本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種C型臂X光機(jī)、控制系統(tǒng)及醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

錐束CT具有X射線利用率高、重建斷層圖像分辨率高、掃描速度快等特點(diǎn)，是目前CT研究領(lǐng)域的發(fā)展方向和熱點(diǎn)。根據(jù)外形的不同，分為C型臂X光機(jī)、U型臂X光機(jī)，G形臂X光機(jī)等等。其中C型臂X光機(jī)是臨床介入手術(shù)中常用的放療設(shè)備，用在手術(shù)過程中對某一部位的實(shí)時(shí)透視成像和數(shù)字剪影血管造影(DSA)。在血管內(nèi)的支架、溶栓和血管內(nèi)腫瘤治療等精密度要求高的介入手術(shù)時(shí)對血管及其鄰近組織的精確三維特征的檢測有更高的要求，傳統(tǒng)的醫(yī)療器械難以達(dá)到，C型臂靈活的運(yùn)動(dòng)軌跡和錐束投射成像方式為CT圖像重建提供了條件。醫(yī)生可在最少的曝光時(shí)間內(nèi)獲得人體某一部位的各方位透視圖以及斷層重建圖像，減少了X射線照射時(shí)間以及計(jì)量，為醫(yī)生以及病人提供便利的同時(shí)，也對C型臂的運(yùn)動(dòng)以及成像控制提出了更高的要求。并且，隨著面陣探測器的成像質(zhì)量的提高，得到的醫(yī)學(xué)圖像的分辨率也越來越大，但受限于算法的復(fù)雜度，為提供良好的醫(yī)生病人使用體驗(yàn)，對計(jì)算機(jī)的性能要求越來越高，靠單一的計(jì)算機(jī)已難以達(dá)到預(yù)想的運(yùn)算速度。

近年來，C型臂光機(jī)已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上如何滿足精確控制以及更人性化的交互設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越得到重視。另一方面隨著錐束CT系統(tǒng)中硬件掃描速度及精度的提高，實(shí)際生產(chǎn)中的效率瓶頸也由硬件設(shè)備的掃描速度轉(zhuǎn)變?yōu)镃T成像及繪制速度中。在諸如放射治療監(jiān)控，手術(shù)影像導(dǎo)航等對圖像質(zhì)量及成像速度方面均要求較高的場合，盡管各類精確錐束CT重建算法己為高質(zhì)量CT軟件的誕生鋪平了道路，然而若非借助價(jià)格昂貴的專業(yè)圖形顯卡或圖形工作站，現(xiàn)有加速方法往往難以滿足其實(shí)時(shí)顯示的需求，而商家往往也只能通過質(zhì)量與效率的折中方法達(dá)到實(shí)時(shí)目的，這極大的限制了CT技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，在保證質(zhì)量的前提下，研究由普通PC組成的平臺實(shí)現(xiàn)硬件加速，快速的完成錐束CT重建以及其他的相關(guān)圖像處理具有重要的意義。

由于手術(shù)室內(nèi)用到的手術(shù)設(shè)備越來越多，手術(shù)室也變得擁擠不堪。與固定的血管造影系統(tǒng)相比，移動(dòng)C臂的體積輕巧和操作簡單的特性，使其成為了固定設(shè)備的一個(gè)有效的替代選擇。就投資成本費(fèi)用而言，移動(dòng)C臂對成本敏感的和面臨預(yù)算削減的醫(yī)療機(jī)構(gòu)是一個(gè)理想的選擇。

并且隨著醫(yī)療手術(shù)系統(tǒng)智能化、集成化的提升，越來越多的智能手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)，比如國外美敦力的產(chǎn)品StealthStation和Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人。C型臂X光機(jī)可以被整合到機(jī)器人系統(tǒng)中，作為一個(gè)子模塊提供圖像采集功能，并為醫(yī)生的診斷、介入手術(shù)、放療手術(shù)等提供指導(dǎo)。因此將來C型臂除了滿足一般的圖像采集任務(wù)以外，還必須整合通信模塊用以跟其他圖像分析、介入裝置等模塊進(jìn)行通信，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作。但目前市場上并沒有類似的產(chǎn)品出現(xiàn)。

錐束CT圖像三維重建方法介紹：

重建算法主要有解析法和迭代法。與迭代算法相比，解析算法具有重建速度快、占用內(nèi)存資源少等優(yōu)勢，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，解析法應(yīng)用得比較多。解析法又有近似算法和精確算法兩種。但由于精確重建算法所要求的掃描方式比較復(fù)雜而且計(jì)算量很大，現(xiàn)階段還沒有得到實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。近似算法比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，尤其是當(dāng)錐角比較小時(shí)，重建效果較好，而且單圓錐束CT只有近似重建算法，所以近似重建算法在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。其中用的比較多的為FDK算法，如圖1所示。

FDK算法介紹：

FDK算法主要分為以下三個(gè)步驟將數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化以后可以表示為：

