張 靜

（西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院腫瘤科，四川瀘州 646000）

0 引言

機器視覺系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)中，特別是醫(yī)務(wù)人員視覺不能滿足要求的情況下，多用機器視覺代替人工目測。該文所研究的機器視覺并非采用X線透視來獲得影像資料，而是通過工業(yè)相機快速拍照的方式，將采集的數(shù)據(jù)實時處理并用于實時控制的過程。對于胸腹部腫瘤患者在實施放射治療過程中，由于呼吸運動會導致腫瘤不規(guī)則運動，對放射治療的精確性產(chǎn)生很大影響。為了確保臨床腫瘤臨床靶區(qū)CTV接受高劑量照射，傳統(tǒng)的方法是腫瘤的臨床靶區(qū)CTV被醫(yī)生勾畫出來后，在此基礎(chǔ)之上考慮到靶區(qū)的呼吸運動位移再繼續(xù)擴大CTV的靶區(qū)邊界變?yōu)橛媱澃袇^(qū)PTV[1]，該方法無疑增加了靶區(qū)周圍組織的劑量。利用機器視覺技術(shù)，在患者靶區(qū)表面敷貼一鉛點做為標記物，利用工業(yè)相機對治療中的患者快速拍照，跟蹤鉛點運動的軌跡，獲得治療床或MLC反向運動的信號。通過這種方式，能減小呼吸運動導致的治療誤差，給予腫瘤更精確的劑量。同時，機器視覺系統(tǒng)是一套數(shù)字化系統(tǒng)，便于與其他數(shù)字化自動控制系統(tǒng)連接實現(xiàn)靶區(qū)運動的智能跟蹤控制。

1 機器視覺概述

機器視覺(Machine vision)技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學技術(shù)的各個領(lǐng)域，例如人臉識別、車牌識別都是大家熟知的，工業(yè)領(lǐng)域主要包括異物識別、自動檢測等，醫(yī)療領(lǐng)域目前主要應(yīng)用于消化系統(tǒng)的檢查，如電子胃鏡等?？梢婋m然機器視覺技術(shù)涉及技術(shù)基本一致，但是在各個領(lǐng)域都得到了充分的利用[2]。

該文采用的圖像采集單元（工業(yè)相機）使用Camera Link協(xié)議，圖像處理單元接收工業(yè)相機采集的數(shù)據(jù)，在前期進行處理后把圖像的像素數(shù)據(jù)上傳到圖像處理單元中的存儲器中。相機上傳的數(shù)據(jù)主要包括像素數(shù)據(jù)、同步信號、相機的控制命令以及響應(yīng)的設(shè)置參數(shù)等[3]。圖像處理單元對這些數(shù)據(jù)進行整理，并提取出有用信號發(fā)送給圖像處理單元，并發(fā)送相機控制命令，以達到數(shù)據(jù)和命令傳送的目的。圖像處理單元對接收到的數(shù)據(jù)進行處理運算得出控制命令或?qū)?shù)據(jù)傳送到上位機。圖像采集器原理框圖如圖1所示。

其中，圖像處理單元采用FPGA作為硬件平臺，以Verilog HDL語言為軟件設(shè)計工具，系統(tǒng)內(nèi)嵌NIOS軟核，實現(xiàn)對相機的配置、控制、數(shù)據(jù)接受并存入SRAM，同時通過HDMI接口送到監(jiān)視器顯示實時照片。驗證以FPGA平臺實現(xiàn)基于Camera Link協(xié)議高速圖像采集系統(tǒng)的可行性，評估以FPGA為平臺設(shè)計的圖像采集系統(tǒng)性能，部分解決嵌入式NIOS軟核與高速IO接口協(xié)調(diào)工作的問題。上位機選擇X86硬件構(gòu)架和Windows操作系統(tǒng)。

