（模式识别与智能系统专业论文）b型超声诊断仪的数字扫描转换系统研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘，要 随着b 超诊断仪在医疗诊断中的广泛应用，对b 超图像质量的要求日益 提高。如何较好地解决数字扫描转换技术( d i 百t a ls c a nc o n v e r s i o n ，简称d s c ) 的问题是提高b 超诊断仪图象质量的关键之一。 ， 本文系统地介绍了d s c 在国内、外的发展情况，主要原理，体系结构和 常用算法，并从超声诊断的成像原理和数字扫描转换系统设计入手，一步步 完成了d s c 系统的各个重要环节的设计。 首先，本文重点讨论了数字扫描转换系统的构建，对数字扫描转换系统 的各个组成部分进行了详细分析和设计，并开发出了数字扫描转换系统的硬 件平台。其次探讨了扫描转换算法中的重要环节，坐标变换算法。经过多次 对比和分析，本设计着眼于能够将许多较复杂的运算函数转化为简单的硬件 易于实现的c o r d i c 算法，对其进行了改进，并成功应用于扫描转换系统中 直角坐标一极坐标变换。同时本文研究了扫描转换中的插补算法，并使用 m a t l a b 进行仿真，得到比较满意的结果。最后针对现在国内市场上，b 超 缺乏专用液晶显示驱动卡而无法精确显示的问题进行了讨论，并自主开发了 驱动卡电路，初步实现了医疗图像在其专用分辨率下的清晰显示。 关键词：b 超扫描转换c o r d i c 算法插补算法 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ew i d er a n g ea p p l i c a t i o no f b t y p eu l t r a s o n i cm a c h i n ei nt h em e d i c a l d i a g n o s i s ，t h ed e m a n do fi m a g eq u a l i t yi si m p r o v i n g h o wt os 6 1 u t et h ep r o b l e m o fd i g i t a ls c a nc o n v e r s i o n ( d s c ) p r e f c r l b l e l yi so n eo ft h ek e yi s s u e st o i m p r o v et h ei m a g eq u a l i t y “ t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n t 8o ft h ed s c s y s t e m ，t h em a i np r i n c i p l e so fa r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h m s ，a n du s e sp r i n c i p l e so f u l t r a s o u n dd i a g n o s t i ci m a g i n ga n dd s c s y s t e md e s i g na sc l u e st od e s c r i b et h e v a r i o u si m p o r t a n tp a r t so ft h ed sc s y s t e m f i r s t ，i tf o c u s e so nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ed s cs y s t e m ，a n da n a l y s i s e s v a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e mi no r d e rt od e s i g nt h e m ，a n dd e v e l o p e r st h e h a r d w a r ep l a t f o n l l s e c o n d l yi tp r o b e si n t oc o o r d i n a t et r a n s f o 彻a t i o na l g o r i t h m w h i c hi st h ek e yp a r to ft h es c a nc o n v e r s i o na l g o r i t h m a r e rv a r ia _ b l ea n l y s i sa n d s t u d y ，t h i sd e s i g nf o c u s e so nh o wt ot r a n s f o mc o m p l e xc o m p u t i n g 如n c t i o n si n t o c o r d i ca l g o “t h mw h i c hc a nb ei m p l e m e n t e de a s i l yb yh a r w a r e ，a n di m p r o v e s t h ea l g o r i t h m ， a n da p p l i e si t s u c c e s s f - u 1 1 yi nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e st op 0 1 a r c o o r d i n a t et r a n s f o m a t i o no ft h ed s cs y s t e m a tt h es 锄et i m e ，t h et h e s i s i n t r o d u c e st h ei n t e 印o l a t i o na l g o r i t h mo ft h es y s t e m ，a n du s e sm a t l a bt o s i m u l a t et h er e s u l t f i n a l l y ，i td i s c u s s e st h ep r o b l e mt h a tc u r r e n td o m e s t i cm a r k e t l a c k sb t y p eu l t r a s o n i cm a c h i n el c d d i s p l a yc a r d1 e a d i n gt oi n a c c u r a t ed i s p l a y ， t h e nd e s i g n e st h ec i r c u i t so fl c dd r i v ec a r d ，a n dg e t sac l e a rd i s p l a yo ft h e m e d i c a li m a g e si nt h e i rr e s o l u t i o n k e yw ords ： b - t y p eu l t r a s o n i c ；d s c ； c o r d i ca l g o r i t h m ； i n t e r p 0 1 a t i o n a l g o i l i t l l i l l 独创- 陛声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日南：郦川7 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：瑚蚺翩签名 状日期：沙咿d 多 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 超声技术应用于医学始于上世纪2 0 年代末，但直到7 0 年代后，随着微 电子技术、计算机技术的快速发展，医学超声技术才获得了大发展。按照对 超声波应用的不同，医学超声大致可以分为超声诊断技术和超声治疗技术。 超声诊断技术是医学上四大影像技术之一，在实际医疗诊断中有广泛的用途。 其中，b 型超声诊断仪( 简称b 超) 作为当今五大医学影像设备之一，其应 用范围越来越广泛。医用超声诊断仪是将声纳原理、雷达技术、电子技术三 者相结合而研制生产的设备，主要应用在临床诊断中心，。 超声诊断技术的使用在我国始于1 9 5 8 年，首先在上海用于临床。近1 0 年来，我国的超声诊断设备生产水平取得了很大进步，。目前，我国生产超 声诊断装置的厂商约3 0 多家，但产品多为中低档次，且低档产品居多，更为 遗憾的是国内大多数厂商都缺乏自主知识产权。 本文所设计开发的b 超扫描转换系统，是b 超诊断仪的重要组成部分， 它不仅因增加了对超声图像的处理能力从而使图像的质量大大得到改善，更 由于数字扫描转换器对图像信息的存贮和处理速度的提高，使对动态超声图 像的实时处理成为可能。同时本文研究了如何将b 超后端的数字信号直接在 液晶显示器中显示，减少了多次模数转换，可以使b 超的数字化显示更为清 晰。另外本文所设计开发的b 超扫描转换系统有着自主知识产权，因此本文 所做的工作具有实际的意义和应用价值。 1 2 医学超声学国内外发展现状 医学超声学是当代世界科技潮流中破浪前进的一支生力军。它是超声物 理学、现代电子探测技术和生物医学相互渗透的边缘科学，具有理工医相结 合的特点。任何新学科的出现与发展都是与社会需要及当时的理论和技术基 础分不开的。二次世界大战结束后，国际上出现了一个相对和平稳定的局面， 大批的科学家和军事技术人员汇集到非军事工业领域，使基础理论、生命科 学、应用科学与边缘科学等得到了较快的发展。人们对健康的重视和对医疗 卫生的要求的提高，促进了生物医学工程学这一边缘学科的形成和发展。作 为生物医学工程的一个重要组成部分，在6 0 年代，医学超声学逐步成为了一 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 个相对独立的学科m ，。 1 9 4 9 年召开的第一次国际超声医学会议，促进了医学超声的发展。19 5 8 年，h e r t z 等首先用脉冲回声法诊断心脏疾病，开始出现“超声心脏图描记法”， 现在称为“超声心动图描记法”，亦即“m 型超声心动图”n ，。同期，出现了二 维b 型显示原理和生物组织超声散射特性研究的报道。在5 0 年代，用脉冲 反射法探查疾病获得了很大成功，同时也为多普勒技术及b 型二维成像奠定 了基础。6 0 年代，超声全息、b 型实时成像、阵列式换能器、电子线性扫描 和扇形扫描、电子聚焦法等被广泛研究。