(1)修正投影數(shù)據(jù)：

$P_{\mathrm{\θ}}^{\′}(m,n)=\frac{D_{so}}{\sqrt{D_{so}^2+m^2+n^2}}\·P_{\mathrm{\θ}}(m,n)$

(2)對修正后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行濾波

$P_{\mathrm{\θ}}^{*}(m,n)=P_{\mathrm{\θ}}^{\′}(m,n)*h\left(m\right)$

式中h(m)為濾波器；

加權(quán)反投影

$f(x,y,z)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{u}^2{P}_{\mathrm{\θ}}^{*}(p,q)d\mathrm{\θ}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\θ}}w\·P_{\mathrm{\θ}}^{*}(p,q)$

式中(m，n)為圖像的行標(biāo)和列表，P_θ(m,n)表示在旋轉(zhuǎn)角θ下的投影數(shù)據(jù)，表示濾波處理后的投影數(shù)據(jù)，h(m)示對第m行投影圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積操作的濾波函數(shù)f(x，y，z)表示體素點(diǎn)(x，y，z)處的重建圖像數(shù)據(jù)。(p，q)表示重建體素點(diǎn)在濾波反投影平面上的反投影點(diǎn)的位置。由上述的公式可以得到FDK的算法復(fù)雜度為n×o(N3)，其中n為重建圖片的張數(shù)，N為圖像的分辨率。以1°為間隔拍圖，拍360張，圖像分辨率為1024*1024為例，完成重建需要近4億次運(yùn)算。若不進(jìn)行改進(jìn)，將耗費(fèi)大量的時(shí)間。

并行計(jì)算介紹：

并行計(jì)算(Parallel Computing)就是將一個(gè)大的任務(wù)劃分成若干小任務(wù)，被不同的處理器處理。就好比分工合作，任務(wù)總數(shù)不變，處理任務(wù)份數(shù)變大，每份任務(wù)的量就相應(yīng)減少。這些任務(wù)分給不同的處理器同時(shí)處理，由于各子任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間有部分重疊、甚至完全重疊(重疊程度取決于問題的劃分及計(jì)算環(huán)境)，處理問題所需要的時(shí)間將被縮減，理想情況下可以縮減至1/n，n為同時(shí)執(zhí)行的處理單元的數(shù)量，從而達(dá)到加速的效果。

計(jì)算機(jī)集群技術(shù)介紹：

集群是一組相互獨(dú)立的、通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)，它們構(gòu)成了一個(gè)組，并以單一系統(tǒng)的模式加以管理。一個(gè)客戶與集群相互作用時(shí)，集群像是一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器。其目的是為了解決單機(jī)運(yùn)算能力的不足、IO能力的不足、提高服務(wù)的可靠性、獲得規(guī)?？蓴U(kuò)展能力，降低系統(tǒng)整體的運(yùn)行、升級、維護(hù)成本。

受處理器制造結(jié)構(gòu)的限制，單個(gè)處理器性能開發(fā)的空間已經(jīng)趨于飽和，由于集群系統(tǒng)具有花費(fèi)低、性能好和可擴(kuò)展空間大等特征，因此，很多人把目光轉(zhuǎn)向到了搭建集群系統(tǒng)上來。計(jì)算機(jī)(結(jié)點(diǎn))通過一定高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)互聯(lián)組成一個(gè)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)被稱之為集群系統(tǒng)。在集群中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可以完成獨(dú)立的計(jì)算功能，像SMP服務(wù)器、工作站或PC機(jī)都可以用來作為一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用。目前圖形處理器(Graphic Processing Unit，GPU)運(yùn)用十分普遍，運(yùn)用過程中把它作為并行計(jì)算單元引入到并行機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，許多超級計(jì)算機(jī)都采用了這種混合架構(gòu)。GPU集群的搭建和CPU集群相差不大，在硬件資源上，GPU比CPU集群空間位置小、能耗少。一個(gè)統(tǒng)一的集群包含了若干臺服務(wù)器，在集群系統(tǒng)中，如果服務(wù)器發(fā)生了故障，無論是硬件還是軟件資源引起的，當(dāng)用戶發(fā)來請求時(shí)，我們可以使用集群中其它服務(wù)器上的資源來繼續(xù)向用戶提供服務(wù)。在集群系統(tǒng)中，主要由GPU和通信子系統(tǒng)的處理速度來決定系統(tǒng)的性能，其中通信子系統(tǒng)的性能取決于網(wǎng)絡(luò)物理層的傳輸速度、I/O處理能力以及傳輸協(xié)議的開銷等。

