一種腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，包括圖像采集模塊、存儲(chǔ)模塊、FPGA-DSP圖像處理模塊、電源模塊、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊和終端客戶端。圖像采集模塊采集到圖像后，由FPGA芯片接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)并用PCA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征提取，再將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片SDRAM中，DSP芯片讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，用SVM分類器進(jìn)行分類，最后經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊傳給醫(yī)務(wù)人員終端。電源模塊為圖像處理模塊和存儲(chǔ)模塊提供電力支撐。本實(shí)用新型利具有結(jié)構(gòu)靈活，通用性強(qiáng)，適于模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，可以實(shí)時(shí)、高效地在現(xiàn)場(chǎng)將圖像采集模塊采集到的腫瘤細(xì)胞圖像進(jìn)行識(shí)別與分類，并及時(shí)將處理結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給多個(gè)醫(yī)務(wù)人員終端。
【專利說明】-種腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，通過現(xiàn)有軟件與本實(shí)用新型 硬件的結(jié)合，實(shí)時(shí)高效地對(duì)醫(yī)學(xué)細(xì)胞圖像進(jìn)行識(shí)別與分類，并將結(jié)果無線發(fā)送給醫(yī)務(wù)人員 終端，屬于醫(yī)學(xué)圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 在醫(yī)學(xué)診斷中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)的細(xì)胞識(shí)別與分類對(duì)于病況分析具有重 要意義。當(dāng)前研究人員多采用顯微鏡圖像來采集病人血清圖像，醫(yī)生利用該血清圖像檢查 腫瘤細(xì)胞的存在，從而判斷是否存在腫瘤細(xì)胞。由于該方法在醫(yī)療診斷中的有效性，近些年 該方法已經(jīng)得到廣泛普及。然而，憑借醫(yī)生的判斷是十分主觀的方法，對(duì)于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)依賴 性較高，因此不易實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的診斷?；诖?，醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域迫切需要自動(dòng)的腫瘤細(xì)胞識(shí) 別與分類裝置，以輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)便捷和高效的醫(yī)療診斷。
[0003] 隨著醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了更高的 要求，目前傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)要么處理速度較慢，無法滿足現(xiàn)代圖像處理系統(tǒng)的實(shí) 時(shí)性要求；要么專業(yè)性太強(qiáng)，應(yīng)用受到一定的限制。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 實(shí)用新型目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本實(shí)用新型提供一種腫瘤細(xì) 胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，采用了 DSP+FPGA的硬件系統(tǒng)，將DSP芯片運(yùn)算速度快、通信機(jī)制強(qiáng) 大的優(yōu)點(diǎn)與FPGA芯片快速靈活的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，兼顧處理速度和靈活性，能夠?qū)崟r(shí)高效地對(duì) 腫瘤細(xì)胞圖像進(jìn)行識(shí)別與分類，之后及時(shí)將分類結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到醫(yī)務(wù)人員終端。
[0005] 技術(shù)方案：一種腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，以FPGA和DSP為核心器件，具體包 括圖像采集模塊、存儲(chǔ)模塊、FPGA-DSP圖像處理模塊、電源模塊、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊和終端 客戶端。圖像采集模塊負(fù)責(zé)通過顯微鏡采集圖像，并將采集的細(xì)胞圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊中， FPGA-DSP圖像處理模塊從存儲(chǔ)模塊中讀取細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。FPGA用于完成數(shù)據(jù) 傳輸?shù)臅r(shí)序控制，包括各接口的數(shù)據(jù)傳輸及對(duì)SDRAM訪問的時(shí)序控制及狀態(tài)切換控制；DSP 芯片用于對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行特征提取和SVM分類。無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊通過以太網(wǎng)接口與圖像 處理模塊相連，實(shí)現(xiàn)與醫(yī)務(wù)人員終端(終端客戶端）間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，及時(shí)將識(shí)別與 分類結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊傳回到醫(yī)務(wù)人員終端，最終可實(shí)時(shí)高效地在終端客戶端獲 得腫瘤細(xì)胞的識(shí)別與分類結(jié)果。
