以圖形處理器為基礎的超聲成像仿真平臺

劉永紅

吉林省腫瘤醫院超聲科,吉林長春 130000

1 醫務人員要了解超聲仿真成像的物理基礎

1.1 超聲波傳播特性

超聲波傳在播過程中，遇到反射面、障礙物等不同的物體都會發生不同的傳播現象，影響超聲波傳播的軌跡。如果超聲波遇到的發射面的面積在各個方向上的長度都遠遠大于儀器所發出的聲波本身的波長，這時超聲波便會發生反射，即向某一個統一的方向繼續傳播。人體內部的結構更加復雜，也更加細致，一些細微的組織結構其長度甚至僅與超聲波儀器所發出的波長相當。因此儀器所發出的超聲波在前進過程中如果遇到人體的細微組織時便會發生散射。散射是超聲波儀器在對人體進行物理檢測時最為普遍的物理現象，儀器甚至可以根據散射的情況來定位人體內部的結構組織。

醫務人員要了解，由于人體內部的結構復雜，且處在不斷的運動和變化之中，所以使用超聲波儀器對人體內部進行檢測時，超聲波的實際散射軌跡也更加多樣和模糊，因此在這樣的超聲波散射活動中建立精準的數學模型相對較難。通常人們通過目標強度、散射系數、散射衰減系數三種參數來表達超聲波在人體傳播時所形成的散射情況。

從實際的操作情況來看，超聲波在體內傳播的過程中難免會發生強度的衰減。這主要是由三種原因造成的。首先是由于超聲波自身傳播時其波陣面并不是沿著統一的大小向前傳播而是不斷放大的過程。波陣面的放大自然會導致波強的衰減。其次是由于超聲波在人體內遇到不同的人體結構組織所造成的復雜的反射和散射。不規則的反射和散射使得超聲波波強的衰減加劇。最后一點是人體內部組織結構的吸收。

1.2 聲束的物理特性

采用超聲波進行人體檢測時為了得到更加準確的檢測效果需要講超聲波的大部分能量集中在一個規定的區域內，這部分在特定區域內集中的超聲波稱之為聲束。在儀器的實際工作中，儀器設計者需要對光速的形狀和寬度兩個主要的物理特性進行測量和確定。超聲波儀器所發出的超聲波的形狀尤其是在聲束區域內的邊界形狀以及在距離傳感器表面所形成的邊界寬度對于儀器研究者而言都是十分重要的研究數據。超聲成像設備的單個陣元一般采用聲透鏡聚焦，換能器線陣一般采用電子聚焦和聲透鏡聚焦 兩種方式。在平行于線陣的方向上采用電子聚焦，在垂直于線陣的方向上采用聲透鏡聚焦。由于聲透鏡的聲速大于人體組織中的聲速，因此采用凹面透鏡。

2 醫務人員應掌握超聲成像仿真平臺方案

超聲成像方針平臺是由超聲波聲束發射器發射出符合儀器檢測標準的聲束，經過人體的內部的反射最終形成能夠在終端以圖像形式顯示的圖形信號和數據。從整體的結構上來看，超聲成像仿真平臺通常可以分聲場仿真模塊、波束形成模塊和信號處理模塊。

聲場仿真模塊是整個系統的基礎模塊。整個仿真平臺的基本原理是利用超聲波所形成的光速在經過人體時所形成不同的反射信號，根據對反射信號進行分析能夠的出人體內部組織結構的基本情況。若想實現超聲波的集成波束首先需要有基礎性的聲場。通過對聲場內聲波的控制形成檢測所需要的基礎性聲束。聲場的產生必須符合相關專業的技術標準并且能夠在人體所接受的范圍之內，避免對人體造成傷害。由于患者病情和身體狀況的差異，聲場仿真模塊必須能夠根據實際的檢測需求仿真出頻率、強度和波長都不同的超聲波，從而實現更加復雜的檢測方法。

波束形成模塊是對于聲場仿真模塊所形成的超聲波進行集成，按照需要檢測的相關標準和要求形成聲束。波束是進行人體檢測的重要載體，聲波波束的形成同樣需要符合相關的專業要求。只有在特定要求的條件下，超聲波的波束才能夠在人體中形成有效、可靠地反射，并且依據反射的波束形成有效的信號從而幫助醫生對患者進行檢查。如果超聲波的波束信號不符合規范的標準，那樣便無法在人體形成有效的反射，最終會導致形成模糊或者錯誤的圖形信號，這無疑會嚴重影響到最后醫生的診斷。因此波束形成模塊在最終基于聲場形成超聲波的波束時，必須通過專門的檢測，只有在檢測時通過了對于波束形狀和寬度的檢測才能夠確定為機器的正常運轉，可以進行檢測，否則應該給出警告提示，告知操作人員對儀器進行校對和調整。

