遠程醫(yī)療圖像增強技術在DM6437上的應用*

王小剛，張 珣，左建政

(杭州電子科技大學電子信息學院， 杭州310018)

隨著計算機技術和網絡技術的發(fā)展。遠程醫(yī)療已經成為了現代醫(yī)療體系統(tǒng)的一個重要的組成部分。遠程醫(yī)療是指利用網絡傳輸視頻以及醫(yī)學圖片實現病人與醫(yī)生的交流。開展遠程醫(yī)療可以增加每個社會成員獲得醫(yī)療服務和醫(yī)學教育的機會，減少地區(qū)差異、貧富差異造成的醫(yī)療水平不等的狀況，使患者接受高水平的醫(yī)療服務。我國的遠程醫(yī)療技術起步較晚，但是發(fā)展迅速?，F在我國已經擁有三個主要的遠程醫(yī)療網絡：金衛(wèi)網(GHN)，中國醫(yī)學基金會互聯(lián)網(IMNC)， 以及全軍遠程醫(yī)學信息網[1-2]。在醫(yī)學圖片的處理中，對于圖像的亮度不夠、對比度差、動態(tài)范圍大的圖片需要進行增強處理，以滿足臨床診斷的需要。本文提出了基于嵌入式系統(tǒng)的遠程醫(yī)療圖片增強的方法，利用自適應的Retinex算法[3-7]對圖片進行處理，然后將其移植到高速的DSP處理器中，實現了在嵌入式設備中的應用，并證實其在遠程醫(yī)療中應用的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用TI公司推出的專門為高性能、低成本視頻應用開發(fā)的、主頻600 MHz的、32位定點DSP處理器TMS320DM6437。它采用2級Cache存儲器體系結構，有32 kbyte字節(jié)RAM/Cache可配置的1級程序存儲器L1P， 48 kbyte字節(jié)RAM+32 kbyte字節(jié)RAM/Cache可配置的1級數據存儲器L1D，和128 kbyte字節(jié)RAM/Cache可配置的2級程序/數據存儲器L2。片上具有64通道增強型DMA控制器EDMA3，同時具有豐富的外部存儲器接口和片上外設，還有一個專用的10/100 M以太網MAC，方便實現嵌入式視頻網絡化要求。本系統(tǒng)的硬件設計如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 網絡接口模塊

TMS320DM642支持10 M/100 M自適應模式，EMACM/DxO控制寄存器直接映射到DSP存儲區(qū)，支持EMAC/MDIO復位和優(yōu)先級。EMAC能工作在半雙工或全雙工模式下， 具有硬件流控制及服務質量保證支持。本系統(tǒng)用KS8721BL物理芯片擴展了一個10/100 Mbit的以太網接口，連接器為RJ-45標準的以太網連接器。在RJ-45連接器上有兩個指示燈，綠燈閃爍表示網絡正常連接，黃燈表示全雙工模式。

1.2 外部存儲器模塊

TMS3320DM6437 有一個專用的32 bit、200 MHz、256 Mbyte字節(jié)尋址空間的DDR2存儲器接口用于接口高速、大容量的DDR2存儲器，以存儲代碼和數據；一個8 bit、64 Mbype字節(jié)尋址空間的異步存儲器接口用于接口8 bit Nor Flash或Nand Flash，以存儲固化代碼。

1.3 電源模塊

TMS3320DM6437 通常用于嵌入式系統(tǒng)中，因而，電源電路設計不僅要考慮電壓的精度、穩(wěn)定度和外圍電路的復雜度等問題，還要考慮低功耗問題，本系統(tǒng)的電源設芯片采用IPS5430DDA，電路的設計如圖2。

圖2 電源模塊電路

2 軟件設計

2.1 Retinex算法

1977年Land首先提出了Retinex作為人眼感知亮度和色度的視覺模型，根據Retinex理論，物體的顏色是由物體對光線的反射能力決定的，而物體對光線的反射能力是物體本身固有的屬性，與光源強度的絕對值沒有依賴關系。因此通過計算各個像素間的相對明暗關系，可以對圖像中的每個像素點的灰度值進行校正。據此，本文引入了一種基于全局特征的Retinex圖像增強算法，圖3是全局特征的Retinex圖像增強算法的算法流程圖。

經全局Retnixe算法增強后的圖像對比度不高，因此需要對結果圖像的直方圖進行校正。本文采用自適應的線性拉伸方法提高圖象的對比度。該方法利用“3σ規(guī)則”將與圖像均值的距離超過3a的像素點的影響都忽略不計，取下飽和點low=u-3σ，上飽和點high=u+3σ然后根據公式[3]對原有圖像的直方圖進行線性拉伸，該方法具有自適應的特點。