現(xiàn)有的技術(shù)方案：

就整個(gè)可移動(dòng)式三維C型臂X光機(jī)市場而言，目前成熟的產(chǎn)品還很少。

Ziehm Vision RFD的移動(dòng)式平板介入影像系統(tǒng)是專為復(fù)合手術(shù)室功能需要而特別設(shè)計(jì)的移動(dòng)C臂系統(tǒng)。相比固定式成像設(shè)備，移動(dòng)C臂的靈活性、空間及成本的節(jié)省，正不斷贏得越來越多的醫(yī)院用戶的關(guān)注。其具有四軸電動(dòng)、直觀的操縱桿操作、智能防撞保護(hù)、最低劑量實(shí)現(xiàn)最高圖像質(zhì)量等特性。

Artis Zeego作為SIEMENS的第3代平板探測器血管造影系統(tǒng)提供了創(chuàng)新性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、領(lǐng)先的臨床功能。具有“雙核心”影像鏈，將圖像采集與后處理分開，提高了效率。還提供了人性化的界面，可以通過觸摸、按鈕以及遙控桿的組合方式對機(jī)器進(jìn)行操作。并且具備了先進(jìn)的圖像處理功能，具有智能降噪、智能血管增強(qiáng)以及智能輪廓跟蹤以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)范圍管理等功能。并且加入了X光劑量管理功能，提供更安全的防護(hù)。

飛利浦移動(dòng)式C型臂X光機(jī)BV Endura可以在手術(shù)過程中提供清晰的動(dòng)態(tài)影像。全面的功能配置有助于優(yōu)化工作流程、提升工作效率。C型機(jī)械結(jié)構(gòu)提供更大的覆蓋范圍，具備BodySmart技術(shù)有效提高圖像質(zhì)量，并且可以自動(dòng)對比度/亮度調(diào)節(jié)。

但是，上述三款可移動(dòng)式C型臂均不提供三維成像功能；并且其生成的圖像支持DICOM標(biāo)準(zhǔn)雖然可以傳輸?shù)接跋翊鏅n與通訊系統(tǒng)(PASC)，但是它們并不支持局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)對機(jī)器的遠(yuǎn)程操控，也未提供相應(yīng)的接口模塊，不具備擴(kuò)展性，不能通過其他主機(jī)操作。

申請?zhí)枮?01210010806.X的中國專利提出了一種基于CUDA架構(gòu)的GPU加速錐束CT圖像重建的方法，具體實(shí)現(xiàn)方法為利用NIVIDA公司提供的支持CUDA架構(gòu)GPU，實(shí)現(xiàn)算法的加速。在此專利中使用了常用的FDK算法，對FDK算法進(jìn)行并行計(jì)算分析，構(gòu)建了CPU和GPU協(xié)作的CPU-GPU異構(gòu)計(jì)算模式，依靠GPU的多核心特性，可以達(dá)到明顯的效果。但并未說明圖像是如何得到，既未能給出一整套涉及C臂X光機(jī)控制，圖像采集以及圖像重建的策略或方法。并且只是使用單一GPU，雖然結(jié)果有了較大的提升，但計(jì)算高分辨率圖像時(shí)，由于計(jì)算量隨分辨率呈3次方的倍數(shù)增加，處理時(shí)間仍然較長。并且為了提高運(yùn)算速度而占用的GPU核心數(shù)目過多，會(huì)造成本機(jī)電腦顯示出現(xiàn)果凍現(xiàn)象甚至是延時(shí)。

劉巍(劉巍.用于錐束CT三維圖像重建的存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2009)提出了一種用于錐束CT三維圖像重建的新方法，使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)CT圖像重建，可以利用FPGA的豐富的存儲(chǔ)資源，使得投影數(shù)據(jù)的讀取本地化，提高讀取速度，解決存儲(chǔ)器帶寬限制問題，同時(shí)采用多流水線的思想實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。使用FPGA可以實(shí)現(xiàn)圖片的重建，并且FPGA的并行處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到各種二維的圖像和視頻處理領(lǐng)域，例如FPGA已經(jīng)被應(yīng)用到對象自動(dòng)識別技術(shù)中。但是，也存在著明顯的不足，尤其是不擅長于浮點(diǎn)數(shù)的處理，也難以適應(yīng)一些無規(guī)律的算法。為發(fā)揮出其最優(yōu)性能，硬件結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同的算法進(jìn)行優(yōu)化，并不利于以后的產(chǎn)品升級。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和問題，本發(fā)明提供一種C型臂X光機(jī)、控制系統(tǒng)及醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。

一種C型臂X光機(jī)，其包括：

C型臂；

產(chǎn)生X光的X光產(chǎn)生模塊；

接收X光并產(chǎn)生X光片的X光接收模塊，所述X光接收模塊和所述X光產(chǎn)生模塊分別相對地安裝于所述C型臂的兩側(cè)；

檢測所述X光產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的X光劑量的X光檢測模塊，設(shè)置于所述X光產(chǎn)生模塊朝向所述X光接收模塊的一側(cè)；

采集所述X光接收模塊傳回的X光片的數(shù)據(jù)采集模塊，其和所述X光接收模塊相連接；

驅(qū)動(dòng)所述C型臂實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模塊，其連接于所述C型臂；

