基于SOC的医疗电子内窥镜摄像处理系统的设计

摘要

生物医学电子学主要应用电子技术解决生物医学中的问题，尤其是在医疗器械和医疗成像领域离不开电子技术的支撑。CT、MRI以及PET已经能够很好的诊断出人体很多的疾病，但是对身体某些部位的病灶检查效果不够理想，比如人体的肠道、胃、腔体内等疾病的检查。医疗电子内窥镜技术不仅能够诊断出这些部位的病灶，而且检查的费用不高，同时给人体带来的创伤也相当的小，人体只需要在简单的护理下就能恢复到健康状态。目前国产医疗内窥镜产品存在的不足之处有影像的分辨率不高，而且质量不佳，同时进口的医疗电子内窥镜的价格又相当高。
　　论文主要研究设计了一种高分辨率的电子内窥镜摄像处理系统，首先综述了研究设计医疗电子内窥镜的课题意义以及国内外的发展现状。其次基于医疗电子内窥镜的需求，研究设计了一种高分辨率内窥镜摄像处理系统方案，并在Xilinx公司的SOC器件上实现这一方案。Xilinx推出的SOC器件内嵌了双Cortex-A9硬核，芯片结合了FPGA和ARM的特点，其中ARM处理器主频高达800MHz，能够很好的实现高分率图像的采集、处理和传输的功能。
　　系统使用了高分辨率的CMOS图像传感器模拟内窥镜前端的摄像头，SOC器件中的FPGA部分来采集图像传感器输出的高速图像数据并作后续的处理，ARM处理器负责系统中AXI总线上数据的交互、图像在DDR3存储器中的缓存以及压缩后的图像数据的以太网传输。高分辨率的视频图像数据量每秒钟达到三十多兆字节，对传输和存储的要求比较高。因此，文中通过比较了几种视频压缩算法，并结合了内窥镜图像的的特点，重点研究了MJPEG压缩算法，并使用SOC器件中的硬件资源实现了该算法，然后将算法模块嵌入到了系统中。整个系统是由ARM硬核进行控制，通过AXI总线完成SOC器件中PL部分和PS部分的数据通信。系统最终的处理结果是将压缩完的图像通过以太网传输到计算机中做其他后续的处理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 内窥镜的发展及国内外的研究现状

1．2．1 内窥镜发展概述

1．2．2 国内外的研究现状

1．3 医疗电子内窥镜的系统结构

1．4 视频压缩技术发展

1．5 几种视频图像传输方式

1．6 本文研究内容

第2章 Xilinx SOC设计基础

2．1 可编程SOC的介绍

2．2 可编程SOC的设计流程

2．2．1 SOC系统中FPGA的硬件开发

2．2．2 硬件描述语言

2．2．3 FPGA的设计思想

2．3 嵌入式SOC系统设计方法

2．4 本章小结

第3章 系统方案设计与实现

3．1 系统方案设计

3．1．1 功能分析及方案的拟定

3．1．2 ZedBoard开发板介绍

3．1．3 系统总体方案设计

3．2 系统方案的硬件实现

3．2．1 CMOS图像采集模块的实现

3．3 系统方案的软件实现

3．3．1 CMOS传感器中SCCB的软件配置

3．3．2 以太网视频数据传输的实现

3．4 SOC系统的实现

3．5 本章小结

第4章 MJPEG算法原理及硬件实现

4．1 MJPEG图像压缩简述

4．2 图像色彩空间变换的硬件实现

4．2．1 图像色彩空间转换算法

4．2．2 硬件模块实现

4．3 MJPEG压缩算法原理及具体硬件实现

4．3．1 二维DCT变换原理及实现

4．3．2 量化模块的原理及实现

4．3．3 ZIZAG扫描模块的实现

4．3．4 MJPEG算法的熵编码模块实现

4．3．5 MJPEG算法的顶层验证及XPS实现

4．4 本章小结

第5章 系统仿真与调试

5．1 系统仿真及分析

5．2 系统调试

5．2．1 图像采集模块的调试

5．2．2 图像显示模块的调试

5．2．3 系统最终的调试结果

5．3 本章小结

第6章 总结展望

6．1 课题总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