7 0 年代是b 型显像蓬勃发展的年代， 超声成像设备不仅己跻身于主要医学成像领域，且与x 射线系统并驾齐驱、 相互补充，成为使用最广泛的诊断工具。7 0 年代后期，微型计算机在超声诊 断仪器中得到使用，应用于探头的扫描、图像的数字扫描转换d s c ( d i g i t a l s c a nc o n v e r s i o n ) 、图像的数字扫描处理d s p ( d i 西t a ls c a np r o c e s s i n g ) 、仪器 操作的过程控制、各种功能的自动检测与显示等。d s c 和d s p 的出现使医学 超声仪器向高技术性能迈进了一大步。8 0 年代随着计算机技术的进一步渗 入，生物医学超声工程进入了图像化、自动化和定性定量研究的阶段。 b 型超声诊断仪是目前在临床中应用最广的一种超声图像诊断装置。它 利用超声声束扫查的方式探测人体，以超声脉冲回声的辉度进行显示，形成 人体内部脏器和病变的断层图。由于它能对脏器进行实时动态观察，因而十 分直观。它既可作静态检查，如对各器官和组织的观察和分析，又可作动态 检查，如对心脏、胎儿的观察和分析。b 超设备种类较多，并常与其它形式 的超声设备复合成更先进的超声诊断系统。据我国学者统计，7 0 年代中b 型 超声成像技术实现了近3 0 种技术革新，由第一代发展到第四代仪器。目前使 用的b 型超声仪器是以计算机图像和数据处理为主导的，具有灰阶显示、图 像冻结、多幅成像、极性反转、妊娠计算等2 0 余种功能。 b 型超声成像仪以其价格便宜、操作方便、无损伤、动态性能好、对软 组织分辨率高等明显优于射线类成像的特点而获得迅速发展。8 0 年代美国因 超声显像仪的台数超过x 射线机，以致宣称进入“医学超声年”。近十多年来， 世界医学超声仪器的数量正高速度增长。我国也己研制出线阵、机械扇扫、 相控阵等多种b 型超声成像仪。 超声诊断技术的使用在我国始于1 9 5 8 年，首先在上海用于临床。近1 0 年来，我国的超声诊断设备生产水平取得了很大进步。随着临床医学的发展 和科学技术的进步，特别是d s p 技术和f p g a 技术的快速发展，超声诊断仪 经历了两个里程碑式的发展，即d s c ( 数字扫描转换器) 和数字波束形成技术。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 已经从模拟时代、模拟数字混合时代进入全数字化时代m ，。目前，我国生产 超声诊断装置的厂商约3 0 多家，但产品多为中低档次，且低档产品居多。近 几年来，通过与国外企业合作，引进先进的生产技术，产品的质量和性能都 有所提高，但发展速度不快。随着医学事业的发展，人民生活水平的提高， 市场对超声诊断装置的需求将会越来越多，要求也会越来越高。 1 3超声诊断仪的成像原理 超声诊断仪的成像原理主要就是利用超声波的基本的物理特性。超声波 成像离不开超声换能器，又称探头。探头向人体组织发射超声波，当其在人 体内传播时，被体内组织界面反射或散射回来，回声被探头又接收并转换为 电能，经放大后再在显示荧光屏上以某种方式显示出来，作为诊断依据。 超声的成像原理是用超声照射人体脏器。利用脏器对入射超声所产生的 反射、散射、衰减( 指穿透部分) 、频移( 多普勒效应) 或声速变化效应中的一 种或数种，组成脏器的声像图( 二维或三维图) ，以表达脏器的形态、结构特 征及疾病时的变化。 超声系统成像方法通常可分为两大类：一类是基于回波，另一类则是基 于多普勒原理的。这些成像原理的描述，对于我们显示各种模式的图像提供 了理论基础。 ( 1 ) 基于回波的成像方式 在基于回波的成像方式中，本文主要对a 型、b 型及m 型成像方式加以 论述。其中b 型及m 型为常用的成像模式，a 型为淘汰仪器。 a 型为振幅调制型( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，即将回波以波的形式显示出 来。单条声束在传播途径中遇到各个界面所产生的一系列的散射和反射回声， 在示波屏时间轴上以振幅高低表达。即：示波屏的x 轴自左至右代表回声时 间的先后次序，它一般代表人体软组织的深浅，而y 轴自基线向上代表回声 振幅的高低。 a 型仪器为单声束取样分析法，它不能形成直观图型。另外，示波屏上 所显波形振幅因受非线性放大及显示压缩等影响，它不与真正的回声振幅成 正比关系( 甚至相差甚大) ，因此己属于淘汰仪器。 b 型为辉度调制型( b r i 曲t n e s sm o d u l a t i o n ) ，即将回波用光点形式显示出 来。本型的基本原理为将单条声束传播途径中遇到各个界面所产生的一系列 散射和反射回声，在示波屏时间轴上以光点的辉度( 灰度) 表达。b 型示波屏 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 时间轴在y 轴上( 与a 型仪器不同) 。 显示光点的辉度与回波强弱成正比。当探头以不同方式移动扫查时，可 形成二维图像。此种方式也就是我们通常所说的b 超图像。 b 型诊断法是超声诊断的主要方法。b 型诊断法得到的是二维切面图， 具有直观的优点。a 型诊断法以波型显示，虽有利于阐明某些超声诊断的原 理，对教育工作和实验研究有一定的作用。但从临床应用角度来说，a 型法 除因其测量距离的精度较高，在眼科超声仍用于生物测量外，己为b 型超声 所替代。