進(jìn)行圖像處理并存儲(chǔ)的圖像處理模塊，其連接于所述數(shù)據(jù)采集模塊；及

顯示所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到的X光片或所述圖像處理模塊重建的圖像的顯示模塊，其連接于所述圖像處理模塊。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述X光產(chǎn)生模塊包括產(chǎn)生X光的X光球管、根據(jù)設(shè)置參數(shù)值來控制所述X光球管產(chǎn)生的X光劑量的高壓控制器及用來遮蔽阻擋X光以觀察特定尺寸的視野的束光器。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述X光接收模塊包括用來接收X光并產(chǎn)生特定尺寸的X光片的X射線平板探測器，所述X射線平板探測器和所述X光球管分別相對地安裝于所述C型臂的兩側(cè)，且兩者中心線的連線經(jīng)過所述C型臂的圓弧的圓心。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述X光檢測模塊包括用來檢測所述X光球管產(chǎn)生的X光劑量的DAP測量儀，所述DAP測量儀安裝于所述束光器朝向所述X射線平板探測器的一側(cè)。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括圖像采集卡及數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，所述圖像采集卡用于采集所述X射線平板探測器傳回的圖像，所述數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)用于對所述圖像進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述圖像處理模塊包括至少兩臺相互之間通過局域網(wǎng)連接組成集群的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)完成圖像處理算法并且存儲(chǔ)圖片，并將結(jié)果回傳給所述數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述運(yùn)動(dòng)模塊包括五個(gè)可分別實(shí)現(xiàn)程序控制的伺服電機(jī)，所述五個(gè)伺服電機(jī)分別安裝于所述C型臂的五個(gè)軸上。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述圖像顯示模塊包括用來顯示采集到的圖片或者重建后的圖片的顯示器。

一種控制系統(tǒng)，用于控制所述C型臂X光機(jī)，所述控制系統(tǒng)包括界面模塊、控制器模塊、數(shù)據(jù)模型模塊、通訊模塊及設(shè)備接口模塊；所述界面模塊用于進(jìn)行人機(jī)交互；所述控制器模塊連接所述界面模塊、所述數(shù)據(jù)模型模塊、所述通訊模塊及所述設(shè)備接口模塊；所述數(shù)據(jù)模型模塊存儲(chǔ)得到的圖像以及與所述圖像相關(guān)的信息；所述通訊模塊和所述C型臂X光機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊及圖像處理模塊相連接；所述設(shè)備接口模塊用于和所述C型臂連接。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的C型臂X光機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：其一、C型臂X光機(jī)整合三維成像功能，充分利用了C型臂X光機(jī)靈活、小巧的特點(diǎn)，方便醫(yī)生使用；其二、具備通訊模塊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可以與其他平臺搭配使用，并可以使用此通訊模塊實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)之間的通訊；其三、可快速實(shí)現(xiàn)三維錐束CT重建過程，有效減少數(shù)據(jù)處理和圖像重建的時(shí)間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的C型臂X光機(jī)的示意圖；

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的C型臂X光機(jī)的控制系統(tǒng)的示意圖；

圖3為圖2所示控制系統(tǒng)的具體實(shí)施示意圖；

圖4為FDK算法流程圖；

圖5為按轉(zhuǎn)動(dòng)分度劃分的FDK并行計(jì)算模型；

圖6為反投影計(jì)算具體步驟示意圖；

圖7為系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成圖；

圖8為多CPU加速示意圖；

圖9為DK算法單GPU加速實(shí)現(xiàn)框架圖；

圖10為多GPU集群加速示意圖

圖11為圖2所示控制系統(tǒng)中通信模塊設(shè)計(jì)圖；

圖12為報(bào)文格式圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

請參閱圖2，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種C型臂X光機(jī)，其包括C型臂10、X光產(chǎn)生模塊20、X光接收模塊30、X光檢測模塊40、數(shù)據(jù)采集模塊50、運(yùn)動(dòng)模塊60、圖像處理模塊及顯示模塊80；所述X光產(chǎn)生模塊20產(chǎn)生X光；所述X光接收模塊30接收X光并產(chǎn)生X光片，所述X光接收模塊30和所述X光產(chǎn)生模塊20分別相對地安裝于所述C型臂10的兩側(cè)；所述X光檢測模塊40檢測所述X光產(chǎn)生模塊20產(chǎn)生的X光劑量，所述X光檢測模塊40設(shè)置于所述X光產(chǎn)生模塊20朝向所述X光接收模塊30的一側(cè)；所述數(shù)據(jù)采集模塊50采集所述X光接收模塊30傳回的X光片，所述數(shù)據(jù)采集模塊50和所述X光接收模塊30相連接；所述運(yùn)動(dòng)模塊60驅(qū)動(dòng)所述C型臂10實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，所述運(yùn)動(dòng)模塊60連接于所述C型臂10；所述圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理并存儲(chǔ)，所述圖像處理模塊連接于所述數(shù)據(jù)采集模塊50；所述顯示模塊80顯示所述數(shù)據(jù)采集模塊50采集到的X光片或所述圖像處理模塊重建的圖像，所述顯示模塊80連接于所述圖像處理模塊。

