摘 要: 超聲診斷儀對分辨率和實時性的較高要求，使得采用DSP算法成為提高儀器整體性能的關(guān)鍵,。結(jié)合超聲診斷儀圖像形成原理,，研究實現(xiàn)了圖像幾何變換的多種算法，并通過搭建DSP模型進(jìn)行仿真,，對運算量等可行性指標(biāo)開展比對分析,。優(yōu)選出R-Theta算法，使圖像實時性和分辨率得到有效的保證,。
關(guān)鍵詞: 超聲診斷; 幾何變換; DSP; 圖像處理
B型超診斷儀是運用超聲傳導(dǎo)技術(shù)和超聲圖像診斷技術(shù)的一種醫(yī)療診斷儀器,，它主要用亮度調(diào)制方式來顯示回波信號的強(qiáng)弱，反射回的時間反映掃描的深度,，從而反映人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,，也稱作“斷層圖像” [1]。其中數(shù)字掃描變換的精度直接影響圖像的分辨率和幾何失真度,，變換算法的復(fù)雜度直接影響圖像處理運算量和圖像處理的實時性,，也直接影響后續(xù)圖像處理的質(zhì)量。
DSP易于滿足圖像處理中運算量大,、精度高,、實時性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高等要求,。采用高速DSP芯片作為B超圖像數(shù)字掃描變換的核心數(shù)據(jù)處理單元,，能很好地實現(xiàn)不同B超圖像處理算法，且能直觀,、快速地觀察到變換結(jié)果,，實用性強(qiáng)[2],。此外，對于一些新型的運算量較大的圖像處理系統(tǒng),，DSP也能很好地進(jìn)行擴(kuò)展,，從而使高速B超圖像處理系統(tǒng)得到廣泛的使用。對于一些新型的運算量較大的B超圖像處理系統(tǒng),，DSP也能很好地進(jìn)行擴(kuò)展[3],。
1 圖像的幾何變換
一個完整的B超系統(tǒng)如圖1所示[4]。
當(dāng)B超探頭獲得激勵脈沖后發(fā)射超聲波,，經(jīng)過一段時間延遲,，再由探頭接收反射回的回波信號，探頭接收反射回來的回波信號經(jīng)過濾波,、對數(shù)放大等信號處理[5],，由DSC電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號,在CPU控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理，再同圖表形成電路和測量電路一起合成視頻信號送給顯示器形成B超圖像,，也稱二維黑白超聲圖像,。B超的超聲探頭按形狀通常可分為線陣式和凸陣式,。線陣式和凸陣式均用亮度表示回波信號的強(qiáng)弱，反射的時間長短表示掃描的深度,。線陣式B超探頭的形狀為矩形,，掃描采集回來的信號為一個矩形，通過處理后可直接在顯示器上顯示,。而凸陣式B超探頭為圓弧形,，它接收到的回波信號為一個扇形的信號，需對它進(jìn)行幾何變換才能變?yōu)檫m合人眼觀察的圖像,。線陣式和凸陣式回波信號的示意圖如圖2所示,。
由圖2可知，凸陣式掃查方式比線陣式掃查方式的視野更大,，且凸陣式的物理外形更與人體接近,。凸陣式扇形掃查B超的前部為圓弧形，相應(yīng)的B超圖像稱為扇形圖像,，即為一散形面,，其中散角為凸陣兩邊陣之角度，散形中心為探頭弧線圓心,，散形半徑則與探頭半徑和B超探測深度有關(guān),。換能器均勻分布在圓弧面上。許多陣元沿該圓弧面排列,，此類換能器中的陣元按順序發(fā)射和接收超聲波,這些超聲掃查線對應(yīng)圖像存儲器的列地址,，每條掃查線上的樣本對應(yīng)圖像存儲器的行地址,，采樣值依次寫入圖像存儲器。
凸陣式扇形掃查的回波信號為一個扇形,，可將它看做極坐標(biāo)形式,圖3顯示出這種極坐標(biāo)形式的采樣點與光柵掃描顯示像素的位置關(guān)系,。從圖3中可見，B超所采集到的回波信號為一個極坐標(biāo)形式的扇形面,，而顯示器的像素分布為一個直角坐標(biāo)的矩形,。同時，從圖4中可以看出信號采樣點與顯示像素點的位置并不一一對應(yīng),，相鄰掃查線之間還有很多空缺的像素點,，這種現(xiàn)象在遠(yuǎn)場尤為明顯[6]。設(shè)計DSP算法,，根據(jù)空缺像素周圍的回波信號采樣的近似值,，并在顯示此圖像之前將這些近似值插入到相應(yīng)的空缺處，使圖像均勻連續(xù),。同時,，B超檢查對于圖像的質(zhì)量以及實時性要求都很高。要提高圖像質(zhì)量就要增加處理精度,，以提高圖像的分辨率,，但處理精度要求越高，則需存儲器字長越長（字長越短,，則圖像數(shù)字化時的量化誤差和量化噪聲均加大）,對相同大小的一幀圖像所需存儲器的容量越大,。因此系統(tǒng)完成一幀圖像的數(shù)字處理所需時間加長，使得系統(tǒng)的實時性得不到保證,。而且,，算法的復(fù)雜度和運算量也將直接影響到圖像的實時性。因此,，必須通過設(shè)計相應(yīng)的DSP算法以及運算精度來保證變換后的圖像的分辨率和實時性,。
2 圖像幾何變換的DSP算法研究
B超是一種分辨率和實時性要求都很高的儀器，采用有效的DSP算法是提高B超整體性能的關(guān)鍵,。不同的DSP算法運算量會有很大的差異,運算量越大,，圖像越清晰，處理時間越長?，F(xiàn)代DSP算法就是在分辨率和運算量之間尋找折中,，典型的算法分為一維線性算法和二維線性算法。
2.1 一維線性算法
