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基于USB同步传输的超声内窥镜图像采集与处理系统设计.pdf

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l协▲ABSTRACTMeical ultrasonic imaging is one of the most important domains of modernmedical imaging technology.Endoscopic Ultrasonography SystamEUScombines themedical technique of endoscopios wim ultrasound technology and modern computertechnology.Improving the image quality,enhancing the function,advancing thereliability and flexibility are the directions of research on medical ultrasonic imaging.In recent years,USBUniversal Serial Bushas became a widdy used interfacetechnology,it has advantages that other bus is incomparable,such as hot-plug,hi班·speed and stability,low-power and SO 011.At present USB2.0 standard agreementthat the USB bus transfer rate up to 480Mbps provides a high-speed data exchanges between computer and peripherals.T11iS text finished the main work as follows1、Based on the function and features of USB2.0 chip EZUSB FX2LP fromCYPRESS,completed the design of USB2.0 isochronous transfer circuit.2、Used the 6l“111Ware framework provide by USB device manufacturers,completed the equipment 6lrmwage and finished compiling and debugging under KcilC environment.3、In-depth analysis of the WDM,wrote the USB driver and firmware downloaddriver and finished compiling and debugging under Windows DDK environment.4、Used FPGA as the controller and simulate data source,completed datatransmission experiment for USB interface circuits,verified stability and reliability ofsystem,and achieve the 1 6MB/s transmission speed.In addition,got the pigskinimages used USB isochronous transfer in ultrasonic endoscope.5、Indepth analysis of the characteristics of medical ultrasound image andvarious of enhancement s of ultrasound image,developed Medical UltrasoundImage Processing System.KEY WORDSMedical Ultrasound Endoscope,USB2.0 isochronous transfer,WDM,Ultrasound Image Enhancement▲伽‘▲譬目第一章绪论.11.1超声内窥镜成像系统概述.11.2常用的图像采集接口.21.3通用串行总线31.3.1 USB简j个..31.3.2 USB总线的特点.41.3.3 USB传输方式的比较嘲..41.4医学超声图像增强。51.5论文的主要工作和意义61.5.1论文的主要工作.61.5.2论文的研究意义.7第二章USB接口理论基础及设计方案82.1 USB接口理论基础.82.1.1 USB系统的组成82.1.2 USB数据传输。l O2.1.3 USB同步传输方式ll2.2 USB同步传输设计方案122.2.1 USB同步传输系统结构122.2.2 USB同步传输设计方案l 32.3本章小结。