[0006] FPGA-DSP圖像處理模塊
[0007] (1) FPGA 芯片
[0008] 為滿足實(shí)時(shí)圖像處理的特點(diǎn)，本實(shí)用新型采用了 Altera公司Cyclone系列FPGA 芯片EP1C6Q240C8。該芯片具有5980個(gè)邏輯單元；內(nèi)嵌RAM共有92160bits ;包含2個(gè)PLL ; 包含34個(gè)差分通道；最大用戶I/O數(shù)有98個(gè)。
[0009] 本系統(tǒng)用一片F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)序與邏輯控制功能。用FPGA進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)序控制、 同步電路、地址發(fā)生器和數(shù)據(jù)/地址輸出電路等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。圖像處理這部分 采用的是ENVI軟件，它是美國(guó)Exelis Visual Information Solutions公司的旗艦產(chǎn)品， 由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用交互式數(shù)據(jù)語言IDL(Interactive Data Language)開發(fā)的一套 功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件。我們主要使用ENVI的主成分分析（PCA)功能進(jìn)行特征提 取，使用其支持向量機(jī)（SVM)進(jìn)行分類。具體為：計(jì)算輸出主成分維，第一主成分包含最大 的數(shù)據(jù)方差百分比，第二主成分包含第二大的方差，以此類推，最后的主成分維由于包含很 小的方差，選擇前三個(gè)至四個(gè)主成分，并以矩陣形式存儲(chǔ)起來。由于在本系統(tǒng)中，底層的信 號(hào)處理要處理的數(shù)據(jù)量很大，對(duì)處理速度要求高，但算法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，適于FPGA進(jìn)行硬 件實(shí)現(xiàn)，這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性。
[0010] (2)DSP 芯片
[0011] 根據(jù)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理精度的要求，本系統(tǒng)采用了 TI公司的TMS320C6713浮點(diǎn) DSP處理器，具有改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，主頻高達(dá)255MHz，內(nèi)部有容量為192KB的高性能存 儲(chǔ)器，同時(shí)有一個(gè)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口，一個(gè)32b總線擴(kuò)展接口可以進(jìn)行同步和異步存儲(chǔ) 器擴(kuò)展。在讀取到圖像數(shù)據(jù)后，按照特征提取和SVM分類器對(duì)腫瘤細(xì)胞完成識(shí)別與分類。
[0012] (3)FPGA 與 DSP 接口
[0013] FPGA和DSP都具有很高的數(shù)據(jù)處理速度，如何將這兩個(gè)器件的處理速度協(xié)調(diào)起 來，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。TMS320C6713采用EMIF的方式接口，同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部 的存儲(chǔ)器主要是Block RAM，可用作雙口 RAM，正好可接FPGA模塊中的結(jié)果緩沖器設(shè)為雙口 RAM，這樣就將FPGA與DSP有機(jī)地連接在了 一起。
[0014] 存儲(chǔ)模塊
[0015] 雖然TMS320C6713片內(nèi)自帶可供訪問的256KB高速內(nèi)存，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí) 細(xì)胞圖像處理過程中大數(shù)據(jù)量緩存的要求。因此為DSP配置了高性能的SDRAM，以彌補(bǔ)片內(nèi) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量有限的不足，由DSP的外部總線接口控制對(duì)外部存儲(chǔ)設(shè)備的訪問。通過EMIF 擴(kuò)展了 4M*32b的SDRAM芯片MT48LC4m32B2,主要用于程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)占用的程序和數(shù)據(jù)空 間。此外，為DSP還配置有8Mbit的FLASH存儲(chǔ)器AM29LV800B，用作存放開機(jī)自舉程序機(jī) 器碼及有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。DSP上電后，系統(tǒng)通過專門的自舉過程完成DSP對(duì)FLASH中初始化管 理程序和圖像處理主程序的加載，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)"脫機(jī)"工作。
[0016] 電源模塊
