（机械制造及其自动化专业论文）数字b超诊断系统接口设计与图像处理研究.pdf

摘要 摘要 b 型超声诊断仪是当前应用最为广泛的医疗影像设备之一，是人体内部脏器造 影的首选医疗仪器。随着微电子技术和电子器件的发展，b 超诊断系统的全数字化 研究已成为当前的主流研究方向。对于实时数字超声成像系统而言，前端硬件超 声采集电路、接口通讯和图像增强是保证仪器性能的关键技术。接口通信的传输 速率直接决定系统实时性的实现；图像增强技术可以在一定程度上减少因衰减或 噪声而导致的图像质量下降问题，直接影响系统最终视觉效果和医疗诊断准确性。 本文重点开展了提高接口传输速率和增强超声图像质量方面的研究。首先， 根据系统对实时性的要求和成本上的考虑，比较了几种常见的总线接口方式，选 择了u s b 2 0 总线协议，并利用c y p r e s s 半导体公司的u s b 微处理芯片 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 实现了该接口。而后，在上位机中以v i s u a lc + + 为平台进行了图像 增强处理技术研究，主要分为以下三个方面：图像的“矩形扇形转换，利用改 进的二次线性插值算法实现了图像的“矩形扇形 转换；空间域图像增强，主要 研究了图像的灰度变换、空间平滑和锐化，对各种滤波器进行了详细的阐述与对 比，从中选择了最有效的处理方法，同时对空间滤波器进行了一些改进；频域图 像增强，利用d a u b e c h i e s 小波基通过二维m a l l a t 小波分解、重构算法实现了图像 的高通和低通滤波处理。 本设计中，基于u s b 2 0 的数据接口实现了较高的速度传输速率，完全满足超 声系统的实时性要求。在图像处理方面，实现了图像的灰度变换、平滑与锐化， 并在试用过程中取得了良好的处理效果。 关键词：b 超，u s b 2 0 ，图像“矩形扇形 转换，空间域图像增强，小波图 像增强 a b s t r a c t a bs t r a c t b t y p eu l t r a s o n i cd i a g n o s i se q u i p m e n t ，o n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm e d i c a li m a g e d e v i c e s ，i st h ef i r s tc h o i c ef o rt h ei m a g i n go fh u m a no r g a n i c w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h ef u l ld i g i t a ld e s i g nh a sb e c o m e t h em a i n s t r e a mr e s e a r c ho ft h es y s t e m t h e r ea r et h r e ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ed i g i t a l r e a l - t i m eb u l t r a s o n i cs y s t e m ，w h i c hh a v ee s s e n t i a le f f e c to nt h ev i s u a le f f e c ta n d d i a g n o s t i ca c c u r a c y , t h eu l t r a s o n i cs i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t , t h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ea n dt h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo ft h e s i g n a lc o l l e c t i o nc i r c u i tw i t hp c i sr e l a t e dt ot h er e a l i z a t i o no ft h er e a l - t i m es y s t e m a n d ， t h ei m a g ee n h a n c e m e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc o u l dr e d u c et h ei m a g i n gq u a l i t yd e c l i n e c a u s e db yt h ea t t e n u a t i o na n dn o i s ed u r i n gt h es i g n a lt r a n s m i s s i o n t oi m p r o v et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t eo fi n t e r f a c ea n du l t r a s o n i