На правах рукописи

ЧЖАО ЦЗЮНЬЦАЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ПОСТРОЕНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО НЕПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СЕЧЕНИЯМ

Специальность: 05.13.05

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Вычислительной техники.

Научный руководитель кандидат технических наук

доцент Шарапов Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Евстигнеев Владимир Гаврилович

кандидат технических наук

Костенко Валерий Алексеевич

Ведущая организация: ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН

Защита состоится л29 февраля 2008 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.16 при Московском энергетическом институте (ТУ) по адресу: 111250, Красноказарменная ул., д. 14 (ауд. Г-306).

Отзывы, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Чернов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как известно, медицинские приборы играют существенную роль в клинической диагностике. Ультразвуковые диагностические методы нашли широкое применение благодаря высокой информативности, простоте обследований и малой мощности. Однако ни традиционные двухмерные снимки, ни существующие системы для 3-мерных изображений на базе программных решений не могут удовлетворить требованиям современной медицины по быстродействию и стоимости приборов. Кроме того, крупные габариты сегодняшнего диагностического оборудования сильно тормозят распространение медицинских приборов.

Для того чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки, необходимо создать портативные недорогие ультразвуковые диагностические системы для трёхмерных изображений внутренних органов человека, работающие в реальном масштабе времени. Этому способствует относительно молодая, но бурно развивающаяся технология микросхем с перепрограммируемой логикой (FPGA - Field Programmable Gate Array, или, по-русски, ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы). Быстро растущие возможности FPGA-технологии начинают привлекать всё больше внимания для решения упомянутых задач.

По сравнению с программными решениями в FPGA-системе не существует жестких архитектурных ограничений и можно эффективно реализовать параллельные алгоритмы. Программирование FPGA задает не только алгоритм обработки данных, но и сам тип устройства, реализуемого на кристалле, поэтому использование этой функции может иметь очень большой эффект для гибкости системы в целом.

В отличие от компьютерной томографии, в портативных ультразвуковых приборах положение датчиков задается рукой врача, что позволяет получить желательные сечения интересующих объектов. Но с другой стороны, между сечениями содержится большое количество пустот. Из-за нерегулярности полученных сечений необходимо разрабатывать новые алгоритмы обработки трёхмерных изображений. В связи с этим становится весьма актуальной задача разработки и аппаратной реализации методов и алгоритмов построения трёхмерных изображений по нерегулярным сечениям.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов и аппаратная реализация алгоритмов, позволяющих в реальном масштабе времени отображать на экране монитора трёхмерные изображения по нерегулярным сечениям, получаемым, например, при ультразвуковых исследованиях (УЗИ) с ручным приводом датчика.

Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:

1. Анализ и исследование этапов обработки медицинских изображений по данным УЗИ, моделирование и реализация этих этапов с использованием пакета Matlab;

2. Исследование проблем, возникающих при использовании нерегулярных сечений 3-мерных объектов (таких, как заполнение пустот и 3-мерная реконструкция изображений), и разработка алгоритмов для их решения;

3. Модификация имеющихся алгоритмов (преобразование координат из полярной системы в декартову, 3-мерная реконструкция изображений) для ускорения обработки изображений и удовлетворения требованию их аппаратной реализации.

4. Программная и аппаратная реализация предложенных алгоритмов, сравнение двух способов реализации и анализ их преимуществ и недостатков.

5. Анализ и исследование перспективных решений обработки 3-мерных изображений на базе ПЛИС.

Методы исследования. При выполнении исследований в работе применялась линейная алгебра, численные методы, стереометрия, биофизика, компьютерная графика, вычислительная техника, языки программирования, пакеты Matlab и САПР Xilinx ISE.

Научная новизна

1. Предложен метод и аппаратно реализован новый алгоритм заполнения пустот трехмерного изображения, основанный на использовании относительных координат при решении интерполяционного уравнения третьей степени;

2. Адаптирован метод с целью аппаратной реализации и аппаратно реализован традиционный алгоритм "марширующих кубов" для трехмерной реконструкции.