m 型诊断法和多普勒频谱法须在b 型的二维图像上取样，才能更好 地了解该m 型曲线和多普勒频谱的回声来源。彩色多普勒血流图和彩色多普 勒能量图或其他彩色血流图均须叠加在二维图像上，才能为医生们所接收。 彩阶图是由二维灰阶进行伪彩色编码而来，仍脱离不了b 型。，三维成像技术 也必须与b 型超声成像仪相结合，或用二维图像由计算机重建；二维图像质 量的好坏，直接影响三维图像的质量。所以b 型诊断法是关键。 m 型为活动显示型( t i m e m o t i o nm o d e ) 。此法是在辉度调制中加入一个 慢扫查锯齿波7 ，从而使回波光点从左至右自动扫描。显示的横坐标为慢扫描 时间，纵坐标为声波传播时间( 即对应于检测深度的位置) 。 ( 2 ) 基于多普勒原理的成像方式 多普勒效应是自然界普遍存在的一种物理现象。1 8 4 2 年奥地利数学和物 理学家c h r i s t i a nj o h a l l i ld o p p l e r 首先发现，物理学上称为多普勒效应。多普 勒原理成像就是利用多普勒效应的原理来成像的。多普勒原理的成像方式是 一种利用运动物体反射声波造成的频率偏移来获取人体的运动信息的成像方 式。这种技术主要用于了解体内器官的功能状况及血液动力学方面的生理病 理状况，如用于测定血液流速、心脏运动情况及血管是否存在栓塞等。 多普勒成像主要有脉冲多普勒成像( p u l s ew a v ed o p p l e r ，p w ) 和彩色多普 勒成像( c o l o rd o p p l e rf l o wi m a g i n g ，c d f i ) 等方式，本课题中研究的扫描 转换系统针对对象为黑白超，因此对多普勒成像原理不再详细叙述。 1 4b 型超声诊断仪结构 在医学影像技术发展的今天，b 超诊断仪已成为当代五大医疗影像设备 之二。近些年来，随着计算机技术、信息与电子技术的迅速发展，医学超声 领域也体现出日新月异的发展趋势。具体b 型超声诊断仪的结构大致如图卜l 所示： 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 图卜1b 型超声诊断仪组成结构 f i g 1 1 b u i t r a s o n i cm a c h j n ec o m p o s i t i o n 在b 超成像的整个流程中，b 型超声仪中关键的两个部分是前端的波束合 成系统和后端的扫描转换系统，如图卜2 所示。 b 超中的波束合成系统的超声扫查线通常和探头内晶片的数目相一致， 为了提高显示分辨率，可以通过晶片组合发射和接收方式来实现。超声探头 是由多个短栅状压电晶片排列成直线组成线阵，由电子开关按一定顺序发射、 接收声波供显示。在探头长度一定的情况下，线阵元的数目越多，形成的平 面光栅越多，图像就越细密。模拟聚焦接收时一般采用模拟延迟器件，其延 时是固定的所以可以实现固定聚焦或者分段固定聚焦，聚焦之后的模拟回声 信号通过a d 转换送入扫描转换系统进行后处理。 在经过a d 转换的图像回波信号途中经过帧相关处理、灰阶映射等图像 处理之后送入扫描转换系统后，再经过扫描转换系统坐标变换，插值处理等一 系列后处理后，最后由b 超系统的显示部分在显示器中显示出来，这也是本文 研究的重点内容。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 - 2b 型超声仪的总体结构 fig 1 2b uit r a s o n o g r a p h yf o rt h eo v e r aiis t r u c t u r e 1 5研究b 超中扫描转换系统的意义 早期b 超没有数字扫描转换系统，它将接收到的回声信号经波束形成、 补偿、对数放大、检波等模拟处理后，直接加到阴极射线管( c r t ) 上显示。 这种方式存在以下缺点：分辨率低；易发生闪烁现象i 不能冻结图像和进行 电子测量及自动计算等功能。数字扫描转换器( d i g i t a ls c a nc o n v e r t e r ) ，简 称d s c ，就是用于对图像进行处理，得到更高质量图像，其主要原理如下： 超声诊断设备为了得到具有诊断信息的超声回波，换能器所发射和接收超声 的方向位置必须进行控制。为了将超声扫查所获得的回波信息显示出来，而 且人眼观察这种实时图像也不要有闪烁感，在超声扫查与t r c 显示器之间插 入一种图像存贮器，超声回波的视频信号能够实时地、数字式地存入到图像 存贮器中，并且同时从图像存贮器中不断地取出图像信号信息到显示器去显 示，这样就不会发生闪烁现象了。存入图像存贮器的速度将与超声扫查相同 步，而读出图像信息的速度可以适当提高( 通常以t v 扫描速度读出与显示) ， 这样就可使显示的图像稳定而无闪烁，这种技术就叫做数字扫描转换技术，。 所以，通过数字扫描转换系统，就可以对现代医学超声波信号进行扫描 格式的变换，使之可以在显示器上显示。同时又为数字图像处理和图像冻结、 电子测量计算以及计算机联网提供了条件，只有数字图像处理才能得到高质 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 量的图像。数字图像处理一般称为后处理。后处理种类很多，大致可归纳两 种：像素亮度后处理和像素空间后处理。前者包括：y 校正；非线性视觉校正； 数字压缩；灰阶变换。