医学成像系统的制作方法

本发明涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种利用多处理单元进行成像计算的技术。

背景技术：

提高图像质量和成像速度一直是包括X射线计算机断层成像(CT)、正电子发射断层成像(PET)、磁共振成像(MRI)等医学成像系统的研究及发展方向之一。由此，医学成像系统的数据采样方式及重建算法不断更新，基于海量的采样数据的三维数据重建等计算任务对系统的运算处理能力提出了较高的要求。

应对此要求，现有技术中存在利用GPU与CPU的并行加速计算图像重建技术，例如，申请号为201210010806.X的中国专利申请“基于CUDA架构的GPU加速锥束CT图像重建的方法”等。此外，随着半导体制造工艺的发展，可定制硬件走入高性能计算领域，例如，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)作为一种在空域上并行执行，时域上重构的硬件近年来发展迅速，已作为高性能并行计算的可定制加速部件获得广泛应用。申请号为201210061660.1的中国专利申请“基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法”披露了类似方法。

然而，在以FPGA为代表的现有可定制硬件加速设备中，多由单一的加速重建部件(处理单元)实现全部的运算功能，对于部分采用GPU与CPU的并行加速计算或多数据处理单元的医学图像重建系统，也没有实现针对系统条件、采集环境、数据规模等情况在各数据处理单元之间进行负载的调节，存在计算资源利用不充分的问题。

因此，需要提出一种多数据处理单元的医学成像系统，使各处理单元之间的负载均衡，实现系统性能利用最优。

技术实现要素：

本发明解决的是多数据处理单元的医学成像系统负载不均衡所导致的系统计算性能利用不充分的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种医学成像系统，包括：扫描单元，用于对受检对象进行扫描以获取扫描数据；重建单元，用于将所述扫描数据进行重建形成诊断图像，其中：该重建单元包括多个数据处理单元及负载控制单元；在重建过程中，所述负载控制单元根据数据处理单元的负载情况，在各数据处理单元间进行负载调整。

在本发明的一种实施方式中，所述负载情况包括：重建协议的种类、重建算法的种类或重建视野的大小中的至少一种。

在本发明的一种实施方式中，所述负载情况包括：数据处理单元的内存占用率、DSP模块的占用率或外部存储空间的占用率中的至少一种。

在本发明的一种实施方式中，所述数据处理单元依次通过端对端的数据传输接口进行连接，所述数据处理单元通过数据传输接口与负载控制单元进行连接。

在本发明的一种实施方式中，对每个数据处理单元设定负载阈值，所述负载控制单元对所述数据处理单元依次进行处理任务分配，当当前分配任务达到或超过设定阈值时，向下一负载处理单元分配任务。

在本发明的一种实施方式中，所述负载控制单元对数据处理单元的负载情况进行实时监测，并根据负载情况进行动态调整。

在本发明的一种实施方式中，所述负载控制单元通过调配数据处理单元的中间处理结果实现负载调整。

在本发明的一种实施方式中，该系统中数据处理单元是可扩展的，所述负载控制单元将各单元负载情况进行显示，当负载超出设定阈值时，向用户提示进行数据处理单元扩展。

在本发明的一种实施方式中，所述数据处理单元为FPGA单元、CPU、GPU中的至少一种。

在本发明的一种实施方式中，该医学成像系统包括CT设备、MRI设备或PET设备中的至少一种。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：在系统中设置了负载控制单元，在重建过程中，所述负载控制单元根据数据处理单元的负载情况，在各处理单元间进行负载调整，实现各处理单元的负载均衡。

进一步地，在本发明的优选实施方式中，根据负载情况可对系统进行处理单元扩展，良好的扩展性有利于根据系统的具体应用场景进行计算能力的优化。

进一步地，在本发明的优选实施方式中，在图像重建的计算过程中动态地调整各单元负载，实现各处理单元的负载实时平衡。

【附图说明】

图1是本发明一实施例中X射线断层成像系统的物理结构示意图；

图2是本发明一实施例中成像系统功能结构示意图；

图3是本发明一实施例中重建单元功能结构示意图；

图4是本发明一实施例中多数据处理单元拓扑结构示意图；

图5是本发明一实施例中多数据处理单元间负载调整流程示意图。

【具体实施方式】

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本申请对根据本申请的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在客户端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本发明所提供的多处理单元负载均衡方案，可应用于磁共振成像系统(MRI)、正电子发射断层成像系统(PET)、X射线计算机断层成像系统(CT)等的任意一种，或者应用于PET-CT、PET-MR等多模态联合成像系统。以下以X射线计算机断层成像系统(CT)为例进行说明。

