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、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[2]。此外，對于一些新型的運算量較大的圖像處理系統(tǒng)，DSP也能很好地進行擴展，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也能很好地進行擴展[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電路進行數(shù)字變換形成數(shù)字信號,在CPU控制下進一步進行圖像處理，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，每個回波點進行幾何變換需要計算正弦和余弦的值和兩次乘法。
改進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NNIA算法進行幾何變換，需要進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)界公認的處理能力最強的數(shù)字信號處理器,在工作時鐘達到1 GHz時,C64X DSP的信息處理能力最高可達到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。
參考文獻
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