凸陣式超聲數字掃描變換技術的軟件實現

王霞

(山東廣播電視大學計算機與通信學院，山東 濟南 250014)

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凸陣式超聲數字掃描變換技術的軟件實現

王霞

(山東廣播電視大學計算機與通信學院，山東 濟南 250014)

摘要：針對B 型超聲系統中采用硬件電路完成數字掃描變換缺乏靈活性且成本較高的問題，采用R-theta插補法以及幀相關降噪實現了凸陣式超聲數字掃描變換。結果表明，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型超聲系統的實時顯像要求。

關鍵詞：數字掃描變換; 坐標變換;插補處理;B超

B超的系統原理是超聲探頭中的換能器按照一定的順序依次發射和接收超聲波，形成一個平面，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備中，如果將超聲回波信號直接顯示到屏幕上，會使人眼感到閃爍，尤其在使用凸陣式超聲探頭掃查時，閃爍感會更加明顯，這就需要應用一種圖像存儲器，位置在超聲掃描與圖像顯示之間，讓存入圖像數據的速度與超聲聲束掃查的速度相同，而令讀出圖像數據的速度適當地提升，采用這種方法就可以令圖像穩定地顯示。這就是超聲數字掃描變換技術[2]。

目前，大多數數字掃描變換還是由硬件來完成的。彭勇等[3]以CORDIC 算法和雙線性插值，在 FPGA 中實現。譚震威等[4]同樣以FPGA為系統的控制中心，實現了數字掃描變換。隨著高速計算機運算和數字信號處理技術的飛速發展，計算機系統的硬、軟件性能已經有了大幅度的提高，而且價格越來越低，利用計算機自身的硬件資源結合軟件開發技術，超聲診斷檢測儀的性能將得到大幅度的提高。這樣不僅可以節省大量硬件成本，而且增加了系統的靈活性，便于之后的改進和升級。 本文摒棄了傳統的硬件實現方式，直接利用計算機自身軟硬件編程來實現數字掃描變換。

1凸陣式數字掃描變換技術

關于凸陣式數字掃描變換技術，需要涉及到兩個步驟，即超聲掃查和顯示掃描。其中顯示掃描是本文的主要工作，主要包括坐標變換和插補處理兩部分。

1.1坐標變換

凸陣式數字掃描變換，其超聲前端掃查得到的是極坐標形式的回波信號，而顯示器是以直角坐標的形式將數據進行顯示的，這就需要將原本的極坐標形式的數據變換到直角坐標系中正確地顯示[5]。

圖1　坐標變換方案Fig.1　Coordinate transform scheme

如圖1中所示，512×512個數據存儲在矩陣中，坐標變換首先是取一個極坐標點，即圖中的(Xp，Yp)，然后映射到標準投影S平面，并且一部分點會作為之后的插補像素點對S平面得到的圖像進行插補，最終圖像還需要將坐標原點進行變換才能適應Windows默認的坐標系，最終得到D平面，即為顯示在顯示器上面的圖像。

關于極坐標到直角坐標的變換，直接采用的是公式法[6]，即

(1)

式中，x0、y0是平面S相對于平面D的水平和垂直偏移，需要根據實際凸陣探頭的內圓半徑以及抽取數目決定具體的值；θ是掃描聲束偏轉角；r是沿掃描聲束矢徑上的采樣深度。

圖2　圓弧插補法Fig.2　Arc interpolation method

1.2插補處理

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有給予回波數據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，使得圖像的質量下降。所以需要利用周圍的采樣點進行插補來填補這些空白像素點。

圓弧插補即通常所說的二維圖像插補，本項目采用的是R-theta插補法[7](圖2)。在這種插補方法中，每一個空缺的顯示平面上直角坐標形式的像素都是從相鄰的極坐標形式的采樣數據按照線性插值方法插補出來的。對于二維的超聲圖像來說，使用弧形插補原則上應該是比較適合的。

