【赛灵思FPGA】阶段性终极目标—基于FPGA的非介入式静脉成像系统
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本人郑重声明：此处所提交的方案：《基于FPGA非介入式静脉成像系统》，是在本人西安电子科技大学攻读硕士学位期间，根据相关项目的经验，以及近年来的探索、发现、设想、总结，所进行的研究工作所取得的成果及预言。除文中已著名的引用内容外，方案不包含他人已发表或者撰写过的内容。本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签字：
日期：2012-11-26
基于FPGA的非介入式静脉成像系统
摘要
近年来电子技术高速发展，没有一个领域能离开通信电子单独存在。在电子设备中，数字图像一直是研究应用领域的主要表现形式。在医学上，由于皮肤与静脉对近红外线反射程度不同，根据此原理，本文提出了采用CMOS成像器件，通过近红外光滤波片，实现对人体的非介入式静脉成像系统。研究表明该方案理论上可行，且在现有技术的支持下，能在ZedBoard上通过CMOS摄像头的图像采集，同时在Cortex-A9进行数字图像处理，最终实时显示于终端液晶。此方案不管在性能、灵活性，还是应用上，都将有很大的挑战，以及很大的前景。
关键词：静脉； 近红外线； ZedBoard； 数字图像; 液晶显示器
ABSTRACT
In recent years, with the electronic technology developing rapidly , there is no fields can exist without electronic communication . To the electronic equipment, digital image has been the main manifestation of research and application fields .In medicine, the reflection degree between the skin and vein to near infrared ray is different. According to this principle, this paper proposes a veinviwer image system, which is using the CMOS device, through the near infrared ray, and realizing a non-intervention veinviwer image system to human body. Research shows that the project is feasible in theory, and with the existed technology, we can capture the image with CMOS camera via the ZedBoard, process the digital image in the Cortex-A9 kernel, and real-time display on the terminal LCD. No matter in performance, flexibility, or application, the project will have a big challenge and a great prospect.
KEY WORD: Vein; Near infrared ray; ZedBoard; Digital image; LCD
目 录
1. 引言
众所周知，近10年来，国内外电子信息高速发展，数字世界突飞猛进，两大巨头Xilinx、Altera的竞争抗衡。远去的95nm时代，甚至65nm，在28nm技术纵行，20nm技术跃跃欲试的今天，在视频图像不可或缺，数字甚至能表示一切的未来，FPGA的发展几乎成为了数字领域的焦点。在工控行业，FPGA主要有以下应用：
① 高速并行数据传输，FPGA可以轻松地实现以太网协议、PCI-e接口和LVDS接口等传输手段。
② 高速存储器读取，目前已有FPGA集成存储器硬核，可以通过调用IP的方式来映射FPGA外部的SDRAM/DDR/DDRII/DDRIII等存储器。
③ 高速的图像和视频处理，因为FPGA内部嵌入了大量的乘法器或者DSPBlock，所以在这些领域应用颇广，此外各大FPGA公司也提供了相应的参考设计。
④ 大型LED面板驱动和高分辨率LCD驱动。
⑤ 协处理器，在大型的嵌入式系统中，通常会使用大密度的FPGA，此时只需拿出一小部分的逻辑，就可以轻松地实现NiosII等软核，大大减轻了单板的布线压力。
