基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統

　　DE1上沒有網絡接口的功能，為了增強系統的可擴展性，我們自行設計了網絡接口板，通過DE1的擴展口連接接起來，這樣就使得開發板就有網絡功能。考慮到擴展口IO口有限，我們還需要使用IO連接LCD顯示屏，一次選用IO口數量相對較少的網絡芯片dm9000a。在發數據上，我們是開發板以定時的方式發數據，在PC機上以查詢方式收數據。網絡使用上，發數據是借助ucosII 的驅動程序實現的，收數據是在網絡第二層以中斷方式實現的。

　　5. 圖象處理算法實現：

　　典型的人體脊椎有24塊骶骨前（pre-sacral）椎骨，將其結構劃分，頸部的椎骨（Cervical）7塊, 胸部的椎骨（Thoracic）12塊，腰部的椎骨（Lumbar）5塊。所以在我們的脊椎矢狀圖中，相應的典型的圖像中可見的椎間盤有23塊，分別是C2-3、C3-4、C4-5、C5-6、C6-7、C7-T1、T1-2、T2-3、T3-4、T4-5、T5-6、T6-7、T7-8、T8-9、T9-10、T10-11、T11-12、T12-L1、L1-2、L2-3、L3-4、L4-5、L5-S1。

　　本算法的目標是將可見的椎間盤進行量化標志，并且對不清晰的椎間盤進行預測估計，也將其標出。算法采用基于uc/osII操作系統編寫的c程序實現，加上我們移植的ucgui和ucfs，實現了具有良好的人機交互性的MRI脊椎圖像分割系統，易于系統的推廣應用。

　　具體算法分為3步：

　　(a) 圖像的預處理（Preprocessing）: 由于原始的核磁共振圖像對比度比較低，視覺效果非常不清晰，所以首先要進行圖像質量的改善，增強椎間盤的可見度。以下兩圖為預處理前后的對比。

　　該步驟中的圖像中值濾波部分比較耗費時間，可喜的是該部分程序非常適合采用c2h工具進行算法加速，加速前后的時間對比如下：

預處理前                                      預處理后

　　(b) 脊髓的提取（Spinal Cord extraction）: 脊髓在脊柱核磁共振圖像中是一個明顯的典型的部分，可以為椎間盤的定位提供方向性的信息，應用統計模式識別的模式匹配的方法，進行脊髓的提取。這里我們僅進行上半身的脊髓的提取，是因為上半身的脊髓曲線因人而異的變化比較復雜，而下半身的則可以根據上半身進行預測。

　　左下圖中的紅線是提取出來的上半身的脊髓。這部分的算法相對于其他部分來說比較耗時，但是從目前的算法結構上看并不適合使用C2H 進行加速，考慮到我們的算法會進一步優化，因此沒有采用其他的方式進行算法加速，我們將在今后的工作中從算法結構和加速實現方式上完善本系統的功能。

脊髓提取圖像                  椎間盤定位圖像

(c) 椎間盤的探測（Disks Detection）: 對每個椎間盤進行定位，并將其標注。見右上圖，紅點代表定位的椎間盤，由黃線引出進行標注。

　　我們運用SOPC的設計理念，成功的完成了本系統的設計任務，基本完成了預先設置功能。在系統設計過程中，SOPC概念在以下幾個方面得到了體現：

　　甲、 系統的可重構性

　　由于Nios II是軟核處理器，具有可裁剪的特性。因此對于我們設計的系統具有廣闊的升級空間，比如，因為時間的原因，一些適合FPGA硬件實現的算法我們采用的c程序實現，速度受到限制，在后續的工作中我們可以在不更改硬件平臺的情況下升級我們；還有就是目前的顯示屏像素值不夠，編寫不同的LCD控制器便能夠兼容同類型的LCD顯示，這些都是SOPC給我們帶來的系統可重構優點。