可以理解的是，所述C型臂10為“C”型弧形結(jié)構(gòu)，弧形結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)的圓心。本實(shí)施例中，所述C型臂10具有多個(gè)軸。

本實(shí)施例中，所述X光產(chǎn)生模塊20包括產(chǎn)生X光的X光球管21、根據(jù)設(shè)置參數(shù)值來控制所述X光球管21產(chǎn)生的X光劑量的高壓控制器23及用來遮蔽阻擋X光以觀察特定尺寸的視野的束光器25?？梢岳斫獾氖牵囟ǔ叽绲囊曇案鶕?jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定或調(diào)整。

本實(shí)施例中，所述X光接收模塊30包括用來接收X光并產(chǎn)生特定尺寸的X光片的X射線平板探測器31，所述X射線平板探測器31和所述X光球管21分別相對地安裝于所述C型臂10的兩側(cè)，且兩者中心線的連線經(jīng)過所述C型臂10的圓弧的圓心。

本實(shí)施例中，所述X光檢測模塊40包括用來檢測所述X光球管21產(chǎn)生的X光劑量的DAP測量儀41，所述DAP測量儀41安裝于所述束光器25朝向所述X射線平板探測器31的一側(cè)。

本實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)采集模塊50包括圖像采集卡(圖未示)及數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53，所述圖像采集卡用于采集所述X射線平板探測器31傳回的圖像，所述數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53用于對所述圖像進(jìn)行處理和存儲(chǔ)?？梢岳斫獾氖牵鰣D像采集卡可以集成于所述數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53。

本實(shí)施例中，所述圖像處理模塊(圖未示)包括至少兩臺相互之間通過局域網(wǎng)連接組成集群的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)完成圖像處理算法并且存儲(chǔ)圖片，并將結(jié)果回傳給所述數(shù)據(jù)采集模塊50的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53。

本實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)模塊60包括五個(gè)可分別實(shí)現(xiàn)程序控制的伺服電機(jī)61，所述五個(gè)伺服電機(jī)61分別安裝于所述C型臂10的五個(gè)軸上。

本實(shí)施例中，所述圖像顯示模塊80包括用來顯示采集到的圖片或者重建后的圖片的顯示器81。

請參閱圖3，本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種C型臂X光機(jī)的控制系統(tǒng)，其連接所述C型臂10，所述控制系統(tǒng)包括界面模塊210、控制器模塊220、數(shù)據(jù)模型模塊230、通訊模塊240及設(shè)備接口模塊250；所述界面模塊210用于進(jìn)行人機(jī)交互；所述控制器模塊220連接所述界面模塊210、所述數(shù)據(jù)模型模塊230、所述通訊模塊240及所述設(shè)備接口模塊250；所述數(shù)據(jù)模型模塊230存儲(chǔ)得到的圖像以及與所述圖像相關(guān)的信息；所述通訊模塊240和所述數(shù)據(jù)采集模塊50及所述圖像處理模塊相連接；所述設(shè)備接口模塊250用于和所述C型臂10連接。

具體地，請參閱圖3，本發(fā)明中，所述C型臂10的控制系統(tǒng)采用軟件模塊200進(jìn)行控制，軟件模塊200的設(shè)計(jì)遵循MVC的框架模式，軟件模塊200主要包括界面模塊210、控制器模塊220、數(shù)據(jù)模型模塊230、通訊模塊240以及設(shè)備接口模塊250。

具體地，界面模塊210包括劑量調(diào)節(jié)、圖像顯示、運(yùn)動(dòng)控制、病例管理以及圖像放大縮小等。本實(shí)施例中，可以通過界面模塊210控制所述C型臂10的運(yùn)動(dòng)、拍片以及從數(shù)據(jù)庫調(diào)用數(shù)據(jù)等功能。控制器模塊220作為其他幾個(gè)模塊的聯(lián)系模塊，起到分隔界面與數(shù)據(jù)的功能，便于以后軟件升級。數(shù)據(jù)模型模塊230存儲(chǔ)得到的圖像以及與圖像相關(guān)的信息，例如電壓值、毫安值以及所述C型臂10的位置信息等、所述C型臂10目前所處的狀態(tài)信息以及接收到的控制命令。通訊模塊240主要負(fù)責(zé)與其他主機(jī)的通訊，既可以傳輸圖片，也可以傳輸控制指令。設(shè)備接口模塊250主要負(fù)責(zé)所述C型臂10組成部件的配合，即將用到的C型臂10的硬件開發(fā)模塊進(jìn)行統(tǒng)一的配合，分別利用各硬件提供的SDK開發(fā)包，使各硬件配合工作，完成圖像采集(數(shù)據(jù)采集)的任務(wù)，最后做統(tǒng)一的封裝、為界面提供接口函數(shù)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還提出了一種基于集群加速的圖像處理方法，利用計(jì)算機(jī)集群技術(shù)，在分析FDK算法的基礎(chǔ)上，提出了使用多CPU以及GPU集群加速的圖像處理方法，可減少圖像處理時(shí)間。