ci m a g i n gq u a l i t y , t h i st h e s i sm a d eal o to fr e s e a r c hw o r k f i r s t ，u s b 2 0b a s e do nc y 7 c 6 8 0l3 aw h i c hi s m o r es u i t a b l et h a no t h e rd a t ai n t e r f a c ep r o t o c o l si sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e a l t i m e a n dc o s tr e q u i r e m e n t s a n dt h e n , t h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sc o u l db em a i n l y d i v i d e di n t ot h r e ea s p e c t s ，r e c t a n g u l a r - s e c t o rt r a n s f o r m a t i o n , i m a g ee n h a n c e m e n to ft h e s p a c ea n df r e q u e n c yd o m a i n ，w h i c ha r er e a l i z e do nt h eh o s tp l a t f o r mo fv c + + t h e r e c t a n g u l a r - s e c t o r c o n v e r s i o ni sr e a l i z e d b y t h e i m p r o v e ds e c o n d a r yb i l i n e a r i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m i nt h ei m a g ee n h a n c e m e n tp r o c e s s i n g , a c c o r d i n gt ot h e c o n t r a s to fs e v e r a ld i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d s ，p r o p e rp r o c e s s i n gm e t h o d sa n df i l t e r s h a v eb e e nc h o s e na n di m p r o v e df o rt h ei m a g es m o o t h i n g ，i m a g es h a r p e n i n ga n dg r a y l e v e lt r a n s f o r m a t i o ni ns p a c ed o m a i n d a u b e c h i e sw a v e l e tb a s i sh a sb e e nu s e df o r r e a l i z i n gh i g h - p a s sf i l t e r i n ga n dl o w p a s sf i l t e r i n gi nf r e q u e n c yd o m a i n t h r o u g ht h ev a l i d a t i o nt e s t i n g , t h eu s b 2 0d a t ai n t e r f a c ec a nr e a c hah i g h e r t r a n s m i s s i o nr a t e ，a n dt h ep r o c e s s i n go fi m a g es m o o t h i n g ，s h a r p e n i n ga n dg r a yl e v e l t r a n s f o r m a t i o na c h i e v e sab e t t e re f f e c t ，w h i c hc o u l dc o m p l e t e l ys a t i s f yt h er e q u i r e m e n t o f t h eb u l t r a s o n i cs y s t e m i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：b t y p eu l t r a s o n i c ，u s b 2 0 ，t h er e c t a n g u l a r - s e c t o rc o n v e r s i o no f i m a g e ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，w a v e l e t t r a n s f o r m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子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 确的说明并表示谢意。 