像素空间的处理包括：变焦读出；图像反转；图像平滑； 自动阈值。 扫描转换技术的引入，使超声诊断设备产生了质的飞跃。由于超声扫查 与显示扫描之间是互相独立的，不管超声扫查的形式及其速度如何，所显示 的图像都将是没有闪烁感的，并可保持图像的高质量。d s c 使得要保持某一 幅图像静止而不变( 冻结) 成为可能，另外也使图像处理、图像数据的测量、 通过设备的接口与外部进行图像数据的交换成为可能。现在，这种数字扫描 转换器已无例外地使用a d 转换器，并在a d 转换器与显示模块之间插入半 导体数字存贮器来组成n ”。 扇形扫查b 超仪中扫描转换算法是现代扇扫b 超中的一个关键，它的好 坏将直接对显示图像的质量产生很大的影响。因而对于该课题的研究与实现 响应了社会的需求，具有广泛和深远的现实意义。 1 6课题中待解决的难点问题 数字扫描转换器( d i g i t a ls c a nc o n v e r t e r ) 是现代超声显像系统中的核心部 件，它的问世，克服了早期b 超的图像闪烁严重、扫描线间隙大、图像不连续 且灰度等级不足等缺点，使得图像处理、图像数据的测量、通过计算机的接口 与外部进行图像数据的交换成为可能，使b 超显像系统产生了革命性的变化。 但是以往的b 超由于采用模拟、数字的分立器件来实现，在数据处理的速度以 及图像的质量上还不够理想，仪器的体积也很大。大规模集成电路( v l s i ) 和现 场可编程门阵列( f p g a ) 技术的发展，很好解决这一问题。运用f p g a 构建一个 运行速度快、图像质量高，系统可靠性好的数字扫描转换系统有着以下几个 亟待解决的问题 ( 1 ) 在线阵式线性扫查b 超仪器中，超声扫查所形成的图像是矩形的， 使用等周期的采样脉冲来采集图像信息，并顺序存入存贮器中。在使用等周 期的读出脉冲时，由显示器所显示的图像可以很容易地做到没有几何失真。 但在扇形扫查的b 超仪中，由于超声扫查所形成的图像是扇形的，所以在使 用等周期的采样脉冲和等周期的读出脉冲时一般都不能显示出无几何失真 的图像，因此坐标变换是研究的一个重点内容。 ( 2 ) 由于b 超中信号采样点与显示像素点的位置并不一一对应，相邻扫 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 查线之间还有很多空缺的显示像素有待填充，这种现象在远场尤为明显。因 此，如何根据空缺像素周围的回波信号采样值的近似值，得到空缺象素的近 似值，并在显示此图像之前将这些近似值插入到相应的空缺处，使图像均匀连 续，这就是一个关键的问题，即如何进行合适的插补处理。 。，( 3 ) 在采集运动图像的时候，活动图像每一帧图像的内容与前一帧都不 相同，由于读出速度比写入速度快，必然会发生读出地址与写入地址交叉的 情况，产生裂像现象。如何较好的解决裂像现象又能比较好的保证传输的实 时性是课题中比较重要的问题。 ( 4 ) 针对便携式b 超来讲，如何在液晶显示器中将b 超图像完整清晰的 显示出来，即实现点对点的精确显示，而不是按比例放大，或切割显示在保持 图像的完整性的基础上，如何提高显示精度，也是一个重要的问题。 1 7 论文主要研究内容与任务 本着立足自身、立足现实，努力提高自身技术，向国际先进技术进发的 原则，本课题准备针对现在国内数字化b 超诊断仪由于自身平台、超声数据 处理和超声成像实现技术的限制，在处理速度、机器性能、稳定性、成像质 量和功能扩展方面都有很多不足这些缺点，着力进行数字扫描转换系统的开 发，希望能得到一种新型的、操作方便的、技术含量高的扫描转换系统。它 能与现有市场上的b 型超声诊断仪兼容，但具有更好的数字图像处理能力， 更方便的操作，能提高图像显示的速度和准确度，消除剧烈的闪烁，达到比 较稳定的效果，为未来b 超发展打下基础。本论文的主要任务集中在以下几 个方面： 一 ( 1 ) 扫描转换系统的硬件设计部分。在本论文中，我们通过结合f p g a 开发平台，研究并构建一种基于f p g a 的数字扫描转换器的设计方法，通过 各种参数选择，确立具体芯片完成各个结构功能。这是论文的一个重要的方 面。 ( 2 ) 扫描转换中的坐标变换算法方面。现有的扫描转换算法虽然种类繁 多，但是这些算法中有些算法复杂高但是实时性差，而有些算法可以满足实 时性的要求但扫描转换的准确度较差，因此如何得到高速精确的扫描转换算 法并完成其硬件实现是本课题研究的重点之一。 ( 3 ) 扫描转换系统的逻辑控制部分。f p g a 在这个设计中作用很重要， 主要完成对各个芯片的控制，本文的工作之一是编制控制程序，用于对a d 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 逻辑控制及对图像存储的控制，在图像存储方面，我们主要涉及乒乓操作对 图像信息的存取控制，完成图像数据的存储和读取。最后还需要根据程序得 出仿真图，验证设计结果。 一 ( 4 ) 扫描转换系统的液晶驱动部分。为了使扫描转换系统输出的医疗图 像能够在液晶显示器中完整清晰的显示出来，实现点对点的精确显示，在保持 图像的完整性的基础上，尽量提高显示精度。这也是本文的一个重要的工作内 容。 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l o 页 2 数字扫描转换系统的设计 2 1 数字扫描转换器的基本概念 在b 型和m 型超声诊断设备中，为了能把回波的视频信号直接映射到 显示屏上( 以亮度调制的方式) ，显示器的光点偏向应时刻跟随回波源。