激光散斑血流成像快速處理算法及微型化系統(tǒng)研究.pdf

1、激光散斑血流成像(LSI, Laser Speckle Imaging)是一種非侵入的、無(wú)需掃描的全場(chǎng)光學(xué)高分辨成像技術(shù)，能夠用于術(shù)中血流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，皮膚疾病治療效果評(píng)估，視網(wǎng)膜血流監(jiān)測(cè)等。實(shí)時(shí)快速的激光散斑血流成像系統(tǒng)具有重大意義，但是激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理計(jì)算量過(guò)高，因此，實(shí)時(shí)快速的激光散斑血流成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)面臨很大挑戰(zhàn)。本文的主要目的是在數(shù)據(jù)處理算法上進(jìn)行優(yōu)化、采用并行計(jì)算、研制專(zhuān)用硬件處理器等方法，實(shí)現(xiàn)激光散斑血流成像數(shù)據(jù)快速處

2、理分析；基于激光散斑血流成像專(zhuān)用硬件處理器，研制出一種激光散斑血流成像的SoC(System on Chip)系統(tǒng)；并進(jìn)一步在SoC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸功能，研制出一種微型激光散斑血流成像系統(tǒng)。本文的內(nèi)容包括：
　?。?）對(duì)運(yùn)行在CPU上的激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行優(yōu)化，提出了更加快速的數(shù)據(jù)處理算法，該算法不僅在速度上提高約14％，而且在內(nèi)存需求上，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于已有的優(yōu)化算法。此外，采用多核計(jì)算技術(shù)，進(jìn)一步地提升激

3、光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法的性能。
　　（2）采用具備高性能通用計(jì)算能力的GPU（Graphics Processing Unit）加速激光散斑血流成像數(shù)據(jù)的分析處理。提出了一種優(yōu)化的基于GPU的激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法。相對(duì)于已有的算法，新算法的計(jì)算量由原來(lái)的O(n2)降到了現(xiàn)在的O(2n)。當(dāng)用于數(shù)據(jù)分析的空間窗口的尺寸取5到17時(shí)，可以獲得約1到4倍的速度提升。另外，本文還提出了一種使用多GPU加速激光散斑圖像數(shù)據(jù)處理的

4、方法。
　?。?）提出了一種適合硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法。該算法可以通過(guò)FPGA上的電路單元來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谠撍惴ǎ覀儾捎昧魉€(xiàn)技術(shù)和對(duì)稱(chēng)并行構(gòu)架，設(shè)計(jì)出了一種用于激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理的專(zhuān)用硬件處理器。當(dāng)該專(zhuān)用硬件處理工作在130MHz時(shí)，每秒可以處理約85幀640×480尺寸大小的原始散斑圖像。進(jìn)一步，基于該專(zhuān)用硬件處理器，提出了一種用于激光散斑血流成像的SoC(System on Chip)方案,該SoC設(shè)

5、計(jì)把CCD相機(jī)控制器，內(nèi)存控制器，激光散斑成像專(zhuān)用硬件處理器，LCD顯示控制器等電路單元集成到了一個(gè)FPGA芯片中。稍加修改，該SoC方案有望進(jìn)一步用于制造一種激光散斑血流成像系統(tǒng)的集圖像采集，分析處理和結(jié)果顯示于一體的專(zhuān)用集成電路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）。
　　（4）基于前述SoC，把系統(tǒng)中的圖像采集和傳輸部分分離出來(lái)，圖像數(shù)據(jù)采用無(wú)線(xiàn)傳輸，設(shè)計(jì)出了一種微型激光