在当今世界上，图像并不代表一切，但它绝对是不可或缺的。几乎所有领域，都无法脱离图像显示而存在。在医疗、生物等领域，图像显示同样有不可代替的作用，能给治疗以及研究带来巨大的帮助，更直观、精确、方便地解决难题，在人类进步探索中有着弥足重要的地位。由于FPGA的高速高精度，运算能力极强、并行运算能力，更以其在数字领域“无所不能”的地位，在未开发领域，以及处理器无法实现的研究中，用FPGA来实现数字图像处理，同时协作CPU来完成相关指令，越来越成为了一种趋势。本文提出的《基于FPGA的非介入式静脉成像系统》，正是基于近期火热的Xilinx推出的28nm双核Cortex-A9开发平台ZeBoard，
2. 技术背景及原理
2.1. 国内外技术
由于人类文明的发展进步，电子设备的设计，在科学研究领域，一直不断地被创新在医学研究应用上，一直占有很大的份额，从未停歇过。
去医院治疗，静脉注射是很常见的手段。当下，很多静脉注射通过压脉带绑紧手臂（如图 1所示）,或者通过药物的注射，使得静脉更容易被观察。
在此提出一个问题，也算是一个普遍现象，由于肥胖的人脂肪组织比较厚，因此静脉注射的时候很难找到血管。因此很多只是一些经验丰富的老医生，通过触摸寻找静脉，尝试着注射，年轻的医生甚至不敢尝试。这给患者带来了巨大的恐惧，同时也让医生感到无比的挫折。
静脉的研究，在医学界一直有着无可厚非的重要性。因此提出了一种方案，“是否能通过一定方法，将人体表静脉分布捕获并且显示出来?”如果能通过某些方法，将皮肤静脉显示出来，这将给医学研究，生命治疗带来巨大的便利。答案当然是肯定的。
美国科视数字系统有限公司，设计实现并且商业化了一套设备—静脉成像系统。该系统可应用于医学研究治疗，通过该设备的投射，可以清晰将皮肤静脉呈现出来，从而在静脉注射，医学研究等方面有很大的帮助。如下图 2、图 3所示：
“静脉成像投射出的一幅图像，很像一个电影屏幕,但静脉成像通过再次投射，把病人的皮肤作为“屏幕”来显示。研究表明，近红外光几乎被血液吸收，但被周围组织反射回去。我们捕获这些信息，通过处理，将数字图像直接映射在病人皮肤表面。本专利技术，采用AVINTM（主动式静脉成像导航），使得我们能做任何其他设备办不到的。”科视说道[1]。
相对于传统的压脉带，或者静脉药物注射而言，美国科视公司发明的的“静脉成像系统”给医学以及生物研究上带来了极大的福音。
2.2. 近红外线
在光谱中波长自760nm至400um的电磁波称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。
红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米至1毫米之间，是波长比红光长的非可见光。覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。俗称红外光。
红外线治疗作用的基础是温热效应。在红外线照射下，组织温度升高，毛细血管扩张，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。红外线可降低神经系统的兴奋性，有镇痛、解除横纹肌和平滑肌痉挛以及促进神经功能恢复等作用[2]。
近红外线或称短波红外线，波长0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米。由于皮肤与血液对红外光的反正吸收能力不同，近红外光几乎被血液吸收，但被周围组织反射回去，以此通过近红外光的照射，捕获反射光的图像，通过数字图像处理，从而实现了静脉成像。
3. 系统概述
3.1. 系统分析
通过一定的方法，捕获人体皮肤的静脉分布，对医学研究，生命治疗有极大的推动作用。这项技术在国外（美国科视数字系统有限公司）已经比较成熟，但在国内很少有应用，甚至还在研究阶段。
由于通过压脉带比较麻烦，通过静药物注射更是对人体会造成不可避免的上海，能否通过非介入式的方法，实现静脉成像，并且发送到显示终端，相对科视的“静脉成像系统”进一步提升，将会有更大的优势：
① 能随意观察任何皮肤表面的静脉，不需要各种贴膜。
② 节省了贴膜的成本，操作更为简便。
③ 能实现大面积检测，且不需要注射药剂。
④ 能捕获静脉分布图像，在计算机上进行图像处理，更深层次的研究分析。
⑤ 甚至若实现人体静脉分布网络的探测，将给人类发展、认识本质带来更有意义的前景。
同时，国外目前的设备直接将静脉投射到手上，本项目计划通过图像采集，处理，直接显示与终端设备上，除了能实时观察静脉分布的同时，还能够通过软件比较、分析，对此进一步进行研究。由于手的静脉分布采集比较方便，而且比较典型，本项目计划通过对手的静脉进行采集处理。人类手的静脉分布示意图如图 4所示：
本项目计划通过近红外光的投射，采用CMOS器件对图像进行采集，最后通过CPU数字图像处理技术，实现静脉成像系统的功能，相关示意图如图 5所示:
3.2. 软硬件框架