13第三章USB同步传输软件设计。143.1固件程序设计..143.1.1固件程序加载模式和重枚举143.1.2 EZ-USB固件程序框架.153.1.3同步传输固件程序实现173.2驱动程序设计.1 83.2.1 WDM驱动程序模型.183.2.2 USB驱动程序233.2.3 USB驱动程序设计24毛应用程序设计.35实验结果..36本章小结。...4l医学超声图像增强42超声图像噪声分析。42常用的超声图像滤波方法43各向异性扩散算法实现46本章小结49总结与展望。50完成的主要工作。50对未来工作的展望.50参考文献..52发表论文和参加科研隋况说明。55致 谢.56第一章绪论第一章绪论随着人们对于生活质量要求的不断提高,人们对自身健康的关注程度有了显著的增加。在医疗检测中,希望尽早的发现病变,在病变早期进行确诊和治疗,并且减少检测损伤。医学超声内窥镜就是一种无检测损伤的技术,它可以同时检测器官表面和内部组织,发现早期病变,是当前应用前景非常广阔的医疗仪器【¨。随着超声内窥镜技术的发展和不断的完善,对超声内窥镜的便携性、可靠性也有了越来越高的要求。其中超声图像采集接口的研究对超声内窥镜的成像质量、成像速度以及仪器的便携性有重要的影响。本文研究了USB2.0协议和不同类型USB总线实现方案,选择了USB同步传输方式,完成了超声成像系统采集接口设计,实现了超声图像的实时传输与显示,在实验中验证了系统的可靠性与稳定性。在超声图像的产生、传输和变换过程中,由于多种因素的影响,往往使图像包含许多噪声。本文研究了医学超声图像中噪声的特点以及目前的超声图像增强方法,使用VC开发环境开发了医学超声图像处理系统,改善了图像的视觉效果,便于人眼的观察分析以及图像的进一步处理。1.1超声内窥镜成像系统概述超声内窥镜成像系统是以超声换能器为传感元件,由微型电机带动换能器旋转以实现扇形扫描。利用换能材料的逆压电效应,将高频电脉冲以声波的形式发射出去,声波在器官组织中传播的同时其强度被组织的声阻抗特性调制;换能器接收回波,利用换能材料的正压电效应将反射回来的声波转化为电信号。接收回波信号获取图像就是将组织声学特性解调出来的过程。医学超声内窥镜成像系统原理如图l。1所示。系统包括超声发射电路、超声探头、接收放大、增益补偿、模拟带通滤波、A/D与FPGA逻辑控制电路、USB2.0数据接口电路和计算机。发射电路的功能是在超声换能器上施加瞬时高压脉冲,激发超声换能器发射超声波;接收放大电路对超声换能器接收回波后的微弱信号进行放大;增益补偿电路对不同深度的回波信号进行放大倍率的补偿;模拟带通滤波电路提取超声探头中心频率处有用信号,滤除噪声;滤波后的信号经A/D转换后进入FPGA进行数字滤波,解调、对数压缩和数字扫描变换DSC等处理;●第一章绪论USB控制模块控制USB2.0接口将超声图像送入计算机进行显示。计算机完成超声图像的显示、存储和处理。. /一一一一一一一、’---.一..._,,图1.1医学超声内窥镜成像系统示意图超声内窥镜成像系统既可以通过电子内窥镜直接观察粘膜表面的病变形态,又可以进行超声扫描,获得消化器官管壁各个断层的组织学特征。相对于体外的超声检查而言,超声内窥镜明显缩短了超声探头与目标器官间的距离,避免了腹壁脂肪,腔肠气体和骨骼系统对超声波的影响和干扰,可以获得清晰的图像,可以诊断早期的病变。所以,超声内窥镜在临床疾病的诊断、治疗和研究疾病的发病机制以及病理变化过程中,将会发挥出越来越重要的作用。1.2常用的图像采集接口超声内窥镜系统采集的图像需要经过图像采集接口传入计算机进行显示、存储和处理。目前外围设备和计算机之间有多种接口方式,如RS232串行接口、并行接El、ISA总线、PCI总线等【121。RS232串行接口串行通信是在单根导线上将二进制数一位一位的顺序传输,串行通信较并行通信,虽然速度较低,但可节约大量的线路成本。现在的PC机一般至少有两个串行口,其最高数据传输率不超过115Kbps,同时传输的距离也不会超过15米。采样系统与PC接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失,失去连续采样的意义。并行接口2JI蠢第一章绪论并行接口是指n位数据通过n条并行的数据线进行传输,这样传输速率大大提高,最高可达1.SMbps,并且不需要在PC中使用其它的卡,无限制连接数目,设备的安装及使用容易,但是并行接口的线路长度受到限制,容易收到干扰出错。目前,计算机上的并行接口主要作为打印机端口。PCI总线PCIPeripheral Component Interconnect总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。它定义了32位数据总线,且可扩展为64位,支持突发读写操作,最大传输速率可以达到132Mbps,可以同时支持10台外围设备。但是它的体积较大,硬件设计和驱动开发难度较大,而且不支持即插即用和热插播的功能。 串行总线接口随着计算机串行技术的发展,系统总线和外部总线越来越多的使用串行总线。串行总线包括USB和IEEEl394两种。