签名：兰瑟挺 日期：毋年月乒日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：) 埘6 年6 月尹日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着科学技术的不断进步和临床诊断的需要，人们对无损检查设备的要求越 来越高。而无损伤、灵敏度高、适用范围广、成本低和操作简便等，正是超声诊 断设备所具有的独特优势。特别是高速、大容量和智能计算机技术的快速进步， 更为超声诊断技术的研究注入了巨大的活力，超声波成像技术得到了飞速的发展。 其中，b 超诊断技术是一种经济、实用、可重复、无损伤的检查手段，具有无侵袭、 不影响人体及适应性广的优点。特别是以超声图像技术为中心的b 型超声系统已 成为普遍使用的医学检查手段，在临床各个领域中已成为一种必不可少的设备【l 】。 目前，在我国一万五千多所县级医院中，相当大的一部分医疗装备档次偏低， 许多设备急待更新。五万五千多所基层医疗单位医疗装备不足，医疗器械的更新 和完善已成为当务之急。基层的计生系统服务站，共有四万多台低档b 超，这已 远远不能满足当前需要，近几年内就大约有8 万台以上更新需求。总之，国内b 超诊断仪行业已经成为一个新的经济增长点。据预测，未来几年我国b 超诊断仪 的需求以每年1 0 1 5 的速度增长【2 1 。 但我国b 超诊断仪市场已经形成激烈的市场竞争格局，国际大公司占据了中 国市场中相当可观的份额。国内b 超诊断仪厂商尚处在初步发展阶段，普遍存在 规模小、管理水平低以及缺乏核心技术等问题，短时间内将很难对已经比较成熟 的国外b 超诊断仪厂商构成实质性威胁，国际巨头仍是高端b 超诊断仪市场的中 坚力量。进口的大型彩超已经占据了我国高档b 超的大部分市场。可以说中国的 彩超市场，特别是中高档市场基本是进口品牌的天下。 与发达国家相比，我国医疗器械的技术水平相对较低，产品技术落后，市场 竞争力弱，这是影响我国医疗器械行业发展的一个重要因素。尽管我国b 超诊断 仪行业技术发展很快、产品不断升级，目前在中低档b 型超声设备中，其主要的 性能指标已达到国外同类型产品水平，有能力替代进口产品。但在高端产品b 超 诊断仪及彩超中，差距就比较大了。我国在这方面不仅产品的产量少，而且还有 空白，如全数字化彩超。目前国际趋势是高档、中高档彩超都趋向全数字化技术， 因而我国产品与国外产品还存在较大差距，而且这个差距还在拉大【3 4 1 。 1 电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究背景 1 2 1 超声医学的发展 早在1 9 2 2 年，德国就获得了超声治疗的发明专利。其后，超声诊断技术开始 出现，并获得迅速发展；4 0 年代，超声诊断仪开始应用于临床治疗。最初进入应 用领域的是a 型超声诊断仪，随后又相继出现了m 型超声心动图及连续波超声多 普勒诊断仪，同时开始了b 型二维超声成像的探索。7 0 年代后，数字扫描变换器 与数字信号处理器【5 】( d s c 与d s p ) 的出现，把超声成像技术推向了以计算机数 字图象处理为主导的、功能强、自动化程度高、图象质量好的新水平。这一时期， 以b 型成像为代表的超声诊断技术发展极为迅速 6 1 。 7 0 年代以来，超声血流仪【7 】和双功型超声诊断仪( b 型和d 型相结合的产物， 它利用同一探头既可显示b 型图，又可在图像中任一处取样显示其多普勒频谱) 被推出；各种专用显像设备与多功能超声显像设备日趋进步；超声探头结构及声 束时空处理技术发展迅速，机器更新换代愈加频繁，全数字化电脑超声成像、介 入超声【8 】、三维成像【9 】及超声组织特征提取技术不断取得进展，使整个超声诊断技 术和设备呈现持续发展的热潮【l 训。 在超声诊断技术发展的同时，人们对于超声波在各个结构层次( 分子的、细 胞的、组织器官及生命整体) 的生物体系中的传播规律与相互作用规律进行了广 泛的研究，为医学超声诊断工程的发展提供了必要的物理基础。 1 2 2 图像处理技术研究现状 医学图像处理是数字图像处理的一个重要分支，特别是数字技术的出现，在 降低了成本的同时，大大提高了医疗诊断的准确性。在b 超诊断系统的图像处理 过程中，图形转换和图像增强是其中非常重要的两个内容。 图形转换，主要包括图像的平移、镜像、转置、旋转和缩放等。在超声图像 处理中，图形转换主要目的是通过对图像不同部分的缩放使其更加接近人体的原 始情况，其研究主要是对插值算法的研究。 在传统图像插值算法中，最近邻插值算法较为简单且容易实现，在早期的应 用中比较普遍。但是该方法容易产生明显的马赛克现象。双线性插值法具有平滑 的功能，能有效地克服最近邻插值算法的不足，但会导致模糊图像中的细节。为 了突出图像的细节、增强其边缘，国内外学者经过大量研究提出了很多新的算法。 2 第一章绪论 这些新的算法主要可以分为两类，一类主要是针对原有经典插值算法进行改进， 另一类是根据图像中不同成分之间的边缘信息进行插值。 