基于DSP的血型圖像判讀系統(tǒng)

羅剛銀，王弼陡，孫海旋，程文播，吳 冬

（中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 中科院生物醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215163）

1 引 言

在臨床檢驗領(lǐng)域，血型分析是臨床輸血必須的檢測項目，是醫(yī)生作出正確病情診斷和輸血血型選擇的重要依據(jù)，其臨床應(yīng)用極為廣泛。常見的血型分析方法是建立在血液紅細胞凝集反應(yīng)基礎(chǔ)上的，通過檢測受血者與獻血者血液混合時是否發(fā)生紅細胞凝集或者溶血來判斷受血者與獻血者的血型匹配情況。

血型分析技術(shù)先后經(jīng)歷了玻片法、試管法、試紙法、微板法和微柱凝膠法等幾個發(fā)展階段。微柱凝膠法是當(dāng)前國際最先進的血型分析技術(shù)［1］，它將血液紅細胞凝集反應(yīng)與微柱凝膠技術(shù)相結(jié)合，除了可以實現(xiàn)常規(guī)的血型檢測和血型匹配分析之外，還可以進行血液不規(guī)則抗體等項目的檢測，具有檢測過程標準化、操作簡單、檢測結(jié)果可長期保存等優(yōu)點。

目前，玻片法和試管法正在被逐步取代，試紙法由于可檢項目較少而限制了其應(yīng)用范圍，現(xiàn)在應(yīng)用最廣的是微板法，而微柱凝膠法還處于推廣階段。目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了采用微板法進行血型分析的國產(chǎn)專用儀器［2］，其血型結(jié)果也實現(xiàn)了光學(xué)方法或圖像分析方法［3］的自動判讀。但是，采用微柱凝膠法的國產(chǎn)儀器在國內(nèi)尚未出現(xiàn)，對微柱凝膠法分析血型時的檢測結(jié)果往往還采用人眼判讀，因此存在極大的人為因素干擾，限制了微柱凝膠法這一先進技術(shù)的廣泛普及。針對這一現(xiàn)狀，本文研究了一種對微柱凝膠法檢測結(jié)果進行自動識別的血型圖像判讀系統(tǒng)。同時，由于DSP具有速度快、功能強大等優(yōu)點，被廣泛運用于圖像處理領(lǐng)域［4－5］，因此選擇 DSP作為主控芯片設(shè)計判讀系統(tǒng)的硬件。

2 判讀系統(tǒng)的總體設(shè)計

血型圖像判讀系統(tǒng)主要完成血型圖像的采集、血型圖像的分析、血型圖像的保存、血型圖像的分析識別等工作，主要由主控單元、圖像采集單元、圖像顯示單元、圖像保存單元、背光源、電源等部分組成，如圖1所示。

圖1 判讀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of recognition system

（1）主控單元：主要由DSP、SDRAM、FLASH和KEY組成。其中，DSP主要負責(zé)圖像采集和顯示時的編解碼工作，以及圖像的保存工作；SDRAM主要負責(zé)程序的運行，F(xiàn)LASH主要負責(zé)程序和數(shù)據(jù)的固化；KEY是按鍵，用于實現(xiàn)血型圖像判讀系統(tǒng)的按鍵操作。

（2）圖像采集單元：主要由PHLIPS公司的圖像解碼芯片SAA7113和CCD相機組成。CCD相機輸出的圖像模擬信號經(jīng)過SAA7113芯片A／D轉(zhuǎn)換作用解碼成標準的VPO數(shù)字信號，然后被DSP芯片采集和分析。

（3）圖像顯示單元：主要由PHLIPS公司的圖像編碼芯片SAA7105和LCD顯示器組成。DSP芯片分析處理過的血型圖像VPO數(shù)字信號經(jīng)過SAA7105芯片D／A轉(zhuǎn)換作用編碼成標準VGA模擬圖像信號，最終在LCD顯示器上顯示。

（4）圖像保存單元：主要由PB375A芯片和U盤／SD卡組成。PB375A是集成了FAT32文件系統(tǒng)的USB／SD讀寫芯片，可以方便地將封裝為bmp格式的血型圖像數(shù)據(jù)保存在U盤／SD卡中。

