩個查找表，其中第1查找表，輸入端接有遞歸降噪模塊，輸出端接有減法器；第2查 找表，輸入端接有第2圖像處理存儲控制器，輸出端接有減法器；本實施 例中上述第l、 2查找表在FPGA中以只讀存儲器(Roml、 Rom2)的形式
出現(xiàn)；減法器，接收第1査找表及第2查找表的輸出數(shù)據(jù)進行減法運算，該減法器的輸出端通過亮度提升器后接至圖像輸出多路復用模塊；該亮度提升器通過總線接口模塊接收來自總線接口模塊的控制命令。如圖5所示，所述圖像顯示和存儲模塊包括圖像顯示FPGA，其內(nèi)部配置有.圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，接收來自圖像處理模塊中圖像輸出多路復用模塊的圖像數(shù)據(jù)和控制命令在兩個FPGA之間進行圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換， 輸出端通過第l實時顯示存儲控制器與第l實時顯示存儲器相連；第2實時顯示存儲控制器，接有第2實時顯示存儲器，并與第l實時 顯示存儲控制器相連；系統(tǒng)控制模塊，接收來自微控制器MCU的控制命令，輸出端接有圖像 存儲控制器、外部接口控制器(本實施例為USB控制器接口 )及圖像輸出 選擇模塊；參考顯示緩存控制器，與圖像輸出選擇模塊相連，通過外部接口控制 器即USB控制器接口接收X線設備主機傳來的參考影像數(shù)據(jù)，并接有參考 顯示緩存；圖像輸出選擇模塊，接收來自第2實時顯示緩存控制器及參考顯示緩 存控制器的圖像數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)控制模塊的控制下，通過選擇VGA輸出控 制器和/或DVI輸出控制器輸出圖像至圖像顯示和存儲模塊外部的VGA輸 出模塊和/或DVI輸出模塊；本發(fā)明的工作過程或原理闡述如下影像數(shù)據(jù)由LVDS圖像輸入模塊進入圖像處理模塊，影像數(shù)據(jù)同時進 入運動檢測模塊和遞歸降噪模塊。由于X線機的噪聲過大，因而在進入運 動檢測模塊之前先進行預降噪。運動檢測的結果反饋給遞歸降噪模塊。遞 歸降噪模塊利用多幀圖像加權求和，作為當前幀的輸出圖像；如果運動檢 測判斷圖像有移動，遞歸降噪模塊會適當降低遞歸降噪的系數(shù)以避免拖尾現(xiàn)象；遞歸降噪完成后對圖像進行邊緣增強，然后進行旋轉(zhuǎn)和枕形失真處理，旋轉(zhuǎn)功能需要兩片高速同步SRAM;隨后是伽瑪校正和正負翻轉(zhuǎn)，最 后圖像輸出給圖像顯示FPGA。總線接口用來接收和翻譯ARM微控制器傳 來的控制命令、存儲伽瑪表等信息；本發(fā)明還設計增加了減影功能，減影 用的蒙片放在第2圖像處理存儲器中，減影功能通過總線接口控制。圖像 后處理模塊的作用是當需要圖像回放的時候，將由圖像顯示和存儲模塊傳 來的影像數(shù)據(jù)送入圖像處理流程的減影模塊中進行處理。對圖像進行枕形失真、旋轉(zhuǎn)操作的實現(xiàn)流程為首先圖像處理FPGA 先將第l幀實時影像數(shù)據(jù)存儲到第l存儲器(即第l高速同步存儲器)中； 待第1幀圖像存儲結束后，圖像處理FPGA將第2幀實時影像數(shù)據(jù)存儲到 第2存儲器(即第2高速同步存儲)器中，存儲第2幀圖像的同時圖像處
理FPGA讀取第1高速同步存儲器中的數(shù)據(jù)，根據(jù)X設備主機的命令，將 數(shù)據(jù)送入旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊進行枕形失真校正或是送入失真前地址計算 模塊進行旋轉(zhuǎn)操作，也可以同時完成這兩種搡作；依次類推，通過圖像處理FPGA對2片高速同步存儲器進行兵乓讀寫操作與地址計算就可以完成 序列圖像的枕形失真、旋轉(zhuǎn)操作。對圖像進行枕形失真操作、旋轉(zhuǎn)操作還 是枕形失真與旋轉(zhuǎn)操作可以通過控制模塊隨意選擇來實現(xiàn)。圖像旋轉(zhuǎn)與枕 形失真操作只采用了兩片高速同步存儲器，而且圖像處理FPGA對兩片存 儲器采用乒乓形式讀寫，即對已存儲第n-l幀影像數(shù)據(jù)的存儲器進行旋轉(zhuǎn)操 作的同時，又對另一塊存儲器進行實時圖像存儲操作，這樣實現(xiàn)了圖像的 實時存儲與顯示，提高了系統(tǒng)實時性。