[0017] 電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)各電路提供所需的電源電壓，通過低壓差線性穩(wěn)壓器AS1117 將系統(tǒng)外部提供的+5V的電壓轉(zhuǎn)換為FPGA、DPS和SDRAM等芯片均所需的+3. 3V，F(xiàn)PGA內(nèi)核 所需的+1. 5V，DPS內(nèi)核所需的+1. 25V。電源模塊中的電壓轉(zhuǎn)換器件和電容濾波網(wǎng)絡(luò)能夠 提供完善的過流保護(hù)和過壓保護(hù)，在確保芯片穩(wěn)定的同時(shí)提供可靠的電壓輸出。
[0018] 無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊
[0019] 無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊采用北歐集成電路公司（Nordic)推出的一款帶增強(qiáng)型8051內(nèi) 核的nRF24LEl芯片，一個(gè)發(fā)射端對(duì)應(yīng)多個(gè)接收端，也就是MULTIPOINT (點(diǎn)對(duì)多點(diǎn))模式。無 線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊與FPGA-DSP圖像處理模塊采用以太網(wǎng)接口連接。
[0020] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所提供的腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)， 一方面可以實(shí)時(shí)、高效地在現(xiàn)場(chǎng)將圖像采集模塊采集到的腫瘤細(xì)胞圖像進(jìn)行識(shí)別與分類， 并及時(shí)將處理結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給多個(gè)醫(yī)務(wù)人員終端。另一方面可脫離PC機(jī)工作，使 用FPGA+DSP來實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)的處理，具有數(shù)據(jù)吞吐率高，處理速度快，靈活性好等 特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意圖；
[0022] 圖2本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3本實(shí)用新型的具體工作流程示意圖；
[0024] 圖4本實(shí)用新型的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型。
[0026] 如圖1-2所示，腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，包括圖像采集模塊、存儲(chǔ)模塊、 FPGA-DSP圖像處理模塊、電源模塊、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊和終端客戶端。圖像采集模塊負(fù)責(zé)通 過顯微鏡采集圖像，并將采集的圖像送入儲(chǔ)模塊。FPGA用于完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序控制，包 括各接口的數(shù)據(jù)傳輸及對(duì)SDRAM訪問的時(shí)序控制及狀態(tài)切換控制，從存儲(chǔ)模塊讀取細(xì)胞數(shù) 據(jù)，并提取所有細(xì)胞的特征，將細(xì)胞的特征發(fā)送給存儲(chǔ)模塊；DSP芯片用于使用SVM分類器 按照特征(細(xì)胞的特征從存儲(chǔ)模塊中獲?。?duì)腫瘤細(xì)胞完成識(shí)別與分類，并將識(shí)別與分類結(jié) 果通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊發(fā)送給終端客戶端。無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊通過以太網(wǎng)接口與DSP相 連，實(shí)現(xiàn)與醫(yī)務(wù)人員終端(終端客戶端）間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，及時(shí)將識(shí)別與分類結(jié)果通 過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊傳回到醫(yī)務(wù)人員終端，最終可實(shí)時(shí)高效地在終端客戶端獲得腫瘤細(xì)胞 的識(shí)別與分類結(jié)果。
[0027] 如圖3所示，腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)的工作流程如下：
[0028] (1)系統(tǒng)上電，F(xiàn)PGA芯片的電路完成初始化動(dòng)作后，圖像采集模塊就開始通過顯微 鏡進(jìn)行圖像的采集，圖像采集模塊數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)器SDRAM。
[0029] (2) FPGA芯片開啟存儲(chǔ)模塊SDRAM通向DSP芯片的數(shù)據(jù)通道，開始對(duì)原始數(shù)據(jù)的 緩沖，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在了雙口 RAM中，并在一定的存儲(chǔ)量之后，實(shí)時(shí)的向DSP芯片發(fā)送一個(gè)中 斷信號(hào)。
[0030] (3) DSP芯片一旦收到來自FPGA方向的中斷信號(hào)后，則立即開始從雙口 RAM中讀 取數(shù)據(jù)，若細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)傳輸完成，則FPGA向DSP發(fā)送中斷信號(hào)，通知DSP細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)已 傳輸完畢，可以進(jìn)行后續(xù)的特征提取以及SVM識(shí)別與分類運(yùn)算，此時(shí)FPGA切換至DSP運(yùn)算 狀態(tài)。
