凸陣式超聲數(shù)字掃描變換技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)

王霞

(山東廣播電視大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

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凸陣式超聲數(shù)字掃描變換技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)

王霞

(山東廣播電視大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：針對(duì)B 型超聲系統(tǒng)中采用硬件電路完成數(shù)字掃描變換缺乏靈活性且成本較高的問(wèn)題，采用R-theta插補(bǔ)法以及幀相關(guān)降噪實(shí)現(xiàn)了凸陣式超聲數(shù)字掃描變換。結(jié)果表明，采用本方法能夠快速地顯示圖像，最終圖像顯示幀頻為30 f/s，滿足B型超聲系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯像要求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字掃描變換; 坐標(biāo)變換;插補(bǔ)處理;B超

B超的系統(tǒng)原理是超聲探頭中的換能器按照一定的順序依次發(fā)射和接收超聲波，形成一個(gè)平面，從而得到一幅二維截面黑白聲像圖[1]。在這種顯示圖像為二維圖像的診斷設(shè)備中，如果將超聲回波信號(hào)直接顯示到屏幕上，會(huì)使人眼感到閃爍，尤其在使用凸陣式超聲探頭掃查時(shí)，閃爍感會(huì)更加明顯，這就需要應(yīng)用一種圖像存儲(chǔ)器，位置在超聲掃描與圖像顯示之間，讓存入圖像數(shù)據(jù)的速度與超聲聲束掃查的速度相同，而令讀出圖像數(shù)據(jù)的速度適當(dāng)?shù)靥嵘?，采用這種方法就可以令圖像穩(wěn)定地顯示。這就是超聲數(shù)字掃描變換技術(shù)[2]。

目前，大多數(shù)數(shù)字掃描變換還是由硬件來(lái)完成的。彭勇等[3]以CORDIC 算法和雙線性插值，在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)。譚震威等[4]同樣以FPGA為系統(tǒng)的控制中心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字掃描變換。隨著高速計(jì)算機(jī)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件性能已經(jīng)有了大幅度的提高，而且價(jià)格越來(lái)越低，利用計(jì)算機(jī)自身的硬件資源結(jié)合軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，超聲診斷檢測(cè)儀的性能將得到大幅度的提高。這樣不僅可以節(jié)省大量硬件成本，而且增加了系統(tǒng)的靈活性，便于之后的改進(jìn)和升級(jí)。 本文摒棄了傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式，直接利用計(jì)算機(jī)自身軟硬件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字掃描變換。

1凸陣式數(shù)字掃描變換技術(shù)

關(guān)于凸陣式數(shù)字掃描變換技術(shù)，需要涉及到兩個(gè)步驟，即超聲掃查和顯示掃描。其中顯示掃描是本文的主要工作，主要包括坐標(biāo)變換和插補(bǔ)處理兩部分。

1.1坐標(biāo)變換

凸陣式數(shù)字掃描變換，其超聲前端掃查得到的是極坐標(biāo)形式的回波信號(hào)，而顯示器是以直角坐標(biāo)的形式將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的，這就需要將原本的極坐標(biāo)形式的數(shù)據(jù)變換到直角坐標(biāo)系中正確地顯示[5]。

圖1　坐標(biāo)變換方案Fig.1　Coordinate transform scheme

如圖1中所示，512×512個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在矩陣中，坐標(biāo)變換首先是取一個(gè)極坐標(biāo)點(diǎn)，即圖中的(Xp，Yp)，然后映射到標(biāo)準(zhǔn)投影S平面，并且一部分點(diǎn)會(huì)作為之后的插補(bǔ)像素點(diǎn)對(duì)S平面得到的圖像進(jìn)行插補(bǔ)，最終圖像還需要將坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行變換才能適應(yīng)Windows默認(rèn)的坐標(biāo)系，最終得到D平面，即為顯示在顯示器上面的圖像。

關(guān)于極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的變換，直接采用的是公式法[6]，即

(1)

式中，x0、y0是平面S相對(duì)于平面D的水平和垂直偏移，需要根據(jù)實(shí)際凸陣探頭的內(nèi)圓半徑以及抽取數(shù)目決定具體的值；θ是掃描聲束偏轉(zhuǎn)角；r是沿掃描聲束矢徑上的采樣深度。

圖2　圓弧插補(bǔ)法Fig.2　Arc interpolation method

1.2插補(bǔ)處理

隨著探查深度的增加，相鄰掃描線間距變大，以致掃描線之間某些顯示像素沒(méi)有給予回波數(shù)據(jù)賦值而形成顯示器上的“黑洞”顯示。許多黑洞云集成“云紋狀”的線條，使得圖像的質(zhì)量下降。所以需要利用周?chē)牟蓸狱c(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)來(lái)填補(bǔ)這些空白像素點(diǎn)。

圓弧插補(bǔ)即通常所說(shuō)的二維圖像插補(bǔ)，本項(xiàng)目采用的是R-theta插補(bǔ)法[7](圖2)。在這種插補(bǔ)方法中，每一個(gè)空缺的顯示平面上直角坐標(biāo)形式的像素都是從相鄰的極坐標(biāo)形式的采樣數(shù)據(jù)按照線性插值方法插補(bǔ)出來(lái)的。對(duì)于二維的超聲圖像來(lái)說(shuō)，使用弧形插補(bǔ)原則上應(yīng)該是比較適合的。