Практическая ценность.

1. В диссертационной работе разработаны методы, позволяющие обрабатывать медицинские данные большого объема при УЗИ в реальном масштабе времени;

2. Предложены основные принципы аппаратной реализации сложных алгоритмов обработки 3-мерных изображений, которые могут применяться не только в области медицины, но и в других областях: виртуальной реальности, компьютерных играх и т.д.;

3. Реализованы на языке VHDL алгоритмы обработки трехмерных изображений на основе ПЛИС фирмы Xilinx;

4. Предложены перспективные решения аппаратного ускорения сложных алгоритмов обработки изображений.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международной научно-технической конференции Информационные средства и технологии (Москва, октябрь 2006 г.), Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, март 2007 г.).

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в трех печатных работах.

Структура и объём. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований и 9 приложений. Основное содержание имеет объем 177 страниц и включает 78 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обсуждается актуальность рассматриваемой темы и дается аннотация основных положений работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния УЗ-приборов, преимуществ аппаратных решений, структурного состава аппаратной системы.

В силу того, что обрабатываемые объекты в области медицины, как правило, состоят из множества данных, персональный компьютер и программные решения не справляются с воспроизведением 3-мерных изображений в реальном масштабе времени. Для того, чтобы получить приемлемые трёхмерные изображения, используются мощные графические рабочие станции.

На данный момент автору неизвестен общий подход к разработке приборов для визуализации трёхмерных медицинских объектов с использованием FPGA-технологий. Однако с развитием современной микросхемотехники появился ряд проектов (например, Vizard II и система cube-4), которые пытаются реализовать устройства данного класса с использованием ПЛИС.

В данной работе решается два класса задач: во-первых, разработка алгоритмов обработки 3-мерных изображений с использованием ПЛИС и их аппаратная реализация; во-вторых, разработка таких алгоритмов пространственного преобразования координат и заполнения пустот, которые наиболее эффективны при наличии нерегулярных сечений, возникающих при сканировании с использованием ручного привода датчиков. Отличие нерегулярных сечений от параллельных сечений заключается в следующем: 1) в процессе пространственного преобразования координат необходимо вычислять координаты каждой точки сечений, а не только координаты самых сечений; 2) заполнение пустот в 3-мерном массиве не решается применением имеющихся алгоритмов. Из-за этого построение изображений по нерегулярным сечениям является более сложной задачей и её решение в реальном масштабе времени требует аппаратной реализации.

Этапы получения изображений включают в себя предобработку исходных данных и изображений (получение исходных данных, вычисление затухания эхосигналов, интерполяция, пространственное преобразование координат), заполнение пустот и реконструкцию 3-мерного изображения (рис. 1).

Основываясь на вышесказанном, можно констатировать, что система на базе ПЛИС для трёхмерной визуализации в реальном масштабе времени внутренних органов человека по данным УЗИ представляет собой достаточно сложное и наукоемкое устройство.

Для создания такой системы необходимо выполнить этапы предобработки изображений, заполнение пустот трёхмерных изображений и визуализацию трёхмерных объектов.

Вторая глава посвящена математическому и алгоритмическому анализу этапов обработки 3-мерных изображений путём моделирования в среде Matlab 7.1. Здесь же разработаны методы и программы аппаратной реализации алгоритмов интерполяции и пространственного преобразования координат.

Важным этапом математического моделирования является получение сечений по математическим моделям исследуемых объектов и законам распространения УЗ-сигнала в них.

Ультразвуковые сигналы, излучаемые датчиками, в процессе прохождения через органы претерпевают существенное затухание. Причинами затухания УЗ-волн являются преломление, рассеяние и поглощение.