（5）背光源：主要由8行12列的光電二極管陣列和其前部勻光毛玻璃組成，其中光電二極管的頂端直徑為5mm，發(fā)光特性為白色高亮。背光源主要用于為CCD相機采集圖像時提供均勻的背景光，以保證采集到的血型圖像更加清晰。

（6）電源：主要由 LM2576－5.0 芯 片、LT1764AEQ－3.3芯片和 LT1764AEQ－Adj芯片等組成。由于背光源的功耗較大，同時CCD相機的工作電壓為12V，因此整個判讀系統(tǒng)采用12 V／6A的電源適配器供電。采用LM2576－5.0生成5V電壓用于給PB375A等芯片供電，采用LT1764AEQ－3.3 生 成 3.3V 電 壓 給TMS320DM642、SAA7113、SAA7105等芯片供電，采用 LT1764AEQ－Adj生成1.4V 電壓給TMS320DM642芯片供電。

3 判讀系統(tǒng)的硬件組成

血型圖像判讀系統(tǒng)選擇的DSP芯片為TI公司的TMS320DM642，主要具有以下特性［6］：

（1）1個64位外部存儲器接口（EMIF）

（2）1個I2C總線模塊

（3）3個可配置的視頻端口（VPO0－2）

（4）2個多通道帶緩沖串行端口（McBSP）

（5）1個16位通用輸入／輸出端口（GPIO）

（6）1個JTAG接口。

可見，TMS320DM642芯片有足夠的資源可以實現(xiàn)一個小型的圖像采集、分析和顯示系統(tǒng)。因此，在外圍硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程中，本系統(tǒng)并未采用傳統(tǒng)的FPGA或者CPLD外擴系統(tǒng)所需的邏輯信號，而采用TMS320DM642芯片自帶的GPIO引腳來實現(xiàn)系統(tǒng)所必需的外部邏輯信號，包括FLASH芯片的存儲頁選擇信號A［21：20］和復(fù)位信號FLASH＿RST、SAA7105芯片的復(fù)位信號7105＿RST、PB375A芯片的復(fù)位信號375＿RST信號等，如圖2所示。可見，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小的優(yōu)點。

圖2 判讀系統(tǒng)的硬件組成Fig.2 Hardware structure of recognition system

（1）主控單元：TMS320DM642具有的64位EMIF接口可與大多數(shù)存儲芯片（如SDRAM、FLASH、EPROM、FIFO等）無縫連接。本系統(tǒng)利用EMIF接口外擴了SDRAM存儲器和FLASH存儲器，如圖2所示。其中，SDRAM選擇Hynix公司的HY57V283220T芯片，F(xiàn)LASH選擇AMD公司的AM29LV033C芯片。

（2）圖像采集單元：本系統(tǒng)采用TMS320DM642的VP0口的低地址端口設(shè)計了圖像采集通路，如圖2所示。其中，圖像采集芯片SAA7113由I2C串口信號控制，引腳VP0CLK0為其提供時鐘輸入，引腳VP0［9：2］為圖像采集輸入通道［7］。

另外，由于CCD圖像信號在輸出的過程中受多種噪聲干擾，如暗電流噪聲、復(fù)位噪聲等［8］，因此本系統(tǒng)對CCD輸出的圖像信號進行了π型LC濾波，并采用隔直電容將CCD圖像信號耦合進入SAA7113芯片。π型LC濾波電路中的電容通過充放電作用使電壓波形變得平滑，同時電感也能使電流波形變得平滑，最終使CCD圖像信號變得平滑，以濾除其噪聲干擾。本系統(tǒng)中圖像信號的濾波輸入電路如圖3所示。

圖3 圖像信號的濾波輸入電路Fig.3 Filtering input circuit of image signal

（3）圖像顯示單元：本系統(tǒng)采用TMS320DM642的VP2口的地地址端口設(shè)計了圖像顯示通路，如圖2所示。其中，圖像顯示芯片SAA7105也由I2C串口信號控制，VP2CLK0為其提供時鐘輸入，VP2CTL0為其提供場同步信號，VP2CTL1為其提供行同步信號，VP2CTL2為其提供幀同步信號，VP2［9：2］GPIO［3］信號為其提供復(fù)位控制信號［9］。