所述圖像處理方法的具體闡述如下：

FDK算法并行性的分析。

具體地，通過研究FDK算法，可以得到其算法流程圖，如圖4所示。

在修正投影數(shù)據(jù)中的修正系數(shù)只與射線源(X光球管21)與原點(diǎn)的距離和投影體素點(diǎn)映射到探測器(X射線平板探測器31)平面的位置相關(guān)，因此每個(gè)掃描分度下的每個(gè)投影體素的修正都是相互獨(dú)立的；每個(gè)分度下投影數(shù)據(jù)的濾波過程也是相互獨(dú)立的；每個(gè)分度下各投影點(diǎn)的反投影過程只與此點(diǎn)在探測器平面的位置相關(guān)，所以每一掃描分度下各點(diǎn)的反投影過程同樣是相互獨(dú)立的。

這樣，利用FDK算法對旋轉(zhuǎn)分度為N的錐形束CT圖像進(jìn)行重建時(shí)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)分度的計(jì)算都相互獨(dú)立，不存在數(shù)據(jù)相關(guān)性，因此可按分度將投影數(shù)據(jù)分配在不同的處理器，各分度下各體素的加權(quán)、濾波和反投影計(jì)算獨(dú)立進(jìn)行，最后進(jìn)行累加求和，完成FDK的并行重建運(yùn)算，其具體流程如圖5所示。

再將每個(gè)分度下的各個(gè)體素點(diǎn)的反投影計(jì)算進(jìn)行細(xì)化，可再分出8個(gè)步驟，如圖6所示。

由此可看出，反投影過程中，前級數(shù)據(jù)的輸出成為后級的輸入，符合典型的流水線型。所以說FDK算法在空間上具有很強(qiáng)的并行性，時(shí)間上又具有高度串行性，是非常適合利用集群進(jìn)行并行加速的一種重建算法。

在本發(fā)明中，將計(jì)算機(jī)分為2部分，數(shù)據(jù)采集部分以及數(shù)據(jù)后處理部分，如圖7所示。數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)與下位機(jī)的串口通訊，以及接收平板探測器回傳的圖像數(shù)據(jù)，圖像界面的顯示以及計(jì)算量較小的圖像處理工作比如圖像翻轉(zhuǎn)、負(fù)片等，對計(jì)算機(jī)性能要求不高，因此只用一臺電腦(即數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53)便可完成。數(shù)據(jù)后處理部分主要負(fù)責(zé)大部分的圖像處理工作，比如圖片的去噪、增強(qiáng)、三維重建以及減影等，這些圖像操作需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，需進(jìn)一步設(shè)計(jì)集群(即圖像處理模塊)實(shí)現(xiàn)加速。

本發(fā)明還提供一種醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，其包括本發(fā)明第一實(shí)施例提供的C型臂X光機(jī)。

利用具有本發(fā)明C型臂X光機(jī)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)拍片以及透視可分為如下幾個(gè)步驟：

(1)通過上位機(jī)軟件設(shè)置高壓控制器23的電壓值、電流值、曝光時(shí)間以及幀率。

(2)選擇拍攝的模式，分為單張拍片、透視以及減影等模式。

(3)選擇拍攝的部位以及病人的姿勢。

(4)控制C型臂10中伺服電機(jī)61運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定的地方以及調(diào)整合適的角度。

(5)控制X光球管21產(chǎn)生X射線，利用束光器25調(diào)整成像視野，X光在穿過人體后被X射線平板探測器31接收，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳給數(shù)據(jù)采集模塊50中的圖像采集卡。

(6)數(shù)據(jù)采集模塊50中的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53將圖片傳給圖像處理模塊，在完成了去噪、增強(qiáng)等基本圖片處理后回傳給數(shù)據(jù)采集模塊50的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53或者是遠(yuǎn)程終端，用于顯示，供醫(yī)生診療。

C型臂10的三維重建可分為如下幾個(gè)步驟：

在此功能下，前三個(gè)步驟與上述相同，此處不再贅述。

(4)C型臂10運(yùn)動(dòng)到指定的起始位置，開始做等中心運(yùn)動(dòng)，在此過程中需要多個(gè)軸配合運(yùn)動(dòng)。

(5)每旋轉(zhuǎn)特定的角度拍片一張，將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊50的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53，由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53傳給圖像處理模塊的由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71組成的集群中進(jìn)行三維重建。