图1是一种X射线计算机断层成像系统的结构示意图，如图1所示，计算机断层成像系统100包括机架110，所述机架110具有围绕系统轴线旋转的可旋转的部分130。可旋转的部分130具有相对设置的X射线源131和X射线探测器132的X射线系统。

计算机断层成像系统100还具有检查床120，在进行检查时，患者在该检查床120上可以沿着Z轴方向被推入到扫描腔体中。X射线源131绕S轴旋转，探测器132相对于X射线源131一起运动，以采集投影测量数据，这些数据在之后被用于重建图像。还可以进行螺旋扫描，在螺旋扫描期间，通过患者沿着S轴的连续运动和X射线源131的同时旋转，X射线源131相对于患者产生螺旋轨迹。

所述计算机断层成像系统100还可以包括控制单元和图像重建单元，所述控制单元用于在扫描过程中根据特定的扫描协议控制计算机断层成像系统100的各部件。所述图像重建单元用于根据探测器132采样的待校正数据重建出图像。

在该实施例中，机架110、相对设置的X射线源131和X射线探测器132及检查床120可统称为扫描单元，其作用即在于对受检对象进行扫描以获得扫描数据。如图2所示成像系统功能结构示意图为例，医学成像系统的成像扫描及重建原理各异，但一般均包含扫描单元、重建单元、显示单元及控制单元等基本功能模块。在该实施例中，用户通过显示单元及控制单元选定扫描协议等参数设置，操作扫描单元利用X射线透过受检对象形成投影(扫描)数据，并将该数据传入重建单元，用户通过控制单元及显示单元选择视野、层厚等重建参数，并由重建单元进行图像重建，并反馈给显示单元，以向用户显示重建后的医学图像。

如图3所示，重建单元一般可包括：接口单元，用于同扫描单元、控制单元及显示单元等进行数据传输；存储单元，用于存储如中间及重建后数据等；处理单元(即数据处理单元，以下简称处理单元)，用于利用一定算法对扫描数据进行处理计算，该处理单元可由通用计算单元(如CPU)、图形计算单元(如GPU)或现场可编程门阵列(如FPGA)等一种或多种组成。上述接口单元、存储单元及处理单元之间保持数据连接并可进行双向通讯，例如，可通过PCI-E、USB、ZigBee、WIFI、蓝牙等有线或无线的数据连接方式进行通讯。工作时，接口单元接收扫描数据，并将扫描数据传输给处理单元进行重建(亦可先将扫描数据存入存储单元进行预处理或等待用户重建指令)，处理单元根据如滤波反投影、迭代算法等进行计算，对于具备多个数据处理单元的重建单元，各处理单元之间的负载往往在计算之初已经确定，在使用过程中无法进行处理单元间的负载调节，因而存在处理单元利用不均衡的问题。此外，现有的医学影像设备其处理单元往往是固定不可扩展的，其设备性能取决于重建单元的出厂硬件配置，对于在使用过程中算法的升级及更新，处理扫描数据量的增加等，使得处理单元的负载可能会超出预定的配置计算能力，造成等待时间过长等问题。

继续参照图3所示，为解决各处理单元之间的负载均衡问题，在本发明的一个实施例中，由多个数据处理单元及负载控制单元等共同构成重建单元，此处，该负载控制单元不仅可以作为独立的功能模块设置于重建单元内，也可以作为系统控制主机(HOST机，即图2控制单元)的一部分；在重建过程中，所述负载控制单元根据数据处理单元的负载情况，在各处理单元间进行负载调整。