（4）圖像保存單元：本系統(tǒng)通過將TMS320DM642的McBSP口配置為SPI協(xié)議下的主設(shè)備來實現(xiàn)與PB375A的通信。當(dāng)McBSP是主設(shè)備時，主設(shè)備時鐘CLX1需要通過內(nèi)部采樣率發(fā)生器產(chǎn)生，對從設(shè)備的使能來自主設(shè)備的發(fā)送幀同步脈沖FSX1，發(fā)送數(shù)據(jù)引腳DX1與接收數(shù)據(jù)引腳RX1用來實現(xiàn)與PB375A芯片的通信，如圖2所示。本系統(tǒng)同時設(shè)計了U盤和SD卡接口，PB375A與U盤通信的USB接口電路如圖4所示，與SD卡通信的接口電路如圖5所示。

圖4 USB接口電路Fig.4 USB interface circuit

圖5 SD接口電路Fig.5 SD interface circuit

BMP圖像數(shù)據(jù)格式由位圖文件頭、位圖信息頭、調(diào)色板、像素數(shù)據(jù)表構(gòu)成，其中位圖文件頭包含文件類型、大小等信息，位圖信息頭包含圖像寬度、高度、顏色位數(shù)、是否壓縮等信息，調(diào)色板包含藍色分量、紅色分量、綠色分量等信息，像素數(shù)據(jù)表包含實際的圖像像素數(shù)據(jù)信息［10］。為了將SAA7113芯片采集到的圖像數(shù)據(jù)以bmp格式保存在U盤／SD卡中，首先需要按照bmp圖像數(shù)據(jù)格式的實際大小封裝出其文件頭、信息頭、調(diào)色板、像素數(shù)據(jù)表等，然后新建一個位圖文件或者打開一個已有的位圖文件，將這些封裝好的數(shù)據(jù)依次存入到U盤／SD卡中，其過程如圖6所示。

圖6 BMP圖像的保存流程圖Fig.6 Flow diagram of BMP image＇s save

4 判讀系統(tǒng)的軟件識別算法

4.1 算法簡介

微柱凝膠法采用血型卡作為反應(yīng)容器，血型卡由微柱小管和銘牌構(gòu)成，如圖7所示，CCD相機采集到的血型圖像即為反應(yīng)后的血型卡實物圖像。

圖7 血型卡實物圖Fig.7 Real image of blood card

血型卡中的微柱小管是指示紅細胞凝集反應(yīng)結(jié)果的反應(yīng)區(qū)，銘牌是指示血型卡種類的字符區(qū)，二者共同指示了血型分析的結(jié)果。因此，本系統(tǒng)對血型圖像的判讀過程包括微柱小管中的紅細胞分布分析和利用顏色分量進行的銘牌種類分析兩部分，如圖8所示。

圖8 血型圖像的判讀流程Fig.8 Flow diagram of blood type image’s recognition

4.2 紅細胞分布分析

首先，采用加權(quán)平均值的方法對CCD相機采集到的血型卡原始圖像進行灰度變換，采用中值濾波法對原始圖像進行平滑濾波，以得到更加清晰的灰度圖像。

接著，采用模板匹配中的相關(guān)系數(shù)法分割出血型卡中的紅細胞凝集反應(yīng)區(qū)，即微柱小管。假設(shè)M行N 列模板圖像為｛T［m，n］｝，0＜m＜M，0＜n＜N，在原始圖像中遍歷相同大小的以坐標（i，j）為左上角頂點的圖像模塊｛Si，j［m，n］｝，計算其相關(guān)系數(shù)Ri，j為［11］：

