凸阵式超声数字扫描变换技术的软件实现

王霞

(山东广播电视大学计算机与通信学院，山东 济南 250014)



凸阵式超声数字扫描变换技术的软件实现

王霞

(山东广播电视大学计算机与通信学院，山东 济南 250014)

摘要：针对B 型超声系统中采用硬件电路完成数字扫描变换缺乏灵活性且成本较高的问题，采用R-theta插补法以及帧相关降噪实现了凸阵式超声数字扫描变换。结果表明，采用本方法能够快速地显示图像，最终图像显示帧频为30 f/s，满足B型超声系统的实时显像要求。

关键词：数字扫描变换; 坐标变换;插补处理;B超

B超的系统原理是超声探头中的换能器按照一定的顺序依次发射和接收超声波，形成一个平面，从而得到一幅二维截面黑白声像图[1]。在这种显示图像为二维图像的诊断设备中，如果将超声回波信号直接显示到屏幕上，会使人眼感到闪烁，尤其在使用凸阵式超声探头扫查时，闪烁感会更加明显，这就需要应用一种图像存储器，位置在超声扫描与图像显示之间，让存入图像数据的速度与超声声束扫查的速度相同，而令读出图像数据的速度适当地提升，采用这种方法就可以令图像稳定地显示。这就是超声数字扫描变换技术[2]。

目前，大多数数字扫描变换还是由硬件来完成的。彭勇等[3]以CORDIC 算法和双线性插值，在 FPGA 中实现。谭震威等[4]同样以FPGA为系统的控制中心，实现了数字扫描变换。随着高速计算机运算和数字信号处理技术的飞速发展，计算机系统的硬、软件性能已经有了大幅度的提高，而且价格越来越低，利用计算机自身的硬件资源结合软件开发技术，超声诊断检测仪的性能将得到大幅度的提高。这样不仅可以节省大量硬件成本，而且增加了系统的灵活性，便于之后的改进和升级。 本文摒弃了传统的硬件实现方式，直接利用计算机自身软硬件编程来实现数字扫描变换。

1凸阵式数字扫描变换技术

关于凸阵式数字扫描变换技术，需要涉及到两个步骤，即超声扫查和显示扫描。其中显示扫描是本文的主要工作，主要包括坐标变换和插补处理两部分。

1.1坐标变换

凸阵式数字扫描变换，其超声前端扫查得到的是极坐标形式的回波信号，而显示器是以直角坐标的形式将数据进行显示的，这就需要将原本的极坐标形式的数据变换到直角坐标系中正确地显示[5]。

图1　坐标变换方案Fig.1　Coordinate transform scheme

如图1中所示，512×512个数据存储在矩阵中，坐标变换首先是取一个极坐标点，即图中的(Xp，Yp)，然后映射到标准投影S平面，并且一部分点会作为之后的插补像素点对S平面得到的图像进行插补，最终图像还需要将坐标原点进行变换才能适应Windows默认的坐标系，最终得到D平面，即为显示在显示器上面的图像。

关于极坐标到直角坐标的变换，直接采用的是公式法[6]，即

(1)

式中，x0、y0是平面S相对于平面D的水平和垂直偏移，需要根据实际凸阵探头的内圆半径以及抽取数目决定具体的值；θ是扫描声束偏转角；r是沿扫描声束矢径上的采样深度。

图2　圆弧插补法Fig.2　Arc interpolation method

1.2插补处理

随着探查深度的增加，相邻扫描线间距变大，以致扫描线之间某些显示像素没有给予回波数据赋值而形成显示器上的“黑洞”显示。许多黑洞云集成“云纹状”的线条，使得图像的质量下降。所以需要利用周围的采样点进行插补来填补这些空白像素点。

圆弧插补即通常所说的二维图像插补，本项目采用的是R-theta插补法[7](图2)。在这种插补方法中，每一个空缺的显示平面上直角坐标形式的像素都是从相邻的极坐标形式的采样数据按照线性插值方法插补出来的。对于二维的超声图像来说，使用弧形插补原则上应该是比较适合的。

凸阵扫查的扫查线是按照等角度增量Δθ均匀分布的，扫查线上采样点按照等间隔Δr均匀分布。设f(x,y)为直角坐标像素数据，s(i，j)为极坐标采样数据，则有

f(x，y)=z(i)(1-θerr)+z(i+ 1)θerr,

(2)

