CN101277241A - 用于x射线设备的图像处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线设备等的图像处理系统，具有至少一个图像源(BQ)、多个用于处理不同算法的计算单元(PE1－4)、至少一个永久存储器(S)，以及数据接收点(DS)，其中，所述图像源、多个计算单元、永久存储器以及数据接收点分别物理地与至少一个作为电路模块工作的控制单元(5)连接成物理网络，由此可以通过该控制单元(5)配置成星形逻辑拓扑结构。

Description

用于X射线设备的图像处理系统
技术领域
本发明涉及一种用于X射线设备等的图像处理系统。
背景技术
在用于显示血管(血管造影)的X射线系统中，产生X射线脉冲的序列，利用该序列透视人体。在图像拍摄系统(图像放大器、平面图像检测器等)中，利用技术装置为每个这种X射线脉冲产生一幅对应于X射线吸收率的“图像”。对于这样的图像序列的其它源可以来自于存储单元或外部信号源(还有其它模件，如MR、CT、超声波等)。随后在图像处理系统(BVS)中对这些数字化的X射线图像进行处理，其中，采用不同的改进图像的算法。经这样处理的图像又以时间序列被显示在显示器上用于诊断。
BVS的特点在于，X射线脉冲的频率可以是固定的或可变的，并且典型地在每秒1-60幅图像的范围内变动。对于BVS要求从图像信息由图像拍摄系统进入到这些图像显示在显示器上仅允许在预先给定的特定时间段内，即所谓的BVS等待时间。
此外还要求BVS能将当前检查的图像数据同时存储在永久存储器(如硬盘)中。这样，在稍后的时刻就可以重新通过BVS的不同算法，必要时还通过与在原始拍摄时不同的其它算法或对算法的其它参数化来处理这些图像数据，在此仍须保持原始的图像重复率。在另一应用情况中还考虑以更高或更低的速度来再现。
图1示出典型的应用，其中示出根据现有技术的BVS。不同的算法由图像源BQ分布到不同的计算单元PE1、PE2.1、PE2.2，PE3.1、PE3.2、PE4和存储器以及最终的数据接收点DS。
在图1所示的这样的BVS的实现中，出现以下困难：
1.各算法的计算持续时间可以非常不同。各算法所需的计算持续时间之间可能存在10的若干次幂的差别。
2.算法处理所需的整体计算能力非常高。通常无法由一台单独的处理器来实现。
3.分布到多处理器系统不是那么简单。通常由于输入图像数据的严格时序，人们常常采用刚性定时的系统，其中时钟与图像序列的频率相同、或数倍于图像序列频率或为其一部分。
4.如在数据不是来自于图像拍摄系统(实况)而是来自于永久存储器(重放)时，在不同应用中处理链的配置可以非常不同。
由于所需的高计算能力，所谓的“定制电路”(ASIC)尤其适合于用于实施算法。设计这样的电路的费用巨大，制造成本仅在产量很大时才会有收益。这样的电路不能在事后更改，如当找到改进的算法时。
在在可编程逻辑模块(FPGA)中实现时，在低得多的产量下就可以得到成本回报。开发费用也远远低于ASIC的开发费用。但由于FPGA预先给定数目的可用逻辑元件大大限制了算法的可扩展性。逻辑电路的开发不是简单的事情，只有专家才能掌握。
采用可编程处理器(通用处理器CPU或信号处理器DSP)可以得到极大的简化。典型地，在BVS中使用多个处理图像数据的处理器。通过将整个任务分布到多个处理器上来达到所需的计算能力。在此常常构成处理器的流水线，如图1所示。采用多处理器的公知技术是将处理步骤前后连接(串行)并将数据分布到多个同时工作的处理级(分解)上，在此各子结果通过交叉又被组合在一起。
图1所示的计算单元PE1，PE2.1，…(处理单元)可以是不同的计算单元，如ASIC、FPGA、DSP、通用处理器、微控制器、路由器、外设控制器等。在以图1所示装置为例的迄今的解决方案中，通过各计算单元PE的物理连接形成数据流的特定拓扑结构。在设计阶段将算法分配给计算单元，其中须考虑拓扑结构、计算能力、数据传输和对各阶段等待时间的要求以及整个处理。迄今的措施一般导致将算法直接映射到对应的计算单元PE上，如图1所示结构的情况。该直接对应一般被认为是算法序列的“自然”实现。相应地构成数据通路并且PE之间直接连接。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，提出一种改进的图像处理系统，其可以非常灵活地与新的算法相匹配，没有长的等待时间，可简单生产的，并且由此是低成本的。