減影模塊實現(xiàn)了數(shù)字減影血管造影的功能數(shù)字減影血管造影(Digtal Subtraction Angiography, DSA)技術的基本原理和技術簡言之為X線穿 過人體各解剖結構形成熒光圖像，經(jīng)影像增強器增強后，影像數(shù)據(jù)輸入計 算機處理，再經(jīng)減影、對比度增強，產(chǎn)生數(shù)字減影圖像。但傳統(tǒng)的計算機 技術無法實現(xiàn)實時減影，只能先把圖像信息存起來進行后處理，而本發(fā)明 裝置則可實現(xiàn)實時減影。減影模塊的數(shù)據(jù)流程如圖4所示，先把0到4095 對應的LOG表值存在圖像處理FPGA的第1只讀存儲器ROM1和第2只讀 存儲器ROM2中，本實施例中，這兩個ROM大小均為12x4095字節(jié)；當 減影的命令通過總線接口模塊傳送過來后，將相機輸出的圖像通過第2圖 像處理存儲控制器存儲在第2圖像處理存儲器中，作為蒙片；相機輸出的 下一幅圖像的每個像素值通過第1只讀存儲器ROM1查表取lg值，同時也 取第2圖像處理存儲器中的蒙片中對應的像素值通過第2只讀存儲器ROM2 查表取lg值，兩者相減得到減影值；最后，對減影值進行對比度增強，增 強控制參數(shù)通過總線接口模塊傳輸至減影模塊。圖像顯示和存儲模塊的內(nèi)部邏輯框圖如圖5所示，由于圖像數(shù)據(jù)在顯 示FPGA和在圖像處理FPGA中的數(shù)據(jù)格式不同，圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊 的作用是在兩個FPGA之間進行格式轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)總線接口的作用是將微控 制器MCU通過外部總線傳來的顯示字符數(shù)據(jù)、各種控制命令、配置信息等 譯碼后傳給系統(tǒng)控制模塊；系統(tǒng)控制模塊接收到系統(tǒng)總線接口傳來的命令, 控制各個模塊的動作，以完成顯示模塊的各種操作；各個圖像顯示緩存控 制器主要進行各個圖像顯示緩存(本實施例采用SDRAM)的存取操作；圖 像存儲控制器的功能是接收系統(tǒng)控制模塊的命令，決定存儲和讀取哪幅圖 像。由于使用了大容量的SDRAM，本裝置可以存儲32幅12位字節(jié)的圖像; 圖像輸出選擇模塊決定VGA和DVI圖像輸出模塊顯示的類型，可以是實時 圖像也可以是靜態(tài)參考圖像；USB控制器接口接受數(shù)字X線機主機傳來的 圖像，并按系統(tǒng)控制模塊的命令將其送指定的存儲器。微控制器MCU作為整個平臺的控制器件，在上電以后先對微控制器 MCU內(nèi)部的各個寄存器和控制器進行初始化。隨后，微控制器MCU開始
通過CPLD對兩片F(xiàn)PGA進行配置。等配置完成后，微控制器MCU通過系 統(tǒng)總線查詢兩片F(xiàn)PGA的狀態(tài)；然后先將伽瑪(Y )校正所需的gamma表 信息發(fā)給圖像處理FPGA,再將需要顯示的字符信息傳輸給圖像顯示FPGA。 通過12C(Inter - Integrated Circuit)接口與控制CAN總線的單片機進行通訊， 以確認CAN總線連接是否正確。最后，微控制器MCU通過I2C接口對DVI (Digital Visual Interface )輸出芯片進行相關配置。本實施例中CAN接口模塊實現(xiàn)了兩路CAN接口。物理層釆用了 TJA1050接收CAN總線上的信號并將其轉(zhuǎn)換為TTL電平。數(shù)據(jù)鏈路層采用 了帶CAN控制器的單片機LPC2119，該單片機內(nèi)部集成了兩個CAN2.0兼 容的控制器。單片機接收和發(fā)送數(shù)據(jù),控制命令，并把接收到的數(shù)據(jù)和控制 命令等通過I2C接口傳給微控制器MCU。本裝置支持DVI接口和DSUB-15接口，可以直接連接液晶顯示器和 CRT顯示器，同時顯示不同的圖像；顯示灰度大小和顯示圖像大小可調(diào)整， 最高可以顯示UXGA的圖像，分辨率可達1600 x 1200;可輸出高灰階(IO 位)的醫(yī)療診斷圖像。各模塊或器件整體集成在一電路板上，通過微控制器MCU以及嵌入式 實時操作系統(tǒng)控制。
權利要求