圖1 圖像采集器原理框圖

2 圖像處理單元設(shè)計

由于FPGA本身的高性能、靈活的可編程應(yīng)用，可實現(xiàn)高速硬件計算和并行運算，非常適合于高性能的嵌入式圖像處理系統(tǒng)[4]。FPGA定義邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）的概念，邏輯單元陣列包括輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）、可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、內(nèi)部連接（Interconnect）3部分?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是一種可編程的器件，允許無限次的編程操作[5]。其中FPGA系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 FPGA系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖2 中，COUNTER模塊是按鍵信號采集器，輸入信號為系統(tǒng)板上4個獨立按鍵，系統(tǒng)時鐘信號和復位信號，輸出信號為4路按鍵觸發(fā)信號，按鍵次數(shù)計數(shù)、LED位選信號。TRIGER模塊是相機觸發(fā)信號發(fā)生器，該模塊接受COUNTER輸出的特定按鍵信號后，發(fā)出一個符合相機要求的觸發(fā)脈沖，通過Camera Link接口送給相機。ANSYC_FIFO模塊作為相機Camera Link接口的圖像數(shù)據(jù)、同步信號、像素時鐘的輸入接口，接收圖片數(shù)據(jù)并緩存后以系統(tǒng)頻率輸出數(shù)據(jù)。SRAM模塊是外部存儲器SRAM與系統(tǒng)的接口，接收由ASYNC_FIFO輸出的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)有效信號，將一幀圖片存入SRAM中?；蛘咦x出SRAM中的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)輸出口輸出。LCD模塊是LCD顯示器的接口，輸入為系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)復位、8bit×1數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)有效信號，輸出為用于控制LCD顯示的各個控制位和數(shù)據(jù)總線。LED模塊作為LED顯示器接口。輸入信號為系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)復位、刷新頻率參數(shù)，四位待顯示數(shù)據(jù)。輸出信號為LED顯示器位選和段選信號。FIFO_1，F(xiàn)IFO_2這兩個模塊作為乒乓緩存，對輸入的數(shù)據(jù)按照輸入時鐘進行高速存儲，輸出數(shù)據(jù)時按照輸出時鐘讀出數(shù)據(jù)，因此同時起數(shù)據(jù)時鐘變換作用。此模塊被ASYNC_FIFO調(diào)用并實例化。Nios的異步串行通信模塊作為相機的配置模塊，參照工作狀況和相機性能，對相機進行適當配置。

3 圖像處理單元系統(tǒng)功能仿真及邏輯分析

Modelsim作為圖像處理單元FPGA的仿真工具，支持VHDL、Verilog HDL以及兩者的混合仿真，整個程序分步執(zhí)行，設(shè)計者可以非常方便地觀察程序下一步需要執(zhí)行的語句[6]。設(shè)計可以隨時查看任意變量的數(shù)值，某一單元或模塊連續(xù)變化的輸入輸出量可以在在Dataflow窗口中查看[7]。以下為FPGA系統(tǒng)級功能仿真分析[8]。

輸入信號：SYSCLK，RST_B，CAMERA_PIXCLK，CAMERA_FVAL，CAMERA_LVAL，CAMERA_DATA_IN.

輸出信號：CAMERA_TRIG_SIGNAL，SRAM_CS_B，SRAM_OE_B，SRAM_WE_B，SRAM_ADDR_BUS，SRAM_DATA_BUS，SRAM_DATA_OUT，SRAM_DATA_OUT_EN，LED_DATA，LED_SEL.

內(nèi)部監(jiān)控信號：FIFO：DATA_IN_X，DATA_OUT，DATA_EN，Q_X.

信 號 說 明 ：SYSCLK， RST_B， 同 上 。 CAMERA_PIXCLK：相機輸出像素時鐘，CAMERA_FVAL：相機輸出幀同步信號，CAMERA_LVAL：相機輸出行同步信號，CAMERA_DATA_IN：相機輸出像素數(shù)據(jù)。CAMERA_TRIG_SIGNAL：TRIGER輸出的相機觸發(fā)信號。SRAM_CS，SRAM_OE_B，SRAM_WE_B，SRAM_ADDR_BUS，SRAM_DATA_BUS，SRAM_DATA_OUT，SRAM_DATA_OUT_EN，LED_DATA，LED_SEL分別如上所述。系統(tǒng)總體功能仿真如圖3所示。由圖3可以看出，相機輸出符合設(shè)計預期，F(xiàn)IFO、SRAM協(xié)同工作符合預期。

4 結(jié)論

根據(jù)精確放療的實際需求，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計整套圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對系統(tǒng)各模塊進行功能仿真，系統(tǒng)整體運行仿真，最后進行系統(tǒng)實際驗證。系統(tǒng)實際工作試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，圖像傳輸速率快，傳輸穩(wěn)定。并且系統(tǒng)有充足的升級余量。相機可按需配置，配置程序簡單，可觸發(fā)拍照，應(yīng)用范圍廣。目前存在的主要問題是高速總線走線不規(guī)范，致使系統(tǒng)在高速運行時受到干擾較強烈。主要原因是系統(tǒng)由獨立模塊搭建而成而非專門的圖像接收系統(tǒng)。

由于患者呼吸運動較快并且幅度較大，用機器視覺檢測時，每個患者需要數(shù)百張照片進行比對，以檢測其運動位移，對于圖像的傳輸、處理速度要求非常高。采用Camera Link接口協(xié)議，可以解決此設(shè)計中的速度瓶頸。由于高速圖像采集系統(tǒng)是高速機器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，該設(shè)計僅是原理驗證性設(shè)計，目的在于暴露系統(tǒng)設(shè)計中的問題，并提出解決方案，積累經(jīng)驗，為高速機器視覺系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，為精確放療提供更好的解決方案。從實測結(jié)果來看，該設(shè)計基本達到了目標。設(shè)計過程中對遇到的各種問題進行詳細記錄，并提出數(shù)套解決方案，為機器視覺系統(tǒng)應(yīng)用于精確放療積累寶貴資料。不論是設(shè)計結(jié)果還是過程，都達到預期效果。

圖3 功能仿真圖