(6)C型臂10旋轉(zhuǎn)完一周，拍攝制定的圖片張數(shù)以后，C型臂10回到起始位置。

(7)圖像處理模塊計(jì)算完數(shù)據(jù)以后，回傳給數(shù)據(jù)采集模塊50的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53或者是遠(yuǎn)程終端，用于顯示，供醫(yī)生診療。

本實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)集群的設(shè)計(jì)如下：

本發(fā)明中的集群指的是數(shù)據(jù)后處理部分計(jì)算機(jī)(即數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)的連接方式。優(yōu)選地，集群計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)之間、集群計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)與數(shù)據(jù)采集模塊50的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53之間以及與遠(yuǎn)程終端之間均通過TCP/IP協(xié)議相連。

目前可以通過基于CUDA架構(gòu)的GPU編程加速FDK算法，主要是因?yàn)镚PU相對于CPU而言，它擁有更多核可以并行計(jì)算，在GPU內(nèi)部，80％晶體管用作運(yùn)算，剩余的擁有流控和數(shù)據(jù)緩存，從而決定了GPU具有更高密度的計(jì)算能力；而且GPU在內(nèi)存寬度上也更適合大規(guī)模高性能的并行運(yùn)算；現(xiàn)代GPU都是用戶可編程的，用戶可以通過編程來確定GPU的功能。CUDA是NVIDIA公司為滿足自家的GPU編寫的一套編譯器及相關(guān)的庫函數(shù)它作為一種新型的軟硬件架構(gòu)平臺，可以直接調(diào)用GPU的計(jì)算資源，而且增強(qiáng)了GPU可編程性，也大幅提高了其計(jì)算性能。

因此在本發(fā)明中，若集群中計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)數(shù)量足夠多，可以直接使用CPU來加速FDK算法，在計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)數(shù)量較少的情況下，也可以使用集群中的GPU進(jìn)行加速。

(1)多CPU加速設(shè)計(jì)方案

若集群中計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)數(shù)量較多，可以利用集群中的多CPU共同分擔(dān)計(jì)算。在具體實(shí)施過程中，以三維重建過程為例：X射線平板探測器31得到的投影數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)采集模塊50的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53，由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53通過通訊模塊240以負(fù)載均衡的方式將圖片均分給集群中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71。集群中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71利用CPU依次進(jìn)行加權(quán)、濾波以及反投影計(jì)算，并指定一臺數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71進(jìn)行累加運(yùn)算，集群中其他數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71將計(jì)算后的結(jié)果傳給此數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71，該數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71再累加完成，得到三維圖像以后，回傳給數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53，數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)53便可顯示圖片，此種方式的框架圖如圖8所示。

(2)多GPU加速設(shè)計(jì)方案

在單GPU加速的方案中，要求在CPU端讀取單張投影數(shù)據(jù)，現(xiàn)在CUDA可以訪問所有內(nèi)存，GPU可以通過PCI-E訪問CPU的內(nèi)存，待GPU將各分度圖片計(jì)算完畢以后，最后將結(jié)果累加，得到重建的三維數(shù)據(jù)保存。CUDA在編程和優(yōu)化過程中，需要判別算法中任務(wù)的串行和并行的執(zhí)行部分，由于在FDK算法3個(gè)步驟之間良好的并行性，可以對每張圖片分別處理，然后累加，各過程相對獨(dú)立，框架圖如圖9所示。

在本發(fā)明的集群中，節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)可以為服務(wù)器、工作站、刀片機(jī)也可以是PC機(jī)。必須具備處理芯片(CPU)以及支持CUDA架構(gòu)的NIVDA的圖形處理器(GPU)。在集群中利用集群計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)的GPU組成GPU集群，更可以充分發(fā)揮集群計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71)的性能，提高FDK算法處理速度。這樣就可以實(shí)現(xiàn)利用較少的集群規(guī)模實(shí)現(xiàn)良好的加速效果。在具體實(shí)施過程中，CPU負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度和串行任務(wù)的執(zhí)行，GPU負(fù)責(zé)并行任務(wù)的執(zhí)行。還是以三維重建過程為例：X射線平板探測器31得到的投影數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)51，由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)51通過通訊模塊240以負(fù)載均衡的方式將圖片均分給集群中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71。集群中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71在CPU端讀取單張投影數(shù)據(jù)，并且利用GPU來運(yùn)算充分利用GPU的多核心特征，對加權(quán)、濾波以及反投影三個(gè)過程依次進(jìn)行并行加速。最后在CPU端得到運(yùn)算結(jié)果并發(fā)送給指定的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71完成累加運(yùn)算，得到三維圖像。并將三維圖像回傳數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)51，或者是遠(yuǎn)程終端，顯示圖片，框架圖如圖10所示。