在针对经典算法的改进方面：1 9 9 8 年l e ec h u l h e e 等人【l l 】将b 样条技术引入 图像插值算法，1 9 9 9 年gr a m p o n i 在双三次插值算法中引入可变距离的概念，实 现了该算法的动态的调整，解决了在图像中的边缘锯齿现象，2 0 0 4 年s e e 1 k h a m y 等人【1 2 】再次对三次插值算法进行了改进，使其在均方误差意义下插值算法误差达 到最小。在根据边缘信息进行插值的算法研究方面：1 9 9 6 年，s e r 西oc a r r a t o 等人 f l3 】提出了基于边缘移动匹配法，利用该算法在一定程度上减少了物体锯齿边缘的 出现，但在处理变化比较平缓的边缘时仍然不能避免锯齿的出现，而且该算法缺 少相应的约束条件，如果扩大边缘检测的范围往往会出现一些虚假的边缘，使缩 放图像出现错误，视觉效果比较差。为了能够更好地处理图像边缘，1 9 9 8 年 a d a m s 1 4 】提出了边缘敏感的插值算法，但是该算法的效果在很大程度上受到凭经 验确定的阈值的制约。2 0 0 1 年x i nl i 等人【l5 】实现了利用局部邻域的统计和边缘信 息对图像进行插值的算法。2 0 0 3 年w e n m i a ol u 等人【l6 】提出一种基于估计值的插 值算法，首先计算目标像素点的估计值，再分别计算其相应四个插值方向上的估 计值，然后将估计值与权值的乘积求和，该算法避免了预先确定阈值的步骤，摆 脱了阈值对插值算法效果的制约。l e iz h a n 窖1 7 】在2 0 0 6 年基于自适应滤波器改进了 ) ( i nl i 的插值算法，并得到了较好的插值效果。 此外，还有基于多核和基于正交变换的插值算法。基于多核的插值方法，就 是在分析图像的局部统计特性的基础上，对整幅图像按像素点灰度值的属性进行 划分，图像中不同的区域采用不同的插值基函数。其主要思想是将图像插值建立 在三类基函数上：一类是常数基，可用于表示灰度变化很小的块状区域；一类是 有方向性的基，用于表示在某方向有较大变化的局部区域：一类是不规则基，用 于表示有边、角等几个大变化的局部图像【1 8 】。基于正交变换的方法中，常用的正 交变换主要有离散傅里叶变换( d f t ) 和离散小波变换( d w t ) 。基于d f t 的插 值算法，其主要思想就是将时域上的插值模型转换到频域上进行处理，且其插值 基函数相应的改为三角函数。而基于d w t 的插值算法【1 9 1 ，主要是由于d w t 的高 频子带代表了图像中的边缘纹理等高频信息，为了较好的保留边缘和纹理，有些 文献提出了在实施i d w t 对图像进行插值前先对d w t 的高频子带进行一定的增 益，以保证不会丢失太多的边缘和纹理信息。 目前，图像插值算法的研究成果虽然层出不穷，但其时间复杂度往往较高且 处理的侧重点也有不同，因此在具体的实践中应谨慎选择。 3 电子科技大学硕士学位论文 在b 超诊断系统中，超声信号在人体内传播、数字量化、传输及成像的各个 环节，都不可避免的会发生衰减或引入噪声从而导致图像质量的下降。因此，在 超声图像处理中，图像增强的目的主要是提高图像的质量，使得超声信号所形成 的图像更加符合人的视觉特性，以便于医生的观察，从而为疾病的准确诊断提供 有力的帮助。如何对这些图像进行处理，以突出图像中的某些特定的信息，同时 削弱乃至滤除其他无用信息，扩大图像中不同物体特性间的差别，改善图像信息 的可懂度，是超声图像增强的主要任务。 为了适应各种应用环境，图像增强往往需要采用多种技术手段进行综合性处 理，而且在不同的用途中其所采取的处理技术也不尽相同。在图像增强处理的过 程中，一般不考虑导致图像质量下降的原因，只针对图像中的各种特征进行选择 性的突出。由于在图像质量方面还没有形成统一评价标准，所以图像增强理论目 前尚无统一的权威性定义，对于各种增强方法只能根据它在实际应用当中的效果 来进行评价。 传统的图像增强的处理方法一般可以分为：空间域图像增强和频率域图像增 强。“空间域 是指图像平面自身，故空间域方法直接在图像所在空间对其像素进 行处理，如灰度变换、直方图均衡化和规定化、图像的空间域平滑和锐化处理、 伪彩色处理等。“频率域 处理技术是建立在图像的傅里叶变换基础上的。频域图 像增强中，首先对图像进行傅里叶变换，然后对其频谱成分进行各种操作，再利 用傅里叶反变换重建图像。通过这种方式，可实现图像的低通滤波f 2 0 j 、高通滤波 器【2 l 】、带通和带阻滤波、同态滤波等增强处理。以上的处理方法主要针对图像整 体的处理，为了加强对图像局部特征的强化，大量算法不断涌现，如局部直方图 均衡化、对比度受限自适应直方图均衡化、利用局部统计特性的噪声去除方法【2 2 1 。 此外，还有一些跨学科综合的图像处理方法，如基于纹理分析的保细节平滑技术【2 3 】 等。 这些传统的图像增强处理方法为提高图像质量发挥着非常重要的作用。然而， 随着对新技术和数学理论的应用以及图像增强技术研究的深入，各种新的图像增 强方法开始大量出现并应用于实际问题的处理中。下面介绍一下其中几个主要方 向上的发展。 在图像增强中变换域增强也具有很广泛的应用，例如傅里叶变换( d f t ) 、离 散余弦变换( d c t ) 、小波变换( d w t ) 等，其中小波是二十世纪九十年代发展起 来的一种图像时频分析工具，它具有“空间域频率域”局部化能力和多尺度 ( 也称多分辨率) 分析的能力。