2.2 代碼的移植

在pc端編寫Retinex算法，在驗證算法的功能后將其移植到DSP平臺。移植工作主要包含以下幾個方面：

(1)修改程序使其符合標準的C

由于Tl所提供的CCS編譯器與一般C編譯器的差異，需要遵守相應的編程規(guī)則。盡量使用標準C的編程規(guī)范。

(2)CMD文件的編寫

圖3 Retinex算法流程圖

CMD文件是用來為整個程序分配存儲空間。它的生成有兩種方式：一種是通過配置DSP/BIOS來生成。另一種是自己手工配置。本文采用以上兩種方式生成CMD文件，這樣可以方便用戶根據自己的需要來更加合理的分配存儲空間。

(3)刪除不需要的代碼

在PC端為了更加直觀地看到程序的運行情況添加了很多fprintf函數，由于fprintf函數耗時大，會影響程序的執(zhí)行時間，所以在DSP端應當刪除。由于本文采用網絡傳輸數據，所以還要刪除一些圖片數據的讀取函數。

2.3 代碼的優(yōu)化

移植完以后需要對原程序進行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有以下幾種：

(1)使用volatile、restrict等關鍵字。

使用volatile來定義的變量表示該變量保存在寄存器中的值將會因為某些原因而發(fā)生變化。這就告訴編譯器，不要試圖從寄存器中取該變量的值，而是應該每次重新讀取它的值，從而保證計算結果的正確性。用restrict定義的指針，其所指向的存儲空間不會發(fā)生混疊，從而能夠很好的起到優(yōu)化作用。例如求期望和方差函數可以優(yōu)化為：

CalcAllElem(Db l2Array*restrict pArray， double* restrictpDblExpect， double* restrictpDblDis)。

(2)用位移來代替除法運算。

因為定點的DSP只有硬件乘法器沒有硬件除法器，這樣在做除法的時候要經過很多的步驟，降低程序執(zhí)行的速度。

(3)用EDMA提高圖像數據的傳輸速度。

EDMA傳輸數據是在后臺運行，不占用CPU的計算周期，能提高數據傳輸的傳輸速度。本文直接使用由片上支持庫(CSL)提供的DAT模塊進行有關EDMA的操作。使用DAT_copy函數將r通道的數據從SDRAM搬移到內部存儲器中，這樣可以大大提高系統(tǒng)的性能。

2.4 網絡傳輸

遠程醫(yī)療系統(tǒng)需要通過網絡來傳輸病人的病理圖片。當前的Internet網絡是建立在TCP/IP的網絡。在TCP/IP協(xié)議組件中， 有兩個協(xié)議：TCP和UDP， TCP通過面向連接的協(xié)議， UDP則是一種無須建立連接的協(xié)議。

圖4 NDK中TCP/IP協(xié)議棧的結構

為了加速DSP網絡化的進程， TI公司推出了NDK網絡開發(fā)套件。NDK采用緊湊的設計方法，實現了用較少的資源耗費來支持TCP/IP。從實用效果看， NDK僅用200 ～250 kbit程序空間和95 kbit數據空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務，包括應用層的telnet、DHCP、HTTP等。 NDK網絡開發(fā)套件主要包含的庫有：TCP/IP網絡工具的庫；支TCP/IP協(xié)議棧與DSP/BIOS平臺的庫；網絡控制以及線程調度的庫。下圖是NDK中TCP/IP協(xié)議棧的結構[8]。

基于數據可靠性的考慮，采用tcp協(xié)議實現pc和DM6437之間的通信。圖片數據是由pc到dsp單向傳輸的，經測算本文tcp傳輸速率達到20 Mb/s。

3 結果

本文的自適應的Retinex適用于不同亮度，不同大小的的醫(yī)學圖片。由于醫(yī)學圖片都以rgb格式存儲于pc上， 所以首先在VC++6.0 平臺上調用opencv庫函數讀出圖片的rgb各個分量的數據，然后利用tcp協(xié)議實現pc和dsp的圖片數據傳輸，最后進行數據的處理。本文采用圖片的大小352*288，不考慮傳輸消耗的時間， dsp處理單通道的時間為450 ms，處理整幅圖像用時1.4 s。應用本文的算法得到的增強的胸透圖片如圖5所示。

圖5 原始圖片

圖6 處理以后的圖片

從處理后的圖片可以看出，經本文的算法處理以后原來圖像中的暗區(qū)，模糊不清的部分變得清晰，對比度有了很大的改善，而且具有一定的銳化效果。

4 結論

Retinex算法是一種有效的、基于人眼視覺原理的圖像增強算法，它既能實現醫(yī)學圖像對比度的增強，同時又能有效地壓縮圖像的動態(tài)范圍，具有廣泛的應用領域。實驗結果也表明本文的算法能有效地提高醫(yī)學圖像中暗區(qū)內細節(jié)的可視度，壓縮圖像的動態(tài)范圍，能提高醫(yī)生的臨床診斷準確性。并且將該算法應用于嵌入式平臺，具有醫(yī)學應用價值。

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