在這個(gè)框架中集群互連網(wǎng)絡(luò)是集群系統(tǒng)搭建的一個(gè)很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了連接各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的互連網(wǎng)絡(luò)，是影響集群性能的一個(gè)主要因素。在傳輸過程中，既要保證傳輸?shù)乃俣?，也要確保傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，還應(yīng)該考慮整個(gè)集群網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控功能。

本實(shí)施例中，通訊模塊240的設(shè)計(jì)如下：

本系統(tǒng)采用局域網(wǎng)下的分布式通信體系，采用雙向服務(wù)器模式。每個(gè)模塊建立點(diǎn)對點(diǎn)的通信信道，其中任意一個(gè)模塊可主動(dòng)通過socket請求連接其他特定模塊，獲得該模塊請求的圖像信息、控制命令或設(shè)備狀態(tài)信息等。另一方面，該模塊向其他模塊發(fā)送自身網(wǎng)絡(luò)地址、監(jiān)聽端口等信息，方便其他模塊反連到該模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)子模塊之間的自動(dòng)握手流程。在握手完成后便可通過匹配的socket實(shí)現(xiàn)上述信息的傳遞，設(shè)計(jì)圖如圖11所示。

本實(shí)施例中，通信協(xié)議設(shè)計(jì)如下：

本發(fā)明的通信模塊240基于TCP/IP設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊之間的通信，需要socket發(fā)送和接收請求之外，還需要自定義應(yīng)用層通信協(xié)議，主要包括以下內(nèi)容：

(1)報(bào)文：報(bào)文是此通信協(xié)議傳輸?shù)囊粋€(gè)最小單位。一條報(bào)文包含了接收對象編譯所需的所有信息。每條報(bào)文特定結(jié)構(gòu)的報(bào)頭開始，后接一個(gè)報(bào)體，并以一個(gè)報(bào)尾結(jié)束。報(bào)頭只由一些常用的數(shù)據(jù)類型組成，而報(bào)體綜合各種數(shù)據(jù)類型，具體由報(bào)頭決定。這樣即使報(bào)體含有不明類型的數(shù)據(jù)，接收者也可輕易通過報(bào)頭得知報(bào)體的長度信息，數(shù)據(jù)類型等。因此此協(xié)議在用戶自定義數(shù)據(jù)類型的情況下也能保持兼容性，結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

(2)報(bào)頭格式：

連接標(biāo)識符：在此系統(tǒng)中每一臺主機(jī)的唯一編號，通過socket建立一條通信信道，此后數(shù)據(jù)交換都通過這個(gè)單一的一條信道進(jìn)行。

時(shí)間戳：連接建立后用來通知其他模塊系統(tǒng)時(shí)間。系統(tǒng)開始時(shí)間由32位全0填充并由導(dǎo)航平臺開始計(jì)時(shí)，其他模塊連接后將計(jì)時(shí)后的時(shí)間發(fā)送給接收模塊，作為接收模塊的開始時(shí)間。

報(bào)體類型：用來標(biāo)識本報(bào)文的類型，比如二維圖片數(shù)據(jù)、三維圖像或者是控制命令。

報(bào)體長度：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的長度。

保留位：此位不做任何規(guī)定，用于以后軟件升級。

通信過程描述如下：

首先每一臺數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71都會(huì)保存自己要連接的其他主機(jī)的IP值以及端口號，并且每個(gè)模塊都有數(shù)個(gè)服務(wù)端線程和客戶端線程，各數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71啟動(dòng)時(shí)會(huì)激活其服務(wù)端線程。然后數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71開始客戶端線程，針對每一個(gè)要連接的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71分別創(chuàng)建一個(gè)新的線程，向要連接的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71發(fā)送連接請求和握手信息。每一臺相互連接的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)71都會(huì)產(chǎn)生2個(gè)套接字，分別實(shí)現(xiàn)相反方向的數(shù)據(jù)傳輸，采用這種異步式的傳輸方式，防止傳輸阻塞。

每當(dāng)客戶端線程獲取要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或者收到遠(yuǎn)程終端的控制命令后，都會(huì)將數(shù)據(jù)或者命令按照通訊協(xié)議進(jìn)行整理并轉(zhuǎn)換成一定格式，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)，進(jìn)行分包處理并分包發(fā)送。而每當(dāng)收到報(bào)文信息以后，都會(huì)首先分析報(bào)頭，并根據(jù)包頭的內(nèi)容進(jìn)行解包和拼接。

可以理解的是，本發(fā)明提供的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)包括所述C型臂X光機(jī)及所述控制系統(tǒng)。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的C型臂X光機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：其一、C型臂X光機(jī)整合三維成像功能，充分利用了C型臂X光機(jī)靈活、小巧的特點(diǎn)，方便醫(yī)生使用；其二、具備通訊模塊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可以與其他平臺搭配使用，并可以使用此通訊模塊實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)之間的通訊；其三、可快速實(shí)現(xiàn)三維錐束CT重建過程，有效減少數(shù)據(jù)處理和圖像重建的時(shí)間。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。