凸陣掃查的掃查線是按照等角度增量Δθ均勻分布的，掃查線上采樣點按照等間隔Δr均勻分布。設f(x,y)為直角坐標像素數據，s(i，j)為極坐標采樣數據，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重。

將公式(2)和(3)進行合并，得到最終的插補公式

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　圓弧插補流程圖Fig.3　Flowchart of arc interpolation

本文的弧形插補即是根據上述公式實現的。圖3所示為圓弧插補的流程圖，其中flag為是否為空缺像素的標志。假如凸陣探頭的掃查角度是不變的，抽取數目也是不變的話，那么每幅圖像中每個被插補點的位置就是固定的，所以插補的點的位置無需每幅圖像都計算一次，只需要分別用一個矩陣將Rerr和θerr保存，后續的圖像插補點直接取矩陣中的數據進行計算即可。直到掃查的角度以及抽取數目任何一個發生變化，再重新計算存入矩陣。這樣一來，只有當參數發生變化時所用時間較長，其余時間會大大縮短，能夠滿足實時顯示的要求。

2實驗結果

本文通過上述坐標變換以及插補處理過程，完成了數字掃描變換技術的關鍵部分，得到以下實驗結果，并對結果圖像進行了幀相關降噪。

2.1實驗結果

圓弧插補后的超聲圖像如圖4所示，抽取數目為16、36。實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據進行處理，行為深度，列為角度，而真實的超聲系統上傳上來的數據并不是按行排列的，而是按照列進行存儲的，即列為深度，行為角度，所以，還需要將矩陣轉90度再進行坐標變換和數據插補才能夠看到正的超聲圖像。OpenCV有提供此方法的函數cvTranspose[8]：

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

src：輸入矩陣，dst：目標矩陣。

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

2.2后期圖像處理

對于相對靜止的人體臟器作超聲掃查時，對所獲得的B超圖像可進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，這就是幀相關技術的思想。幀相關處理是一種多圖像平均法，它將同一像素點的前、后幾幅圖像進行處理，可以取平均值、最大值或新的像素值，用來達到減少噪聲干擾的目的[9]。實際項目中取了4幅圖像進行平均來減少噪聲，動態圖效果更加明顯。

圖5　幀相關對比圖Fig.5　Comparison chart of frame correlation

3結語

本文實現了軟件化的數字掃描變換，并且最終圖像顯示幀頻為30 f/s，能夠滿足實際需求。但本文中凸陣診斷的最小深度就是抽取最小時，是512個采樣點達到的深度，還可以從這512個采樣點再截取小段進行擴展設計，使得超聲系統能夠進行更加精確的觀察。

參考文獻：

[1]錢蘊秋，周曉東，張軍，等. 實用超聲診斷手冊[M]. 2版. 北京：人民軍醫出版社， 2011.

[2]吳水才，楊春蘭,白燕萍. 醫學超聲及應用[M]. 北京：北京工業大學出版社. 2012.

[3]彭勇，陳菲，董萬利. B超中數字掃描變換器的 FPGA 設計與實現[J]. 微型機與應用，2013，32(12)：24-26.

[4]譚震威，鄭旭生，羅繼裕. 醫學超聲圖像數字變換方法的硬件實現[J].科技風，2011(5):61.

[5]馮若，劉忠齊,姚錦鐘,等. 超聲診斷設備原理與設計[M]. 北京：中國醫藥科技出版社. 1993.

[6]陳紅. 基于Matlab的數字掃描變換器設計[J]. 現代電子技術，2015，38(8)：109-113.

[7]尚兆梅，陳波，彭勇. R-Theta 算法的一種快速實現方式[J]. 科學技術與工程，2010，10(31)：7803-7806.

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

[9]郭德全，楊紅雨，劉東權，等. 基于序列相關性的超聲圖像自適應去噪[J]. 計算機應用研究，2014，31(2)：600-604.

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

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2015)04-0107-04

作者簡介：王霞 (1989-)，女，助教，研究方向為醫學超聲圖像顯示。

收稿日期：2014-12-29

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.020