本发明的新措施基于“分组交换网络”的体系结构。该体系结构的中心组件是一个模块(“开关”组件)，数据流可以来自于或被导向连接的用户，在此这些数据流彼此之间不相妨碍。数据流被视为基本单元、即所谓的数据分组的时间序列。可以用不同的方法和协议来构造分组交换的“开关”。广泛使用的例如有以太网、InfiniBand、RapidIO。在此重要的是，在用户之间不是通过物理的导线连接并仅传输有效数据，而是对每个数据分组还附加将分组从发送者转发给接收者所需的和/或有用的发送者和接收者信息以及其它管理信息。所产生的物理拓扑结构为星形结构。
通过将多个“开关”连接在一起还可以构成层次化的星形结构，在此该层次化的星形结构通过“开关”彼此间的通信而被视为简单的星形结构。在此所有参与的用户都具有相同的数据传输机制。
附图说明
以下通过借助附图对本发明实施例的描述来详细描述本发明。其中示出：
图1示出常规图像处理系统的结构；
图2示出按照本发明的图像处理系统的第一实施方式的星形拓扑结构；
图3示出本发明第二实施方式的拓扑结构；
图4示出本发明第三实施方式的拓扑结构。
具体实施方式
如图2所示，图像处理系统的各组成部分，即一个或多个图像源BQ、计算单元PE1，PE2.1，…、存储器S，以及一个或多个数据接收点DS围绕控制单元5星形地设置。在初始化配置步骤，将图像源、计算单元、存储器以及数据接收点设置成期望的逻辑拓扑结构，即在“交换网络”中定义用户的进入的和发出的数据流以及这些数据流之间的关系。理想的是，所有数据传输都通过该由于其简单的任务设置而典型地具有很高的交换容量的“交换网络”实现。
还可以将各计算单元视为“池(Pool)”，从中可以根据应用的情况通过相应的数据流将所需的单元连接起来。在此还可以由控制单元将计算单元设置成其各自的任务设置(算法)。通过该配置过程确定处理级的“逻辑拓扑结构”。但在按照本发明的解决方案中，还可以将算法与计算单元对应，并且数据流的对应可以根据应用情况而不同。按照本发明的图像处理系统不再刚性地构成，即在设计时就要确定应采用哪些算法、采用那种类型的PE和PE的实现(类型、特性)以及PE间应怎样相互连接。
按照本发明，数据流被视为时间可变的结构，该结构也要求PE之间时间可变的连接。最重要的区别在于按照本发明的图像处理系统的体系结构可以动态配置，其中事后模块化地扩展以及利用处理算法的向前发展的改进处于重要位置。
按照本发明的图像处理系统的最重要的特性在于其可配置性。在迄今提出的解决方案中物理拓扑结构和逻辑拓扑结构是相同的，而在按照本发明的图像处理系统中它们可以是不同的。在此之前，尚不可能将逻辑配置和物理配置分开。
此外还可以根据应用情况连接成不同的逻辑拓扑结构，即体系结构是可动态重配置的。在迄今的解决方案中，在设计物理拓扑结构时必须已知这些不同的应用情况并且必须考虑这些情况，而现在则还可以在过后的时刻进行其它的逻辑关联。这例如在改进了算法和由于对计算能力的需求提高而必须分布到多个计算单元上时是需要的。由此极为灵活地实现了算法的“现场更新”。尤其是该体系结构还存在着这样的可能性：在已有的处理步骤链中额外插入在最初的设计中未考虑的算法。这在刚性物理连接中是不可能的。在本发明的图像处理系统中，这通过改变交换网络中数据流的连接(路由)、即在控制单元5中实现。按照本发明的图像处理系统可以模块化地扩展，也可以跨越图像处理系统的最初应用目的。如果新的或改变的算法要求扩充计算能力，则可以简单地且模块化地实施。必要时甚至还可以根据选择的交换技术进行“热插拔(Hot-Plug)”，如其在基于以太网的网络中已知的那样。在控制单元识别了该附加的计算单元之后，可以根据需要来使用该计算单元。