从原 理上讲，这种直接显示法是最简单也是最忠实的方法。但在这种超声显像设 备中有一个重要的因素要考虑，这就是速度。超声在人体软组织中的传播速 度为15 4 0 m s 换能器发射超声脉冲到接收到2 0 c m 深处的回波信号约需 2 6 0 u s 。考虑到显示器时基扫描的回扫时间，显示一次超声扫查的时间需3 0 0 n s 以左右。为了使显示的图像具有可视性，每幅超声图像需由lo o 条以上的超 声扫查线组成，于是完成一幅图像需3 0 m s 以上，人眼观察这种实时图像将 会有闪烁感。对来回摆动显像的机械扇扫b 超仪，这种闪烁感特别严重。 在超声扫查与显示器之间，如果插入- 种图像存贮器，超声回波的视频 信号能够实时地、数字式地存入到图像存贮器中，并且同时从图像存贮器中 不断地取出图像信息到显示器去显示，则会发生根本性的变化。存入图像存 贮器的速度将与超声扫查相同步，而读出图像信息的速度可以适当提高( 通常 以t v 扫描速度读出与显示) ，这样就可使显示的图像稳定而无闪烁感。这种 用数字方式、以不同速率来存人和读出图像信息方法完成了从超声扫查到显 示扫描的变换，人们常称这种技术为数字扫描转换技术( d i 西t a ls c a n c o n v e r t e r ) ，简称d s c 。完成这一变换的电路部件称为数字扫描转换器。d s c 技术的引入，使超声诊断设备产生了质的飞跃。 由于超声扫查与显示扫描之间是互相独立的，不管超声扫查的形式及其 速度如何，所显示的图像都将是没有闪烁感的，并可保持图像的高质量。d s c 使得要保持某一幅图像静止而不变( 冻结) 成为可能，另外也使图像处理、图 像数据的测量、通过设备的接口与外部进行图像数据的交换成为可能，下面 我们就介绍一下扫描转换器的基本组成。 2 2 数字扫描转换系统的基本组成结构 d s c 硬件系统大体又可以分为三个部分，即信号通道部分，字符框标部分 和控制部分。信号通道主要是将回声信号数字化后，进行数字转换、存贮、处 理；字符框标部分主要是显示各种诊断需要的字符、框标及刻度等，现在的很 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 l 页 多b 超厂家也尝试把这一部分使用p c 机的软件来完成：控制部分为这两部分 提供各种各样所需的控制信号，同时，在控制信号的作用下，还将两部分协调 叠加起来。具体来说，现在，每种数字扫描转换器已无例外地使用a d 转换 器，并在a d 转换器和显示模块之间插入半导体数字存贮器。下面我们将根 据需要，设计一种能实现基本功能的数字扫描转换器，并通过f p g a 的配置 编程完成时序控制。 数字扫描转换器的“变换”二字主要包括两个含义：一是扫描格式的变 换二是扫描速度的变换。起过程是超声回波信号以某种格式写入图像存贮 器，然后按标准的电视图像制式读出送t v 显示器显示。由于采用普通t v 显示器作为超声图像的显示装置，它具有亮度高、动态范围大、显示面积大 等优点，同时也有利于超声显像系统显示与记录装置的标准化。另一方面， 回波信号以较慢的速度写入图像存贮器，却可以用较高的速度读出并显示。 在这过程中不仅完成了扫描制式的变换，也完成了扫描速度的变化心“。数字 扫描转换器位于信号接收电路与显示器之间，如图2 1 所示。 回波信号接收电路扫描转换系统 显示电路 图2 1数字扫描转换器在b 超中的位置 f i g 2 1 d s ci nt h eb u i t r a s o n o g r a p h ym a c h i n e b 型超声的扫查方式主要分为线阵和扇形( 含凸阵) 方式。根据扫查方式 的不同，d s c 的结构也有一定的差异。下面我们分别分析在这两种扫查方式下， 我们的数字扫描转换器各部分的结构和功能。 2 2 1线形扫查方式的d s c 结构 线阵扫查方式的d s c 原理比较简单。其探头中的阵元按顺序发射相接收 超声波。这些超声扫查线对应图像存贮器的列地址，每条扫查线上的样本点 对应图像存贮器的行地址，采样值按列依次写入图像存贮器的行地址，显示 时按行依次从存贮器中读出各个数据。所以，从这个过程中可以看出线阵式 线性扫查所得到的超声声象图应该是一个矩形图像。 线形扫查方式的数字扫描转换器的基本组成主要是由a d 转换器，图像 存储器和显示部分构成，其中图像存储器是数字扫描转换器的核心部分，主 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 要完成扫描格式的变换和扫描速度的变换，更有意义的是现代电子技术可以 很容易地将存贮器中的图像冻结并进行备种各样的图像后处理工作。其组成 由图2 2 所示，现在我们将仔细分析各个部分的主要功能和组成结构及选择 模式。 a d 转换芯片图像存储器显示部分 图2 2数字扫描转换器的结构 fig 2 2d s cs t r u c t u r e ( 1 ) a d 转换器 能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器( a n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r ) ，简称为d 转换器。