1. 一種數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其特征在于包括圖像處理模塊，通過圖像輸入模塊接收外部圖像數(shù)據(jù)進行處理；圖像顯示和存儲模塊，接收經(jīng)圖像處理模塊處理的數(shù)據(jù)，輸出至圖像顯示裝置；微控制器(MCU)，用于實現(xiàn)圖像處理模塊及圖像顯示和存儲模塊的配置，根據(jù)外部接口傳來的X線機的主控設備的命令控制圖像處理模塊以及圖像顯示和存儲模塊的動作；圖像處理存儲器，與圖像處理模塊中的圖像處理存儲控制器相連，用于隨機存儲和讀取圖像數(shù)據(jù)；圖像顯示緩存，與圖像顯示和存儲模塊中的圖像顯示緩存控制器相連，用于實現(xiàn)多種圖像顯示功能；圖像存儲器，與圖像顯示和存儲模塊中的圖像存儲控制器相連，用于存儲需要回放的圖像數(shù)據(jù)。
2. 按權利要求l所述的數(shù)字x線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其特征在于所述圖像處理模塊包括圖像處理FPGA,其內(nèi)部配置有預降噪模塊，通過圖像輸入模塊接收外部輸入的圖像數(shù)據(jù)進行預降噪， 輸出端接至運動檢測模塊，預降噪模塊通過第1圖像處理存儲控制器接有第1圖像處理存儲器；運動檢測模塊，接收運動檢測模塊輸出的圖像數(shù)據(jù)，判斷圖像是否有移動；遞歸降噪模塊，接收外部輸入的圖像數(shù)據(jù)及運動檢測模塊反饋的運動 檢測結果，以降低遞歸降噪的系數(shù)；圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊，接收遞歸降噪模塊的輸出數(shù)據(jù)，或通過總 線接口模塊接收微控制器(MCU)的控制命令，完成圖像旋轉(zhuǎn)和/或枕形失 真的處理搡作，其通過兩個高速同步存儲控制器分別接有第1、 2高速同步 存儲器，以實現(xiàn)實時存儲與顯示；減影模塊，接收遞歸降噪模塊的輸出數(shù)據(jù)，通過總線接口模塊與微控 制器(MCU)相連，通過第2圖像處理存儲控制器接有第2圖像處理存儲 器；圖像輸出多路復用模塊，接收經(jīng)過圖像處理或減影后的圖像，輸出給 圖像顯示和存儲模塊；圖像后處理模塊，接收圖像顯示和存儲模塊返回的圖像數(shù)字，處理后 輸出至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真校正模塊。
3. 按權利要求2所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其 特征在于在遞歸降噪模塊、圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊、圖像后處理模塊 之間設有邊緣增強模塊，其接收遞歸降噪模塊及圖像后處理模塊的數(shù)據(jù)， 輸出至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊。
4. 按權利要求2所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其特征在于在所述圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊與圖像輸出多路復用模塊之間設有伽瑪校正模塊和/或正負翻轉(zhuǎn)模塊，伽瑪校正模塊或正負翻轉(zhuǎn)模塊通過總線接口模塊接收微控制器(MCU)的控制命令。
5. 按權利要求2所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其 特征在于所述圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真處理模塊包括輸入/輸出數(shù)據(jù)流控制模塊，接收遞歸降噪模塊或邊緣增強模塊的圖像 數(shù)據(jù)，通過兵乓搡作將接收的圖像數(shù)據(jù)等時分配到第l、 2高速同步存儲器 中；旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊和/或失真前地址計算模塊，對接收的入/輸出數(shù)據(jù) 流控制模塊的數(shù)據(jù)進行計算，輸出給雙線性插值模塊；控制模塊，接收總線接口模塊傳來的指令，根據(jù)該指令選擇對圖像進 行枕形失真操作、旋轉(zhuǎn)操作還是枕形失真與旋轉(zhuǎn)操作；第l、 2存儲控制器，用于輸入/輸出數(shù)據(jù)流控制模塊與第1、 2存儲器 進行數(shù)據(jù)存??；雙線性插值模塊，接收旋轉(zhuǎn)前地址計算模塊和/或失真前地址計算模塊 的圖像數(shù)據(jù)，傳輸至圖像旋轉(zhuǎn)及枕形失真模塊的下一級處理模塊。