进一步地，负载控制单元对处理单元的负载控制过程，可以在接收到扫描数据时(重建过程的一部分)进行实施，如在该实施例中，当用户通过显示单元设定扫描及重建参数时，负载控制单元可根据该参数预估计算工作量，并可将所述负载情况(可以包括：重建协议的种类、重建算法的种类或重建视野的大小中的至少一种，或者数据处理单元的内存占用率、DSP模块的占用率或外部存储空间的占用率中的至少一种参数信息)与当前系统所有处理单元处理能力进行比对、分析及判断，例如在本发明的一种实施方式中，通过负载控制单元自动设定或者用户设定的方式，可对每个数据处理单元设定负载阈值，所述负载控制单元对所述数据处理单元依次进行处理任务分配，当当前分配任务达到或超过该数据处理单元的设定阈值时，向下一负载处理单元分配任务，当整体负载超过所有数据处理单元能力时，向显示单元发送负载过量信息，提示用户进行数据处理单元扩展，或者提示用户进行负载任务变更，或者提示用户剩余处理时间。

根据本发明的另一种实施方式中，负载控制单元对处理单元的负载控制过程，也可以在数据处理过程中实时地进行。例如，在计算过程中，所述负载控制单元对数据处理单元的负载情况进行实时监测，并根据负载情况进行动态调整。在该实施方式中，继续参照图3及图4所示，所述数据处理单元可依次通过端对端的数据传输接口进行连接，同时每一所述数据处理单元通过数据传输接口与负载控制单元进行连接。相应地，通过负载控制单元自动设定或者用户设定的方式，对每个数据处理单元设定负载阈值，所述负载控制单元对所述数据处理单元实时进行的处理任务分配是否超过负载阈值进行实时监控，当当前数据处理单元的实时负载达到或超过设定阈值时，在各个负载单元间进行数据负载的动态分配。

进一步地，在本发明的一种实施方式中，所述负载控制单元通过调配数据处理单元的中间处理结果实现负载调整。例如，在根据本发明的一个实施例中，所述系统具有多个数据处理单元PU₁，PU₂.....PU_n，各数据处理单元如图4所示，依次通过端对端的数据传输接口进行连接，所述数据处理单元通过数据传输接口与负载控制单元进行连接，各处理单元分别设置或或在通用存储系统中映射有各自的存储空间。系统接收处理任务(如图像重建计算任务)后，如图5所示，首先由控制单元(负载控制单元或系统控制机)将待处理数据及计算流程参数发送给处理单元(负载控制单元在此时也可按照上述描述，根据重建协议的种类、重建算法的种类或重建视野的大小等负载情况将处理任务进行分配)，各处理单元根据算法流程和控制参数运行，并将中间结果(即任务处理的中间数据等信息)存入映射的本处理单元存储空间，在计算过程中，负载控制单元实时判断各处理单元的负荷，例如，若负载控制单元判断PU_n第i步的计算负荷(内存占用率、DSP模块的占用率或外部存储空间的占用率中的至少一种参数信息)是否大于PU_n+1的相应负载，若否，则各处理单元继续执行各自处理任务；若是，则将第i步之后的中间结果数据传送给PU_n+1并在PU_n+1中继续进行计算。该计算任务完成后，由负载控制单元判断各处理单元是否均计算完成，若是，则完成计算；若否，则由各处理单元继续计算各自处理任务。

同时在该实施例中，该系统中数据处理单元是可扩展的，所述负载控制单元可实时地将各单元负载情况通过接口单元传输至显示单元进行显示，当负载超出设定阈值时，向用户提示进行数据处理单元扩展。

在本发明的一个实施例中，该扩展过程可如下实现：在重建过程中，负载控制单元实时地将各单元负载情况通过接口单元传输至显示单元进行显示，当负载超出设定阈值时，通过显示单元向用户提示数据处理单元扩展，同时可暂停数据处理任务(如向存储单元挂起处理任务)，预估正常完成数据处理任务所需的处理单元数量，并向用户提示扩展的安装方式，用户按照提示完成处理单元扩展后，负载控制单元将挂起的处理任务重新载入，并根据扩展后的数据处理单元重新分配各处理单元的负载并进行处理。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括但不限于：软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存、或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。