对图像进行多级小波二维变换，即用不同中心频率 4 第一章绪论 的带通滤波器对信号作滤波，使不同频率的信号出现在不同尺度的子带图像上， 通过对这一系列子带图像的处理，就能很好的对原图像中感兴趣的部分进行有针 对性的增强。小波分析在空间域和频率域上都具有非常良好的局部特性，而且通 过伸缩和平移其小波函数可以聚焦到分析对象的任何细节。此外，还有许多研究 成果，如杨煊提出了一种基于方向信息的多尺度边缘检测和图像去噪方法， j e a n - l u cs t a r c k 2 4 j 提出的c u r v e l c t 变换。 数学形态学图像增强方法【2 5 】，主要以图像的形态特征为研究对象，其基本思 想是利用具有一定形态的结构元素去量度和提取图像中的对应形状，以实现对图 像的分析和识别。数学形态学的算法具有天然的并行实现的结构，实现了形态学 分析和处理算法的并行，大大提高了图像分析和处理的速度。其数学基础和使用 语言是集合论，其基本的运算有四种：腐蚀( 或侵蚀) 、膨胀( 或扩张) 、开启和 闭合。根据四种基本运算可以推导和组合成各种数学形态学算法，从而进行图像 形状和结构的分析及处理，如图像增强、图像分割、边界检测和恢复等。 图像模糊增强方法，是一种将模糊集理论引入了图像处理和识别技术的处理 方法。由于图像本身的复杂性和多灰度分布所带来的模糊性，使得利用模糊集合 理论进行图像处理成为可能。图像模糊增强技术进入人们的视野，是从p a l 和 k i n g t 2 6 】开始的，他们率先将模糊集合理论应用到图像增强处理上。到1 9 9 5 年， b o r - t o wc h c n 等人提出了一种基于模糊集的自动直方图修正方法；1 9 9 8 年，有学 者提出了一种基于模糊非线性回归的图像增强方法，应用于遥感图像的边缘增强； 近年来，h a n 提出了模糊彩色直方图的概念，并且成功用于彩色图像的检索； r u s s o 27 】利用模糊集理论较好地解决了冲击噪声对彩色图像边缘检测的干扰问题； 此外，遗传算法、神经网络和模糊集方法三者相结合用于图像增强处理的方法正 在探索之中。 除了上述方法之外，针对不同类型的图像，学者们也研究了许多不同的增强 方法，如图像序列的增强方法、微观电视系统图像增强方法和遥感图像增强方法 左盘 寸。 图像增强的通用理论是不存在的，尤其是当图像为人类视觉解释而进行处理 时，往往由观察者人最终判断特定图像处理的效果。因此，图像增强技术的 探索具有试验性和多样性，增强的方法往往具有针对性。在实际情况中，要找到 一种有效的方法常常必须进行大量的实验，依据图像结构的特点和图像处理的要 求，选用相应的增强方法。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3 研究内容与意义 本文的研究对象是与四川x x x x 公司联合开发的一款全数字b 超诊断仪，主 要任务是研究以p c 为图像处理平台的数字b 超诊断系统其接口技术与图像处理技 术。根据虚拟仪器的观点，以b 型超声诊断系统前端信号采集电路为p c 机的外设， 利用计算机强大的计算能力及现代图象处理的方法来提高超声成像的质量。本文 的图像处理部分主要分为两个方面：图像转换和图像增强。前者主要研究图像插 值算法在超声系统中的应用，后者主要分为空间域和频率域两部分分别进行讨论， 其中，在空间域中的研究主要是对传统经典方法的应用与改进，在频率域中的研 究主要是针对基于小波变换的图像增强。 本文立足于b 型超声诊断系统，主要研究了其通讯接口与图像处理技术。针 对该系统的需要对现有的总线、图像插值算法和图像增强技术进行了甄选和一定 的改进，在保证处理速度的同时提高了图像处理的效果。其中的成果将进一步促 进相关技术在b 超诊断系统中的应用，并对相关领域的研究具有一定的参考价值。 全文章节安排如下： 第l 章，首先介绍了当前我国超声市场的现状与前景，同时简单回顾了超声 医学和图像处理的国内外研究现状。 第2 章，着重介绍b 型超声系统其成像依据及其原理，并讨论其主要参数的 相互关系。 第3 章，主要进行硬件前端与p c 通信接口的设计。对比了几种通信接口的优 缺点，本设计最终选择利用u s b 微处理器芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 设计本b 超系统的通 信接口。 第4 章，进行了超声图像扇形转换，实现了将矩形的原始图像转换为更加接 近实际情况的扇形图像。 第5 章，进行了空间图像增强软件的设计，主要包括图像的灰度变换、直方 图处理、空间域的图像平滑与锐化，同时设计了一种新的空间域图像锐化掩模。 第6 章，主要探讨基于小波变换的图像增强技术，并利用小波变换设计并实 现了图像的高通滤波和低通滤波。 第7 章，对本次设计中的b 超诊断仪的总线接口和图像处理软件的设计进行 了总结，并对下一步的工作进行了展望。 6 第二章b 型超声成像的基本原理 第二章b 型超声成像的基本原理 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，通常应用超声脉冲回波技术。其基本原理是将 一束高频超声脉冲发射到生物体内，超声波在生物体内各组织之间会产生反射、 散射和折射，通过接收和处理这些来自生物体内载有信息的回波，经放大、处理、 显示，获得生物体内组织结构的可见图形。