6. 按權利要求2所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其 特征在于所述減影模塊具有查找表及減法器，其中第1查找表，接收遞歸降噪模塊的數(shù)據(jù)； 第2查找表，接收第2圖像處理存儲控制器的數(shù)據(jù)； 減法器，接收第1查找表及第2查找表的輸出數(shù)據(jù)進行減法運算，該 減法器的輸出端通過亮度提升器后接至圖像輸出多路復用模塊。
7. 按權利要求1所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其 特征在于所述圖像顯示和存儲模塊包括圖像顯示FPGA,其內(nèi)部配置有圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，接收來自圖像處理模塊中圖像輸出多路復用 模塊的圖像數(shù)據(jù)和控制命令在圖像處理FPGA與圖像顯示FPGA之間進行 圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換；第1實時顯示緩存控制器，接收圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)，接有 第1實時顯示緩存；第2實時顯示緩存控制器，接收第1實時顯示緩存控制器的數(shù)據(jù)，接 有第2實時顯示緩存，輸出端與圖像輸出選擇模塊相連；系統(tǒng)控制模塊，接收來自微控制器(MCU)的控制命令，輸出端分別 通過圖像存儲器控制模塊、外部接口控制器接有圖像存儲器、X線設備主 機，控制命令送至圖像輸出選擇模塊；參考顯示緩存控制器，接有參考顯示緩存，輸出至圖像輸出選擇模塊, 接收外部接口控制器的命令；圖像輸出選擇模塊，接收來自第2實時顯示存儲器控制器及參考顯示存儲器控制器的圖像數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)控制模塊的控制下，通過選擇VGA輸 出控制器和/或DVI輸出控制器輸出圖像至圖像顯示和存儲模塊外部的 VGA輸出模塊和/或DVI輸出模塊。
8. 按權利要求7所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其 特征在于具有VGA輸出模塊和/或DVI輸出模塊，分別將VGA輸出控制 器和/或DVI輸出控制器輸出的圖像數(shù)據(jù)送至CRT顯示器和/或液晶顯示器。
9. 按權利要求1所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，其 特征在于所述圖像存儲器及圖像顯示緩存為SDRAM或DDRSDRAM。
10. 按權利要求1所述的數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置， 其特征在于各模塊或器件整體集成在一電路板上，通過微控制器(MCU) 以及嵌入式實時搡作系統(tǒng)控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字X線設備的實時圖像處理與顯示裝置，包括圖像處理模塊，通過圖像輸入模塊接收外部圖像數(shù)據(jù)進行處理；圖像顯示和存儲模塊，接收經(jīng)圖像處理模塊處理的數(shù)據(jù)，輸出至圖像顯示裝置；微控制器，根據(jù)外部接口傳來的X線機的主控設備的命令控制圖像處理模塊以及圖像顯示和存儲模塊的動作；圖像處理存儲器，與圖像處理模塊中的圖像處理存儲控制器相連；圖像顯示緩存，與圖像顯示和存儲模塊中的圖像顯示緩存控制器相連；圖像存儲器，與圖像顯示和存儲模塊中的圖像存儲控制器相連。本發(fā)明穩(wěn)定可靠、處理圖像速度快，具有透視或連續(xù)曝光模式下醫(yī)療圖像的實時圖像處理和顯示、回放、參考圖像的顯示、實時減影以及為計算機提供數(shù)據(jù)等功能。
文檔編號A61B6/00GK101209208SQ20061015581
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權日2006年12月29日
發(fā)明者煜 劉, 菲 吳, 鄒海蓉 申請人:東軟飛利浦醫(yī)療設備系統(tǒng)有限責任公司