　　乙、 系統設計模塊化

　　系統設計過程是個團隊密切協作分工合作的過程。普通的嵌入式處理器平臺設計必須針對特定的處理器進行設計，硬件工作完成后才能夠進行軟件調試。但是Nios就不同了，只要是能夠支持Nios 的Altera 的 FPGA芯片，在其他 FPGA平臺上進行調試是沒有任何區別的。這樣能夠使得設計過程的軟硬件工作同步進行，在實際產品的設計過程中，就可以將市場拓展和產品研發同時啟動，縮短了整個產品的面世周期，這對企業無疑具有無可估量的意義。

　　丙、 實現方式多樣化

　　利用SOPC概念進行系統設計的時候，系統實現方式是多種多樣的，比如要實現一個算法的加速你可以采用自定義用戶指令、自定義用戶外設或者C2H 的方式實現，通過比較找到最佳的實現方式。

　　六. 設計特點

　　基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統具有運算速度快，體積小，操作簡單，易于同原有的MRI設備共建形成一個新的完整的系統，且便于醫生們使用分割后的圖像進行集體會診。

　　1. 基于Nios II處理器的ucosII操作系統的引入，ucosII在世界范圍內得到廣泛的應用、包括諸多領域,如手機，路由器，集線器、飛行器、 醫療設備等等。uC/OS適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點。Nios II的開發環境IDE下已經集成了該操作系統，免去了移植工作，非常方便，在使用過程中發現，在Nios II運行基于ucosII及任務時非常穩定。本系統的軟件開發均在Nios II集成的μc/os-II操作系統上面完成。

　　2. 系統引入了ucGUI，系統具有了非常好的人機交互性，只需要使用鼠標就能操作實現該系統所有的功能。這對于本系統的推廣有著很大的幫助。

　　3. 系統設計時考慮到大量MRI圖像存儲的問題，采用大容量的SD卡就解決了這方面的問題，得益于Nios 軟核處理器的優勢，我們非常方便了加入了四線制的sd卡控制器，提高了sd卡讀取速度。同時我們移植了對應于sd卡ucFS文件系統，大大方便了對文件訪問操作。

　　4. 基于ucosII 操作系統的網絡接口，使得我們的系統具有了很強的可擴展性。同時網絡的支持也可以使得我們保持圖像的更新和對遠程醫療的良好支持。

　　5. Nios II提供一系列的處理器成員，用戶可以針對本身系統的需求，創建一個在處理器、外設、存儲器和I/O接口方面的完美的方案，這樣，既能提供合理的性能組合，另一方面也節省了系統開發的成本，增強了系統在成本上的競爭力。

　　6. NiosⅡ提供的C2H編譯器能夠將對性能要求較高的C語言程序自動轉換為硬件加速器，集成到基于FPGA的NiosⅡ子系統中，對我們提高系統運行速度提供了有利的支持。

　　七. 總結

　　我們本次大賽的設計作品“基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統”按照預定計劃完成了設計的全部任務，實現了系統的功能，在一些細節上我們還需要努力改進。大賽過程中我們學到了很多新的有關Nios II處理器的支持，首次嘗試了醫學圖像方面算法在Nios II嵌入式處理器實現的方式，體現了Nios II處理器強大處理功能和可靠的運行特性。積累了在Nios II上使用uc/osII、ucGUI、ucFS的使用經驗。調試過程中，出現了的不少問題在團隊協作的力量下，我們一一將它們克服。

　　Nios Ⅱ軟核系統的性能是可以根據應用來進行裁減的，定制用戶自己的系統，與固定的處理器相比，具有很強的優勢。Nios II的用戶邏輯功能和用戶指令突現Nios II處理器的技術亮點，提供了系統實現的多樣化特點。對于學生來說，SOPC設計理念帶來的就是創新的設計思想。有利于激發我們的創新性。

　　感謝Altera公司為我們提供了非常好的理論與實現相結合的時間機會，通過大賽，驗證了我們設計的算法硬件實現可行性！對于我們的理論研究也具有相當的促進作用。