采用特定波长的近红外线（0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米），捕获血管与皮肤不同程度的红外反射光。继而通过一定的图像处理，以使图像对比鲜明、画面清晰，关键的静脉血管图像加黑、增强等，最后显示在终端设备上。设计硬件流程如下图所示：
图 6 “非介入式静脉成像仪”软硬件流程
使用特定光源得到近红外光，对人体或者动物皮肤（此处主要为人手）进行照射，通过高分辨率的CMOS/CCD成像器件，采集反射的近红外光。主控平台采用Xilinx 推出的28nm双核Cortex-A9的ZedBoard，采用Logic实现实时高清图像的采集，同时CPU配合进行一定的图像处理，以及文件存储。最终，采集的静脉成像同步显示与终端设备—VGA、HDMI等显示器。本系统组成的框图如图 7所示：
由于双核Cortex-A9的ZedBaord的强大功能，能够轻松地进行相关软件以及硬件的开发，本系统计划在ZedBoard直接上Linux操作系统，通过200W的Micron摄像头，在软件下进行开发。同时支持键盘鼠标等用户外设，如有可能，通过以太网实现部分图片的网络共享、传输等操作。
图像采集以及预处理等功能，TI等公司有专用的IC，但功能上不够灵活，产品升级、延续性上有很大的局限性，同时，多芯片协作在硬件设计与维护上又增加了难度与成本。
由于Xilinx ZYNQ-7000 EPP ZC702灵活并行高速的28nm的FPGA可编程逻辑，以及无与伦比的Cortex-A9双核处理器，丰富的硬件资源，强大的逻辑功能，高速的运算逻辑，选用7000系列的增强型IC来实现对静态图像的采集、降噪、增强等处理，在片内高速完成所有视频图像采集处理等功能，将ZYNQ-7000的强大功能淋漓极致的发挥到极限，让“非介入式静脉成像系统”成为一种可能。
4. 已有技术基础
1) 基于FPGA的视频图像显示控制器
在显示领域中，高分辨率的视频图像显示控制器的实现是一项重要的技术。“基于FPGA的视频图像显示控制器”的研究，旨在通过纯逻辑设计，实现各种大分辨率LCD显示驱动，同时处理高速视频图像数据流，甚至海量数据存储系统等，从而完美替代专用LCD芯片。用FPGA来设计视频图像显示控制器，充分发挥其优势，不仅能在性能上能突破了瓶颈，在成本上降低了消费，而且使得视频处理系统更加的灵活,便于应用、优化、升级，无疑是一个明智的选择。
经过半年左右的设计、修改、优化，该项目目前已经相当成熟，如图 8所示。该方案已经多次成功应用于其他领域，在视频图像采集，图像识别等前端信号处理，后端实时图像显示等方面，发挥着巨大的作用。
图 9 视频图像开发平台
2) ZedBoard嵌入式Linux平台开发
由于ZedBoard强大功能，为充分发挥软硬件的性能，嵌入式Linux操作系统的开发，并且在软件下进行二次开发，无疑是一个明智的选择。就目前Xilinx ZedBoard平台测试情况而言，已经能实现一下功能：
1) 支持最基本的PC架构，方便移植Linux内核，定制属于自己的外设
2) 支持U盘，鼠标，键盘
3) 支持千兆以太网
4) 支持音频输入输出
5) 支持HDMI高清视频接口
如图 10所示，ZedBoard下的Linux操作系统。本项目计划通过此方案来实现软件的处理，通过软硬结合，完美实现硬核ARM的FPGA的优势，实现非介入式静脉成像系统的功能。
参考文献
[1] http://www.christiedigital.com/en-us/medical/pages/default.aspx
[2] http://baike.baidu.com/view/1813.htm
[3] Christophe Desmouliers.Real-Time FPGA Based Embedded Video Processing, Project Report, Illiinois lnstitute of Technologe, Augllst 2007．
[4] 高展宏，王强．多媒体处理器FPGA实现——System Generator篇[M]．北京： 电子工业出版社，2010．1：14-29．
[5] 吴厚航．爱上FPGA开发[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2010：46-51．
[6] Heithecker .S and Ernst .R, "Traffic Shaping for An FPGA Based SDRAM Controller with Complex QoS Requirements", Design Automation Conference 2005, June 2005:575-578．
[7] Keith Jack．视频技术手册第五版[M]．北京．人民邮电出版社，2009.8：11-20．
[8] 黄建元，赵新荣．基于CMOS成像器件的手指经脉图像采集方法及装置[D]．江苏东大金智建筑智能化系统工程有限公司.2009.11：3-11
