Введение к работе
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 трехмерных 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 все 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
трехмерных изображений В связи с этим становится весьма актуальной задача разработки и аппаратной реализации методов и алгоритмов построения трехмерных 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 трехмерные изображения по нерегулярным сечениям, получаемым, например, при ультразвуковых исследованиях (УЗИ) с ручным приводом датчика
Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи
Анализ и исследование этапов обработки медицинских изображений по данным УЗИ, моделирование и реализация этих этапов с использованием пакета Matlab,
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,
Модификация имеющихся алгоритмов (преобразование координат из полярной системы в декартову, 3-мерная реконструкция изображений) для ускорения обработки изображений и удовлетворения требованию их аппаратной реализации
Программная и аппаратная реализация предложенных алгоритмов, сравнение двух способов реализации и анализ их преимуществ и недостатков
Анализ и исследование перспективных решений обработки 3-мерных изображений на базе ПЛИС
Методы исследования. При выполнений исследований в работе применялась линейная алгебра, численные методы, стереометрия, биофизика, компьютерная графика, вычислительная техника, языки программирования, пакеты Matlab и САПР Xihnx 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 аппаратяо 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,
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,
Реализованы на языке VHDL алгоритмы обработки трехмерных изображений на основе ПЛИС фирмы Xilmx,
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 178 страниц и включает 78 рисунков и 6 таблиц