通过图形观察内脏器官的形状、大小、 及各器官的相互位置、器官的活动以及器官内的异物等，从而判断器官是否正常。 随着科学技术的发展，越来越多的高新技术应用予超声医疗设备的研究制造 中，大大加强了其处理和显示生物体内部信息的能力，使其在临床上被越来越广 泛地应用在各科门诊的诊断检查中，成为与c t 、同位素扫描、核磁共振并列的四 大医学成像技术之一。超声成像具有以下两个特点而成为其他成像技术所无法替 代的现代诊断技术：第一、超声波为非电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无 伤害，可经常性地反复使用；第二、超声波对软组织的鉴别力较高，在对软组织 疾患诊断时具有优势。 2 1 超声波理论基础 2 1 1 超声波的定义、特性及其分类 波动是振动传播的过程，激发波动的振动系统称之为波源。根据波的性质可 以将其分为两大类：电磁波和机械波。电磁波是电场和磁场的变化所表征的波， 即交变电磁场在空间的传播过程。机械波则是机械振动在介质中传播过程，机械 波通过介质将振动的形式和能量传播出去，超声波就是一种机械波。 机械波按其频率的高低可分为三种：频率低于1 6 h z 的机械波称为次声波；频 率大于1 6 h z 而小于2 0 k h z 的机械波，因其可以被人们听到，所以称之为声振动， 它所激起的纵波被称为声波；频率大于2 0 k h z 的机械波则被称为超声波。超声波 的频率范围非常宽，但用于医学中的超声波其频率范围一般在2 0 0 k h z 到4 0 m h z 之间，而用于医学成像诊断的超声波其频率一般仅在1 1 0 m h z 之间，其波长在 1 5 0 1 5 r a m 之间。 7 电子科技大学硕士学位论文 超声波本身具有三种特性：方向性，超声波的频率较高，因而波长很短，它 可以沿直线传播，这使得只向某一确定方向发射超声波成为可能；穿透力，超声 波在固体中传播时，能穿透至几十厘米的深度，当它碰到杂质或媒质分界面时， 就会产生明显的反射：衰减特性，超声波在传播过程中，由于本身的扩散及介质 的吸收等原因使得其总声能减少。这三种特性是超声成像的理论基础。 按不同的分类方式可以将超声波分为不同的种类。按质点振动方向和波传播 方向的关系分：可分为横波和纵波两种。横波即介质中质点振动方向与波的传播 方向垂直的波，因为人体软组织无切变弹性，所以横波无法在其中传播。纵波是 介质中质点振动方向与波的传播方向在一条直线上的波，在气体、液体和固体中 都可以传播，所以超声诊断与治疗中常用纵波。按声波阵面的形状分，可分为平 面波、球面波和柱面波。超声诊断中探头发射的超声波在近场可视为平面波，在 远场可视为球面波。按超声波的发射类型分，可分为连续波和脉冲波，在目前的 超声诊断中，只有多普勒血流成像系统中才会利用连续波，其他的一般采用脉冲 波。 2 1 2 超声波在人体内的传播 超声波是一种波动，所以具有与其它波动过程类似的性质：叠加、反射、折 射、散射及衰减等。这里将介绍超声波在作用于人体时，这些性质的具体表现。 波的叠加：当两列声波在同一介质中传播时，如果两列波在空间某处相遇时， 将彼此叠加，相遇处的质点振动为两列声波所引起的分振动的合成，在任一时刻 质点的位移是它们所引起的分位移的矢量和，这就是波的叠加原理。在超声图像 诊疗器械的研制中，往往利用这以特性，使得超声波束在一定深度范围内汇聚收 敛，使其穿透力和回拨强度增加。 波的反射与折射：平面波在均匀介质中传播时，沿其本身传播方向直线行进。 但现实中，超声波不可能一直在均匀的介质中传播。当超声波在非均匀介质中传 播或经过声阻抗不同的介质时，这个具有声阻抗差的界面被称为声学界面。如果 声学界面的尺寸比超声波的波长大很多，则会产生声波的反射和折射现象，当超 声波的传播方向与该界面垂直时折射现象消失。 如图2 1 所示，用p i 表示入射波、p r 表示反射波、p t 表示折射波，它们与法 线所夹的锐角是相应的入射角、反射角和折射角。声波的能量从声学界面处反射 回到原介质所形成的波，成为反射波。反射波的能量主要取决于界面两侧介质的 8 第二章b 型超声成像的基本原理 声阻抗差和界面的大小。当超声波经过声学界面自介质1 进入介质2 时，除形成 反射波的部分外，其余部分能量在介质2 传播过程中由于介质中波速的空间变化 因而导致了传播方向发生变化，这样就形成了折射波，其能量称为透射能量。因 为人体内不同的组织具有不同的声阻抗，所以在超声波在穿过人体脏器时一般会 发生两次反射，因此超声图像中通常利用反射波形成各种不同脏器的轮廓。 法线： 图2 - 1 超声波的反射和折射 波的散射：超声波在介质中传播时，如果介质中含有大量杂乱微小的粒子且 粒子的线度与超声波长具有相同的数量级，则超声波遇到这些粒子后，将使其成 为新的波源向周围发射超声波，这就是超声波的散射。在人体中能够引起散射的 主要有红细胞和脏器内的微小组织结构。前者是多普勒血流仪中形成血流所必不 可少的，而后者则是观察人体器官内部病变所必须的。因此，如果说超声波在人 体内的反射波描述了人体的器官外形，那么散射波则携带了器官内部的结构信息。 波的衰减：所谓衰减，就是超声波在介质中传播的过程中其声强随距离的增 加而减弱的现象。