图3示出作为本发明第二实施方式的控制单元5a、5b的级联以及网络的模块化扩充。控制单元对于可连接的用户数(端口数)以及传输容量(每秒分组数或每秒位数)都具有特定的容量。基于这种体系结构的图像处理系统的实现不必从一开始就调谐到可能的最大规模、即端口数，而是可以在一定条件下过后利用其它的控制单元来扩充。在此要注意开关、即控制单元的传输容量并在逻辑拓扑结构加以考虑。如从图3可见，控制单元5a连接在第二控制单元5b之后，从第二控制单元5b形成向各计算单元PE2.1、PE2.2、…，向另一存储器以及数据接收点DS的星形连接。
除了可以直接连接(点到点)，控制单元还可以复制数据分组(点到多点、多点传送、广播)，其中，不同的接收者获得该复制的数据。数据流从内部连接中的输出耦合可以为不同的目的而采用，例如实验室中的错误查找、为现场监控的目的，或仅为对相同输出数据的不同的继续处理。最后一种情况出现在要由运行中的处于高位置分辨率的图像序列中计算出用于借助视频信号(如BAS)显示的数据流或需要处于另一种(较低的)位置分辨率的VCR/DVD上的记录时。该用于输出耦合数据流的“T块”的实现可以简单的方式在控制单元中实现，而无需影响最初的数据流的发送者或接收者。这样，对于这些组件不需进行更改，因为整个连接和数据复制都在控制单元中实现。
对于一个故障计算单元的情况可以简单的方式通过改变逻辑连接使用一个可能可用的替代单元。尽管在单元突然失效的情况下运行中的处理可能不能完全没有干扰地继续运行，但总是存在通过备用模块重新建立整个处理拓扑结构的可能性。由此减少了服务时间并改善了设备的可用性。类似的方法由RAID硬盘系统公知。更换故障单元可以在过后进行。
“交换网络”的公知实现甚至允许在一个物理网络上实现不同的逻辑网络(虚拟个人网络，VPN)。在此通过作为基础的控制单元已经可以保证VPN之间不相互妨碍。从一开始就给出了防御安全性。还可以为这些VPN分配带宽。因此借助网络配置就是在特定的用户例如由于错误的功能而没有保持遵守规则时也能保证作用能力和安全性。图4举例示出一个物理网络中的两个逻辑网络。逻辑网络的分离仅在最初的配置时产生，然后对于网络用户来说不再考虑。
此外，在“分组交换网络”体系结构中数据流的逻辑连接可以与之相匹配，从而可以将否则是空闲的计算单元用作他用。
在一种简单的实现中计算单元还可以接管控制单元组件的功能。因此在这种情况下交换功能不是由指定的组件来实施，而是由计算单元本身来实施。这种情况的特点在于，计算单元本身实施为具有多个端口，并由此可以实现交换功能。不必将交换和计算任务分开。概括来说，只要传输是以能交换的数据分组的形式进行的，就还可以将两个计算单元的直接连接视为这样的网络。无需大的网络来满足本发明在此的定义。对于这样的退化的网络的例子之一是基于“PCI-Express”的体系结构(PCIe)的实现，其中，位于星形点的交换组件常常非常紧地耦合(Co-Lokation)在计算节点之一上并由此接管控制功能。因此这些实现也典型地示出了具有较少网络节点的较小的延伸。扩展到更大的网络拓扑结构又允许使用“PCIe先进交换(PCIe Advanced Switching)”技术，该技术取消了对单个星形拓扑结构的限制并由此使更大的网络成为可能。
最后，在“交换网络”体系结构中给出新的可能性，由非满载的计算单元额外地承担不是落在紧邻的计算单元的计算。这可以通过简单地将另一数据流引导到计算单元并且也通过控制单元传送结果来实现。算法的分配不再如现有技术中的流水线体系结构中那样绑定在图像处理系统的物理拓扑结构上。