NNIA算法是最早的一維線性變換算法,，它主要運用直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)之間的幾何變換關(guān)系來實現(xiàn),。凸探頭采集到的信號為一個扇面，可視為極坐標(biāo)的形式,，顯示器的像素分布則是矩形,，可視為直角坐標(biāo)方式,。通過極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的變換關(guān)系，可得到每個回波信號在顯示器上的對應(yīng)值：
通過這種算法,，每個回波點都能求出相應(yīng)的像素值并進(jìn)行填充,而對于給定夾角的扇形,，回波點所對應(yīng)的圖像可以預(yù)先計算出來，而且采用這種算法簡單直觀,。分析其運算量,，從算法上看，假設(shè)總共有X個回波點,，每個回波點進(jìn)行幾何變換需要計算正弦和余弦的值和兩次乘法,。
改進(jìn)NNIA算法是在NNIA算法的基礎(chǔ)上建立起來的,它從像素點反過來尋找對應(yīng)回波點來對像素進(jìn)行填充。由于像素點是連續(xù)的,，因此每個像素點都能找到與其相對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)的值,，算法模型如圖5所示。
首先通過極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系計算出像素點在極坐標(biāo)下的對應(yīng)點P,，再找出與P點相鄰的4個回波點A,、B、C,、D(其中A,、C屬于同一波束，B,、D屬于同一波束),。判斷A、B,、C、D誰最靠近P點,，就將這點的值賦值給P,，這樣就完成了極坐標(biāo)對直角坐標(biāo)值的填充。
該算法運用直角坐標(biāo)系下的像素點反回來找對應(yīng)極坐標(biāo)下的回波點,，且一個像素點要找到與其對應(yīng)的4個相鄰的回波點,，運算量比NNIA大。若顯示器像素點的個數(shù)為X個,，則采用改進(jìn)NNIA算法進(jìn)行幾何變換,，需要進(jìn)行兩次正余弦變換和4次乘法運算。
2.2 二維線性算法
二維算法中最具有代表性的算法就是R-Theta,。R-Theta算法在改進(jìn)NNIA算法的基礎(chǔ)上,，消除由于舍入或截斷所帶來的圖像失真。R-Theta算法模型如圖6所示,。
它也是由直角坐標(biāo)的像素點對應(yīng)到極坐標(biāo)形式的回波點,。與改進(jìn)NNIA算法不同的是,，R-Theta采用二維的算法處理。R-Theta算法如式(2)所示,，其中,，lAE、lBF為AE,、BF距離百分比,，θEP為EP角度百分比。
分析R-Theta算法的運算量,，若需要確定X個像素點,，每個像素點有正余弦信號的變換各一次和6次乘法運算。由此可以看出,R-Theta算法的運算量是三種算法中運算量最大的,。
3 DSP實現(xiàn)及實驗結(jié)果分析
假設(shè)有一夾角為60°,、128陣元(24陣元為一組)的B超凸陣探頭(探頭的半徑為60 mm，掃描深度為200 mm),，采集到的回波信號為256灰度級的128像素×512像素的扇形數(shù)據(jù),。本次設(shè)計采用TMS320C64X系列的DSP。C64X定點DSP是業(yè)界公認(rèn)的處理能力最強(qiáng)的數(shù)字信號處理器,在工作時鐘達(dá)到1 GHz時,C64X DSP的信息處理能力最高可達(dá)到8 000 MIPS,。C64X DSP除了運行在高頻率的工作時鐘外,，還利用特殊指令功能在一個時鐘周期內(nèi)處理多任務(wù)。這些特殊指令使得C64X可以更有效地應(yīng)用在一些關(guān)鍵領(lǐng)域,，諸如數(shù)字通信物理層信號處理及視頻和圖像的處理,。利用DSP的軟件仿真系統(tǒng)實現(xiàn)仿真，最后將程序加載到開發(fā)板上運行,，查看運行效果,，分析成像精度、運算量等性能指標(biāo),。算法仿真圖如圖7所示,。
由圖7可以看出，采用NNIA算法,波束與波束之間存在間隙,，使得對顯示器的幾何變換并不連續(xù),，而且，顯示器像素的位置是整數(shù),，因此坐標(biāo)點計算存在舍入或截斷誤差,。這樣，原先回波點對像素點的填充可能會被鄰近回波點的值所覆蓋,，圖像就會丟失信息產(chǎn)生失真,。采用改進(jìn)NNIA算法,因為它采用的是由像素點對應(yīng)回波，則每個像素點都能找到與其對應(yīng)的像素值,，不會出現(xiàn)像素點無值的情況,，所以也就不會出現(xiàn)NNIA算法中出現(xiàn)的空缺像素點的情況,。但由于算法本身的原因，相鄰4個回波點之間可能包含多個對應(yīng)的像素點,，即一個區(qū)域內(nèi)的多個像素點被相同的值填充,，這使得圖像上出現(xiàn)亮斑,圖像的整體效果不是很好，給診斷帶來不便,。R-Theta有效地避免了改進(jìn)NNIA算法中的一個像素值對應(yīng)多個像素點的情況,，也就不會產(chǎn)生亮斑。
采用R-Theta減小了舍入誤差和截斷誤差,，故能得到最高的分辨率,，圖像更加逼真。雖然R-Theta在以上的算法中運算量最大,，但在現(xiàn)如今的DSP運算條件下,，實驗證明，采用R-Theta完全可以實現(xiàn)圖像的實時顯示,，并且圖像的質(zhì)量也得到了有效的保證,。同時，算法很好地保留了原始信息,，便于實現(xiàn)圖像的后續(xù)處理,。
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