信號處理模塊包括信號的采集、處理和顯示三個子模塊。信號采集子模塊是對于儀器發出的超聲波束經過人體反射后形成的波束進行采集和基礎校驗。也就是信號采集模塊需要對于采集到的數據的有效性、準確性和可靠性進行初步的校驗。只有當校驗通過后，信號采集子模塊才會將信號傳遞給信號處理模塊。信號處理模塊是對信號進行量化處理，從而使得信號能夠被信號顯示模塊所顯示。信號處理模塊首先需要對于信號采集模塊傳遞過來的信號進行篩選，根據檢測類型的不同而選擇不同的信號篩選方式，這樣可以使得最終的顯示結果更加具有針對性。然后信號處理模塊根據檢測的相關需要，對信號進行不同類型和不同參數的量化，并將量化后的信號傳遞給信號顯示模塊。信號顯示模塊是要對信號進行最終的處理并顯示到專門的終端顯示器上。由于要求以圖形的形式顯示，因此信號顯示模塊需要對于信號進行轉換和處理。經過轉換和處理后的信號才能夠被圖形處理器所接受并最終顯示到終端屏幕上。信號處理模塊是集成計算機硬件處理、顯示和軟件篩選、計算的綜合性模塊，是統一的整體。其中不僅要求硬件具有較高的運算速度，同樣要求軟件具有高效、科學、合理、嚴謹的計算方法。

3 進行圖形處理器渲染

GPU 雖然可以被用于通用計算，但是其基本任務仍然是進行圖形處理和渲染因此在其硬件結構上，對圖形渲染和通用計算進行了一定的平衡。有許多功能模塊是通用計算所使用的編程模型和圖形渲染流程所共用的。下面本文將分析圖形處理器的渲染流程。

在三維空間中，頂點是最重要的坐標點，也是最終要的視覺角度和觀察點。在圖像處理器中，處理器首選需要確定頂點的位置，通過確定頂點的位置才能夠實現對于圖像中其他內容的表現。顯示生活中點、線和面是圖形構成和圖像表達的基本要素，圖形渲染器重仍然是通過這三個基本要素來表達傳遞過來的相關信號和信息。

Transformation 和Lighting。Transformation 是指坐標系的變換。通過傳感器和傳輸介質傳遞到圖形處理器進行渲染的信號時向量圖形。這邊是為了方便圖形處理器進行坐標變換的渲染。頂點雖然是主要的視角和觀察點，但在實際的操作中，觀察者需要通過其他的角度進行觀察從而能夠得出更加全面的數據。因此對于坐標系的變換是圖形處理器渲染的有一個主要內容。

View port Transformation（Clipping 和Culling）。坐標的變換是視角轉換的基礎。通過坐標 變換能夠實現在視角變幻時相應的向量發生變化。但要想真正的實現視角轉換還需要進行更加細膩的處理。在視線坐標系中，其視野中的空間為三維梯形，因此需要將在此梯形體之外的頂點裁去。之后就可以將此梯形空間轉換為一個立方體空間，也即是在屏幕中顯示的空間。此時完成了所有的頂點操作。

頂點操作完成之后，圖形處理器渲染的基本工作也就完成。接下來是需要根據視圖的需要，在頂點之間建立連接線。連接線并不一定全部由直線構成，根據實際的信號情況，連接線可以是由曲線構成。連接線確定好之后相當于圖形處理器渲染工作的線條構建基本完成。接下來圖形處理器渲染需要對在線條之間圍攏形成的平面或者曲面進行表達。點、線和面的表達是一個統一的整體，點用來確定圖像的位置，線用來確定圖像的結構，面用來確定彼此之間的立體關系。三者必須統一、和諧才能夠將要表達的內容完整地表達出來。如果缺乏有效的協調，那線條很可能成為阻礙面表達關系的障礙，過多的點也可能使得線條之間的關系更加復雜。

如在實際應用中，要準確表達出患者身體內部的結構狀況。如患者，女，55歲，因右下腹疼痛來院就診，經圖形處理器渲染發現，其甲狀腺雙側葉體積增大，右側葉前后徑、左側葉前后徑以峽部前后徑都不正常，通過圖形處理器渲染，可測到高速湍流頻譜、高速低阻抗和高阻抗的動脈頻譜，因此，可得結論是單純性甲狀腺腫并峽部低回聲結節。

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