基于Nios II的MRI脊柱图像分割系统

　　DE1上没有网络接口的功能，为了增强系统的可扩展性，我们自行设计了网络接口板，通过DE1的扩展口连接接起来，这样就使得开发板就有网络功能。考虑到扩展口IO口有限，我们还需要使用IO连接LCD显示屏，一次选用IO口数量相对较少的网络芯片dm9000a。在发数据上，我们是开发板以定时的方式发数据，在PC机上以查询方式收数据。网络使用上，发数据是借助ucosII 的驱动程序实现的，收数据是在网络第二层以中断方式实现的。

　　5. 图象处理算法实现：

　　典型的人体脊椎有24块骶骨前（pre-sacral）椎骨，将其结构划分，颈部的椎骨（Cervical）7块, 胸部的椎骨（Thoracic）12块，腰部的椎骨（Lumbar）5块。所以在我们的脊椎矢状图中，相应的典型的图像中可见的椎间盘有23块，分别是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。

　　本算法的目标是将可见的椎间盘进行量化标志，并且对不清晰的椎间盘进行预测估计，也将其标出。算法采用基于uc/osII操作系统编写的c程序实现，加上我们移植的ucgui和ucfs，实现了具有良好的人机交互性的MRI脊椎图像分割系统，易于系统的推广应用。

　　具体算法分为3步：

　　(a) 图像的预处理（Preprocessing）: 由于原始的核磁共振图像对比度比较低，视觉效果非常不清晰，所以首先要进行图像质量的改善，增强椎间盘的可见度。以下两图为预处理前后的对比。

　　该步骤中的图像中值滤波部分比较耗费时间，可喜的是该部分程序非常适合采用c2h工具进行算法加速，加速前后的时间对比如下：

预处理前                                      预处理后

　　(b) 脊髓的提取（Spinal Cord extraction）: 脊髓在脊柱核磁共振图像中是一个明显的典型的部分，可以为椎间盘的定位提供方向性的信息，应用统计模式识别的模式匹配的方法，进行脊髓的提取。这里我们仅进行上半身的脊髓的提取，是因为上半身的脊髓曲线因人而异的变化比较复杂，而下半身的则可以根据上半身进行预测。

　　左下图中的红线是提取出来的上半身的脊髓。这部分的算法相对于其他部分来说比较耗时，但是从目前的算法结构上看并不适合使用C2H 进行加速，考虑到我们的算法会进一步优化，因此没有采用其他的方式进行算法加速，我们将在今后的工作中从算法结构和加速实现方式上完善本系统的功能。

脊髓提取图像                  椎间盘定位图像

(c) 椎间盘的探测（Disks Detection）: 对每个椎间盘进行定位，并将其标注。见右上图，红点代表定位的椎间盘，由黄线引出进行标注。

　　我们运用SOPC的设计理念，成功的完成了本系统的设计任务，基本完成了预先设置功能。在系统设计过程中，SOPC概念在以下几个方面得到了体现：

　　甲、 系统的可重构性

　　由于Nios II是软核处理器，具有可裁剪的特性。因此对于我们设计的系统具有广阔的升级空间，比如，因为时间的原因，一些适合FPGA硬件实现的算法我们采用的c程序实现，速度受到限制，在后续的工作中我们可以在不更改硬件平台的情况下升级我们；还有就是目前的显示屏像素值不够，编写不同的LCD控制器便能够兼容同类型的LCD显示，这些都是SOPC给我们带来的系统可重构优点。

　　乙、 系统设计模块化

　　系统设计过程是个团队密切协作分工合作的过程。普通的嵌入式处理器平台设计必须针对特定的处理器进行设计，硬件工作完成后才能够进行软件调试。但是Nios就不同了，只要是能够支持Nios 的Altera 的 FPGA芯片，在其他 FPGA平台上进行调试是没有任何区别的。这样能够使得设计过程的软硬件工作同步进行，在实际产品的设计过程中，就可以将市场拓展和产品研发同时启动，缩短了整个产品的面世周期，这对企业无疑具有无可估量的意义。

　　丙、 实现方式多样化

　　利用SOPC概念进行系统设计的时候，系统实现方式是多种多样的，比如要实现一个算法的加速你可以采用自定义用户指令、自定义用户外设或者C2H 的方式实现，通过比较找到最佳的实现方式。

　　六. 设计特点

　　基于Nios II的MRI脊柱图像分割系统具有运算速度快，体积小，操作简单，易于同原有的MRI设备共建形成一个新的完整的系统，且便于医生们使用分割后的图像进行集体会诊。

　　1. 基于Nios II处理器的ucosII操作系统的引入，ucosII在世界范围内得到广泛的应用、包括诸多领域,如手机，路由器，集线器、飞行器、 医疗设备等等。uC/OS适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。Nios II的开发环境IDE下已经集成了该操作系统，免去了移植工作，非常方便，在使用过程中发现，在Nios II运行基于ucosII及任务时非常稳定。本系统的软件开发均在Nios II集成的μc/os-II操作系统上面完成。

　　2. 系统引入了ucGUI，系统具有了非常好的人机交互性，只需要使用鼠标就能操作实现该系统所有的功能。这对于本系统的推广有着很大的帮助。

　　3. 系统设计时考虑到大量MRI图像存储的问题，采用大容量的SD卡就解决了这方面的问题，得益于Nios 软核处理器的优势，我们非常方便了加入了四线制的sd卡控制器，提高了sd卡读取速度。同时我们移植了对应于sd卡ucFS文件系统，大大方便了对文件访问操作。

　　4. 基于ucosII 操作系统的网络接口，使得我们的系统具有了很强的可扩展性。同时网络的支持也可以使得我们保持图像的更新和对远程医疗的良好支持。

　　5. Nios II提供一系列的处理器成员，用户可以针对本身系统的需求，创建一个在处理器、外设、存储器和I/O接口方面的完美的方案，这样，既能提供合理的性能组合，另一方面也节省了系统开发的成本，增强了系统在成本上的竞争力。

　　6. NiosⅡ提供的C2H编译器能够将对性能要求较高的C语言程序自动转换为硬件加速器，集成到基于FPGA的NiosⅡ子系统中，对我们提高系统运行速度提供了有利的支持。

　　七. 总结

　　我们本次大赛的设计作品“基于Nios II的MRI脊柱图像分割系统”按照预定计划完成了设计的全部任务，实现了系统的功能，在一些细节上我们还需要努力改进。大赛过程中我们学到了很多新的有关Nios II处理器的支持，首次尝试了医学图像方面算法在Nios II嵌入式处理器实现的方式，体现了Nios II处理器强大处理功能和可靠的运行特性。积累了在Nios II上使用uc/osII、ucGUI、ucFS的使用经验。调试过程中，出现了的不少问题在团队协作的力量下，我们一一将它们克服。

　　Nios Ⅱ软核系统的性能是可以根据应用来进行裁减的，定制用户自己的系统，与固定的处理器相比，具有很强的优势。Nios II的用户逻辑功能和用户指令突现Nios II处理器的技术亮点，提供了系统实现的多样化特点。对于学生来说，SOPC设计理念带来的就是创新的设计思想。有利于激发我们的创新性。

　　感谢Altera公司为我们提供了非常好的理论与实现相结合的时间机会，通过大赛，验证了我们设计的算法硬件实现可行性！对于我们的理论研究也具有相当的促进作用。