导致这种现象的原因一般有两种：声束本身的扩散和散射、介 质的吸收( 如质点振动引起的摩擦) 。其中介质的吸收是导致超声波衰减的主要原 因。表征介质对某种波的吸收能力的参数为衰减系数，衰减系数一般与波的频率 呈线性关系，因此随着频率与距离的增加，超声波的衰减也在迅速增加。在人体 软组织中，仅有血液和眼球玻璃体液对超声波的衰减比较小，其他组织衰减系数 都比较大。鉴于人体内组织及其衰减机制的复杂性，在超声造影设备的设计中通 常将软组织的衰减系数取一平均值l d b ( m h z e v a ) 。由此系数可知，衰减是 影响超声医疗设备穿透深度的一个重要因素【2 8 】。 根据这些超声波的传播特性，利用不同人体组织的声学特性差异，超声图像 可以区分人体组织与病变的物理性质。如超声经过质地均匀的液性物质( 血液、 胆汁等) 中时无反射现象发生，在图像中呈现暗色；在经过肝、肾等脏器时，因 9 电子科技大学硕士学位论文 其介质比较均匀、反射较少，在图像中呈密集的光点。当这些脏器发生病变时， 必然会影响其在图像中所呈现的内容，而这些异常的变化则为疾病的诊断提供了 依据。 2 2b 型超声成像系统原理 2 2 1 超声成像系统分类 超声成像系统就是利用超声波在人体内部传播时经过不同的声学界面所产生 的反射、散射等声学现象来呈现人体脏器现状的。以成像类型分类，主要分为以 下四种。一维图像显示：它对回波信号实施幅度调制，在显示器上呈现的是脉冲 波形，其幅度代表反射回波的强度，脉冲的位置代表和间距代表了不同声学界面 的位置和间距，利用这种方式成像的超声诊断仪称为a 型超声诊断仪。断层显示： 这种方式对超声回波信号采用灰度调制，即在显示器上利用灰度的大小来表示相 应回波的幅度，从而得到一个人体纵切面的断层图像，利用这种方式成像的超声 诊断仪被称为b 型超声诊断仪( 简称b 超) 。时间运动型：这种方式也对超声回 波信号采用灰度调制，但是探头位置固定不变，显示器的横轴表示时间、纵轴表 示深度，形成的是各个声学界面的活动曲线图，这种成像类型又称为m 型。多普 勒( d o p p l e r ) 型：根据多普勒效应原理，将发射频率与回波频率相比较，在显示 器扇形成人体器官或组织的运动图像，这种成像方式多用于对血流和心脏的检测 2 9 , 3 0 l o 此外，还有一些处于探索阶段的成像技术，如三维超声、四维超声和血管内 超声和超声内窥镜等。三维超声主要两种实现方式：一种是在进行二维超声扫描 的同时，对探头的位置进行测量，在后期处理时，利用此位置信息对图像进行三 维转换；另一种是用二维面阵探头对人体组织进行扫描，获得其三维体积数据， 然后利用计算机进行重建，以获得三维图像。四维超声中，第四维是指时间，故 也被称为实时三维，此种技术是采用三维超声图像加上时间参数，形成三维立体 电影回放图像，多用于妇科，以获得胎儿在子宫内的动态图像。而血管内超声一 般用于心血管疾病的治疗中，主要利用介入技术将探头插入血管内，对血管内情 况进行仔细观察，为介入治疗提供依据。 基于本次设计的内容，所以这里着重介绍b 型超声诊断仪的工作原理，b 超 是目前应用最为广泛的一种超声图像诊断设备。它得到的是人体脏器或病变部位 1 0 第二章b 型超声成像的基本原理 的切面断层图，并且可以进行实时的动态观察。 2 2 2b 型超声诊断系统结构与工作原理 图2 2b 型超声诊断系统原理框图 如图2 2 所示，一个b 型超声诊断系统主要包括这样几个部分，下面将对它 们一一予以介绍。超声探头、高压多路复用开关：超声探头由一组压电换能器构 成的多元超声换能器，主要完成超声波的发射与接收；复用开关主要协调发射与 接收电路，防止高压发射脉冲进入接收电路。发射脉冲发生器：根据控制信号产 生一系列高压发射脉冲，以提高探头所发射的超声波的能量。接收放大器：对传 播过程中衰减的回波信号进行不同程度的增益补偿。波束合成：对回波信号进行 整合，以确定该声束方向上各点的回拨信号大小。信号处理：对原始的超声回波 信号进行对数压缩等前处理。图像处理：根据不同要求，对超声图像进行的处理， 以提高图像的清晰度、突出图像中有价值的特征等。 整个系统其工作流程如下：控制信号发生器根据通道数和扫描顺序产生一系 列具有不同时延的脉冲。这些脉冲经过脉冲发射器进行放大形成高压脉冲，并通 过超声探头转化为能量较高的超声波进入人体。超声波在人体内经过不同声学界 面发生反射、散射等现象，其中部分能量通过回波的形式返回，而超声探头接收 这些超声回波并将其转化为电信号，因为人体软组织对超声的衰减作用，当这些 回拨信号被探头接收到时其能量通常比较低，所以在接收电路中需要将这些由回 波产生的电信号进行放大，并对它们进行波束合成以还原该声束方向上的回波状 态。这样对人体不同的位置和深度的点进行探测，完成探测任务后，将这些回波 信号进行信号处理，这样就可以在显示器上形成了一帧人体脏器超声切面断层图。 但因为信号在传播的过程中会引入这样或那样的噪声，而且图像中人们所关注的 信息不同，所以还需要对图像进行进一步的去噪、增强等处理，这样才能形成一 帧合格的超声图像。一帧一帧连续不断的对人体进行扫描并更新显示的图像，就 l 】 电子科技大学硕士学位论文 形成了动态的人体超声扫描图像。 在每帧超声图像中，x 轴代表了相应的声束扫描位置，y 轴表示该声束的穿 透深度。