模板匹配需要對原始圖像的多個像素進行遍歷，計算量很大。為了提高模板匹配的速度，采用公式（2）所示邊界提取算法［12］得到原來模板圖像的骨架作為新的模板。

如圖9所示，左邊為原圖像模板，右邊為骨架圖像模板。

圖9 微柱小管分割的模板圖像Fig.9 Template image for segmenting the micro－tubular

同時，為了進一步提高模板匹配的速度，采用“粗精結(jié)合”的兩次匹配法。首先進行粗匹配，取模板圖像的隔行隔列數(shù)據(jù)，即四分之一的模板數(shù)據(jù)，在被搜索圖上進行隔行隔列掃描匹配。由于參與匹配運算的數(shù)據(jù)量大幅度減少，匹配速度會大幅度提高。然后進行精匹配，在第一次匹配所得的幾個匹配區(qū)域的小領(lǐng)域內(nèi)，重新進行幾次實際模板圖像大小的模板匹配，且原始圖像也不再進行隔行隔列掃描。

然后，進行閾值分析，將分割出的微柱小管灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值化的黑白圖像。

最后，對微柱小管中紅細胞的分布情況進行識別：當(dāng)紅細胞在小管的上部時，發(fā)生凝集反應(yīng)；當(dāng)沉淀在下部時，未發(fā)生凝集反應(yīng)。

4.3 銘牌種類分析

常見的血型卡有7種，各個銘牌都包括6個區(qū)域，不同銘牌的6個區(qū)域的顏色和其中的字符不同，因此，可以通過提取各個銘牌的不同顏色分布或者不同字符分布來識別銘牌的不同種類。

本系統(tǒng)采用對各銘牌分別提取出R（紅）、G（綠）、B（藍）三幅單色圖，然后進行灰度變換和閾值處理得到黑白圖像，分析其中黑白區(qū)域的分布便可得到當(dāng)前血型卡的種類，進而識別出對應(yīng)的不同的血型分析項目。

5 實驗結(jié)果

血型圖像判讀系統(tǒng)的硬件模塊主要包括圖像采集室、背光源、CCD相機、主控板、LCD顯示器等，其實物圖如圖10所示。

本系統(tǒng)對血型圖像進行了判斷測試。測試時，將CCD相機、LCD顯示器等依次連接到主控板上，打開背光源進行圖像采集，然后將采集到的圖像信號輸入到主控板中進行分析判讀，判讀內(nèi)容包括紅細胞分布分析和銘牌種類分析兩個方面。

圖10 判讀系統(tǒng)實物圖Fig.10 Real image of the recognition system

5.1 紅細胞分布分析

首先對原始圖像進行灰度變換和平滑濾波，結(jié)果如圖11（a）所示；接著采用公式（1）所述的模板匹配算法對微柱小管進行有效分割，結(jié)果如圖11（b）所示，得到了圖像判讀所需的有效目標區(qū)域；然后采用閾值處理等算法對微柱小管進行閾值處理，并去掉小管的邊線，結(jié)果分別如圖11（c）、11（d）所示；最后進行紅細胞在微柱小管上部和下部不同分布情況的分析，結(jié)果如圖11（e）所示?？梢?，該算法有效地實現(xiàn)了紅細胞分布情況的分析。

圖11 紅細胞分布的分析過程Fig.11 Analysis process of red blood cell distribution

5.2 銘牌種類分析

七種不同血型卡銘牌的原始圖像如圖12（a）所示。首先提取原始圖像的藍色分量，然后對得到的單色圖像進行灰度變換和閾值處理，得到的黑白圖像如圖12（b）所示?？梢姡煌懪破渌{色區(qū)域分布是不同的，因此通過對原始銘牌圖像進行單色處理可以有效的識別不同血型卡的種類。

圖12 銘牌種類的分析過程Fig.12 Analysis process of blood card’s type

6 結(jié) 論

設(shè)計了一種基于DSP的血型圖像判讀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集圖像采集、圖像分析處理、圖像保存、圖像顯示等功能。另外，詳細介紹了血型圖像判讀算法的原理和軟件流程。實驗表明，本系統(tǒng)采用的算法可以有效的分割出血型卡中的微柱小管，并實現(xiàn)紅細胞分布的有效識別；同時，采用顏色分量提取的方法可以有效的區(qū)分血型卡的種類。因此，該系統(tǒng)可以方便有效的實現(xiàn)血型結(jié)果的自動化快速判讀。

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