IEEEl394接口也称为Firewire火线接口,是最高传输率为400Mbps的高速串行总线,其最新标准规范支持的数据传输率可达800Mbps,适用于视频及音频等设备,可实现实时数字图像采集和显示【2】,但是由于IEEEl394的使用需要支付昂贵的版权费用,因此在我国没有广泛的使用。1.3通用串行总线USBUniversal Serial Bus,通用串行总线是计算机连接外部设备的一种串行总线标准,它由于具有很多优点,所以现在的应用越来越广泛。本文就是要设计一个USB2.0同步传输系统。1.3.1 USB简介通用串行总线USB是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Tele.com等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种串行接口标准。它基于通用连接技术实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源,而不像使用其它接口的设备需要单独的供电系统。USB总线从诞生起便引发了一场产业革命。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点,使得PC的接口纷纷从串行口和并行口转到USB总线上来。USB使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头,采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来,并且不会损失带宽。一个完整的、可行的USB规范USBl.1于1998年9月完成,他定义了两种速度的传输工作模式,低速Low3第一章绪论Speed模式的数据传输速度为1.5Mbps,全速Full Speed模式的数据传输速度率为12Mbps。这一版本得到了计算机业界的广泛响应。到1999年USB已经被广泛应用。受到这一潮流的鼓舞,2000年4月USB组织又推出了新版本的规范usB2.0,这个版本增加了高速传输模式,数据传输速率可以达到480Mbps并且兼容USBl.1规范。1.3.2 USB总线的特点1、设备安装和配置容剔14】。USB设备支持即插即用和热插拔,安装USB设备不必再打开机箱,加减USB设备完全不用关闭计算机,系统对其进行自动配置,不再占用中断资源或者DMA资源,彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。USB为电缆和连接头提供了单一模型,解决了外设越来越多所造成的插槽紧张问题。2、速度快。USB支持三种设备传输速率1.5Mbps低速设备,12Mbps全速设备和480Mbps高速设备,远远高于串13和并口的传输速率,对低速传输和高速传输都适用。3、易于扩展。通过使用Hub扩展,可以连接多达127个外设。标准USB电缆长度为3m,通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m。4、能够采用总线供电。USB总线提供最大达5V,500mA电流,对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。5、使用灵活。USB共有4种传输模式控制传输Control Transfer、同步传输Isochronous Transfer、终端传输Interrupt Transfer、批量传输Bulk Transfer,可以适应不同设备的需要。1.3.3 USB传输方式的比较[5】1、控制传输当USB设备初次安装时,USB系统软件采用控制传输来对设备进行配置。主机为高速USB设备保留20%的带宽用于控制传输。任何一个设备都必须支持一个与控制传输方式相对应的端点0.2、批量传输批量传输适用于传输大量数据的设备,如打印机和扫描仪等。批量传输在硬件级上使用错误检测,并引入了数据的多次传输,以保证可靠的数据传输。此外,根据其他一些总线动作,被批量数据占用的带宽可以相应的进行改变。这种传输方式适用于传输大量的且对传输时间和传输速率均无要求的数据。3、中断传输第一章绪论中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断申请。这种传输方式典型应用在少量的、分散的、不可预测数据的传输方面,键盘、操纵杆和鼠标等就属于这一类型。这些设备与主机间的数据传输量小、无周期性,但对响应时间敏感,要求马上响应。中断方式传输是单向的,并且对于主机来说只有输入方式。4、同步传输同步数据的建立、传输和使用是连续且实时的,并以稳定的速率发送和接收实时的信息,且使接收者和发送者保持相同的时间安排。除了传输速率,同步数据对传输延迟非常敏感。因此,同步通道带宽的确定,必须满足对相关功能部件的取样特性。实时的传输同步数据有可能会发生瞬时的数据流丢失现象。即使许多硬件机制如,重传的引入也不能避免错误的产生。实际应用中,USB传输的数据出错率小到几乎可以忽略不计。从USB总线的带宽中给USB同步数据流分配了专有的一部分,以满足所想得到的传输率。这种传输方式适用于传输大量的、速率恒定的、且对服务周期有要求的数据,如音频和视频类设备,因为对于它们,数据的及时性远比正确性重要。在以上四种USB传输方式中,批量传输方式和同步传输方式都可以实现海量数据的传输。