式中，z(i)是第i条声束经线的中值，即

z(i)=s(i，j)(1 -Rerr)+s(i，j+ 1)Rerr,

(3)

(4)

分别为半径方向和角度方向的权重。

将公式(2)和(3)进行合并，得到最终的插补公式

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)

图3　圆弧插补流程图Fig.3　Flowchart of arc interpolation

本文的弧形插补即是根据上述公式实现的。图3所示为圆弧插补的流程图，其中flag为是否为空缺像素的标志。假如凸阵探头的扫查角度是不变的，抽取数目也是不变的话，那么每幅图像中每个被插补点的位置就是固定的，所以插补的点的位置无需每幅图像都计算一次，只需要分别用一个矩阵将Rerr和θerr保存，后续的图像插补点直接取矩阵中的数据进行计算即可。直到扫查的角度以及抽取数目任何一个发生变化，再重新计算存入矩阵。这样一来，只有当参数发生变化时所用时间较长，其余时间会大大缩短，能够满足实时显示的要求。

2实验结果

本文通过上述坐标变换以及插补处理过程，完成了数字扫描变换技术的关键部分，得到以下实验结果，并对结果图像进行了帧相关降噪。

2.1实验结果

圆弧插补后的超声图像如图4所示，抽取数目为16、36。实际上模拟图像是为了边界明显，直接将两轮0～255的按行依次排列的数据进行处理，行为深度，列为角度，而真实的超声系统上传上来的数据并不是按行排列的，而是按照列进行存储的，即列为深度，行为角度，所以，还需要将矩阵转90度再进行坐标变换和数据插补才能够看到正的超声图像。OpenCV有提供此方法的函数cvTranspose[8]：

函数原型：void cvTranspose ( const CvArr * src, CvArr * dst ) ;

src：输入矩阵，dst：目标矩阵。

图4　弧形插补后的超声图像Fig.4　Ultrasonic image after arc interpolation

2.2后期图像处理

对于相对静止的人体脏器作超声扫查时，对所获得的B超图像可进行多幅图像叠加平均处理，使图像上的噪声得到抑制，如图5所示，这就是帧相关技术的思想。帧相关处理是一种多图像平均法，它将同一像素点的前、后几幅图像进行处理，可以取平均值、最大值或新的像素值，用来达到减少噪声干扰的目的[9]。实际项目中取了4幅图像进行平均来减少噪声，动态图效果更加明显。

图5　帧相关对比图Fig.5　Comparison chart of frame correlation

3结语

本文实现了软件化的数字扫描变换，并且最终图像显示帧频为30 f/s，能够满足实际需求。但本文中凸阵诊断的最小深度就是抽取最小时，是512个采样点达到的深度，还可以从这512个采样点再截取小段进行扩展设计，使得超声系统能够进行更加精确的观察。

参考文献：

[1]钱蕴秋，周晓东，张军，等. 实用超声诊断手册[M]. 2版. 北京：人民军医出版社， 2011.

[2]吴水才，杨春兰,白燕萍. 医学超声及应用[M]. 北京：北京工业大学出版社. 2012.

[3]彭勇，陈菲，董万利. B超中数字扫描变换器的 FPGA 设计与实现[J]. 微型机与应用，2013，32(12)：24-26.

[4]谭震威，郑旭生，罗继裕. 医学超声图像数字变换方法的硬件实现[J].科技风，2011(5):61.

[5]冯若，刘忠齐,姚锦钟,等. 超声诊断设备原理与设计[M]. 北京：中国医药科技出版社. 1993.

[6]陈红. 基于Matlab的数字扫描变换器设计[J]. 现代电子技术，2015，38(8)：109-113.

[7]尚兆梅，陈波，彭勇. R-Theta 算法的一种快速实现方式[J]. 科学技术与工程，2010，10(31)：7803-7806.

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

[9]郭德全，杨红雨，刘东权，等. 基于序列相关性的超声图像自适应去噪[J]. 计算机应用研究，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

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2015)04-0107-04

作者简介：王霞 (1989-)，女，助教，研究方向为医学超声图像显示。

收稿日期：2014-12-29

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.020