由于在超声接收电路中，我们接收到的是 带不同幅度的模拟的脉冲信号，但是我们在图像存储中，我们却是使用的数 字存储方式，所以d s c 的第一个部件就必须是a d 转换器，它完成从模拟 系统到数字系统的接口，以便于进入图像存储器中处理。 目前的a d 转换器种类繁多，我们主要选择高速的模数转换器，其采样频 率通常为几m h z 到几十m h z ，其转换精度通常为6 8 位，精度提高时，图像存 储器的容量及图像信息传送电路( 即通道宽度) ，也相应增加。所以我们在设计 中，要选择合适的a d 转换器，达到兼容精度和存储器容量，使效率更好。 ( 2 ) 图像存储器 从使用功能角度看，半导体存储器可以分为两大类：随机存储器 r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 只读存储器r o m ( r e a do n l ym e m o r y ) 。根据 工作原理和条件不同，r a m 又分别称为静态读写存储器s r a m ( s t a t i cr a m ) 和动态读写存储器d r a m ( d y n a m i cr a m ) 。r o m 主要有可电擦除可编程的 e e p r o m ，在e p r o m 和e e p r o m 芯片技术基础上发展起来的快擦写存储 器f 1 a s hm e m o r ) r 、利用铁电材料的极化方向来存储数据的铁电读写存储器 f r a m 。 图像存贮器是一个大容量半导体存贮器，通常可存入1 2 8 2 5 6 k 个像元， 这只有在1 6 k 以上容量的半导体存贮器大量生产的7 0 年代后期以后才能实 现。前些年，出于价格和功耗等原因，图像存贮器都使用动态随机存取存贮 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 器( d r a m ) 。近来大容量的静态随机存取样贮器( s r a m ) 的价格和功耗都急 剧下降为了简化时序等电路近年来尤其现在，越来越多人开始使用s r a m 作为图像存贮器。 根据扫查方式的不同，d s c 原理也有一定差距。在本次设计中，我们选择 的是线形扫查，其探头中的阵元按顺序发射相接收超声波。这些超声扫查线对 应图像存贮器的列地址，每条扫查线上的样本点对应图像存贮器的行地址， 采样值按列依次写入图像存贮器的行地址、显示时按行依次从存贮器中读出 数据。 根据上述原则，在这里我们决定选择s r a m 作为图像存储器，考虑到在 多时钟系统中，显示输出部分的时钟与数据采集及写入存贮器的时钟不一致， 容易发生矛盾。另外，不同国家显示制式的不同也会加剧这一矛盾。为使d s c 系统成为一个相对独立的模块以适应不同情况的要求，我们选择两片s r a m 共同作用的乒乓操作方法来存储和读取图像数据，提高工作效率。即图像存贮 器由两页( p a g e o ，p a g e l ) 组成，交替进行读写操作，如图2 3 所示。图像存贮 器的读取时间要小于8 0 n s ，这样肉眼观察才不会有剧烈闪烁。读和写分别采用 不同时钟。 图象存储器 卜 一 p a g e 0 图2 3乒乓操作 f i g 2 3p i n g p a n go p e r a t i o n 这样通过乒乓操作，就可以使输入数据流与输出数据流均是连续不断的， 没有任何停顿，因此非常适合进行流水线式处理，完成数据的无缝缓冲与处 理，并且能有效的节约缓冲空间。 数据存入主存贮器后，可以采用多种读出方式，从而实现不同的显示方 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 式。比如对扫查获得的超声数据实时写入，按t v 格式读出显示，即可得到 实时显示的图像：若对读出的两像素点间线性插入像素点，则可获得放大的 图像显示；改变选定的读出数据范围，还可以使显示区域在探测深度方向作 视野移动。如果停止存贮器的写入，并对己存贮的一帧图像数据重复不断地 读出，则在荧光屏上得到的将是一幅静止的回声图像，这种显示方式就是所 谓的“冻结”方式。而这些读出方法的选择主要是根据f p g a 可编程逻辑器件， 通过不同配置，用不同的程序，改变f p g a 的逻辑结构，以实现不同的功能。 在本次设计中，我们主要是对扫查获得的超声数据实时写入，按t v 格式读 出显示，得到实时显示的图像，其中在数据流方面涉及到乒乓操作的时序控 制。 ( 3 ) 显示部分 很多数字扫描转换器的输出信号送到阴极射线管显示电路处理和显示， 显示时是用的模拟信号，而图像存储器读出的信号是数字信号，所以必须经过 一个d a 转换过程，这样才能形成模拟全电视信号。 随着技术的发展，液晶技术在显示方面大量的应用，如果在液晶显示器中 按原来的方式显示，由于多次模数转换，将会对图像质量产生严重的影响，这对 要求图像清晰的b 超来说是严重的问题，所以为了使数字信号能在液晶显示器 上较好的显示，我们摒弃了d a 的部分，而以一块自主研发的专用液晶驱动板 代替，这样能够很好的解决液晶显示的问题，液晶驱动板的设计将在第五章进 行。一 通过上述的各个部分，可以得到一个最基本的数字扫描转换器，能够完成 数字扫描转换器的基本的功能。在本次设计中，我们将针对上述所示，设计线 形扫查方式的d s c 硬件结构和编程实现时序控制。 