凸陣掃查的掃查線是按照等角度增量Δθ均勻分布的，掃查線上采樣點(diǎn)按照等間隔Δr均勻分布。設(shè)f(x,y)為直角坐標(biāo)像素?cái)?shù)據(jù)，s(i，j)為極坐標(biāo)采樣數(shù)據(jù)，則有

f(x，y)=z(i)(1-θerr)+z(i+ 1)θerr,

(2)

式中，z(i)是第i條聲束經(jīng)線的中值，即

z(i)=s(i，j)(1 -Rerr)+s(i，j+ 1)Rerr,

(3)

(4)

分別為半徑方向和角度方向的權(quán)重。

將公式(2)和(3)進(jìn)行合并，得到最終的插補(bǔ)公式

f(x，y)=s(i，j)(1 -θerr)+s(i，j+ 1)(1-Rerr)θerr

+s(i+ 1，j)Rerr(1-θerr) +s(i+1，j+ 1)(1-Rerr)(1-θerr)。

(5)

圖3　圓弧插補(bǔ)流程圖Fig.3　Flowchart of arc interpolation

本文的弧形插補(bǔ)即是根據(jù)上述公式實(shí)現(xiàn)的。圖3所示為圓弧插補(bǔ)的流程圖，其中flag為是否為空缺像素的標(biāo)志。假如凸陣探頭的掃查角度是不變的，抽取數(shù)目也是不變的話，那么每幅圖像中每個(gè)被插補(bǔ)點(diǎn)的位置就是固定的，所以插補(bǔ)的點(diǎn)的位置無(wú)需每幅圖像都計(jì)算一次，只需要分別用一個(gè)矩陣將Rerr和θerr保存，后續(xù)的圖像插補(bǔ)點(diǎn)直接取矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可。直到掃查的角度以及抽取數(shù)目任何一個(gè)發(fā)生變化，再重新計(jì)算存入矩陣。這樣一來(lái)，只有當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)所用時(shí)間較長(zhǎng)，其余時(shí)間會(huì)大大縮短，能夠滿足實(shí)時(shí)顯示的要求。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)上述坐標(biāo)變換以及插補(bǔ)處理過(guò)程，完成了數(shù)字掃描變換技術(shù)的關(guān)鍵部分，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果圖像進(jìn)行了幀相關(guān)降噪。

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圓弧插補(bǔ)后的超聲圖像如圖4所示，抽取數(shù)目為16、36。實(shí)際上模擬圖像是為了邊界明顯，直接將兩輪0～255的按行依次排列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，行為深度，列為角度，而真實(shí)的超聲系統(tǒng)上傳上來(lái)的數(shù)據(jù)并不是按行排列的，而是按照列進(jìn)行存儲(chǔ)的，即列為深度，行為角度，所以，還需要將矩陣轉(zhuǎn)90度再進(jìn)行坐標(biāo)變換和數(shù)據(jù)插補(bǔ)才能夠看到正的超聲圖像。OpenCV有提供此方法的函數(shù)cvTranspose[8]：

函數(shù)原型：void cvTranspose ( const CvArr * src, CvArr * dst ) ;

src：輸入矩陣，dst：目標(biāo)矩陣。

圖4　弧形插補(bǔ)后的超聲圖像Fig.4　Ultrasonic image after arc interpolation

2.2后期圖像處理

對(duì)于相對(duì)靜止的人體臟器作超聲掃查時(shí)，對(duì)所獲得的B超圖像可進(jìn)行多幅圖像疊加平均處理，使圖像上的噪聲得到抑制，如圖5所示，這就是幀相關(guān)技術(shù)的思想。幀相關(guān)處理是一種多圖像平均法，它將同一像素點(diǎn)的前、后幾幅圖像進(jìn)行處理，可以取平均值、最大值或新的像素值，用來(lái)達(dá)到減少噪聲干擾的目的[9]。實(shí)際項(xiàng)目中取了4幅圖像進(jìn)行平均來(lái)減少噪聲，動(dòng)態(tài)圖效果更加明顯。

圖5　幀相關(guān)對(duì)比圖Fig.5　Comparison chart of frame correlation

3結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了軟件化的數(shù)字掃描變換，并且最終圖像顯示幀頻為30 f/s，能夠滿足實(shí)際需求。但本文中凸陣診斷的最小深度就是抽取最小時(shí)，是512個(gè)采樣點(diǎn)達(dá)到的深度，還可以從這512個(gè)采樣點(diǎn)再截取小段進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，使得超聲系統(tǒng)能夠進(jìn)行更加精確的觀察。

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[2]吳水才，楊春蘭,白燕萍. 醫(yī)學(xué)超聲及應(yīng)用[M]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社. 2012.

[3]彭勇，陳菲，董萬(wàn)利. B超中數(shù)字掃描變換器的 FPGA 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(12)：24-26.

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[8]OpenCV.OpenCV參考手冊(cè)[EB/OL]. [2014-10-05].http://www.opencv.org.cn/index.php/Template:Doc.

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Software implementation of convex ultrasonic digital scan conversation

WANG Xia

(School of Computer and Telecommunication, University of Radio and Television of Shandong, Jinan 250014, China)

Abstract∶We employ R-theta interpolation and frame correlation to achieve convex ultrasonic digital scan conversion for bad flexibility and higher cost of hardware digital scan conversion in B-ultrasonic system.Results show that it can quickly display images and satisfy the requirement of real-time image display, final video frame frequency of 30 f/s.

Key words∶digital scan conversation;conversion of coordinates;interpolation;B-ultrasonic system

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2015)04-0107-04

作者簡(jiǎn)介：王霞 (1989-)，女，助教，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)超聲圖像顯示。

收稿日期：2014-12-29

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.020