x 轴的确定依赖于信号控制发生器所控制的发射声束位置，而y 上的各 点的确定则是根据回波信号到达的时间，每一点的值则根据该回波信号的大小来 确定。这样一帧图像才能直观反映出人体内部的情况。 2 2 3b 超声诊断系统的性能指标 衡量一个b 超声诊断仪性能良好与否的参数主要有四个：分辨率、穿透深度、 超声频率和帧频。下面对这四者及其相处之间的影响进行讨论。 分辨率是指成像系统能分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分出来的最小距 离。超声成像的分辨率有两种：横向分辨率和纵向分辨率。前者是与超声脉冲波 束垂直方向上的分辨率，而后者则是沿超声脉冲波束轴向上的分辨率。这两种分 辨率的大小差别很大，一般纵向分辨率总是优于横向分辨率。横向分辨率用于表 示区分处于脉冲束的垂直平面上的两个点的能力，它受到波束直径尺寸的影响， 波束越细，横向分辨率越高，此外还受到换能器的尺寸、形状、发射频率、聚焦 等因素影响。纵向分辨率表示区分处于波束轴上的两个点的能力，它与超声波的 发射频率有关，其理论上的极限值为超声波的半波长。也即超声频率越高，波长 越短，则纵向分辨率就越好。仪器的图像质量主要取决于横向分辨率。横向分辨 率好，图像细节丰富，人体内的小结构就能显示清楚。 穿透深度主要指仪器所发射的超声波束可以穿透并通过回波显示出图像的被 测介质的深度。在超声医学造影设备中，其穿透深度必须能够将所需检测的人体 器官囊括在内，如在腹部一般需要2 0 e m 的深度，而在眼部仅l o e m 就足够了。影 响穿透深度的主要原因是人体软组织对超声波的衰减。提高这一参数的方法主要 有三个：降低超声波的发射频率，但这也降低了图像的纵向分辨率；提高接收机 的灵敏度，但这就要求仪器本身具有足够大的增益的同时还要有极小的噪声；加 大发射功率，但如果超声发射功率过大将会对人体造成伤害。因此，穿透深度的 提高需要综合考量。 超声诊断仪的工作频率其选择主要有两方面的考量：分辨率和穿透深度。前 文已经讨论过：频率越高，分辨率越好，但超声能量衰减加快，穿透深度减小； 反之，则分辨率越差，穿透深度越大。因此计中需要进行综合分析，在分辨率与 穿透深度之间进行合理的折中。 1 2 第二章b 型超声成像的基本原理 帧频是指超声成像系统每秒内可成像的帧数，也称为帧率。图像的刷新频率 在每秒2 5 帧以上时被称为实时成像系统，此时系统可以显示人体脏器的活动情况， 而人眼无法察觉出图像的转换。但超声在人体内的传播特性表明，帧频、声束宽 度和穿透深度三者之间有着相互制约的关系。一般帧频越高就要求形成一帧图像 所用的时间越短；声束宽度越小图像的横向分辨率就越好，但构成一帧图像所需 的声束数就越多；穿透深度除受超声波频率的影响之外，还受到超声波在人体内 往返传播所需时间的制约。换句话说，一味要求高帧频，就必须在穿透深度或形 成图像的声束数之间做出让步。 2 3 超声图像质量评价 超声图像质量的优劣主要取决于两个方面的因素：空间分辨率和清晰均匀性。 有关空间分辨率的情况已经在2 2 - 3 节中讨论过，此处讨论的是另外一个图像质量 评价的因素：图像的清晰均匀性。 图像清晰均匀性，主要包括两点：对比清晰度与图像均匀性。对比清晰度是 指超声仪器可显示出的相似振幅但不同灰阶细微差别的回声的能力，或者说在低 对比度的条件下鉴别软组织类型和分清细微结构的能力。对比度的增加可以通过 增加超声扫描线数和上位机的图像处理来实现。图像均匀性是指整个显示画面的 均匀程度。对于扇形扫描来说，往往通过插值算法来填补未被采样的像素，消除 像素矩阵中的空格，以改善其均匀性。 在超声图像评价中，必须依据人体超声图像的特征。入射人体的超声波经过 许多界面或某个病灶后所产生的回波信号构成了超声切面声像图，这就形成了声 图像的特征。它是超声与媒质之间相互作用的有机产物，可按以下几个方面分类。 根据在图像中显示的灰阶不同，可将回波信号分为强回声、中等回声、低回 声和无回声四种。回声强弱的量度一般以被探测脏器或组织的正常回声为标准， 将病变部位回声与周围正常组织回声强度相比来确定。脂肪组织表现为强回声， 正常肝脏实质表现为中等回声，正常肾皮质表现为低回声，正常充盈的胆囊回声 为无回声。可见，声图像回声的强弱是超声与不同生物特性阻抗的生物材料相互 作用时，依据吸收衰减、反射或散射以及其他形式能量损耗多少的一种客观体现。 按超声回波信号在显示器上形成的光点分布和聚集状态考虑，可将回声形态 分为以下几种：光团，回波信号的光点显示为密集明亮的球状，为实体占位回声 图，此类图像一般为肿瘤或结石等；光斑，回波信号的光点呈现为明亮不规则的 1 3 电子科技大学硕士学位论文 片状灰阶，边缘较为清晰，此形态多为炎症及融合的肿瘤组织；光环，回声信号 呈环形排列，强回声环是一种增强的线性光环，常显示肿块的周围边界，弱回声 环为图像周围的一圈黑暗区，常显示肝内肿瘤的占位病变；光点：回声信号呈现 细小点状，多为o 5 c m 以下的白色强光点散状出现，这是声阻抗相差较大的表现， 钙化点、小结石等都可能有此状态；光带：回声呈现增强的白色线状或带状，多 为韧带、重叠的血管壁或脏器包膜。 按图像中光点的分布情况可分为均匀性和非均匀性，稀疏、密集等不同类型。 均质性分布：