На базе обширных экспериментальных исследований получены основные закономерности и количественные оценки величин затухания в биологических тканях:

(1) где, - расстояние, пройденное УЗ-лучами, - начальная амплитуда давления, - амплитуда давления на расстоянии, и - соответственно коэффициенты рассеяния и поглощения ультразвука, - коэффициент затухания ().

В процессе вычисления за амплитуду принимаемых сигналов будем принимать амплитуду давления отражения. Коэффициент отражения вычисляется с помощью выражения:

(2) где, и - акустические сопротивления границ разных органов.

В действительности, на обратном пути распространения ультразвук также подвергается затуханию. По законам распространения УЗ-волн составлена программа вычисления затухания, в которой рассматриваются геометрические объекты, как сканируемые объекты. На рис. 2а показано полутоновое изображение амплитуды отраженной энергии лучей, на рис. 2б - плотности объектов.

а) б)

Рис. 2. Представление сканированных сечений

Из рис. 2а видно, что яркость изображения с увеличением глубины становится меньше, так как меньше становится амплитуда отраженного сигнала, а на втором рисунке яркость отражает действительную плотность объектов, что является более информативным. Данная модель применялась в диссертационной работе для получения нерегулярных сечений.

Программная модель процесса распространения ультразвука и методика вычисления плотности исследуемых объектов, основанная на акустическом сопротивлении и коэффициентах затухания и отражения органов человека, позволяют исследовать влияние затухания и отражения ультразвука на точность полученных изображений.

Целью пространственного преобразования координат является определение точного положения отсканированных точек сечений в трёхмерном пространстве. Для параллельных сечений все точки в одном сечении имеют одну общую координату, поэтому можно выбирать всё сечение в качестве объекта операции. А для нерегулярных сечений необходимо преобразовывать каждую точку, что приводит к огромному объёму вычислений. Поэтому для создания малогабаритной аппаратуры реального времени необходима реализация алгоритма пространственного преобразования координат на ПЛИС.

Преобразование в трёхмерном пространстве описывается уравнением (3)

[ h] = [ 1] [T] (3) где: (,,) - пространственные координаты точки после преобразования, (,, ) - пространственные координаты точки до преобразования, [T] - матрица преобразования, h - коэффициент масштабирования (чаще всего h=1).

Преобразование массивов в трёхмерном пространстве может быть представлено в виде суперпозиции вращений и перемещений. Таким образом, матрицу преобразования T можно описать перемножением матриц вращений и перемещений (формула 4).

В диссертации алгоритм пространственного преобразования координат аппаратно реализован на основе ПЛИС, что приводит к повышению скорости работы системы при повороте трёхмерных изображений. Трудность аппаратной реализации данного алгоритма заключается в том, что тригонометрические функции, необходимые для преобразования, не синтезируются средствами САПР. Для решения этой задачи используется алгоритм CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computing - цифровое вычисление поворота координат).

Как известно, данное преобразование поворота (на рис. 3) вектора определяется следующими соотношениями

(5)

Выбирая такой угол поворота, что, можно существенно ускорить вычисление, так как легко заметить, что умножение на тангенс в формуле (5) представляет собой всего лишь операцию сдвига на разрядов в двоичной системе счисления.

Таким образом, итерационная формула для i-го шага (i=0,1 Е n) определяется следующим выражением:

(6)

На рис. 4 показано условное графическое обозначение блока вычисления синуса и косинуса, полученное при аппаратной реализации на языке VHDL алгоритма CORDIC. Сигнал phi(15:0) - входной угол, а выходы sin(15:0) и cos(15:0) - величины синуса и косинуса данного угла.

Третья глава посвящена исследованию и разработке алгоритма заполнения пустот в трёхмерном изображении. При использовании портативных УЗ-приборов с ручным перемещением сканера в полученном 3-мерном изображении присутствует множество пустот. Поэтому необходимо исследовать, разработать и выбрать наиболее пригодные для аппаратной реализации алгоритмы заполнения пустот.