。 2 2 2扇形扫查方式的d s c 结构 线性扫描方式的d s c 比较简单。在本次设计中，我们选用的是扇形扫查 方式的d s c 设计，所以现在简要介绍扇形扫查方式的d s c 。 b 型超声中的扇形扫查方式是使超声探头以一点为圆心，向外呈扇面状 地发射超声脉冲和接收间波信号。这种扫查方式的回波信号是极坐标形式的。 图2 4 为这种极坐标形式的采样点与光栅扫描显示象素间的位置关系。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 扇扫回波信号 电视扫描光 栅显示像素 波信号采样 点 图2 4回波信号采样点与显示象素点之间的关系 f i g 2 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep ix e la n ds i g n a l s a m p ii n gp o i n t 从图中可见，信号样本点与显示象素点的位置并不一一对应；相邻扇形 扫查线之间还有很多空缺的显示象素有待填充，这种现象在远场尤为明显。 因此，d s c 设计要解决的两个主要问题是：坐标变换及数据插补。 下面详细分析数字扫描转换器的具体组成结构，如图2 5 所示： 图2 5 数字扫描转换器组成 fig 2 5d s cc o m p o n e n t ( 1 ) 图像存储器 图像存贮器的列地址对应于扇形扫查线的角度序号，而行地址则对应于 每条超声扫查线上的采样点序号。图像存贮器的读写过程为：在显示器行扫 正程显示图像时，存贮器为读状态；在此以外的时间里均置为写状态以更新 图像内容。如下面线形扫查方式时一样，可以使用乒乓操作，这里不再赘述。 但扇形扫查的d s c 存储器也有自己的特定，即对坐标变换而言，根据电 路结构的不同可分为大图像存贮器方案和小图像存贮器方案两类。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 大图像存贮器方案比较宜观。坐标变换电路完成从极坐标( r ，6 ) 到直角 坐标( x ，y ) 的变换，回波数据按照给出的( x ，y ) 地址写入一个与显示象素一一 对应的图像存贮器( 一般为5 1 2 5 1 2 个单元) 中，然后在视频同步信号的控制 下逐行读出图像存贮器，将数据送显示器显示( 其间要经过一个描补电路) 。 大图像存贮器方案存在一些固有的缺陷。其一是所占用的存贮器容量大( 例如 5 l2 5 1 2 ) ，且冗余单元多，实际上图像存贮器中有一部分单元始终是空着的。 其二，采用这种结构时图像后处理的灵活性较差，一旦图像冻结后，就不易 再将显示图像作左右移动或放大缩小等操作。再则，插补电路也难实现高精 度的二维数据插补。 在小图像存贮方案中，存贮器中保存的是最原始的极坐标形式的数据， 其容量一般只需1 2 8 5 1 2 个单元( 1 2 8 条扫查线，每线5 1 2 个样本点) 。在光 栅扫描过程中，显示器上每个显示象素的灰度可以根据此象素的( x ，y ) 坐标通 过坐标变换电路找到其相应的极坐标( r ，口) ，然后从图像存贮器的相应位置上 读出并显示( 其间当然也要经过插补运算) 。这种小图像存贮器方案所需的存 贮器容量一般只是大图像存贮器方案的1 4 。而且由于它保留了全部回波数 据，使得数据插补环节能获得较高的精度，操作的灵活性也较大。 大图像与小图像存贮方案的比较在后文中将详细叙述。 ( 2 ) 坐标变换方式 小存贮器结构的数字扫描转换流程是：在显示器光栅扫描正程期间，图 像显示有效区域内、由显示平面的显示象素点坐标求出其在采样平面内相应 的极坐标及最近邻的( 一点或多点) 样本点坐标再把样本点坐标转化为存贮 平面的地址从存贮平面读出样本值，再经过一个插补过程后送显示器调 辉显示。这是一个由显示平面的直角坐标至采样平面的极坐标，最后由存贮 平面读出采样值的变换过程 ( 3 ) 插补方式 未经插补而直接显示的图像，扫查线之间有较大的间隙使得图像不均 匀，不连续，图像质量欠佳。这是由于扫查线较疏，离开圆心较远处相邻扇 扫线之间的距离会大于一个显示象素的宽度，从而造成扇扫线之间有许多显 示象素是空缺的。在扇扫线最远端，水平光栅扫描线上的两采样点间大约有 4 到5 个空缺象素，如果不将这些空缺填补上，就会使屏幕上显示的图像出 现莫尔( m o i r e ) 图案( 或称莫尔条纹) ，影响图像质量。 插补处理就是根据空缺象素周围的回波信号采样值，计算出二维超声回 波图像在这些空缺位置处实际值的近似值并在显示此图像之前将这些近似 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 值插入到响应的空缺处，使图像均匀连续。也就是说插补过程本质上是一个 图像复原过程。 根据二维抽样定理，对于一幅图像来说，能够用插补方法不失真地填补 上图像空缺点的前提条件是插补前的数字化图像其抽样率高于图像灰度变化 最高频率的两倍。因此，在讨论插补方法前言必要大讨论超声回波图像灰度 变化的最高频率及所需的最低采样率。 2 3 数字扫描转换器的设计方案 下面我们介绍一个可行的d s c 电路方案及在设计上的某些考虑，它采用 垂直放置的显示屏来显示超声图象，这个电路是某些廉价线阵式b 超仪的电 路的进一步简化，如图2 6 。 图2 6 fig 2 6 d