批量传输方式是目前USB数据采集系统中最常用也是使用最多的传输方式。这种传输方式实现较容易,但是实际传输速度受到各种因素如USB设备的多少的影响一般在10MB/s左右,而且速度不稳定。而使用同步传输方式,主机会为同步传输分配固定的带宽,可以保证在数据传输过程中速度是稳定的。因此实时显示设备更多的使用同步传输方式。1.4医学超声图像增强由于超声成像机制的限制,图像在产生和传输的过程中,常常受到各种噪声源的干扰和影响使得图像的质量变差。特别是由于所成像器官或组织结构上的不均匀性,一些微小的结构不能为超声所分辨,加上声波信号的干涉现象,在超声图像中形成了特有的斑点Spcckle噪声。Speckle噪声严重影响了图像质量,给医学诊断与自动识别带来了困难,也使得对图像细节的识别与分析更加困难。反映在图像上,噪声使原本均匀和连续变化的灰度突然变大或减小,形成一些虚假的物体边缘或轮廓【221。随着一些新的超声成像技术的出现,图像的质量有了很大的提高,但是相对于后期的图像分析、多维重建等工作的要求而言,图像的质量仍有较大的差距,所以必须进行图像增强去噪处理。第一章绪论图像增强的目的是对图像进行加工,以得到对具体应用来说视觉效果更“好“,更“有用”的图像。由于具体应用的目的和要求不同,所需要的具体增强技术也大不相同。从根本上说,并没有图像增强的通用标准,观察者是某种增强技术优劣的最终判断群351。目前常用的图像增强技术根据其增强算法所在的空间不同,可以分为基于图像域的方法和基于变换域的方法两大类。顾名思义,前者直接在图像所在空间进行处理,而后者对图像的处理是在图像的变换域间接进行的。空域增强技术是基于灰度级映射变换频域增强技术的基础是卷积定理。在图像处理中,空域是指由像素组成的空间。空域增强方法是指直接作用于像素的增强方法,可表示为gx,yEH[fx,y】 11其中厂·和g·分别为增强前后的图像,而EH代表增强操作。如果EH是定义在每个x,y上的,则EH是点操作,也称为灰度操作;如果EH是定义在z,y的某个邻域上,则EH称为模板操作,也称空间滤波。频域处理方法的基础是卷积定理。它通过傅里叶变换改变图像的频谱,实现对图像的增强效果。由卷积定理可知,如果hx,y是处理系统的冲激响应,那么处理过程可表示如下gx,yhx,y木fx,, 12舯“·“表示卷积。如果au,D,Hu,v,Fu,1,分别表示gx,Y,hx,Y,厂,y的傅里叶变换,那么上面的卷积关系可以表示为变换域的乘积关系,即G,1,Hu,1,·Fu,v 1-3在图像增强处理中,由原始图像fx,Y可以得到其傅里叶变换Hu,v,在选择合适的I-1u,1,,使得由gx,YF-1[H,功·Fu,D】 1-4得到的处理后图像比原图像在某些性能上更加鲜明、突出。1.5论文的主要工作和意义1.5.1论文的主要工作本文设计并完成了基于USB2.0同步传输的超声内窥镜图像采集系统和图像处理系统,实现了图像的采集、传输、存储和处理。在本系统设计中,要求采集的图像为512512的8bit灰度图像,也就是说每一幅图像的大小为256KB,要具有较好的实时显示效果,帧频需要达到20Hz以上,因而需要数据传输速率大●.· 6 .●第一章绪论于5MB/s。本文设计的USB2.0同步传输系统完全能够满足超声内窥镜系统快速、实时的图像显示要求。另外本文还对医学超声图像的增强技术进行了研究和实验。本文完成的主要工作如下1、基于CYPRESS公司推出的新型USB2.0设备芯片EZ.USB FX2LP的功能及特点,完成了USB2.0同步传输方式的硬件设计。2、基于开发板厂商提供的USB设备固件框架,编写了同步传输的设备固件程序,并在Keil C的环境下对固件程序进行了调试和编译。3、深入剖析了WDM驱动程序,编写了USB同步传输功能驱动程序和固件下载驱动程序,并在W mdows DDK环境下进行了编译和调试。4、利用FPGA作为控制核心,模拟数据源进行数据传输测试,验证了USB同步传输系统的稳定性和可靠性,系统的数据传输速度可以达到16MB/s。此外,应用在超声内窥镜系统中采集了猪皮图像。5、深入分析了医学超声图像噪声的特点和目前常用的超声图像增强算法,在VC6.0环境下开发了医学超声图像处理程序。1.5.2论文的研究意义图像采集接口是医学超声内窥镜的重要组成部分,对系统的成像速度和成像质量有决定性的作用。随USB2.0协议的完善和技术的成熟,USB2.0已经称为一种工业级总线标准,其良好的可靠性可以很好的满足各种数据采集系统的要求。另外其热插拔的使用方法也带给了用户极大的方便。所以开发USB2.0接口的数据采集系统将成为一种必然趋势。而本文所研究的USB2.0同步传输系统采用USB2.0同步传输方式,这种传输方式与其它三种USB传输方式相比,传输速度更快,传输速率更稳定,可以很好的满足医学超声内窥镜系统实时显示的要求,而且也有利于超声内窥镜成像系统以后的扩展。医学超声图像由于其成像机理,一般都具有较大的噪声干扰,这对于医生诊断疾病和图像的进一步处理都会造成严重的影响。所以必须对图像进行增强处理,得到更好的图像,从而提高精度,改善图像处理的效果。所以,本课题的研究和完成具有积极的现实意义。
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