由于可以将数据流导向计算单元，给在本发明的图像处理系统中处理链的扩展带来了新的前景。由此可以设置在最初设计图像链时没有的并行的数据流。“交换网络”体系结构使得可以简单的方式借助对网络和计算单元的配置来实现这一点。尤其是由此可以耦合输入其它来源的数据流(必要时还在过后耦合输出)。这样，就可以在以后考虑融合来自其它模件(如磁共振设备、计算机断层造影设备)的数据资料，而不用在第一次设计处理链时就完整地定义并实现。这些外部数据流可以具有完全不同的处理流程，以最终与图像数据相关。这些关系可以通过不同的指示器(如时间信息、时间戳、位置信息以及其它特征)给出，并且不必通过图像链固有的时序来实现。在根据现有技术的刚性图像流水线系统中这样的耦合是不可能的。
以上所述的本发明的优选实施方式可以任意组合。因此例如一个计算单元可以在两个VPN中接管不相关的处理级，等等。本发明图像处理系统的开发者可以在考虑可靠性和流量的情况下利用所有这些可能性。

Claims (15)

1.一种用于X射线设备的图像处理系统，具有
至少一个图像源(BQ)；
多个用于处理不同算法的计算单元(PE1-4)；
至少一个永久存储器(S)，以及
数据接收点(DS)；
其特征在于，所述图像源、多个计算单元、永久存储器以及数据接收点分别物理地与至少一个作为电路模块工作的控制单元(5)连接成物理网络，由此可以通过该控制单元(5)配置成星形逻辑拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的图像处理系统，其特征在于，通过连接在一起的多个电路模块(5a，5b)可以配置层次化的物理的星形拓扑结构。
3.根据权利要求1或2所述的图像处理系统，其特征在于，一个或多个所述电路模块(5a，5b)利用如以太网、InfiniBand、RapidIO等协议传输作为数据分组的时间序列的数据流，其中，对每个数据分组附加发送者信息、接收者信息以及其它管理信息。
4.根据权利要求3所述的图像处理系统，其特征在于，所述数据流以及源、目标和计算单元(PE1.1，PE1.2，PE2.1，…)的物理的和逻辑的连接表示随时间改变的量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，所述逻辑拓扑结构可以动态重配置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，该图像处理系统的物理拓扑结构可以模块化地扩展。
7.根据权利要求6所述的图像处理系统，其特征在于，所述扩展利用“热插拔”技术来连接。
8.根据权利要求2或5至7中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，将多个电路模块(5a，5b)以级联连接接续地配置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，所述电路模块直接(点到点)或重复(点到多点；多点传送，广播)发送数据分组，其中，不同的接收者获得该重复的数据。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，通过改变逻辑连接可以激活备用的替代计算单元。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，可以在给定的物理网络中同时配置不同的逻辑拓扑结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，计算单元(PE1，PE2)具有多个端口，并接管所述作为电路模块工作的控制单元的功能。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，两个或多个计算单元直接相互连接。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，具有用于与作为图像源的其它模件的数据资料输入或输出耦合的单元。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的图像处理系统，其特征在于，算法的分配不与该图像处理系统的物理拓扑结构绑定。
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