[0031] (4) DSP圖像處理模塊通過EMIF讀取圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放到DSP圖像處理模塊 的擴(kuò)展到SDRAM中，開始進(jìn)行特征提取以及SVM識(shí)別與分類。
[0032] (5)DSP圖像處理模塊的圖像運(yùn)算完成后，將處理結(jié)果送往無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊發(fā)送 給終端客戶端，并向FPGA發(fā)送一個(gè)處理完成的信號(hào)，準(zhǔn)備處理新的圖像數(shù)據(jù)。
[0033] 如圖4所示，圖像采集模塊的輸出端連接FPGA芯片EP1C6Q240C8, FPGA通過總線 與存儲(chǔ)模塊（SDRAM芯片）連接，F(xiàn)PGA的雙口 RAM通過總線與DSP有機(jī)地連接在了 一起，DSP 通過總線分別與SDRAM和FLASH連接，DSP輸出端連接無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊。
[0034] 細(xì)胞的特征提取部分以及識(shí)別與分類部分均由FPGA芯片控制DSP芯片運(yùn)算完成。 在圖像采集模塊發(fā)送的細(xì)胞圖像被送到存儲(chǔ)模塊SDRAM中。DSP從SDRAM中讀取特征數(shù)據(jù)， 進(jìn)行特征提取和SVM分類，并將分類結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊傳回醫(yī)務(wù)人員終端。
[0035] 電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)各電路提供所需的電源電壓，系統(tǒng)外部提供電壓為+5V， FPGA、DSP和SDRAM等芯片均采用+3. 3V電源，F(xiàn)PGA內(nèi)核電源為+1. 5V，DSP內(nèi)核電源為 +1. 25V。本系統(tǒng)采用AS1117低壓差線性穩(wěn)壓器將+5V的電壓轉(zhuǎn)化為其他所需電壓，具有完 善的過流保護(hù)和過壓保護(hù)功能，在確保芯片穩(wěn)定的同時(shí)提供可靠的電壓輸出。
[0036] 結(jié)論：本實(shí)用新型提出的腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，發(fā)揮了分類和無線實(shí)時(shí) 處理及傳輸上的優(yōu)勢(shì)，獲得了理想的識(shí)別效果，驗(yàn)證了其有效性。
[0037] 以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為 本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，其特征在于：包括圖像采集模塊、存儲(chǔ)模塊、 FPGA-DSP圖像處理模塊、電源模塊、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊和終端客戶端；所述圖像采集模塊 通過顯微鏡采集圖像，并將采集的細(xì)胞圖像送入存儲(chǔ)模塊；FPGA-DSP圖像處理模塊從存儲(chǔ) 模塊讀取采集圖像數(shù)據(jù)，其中FPGA-DSP圖像處理模塊包括FPGA芯片和DSP芯片，F(xiàn)PGA用 于完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序控制，包括各接口的數(shù)據(jù)傳輸及對(duì)存儲(chǔ)模塊訪問的時(shí)序控制及狀態(tài) 切換控制，并從存儲(chǔ)模塊讀取的細(xì)胞圖像中提取所有圖像細(xì)胞的特征，將細(xì)胞的特征存儲(chǔ) 到存儲(chǔ)模塊中，DSP芯片從存儲(chǔ)模塊中讀取細(xì)胞的特征數(shù)據(jù)；DSP使用SVM分類器按照細(xì)胞 的特征對(duì)腫瘤細(xì)胞完成識(shí)別與分類，并將識(shí)別與分類結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊發(fā)送給終 端客戶端；所述電源模塊用于系統(tǒng)的供電； 所述FPGA-DSP圖像處理模塊為使用ENVI的主成分分析功能進(jìn)行特征提取、使用支持 向量機(jī)進(jìn)行分類的FPGA-DSP圖像處理模塊，其中FPGA芯片為Altera公司Cyclone系列 FPGA芯片EP1C6Q240C8 ;DSP芯片為TI公司的TMS320C6713浮點(diǎn)DSP處理器；存儲(chǔ)模塊包 括通過EMIF擴(kuò)展了 4M*32b的SDRAM芯片MT48LC4m32B2,以及有8Mbit的FLASH存儲(chǔ)器 AM29LV800B ;FPGA的雙口 RAM通過總線與DSP連接在了一起，DSP通過總線分別與SDRAM和 FLASH連接，DSP輸出端連接無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的腫瘤細(xì)胞自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)，其特征在于：電源模塊為系統(tǒng) 外部提供電壓為+5V，采用AS1117低壓差線性穩(wěn)壓器將+5V的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為FPGA芯片、 DSP芯片和SDRAM芯片均提供+3. 3V電源，為FPGA內(nèi)核提供的電源為+1. 5V，為DSP內(nèi)核提 供的電源為+1.25V。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK203894760SQ201420071872
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】許佩佩, 歐陽建, 陳兵 申請(qǐng)人:南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院