摘 要: 超聲診斷儀對(duì)分辨率和實(shí)時(shí)性的較高要求，使得采用DSP算法成為提高儀器整體性能的關(guān)鍵。結(jié)合超聲診斷儀圖像形成原理，研究實(shí)現(xiàn)了圖像幾何變換的多種算法，并通過(guò)搭建DSP模型進(jìn)行仿真，對(duì)運(yùn)算量等可行性指標(biāo)開(kāi)展比對(duì)分析。優(yōu)選出R-Theta算法，使圖像實(shí)時(shí)性和分辨率得到有效的保證。
關(guān)鍵詞: 超聲診斷; 幾何變換; DSP; 圖像處理
B型超診斷儀是運(yùn)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(lái)顯示回波信號(hào)的強(qiáng)弱，反射回的時(shí)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(chēng)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(yùn)算量和圖像處理的實(shí)時(shí)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(yùn)算量大、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、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(shí)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(shí)用性強(qiáng)[2]。此外，對(duì)于一些新型的運(yùn)算量較大的圖像處理系統(tǒng)，DSP也能很好地進(jìn)行擴(kuò)展，從而使高速B超圖像處理系統(tǒng)得到廣泛的使用。對(duì)于一些新型的運(yùn)算量較大的B超圖像處理系統(tǒng)，DSP也能很好地進(jìn)行擴(kuò)展[3]。
1 圖像的幾何變換
一個(gè)完整的B超系統(tǒng)如圖1所示[4]。
當(dāng)B超探頭獲得激勵(lì)脈沖后發(fā)射超聲波，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲，再由探頭接收反射回的回波信號(hào)，探頭接收反射回來(lái)的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、對(duì)數(shù)放大等信號(hào)處理[5]，由DSC電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號(hào),在CPU控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理，再同圖表形成電路和測(cè)量電路一起合成視頻信號(hào)送給顯示器形成B超圖像，也稱(chēng)二維黑白超聲圖像。B超的超聲探頭按形狀通?？煞譃榫€陣式和凸陣式。線陣式和凸陣式均用亮度表示回波信號(hào)的強(qiáng)弱，反射的時(shí)間長(zhǎng)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(lái)的信號(hào)為一個(gè)矩形，通過(guò)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(hào)為一個(gè)扇形的信號(hào)，需對(duì)它進(jìn)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(hào)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(chēng)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(cè)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(lèi)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(duì)應(yīng)圖像存儲(chǔ)器的列地址，每條掃查線上的樣本對(duì)應(yīng)圖像存儲(chǔ)器的行地址，采樣值依次寫(xiě)入圖像存儲(chǔ)器。
凸陣式扇形掃查的回波信號(hào)為一個(gè)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(diǎn)與光柵掃描顯示像素的位置關(guān)系。從圖3中可見(jiàn)，B超所采集到的回波信號(hào)為一個(gè)極坐標(biāo)形式的扇形面，而顯示器的像素分布為一個(gè)直角坐標(biāo)的矩形。同時(shí)，從圖4中可以看出信號(hào)采樣點(diǎn)與顯示像素點(diǎn)的位置并不一一對(duì)應(yīng)，相鄰掃查線之間還有很多空缺的像素點(diǎn)，這種現(xiàn)象在遠(yuǎn)場(chǎng)尤為明顯[6]。設(shè)計(jì)DSP算法，根據(jù)空缺像素周?chē)幕夭ㄐ盘?hào)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(shí)，B超檢查對(duì)于圖像的質(zhì)量以及實(shí)時(shí)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(chǔ)器字長(zhǎng)越長(zhǎng)（字長(zhǎng)越短，則圖像數(shù)字化時(shí)的量化誤差和量化噪聲均加大）,對(duì)相同大小的一幀圖像所需存儲(chǔ)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(shí)間加長(zhǎng)，使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到保證。而且，算法的復(fù)雜度和運(yùn)算量也將直接影響到圖像的實(shí)時(shí)性。因此，必須通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的DSP算法以及運(yùn)算精度來(lái)保證變換后的圖像的分辨率和實(shí)時(shí)性。
2 圖像幾何變換的DSP算法研究
B超是一種分辨率和實(shí)時(shí)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(yùn)算量會(huì)有很大的差異,運(yùn)算量越大，圖像越清晰，處理時(shí)間越長(zhǎng)?，F(xiàn)代DSP算法就是在分辨率和運(yùn)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(yùn)用直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)之間的幾何變換關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。凸探頭采集到的信號(hào)為一個(gè)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(guò)極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的變換關(guān)系，可得到每個(gè)回波信號(hào)在顯示器上的對(duì)應(yīng)值：
通過(guò)這種算法，每個(gè)回波點(diǎn)都能求出相應(yīng)的像素值并進(jìn)行填充,而對(duì)于給定夾角的扇形，回波點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圖像可以預(yù)先計(jì)算出來(lái)，而且采用這種算法簡(jiǎn)單直觀。分析其運(yùn)算量，從算法上看，假設(shè)總共有X個(gè)回波點(diǎn)，每個(gè)回波點(diǎn)進(jìn)行幾何變換需要計(jì)算正弦和余弦的值和兩次乘法。
改進(jìn)NNIA算法是在NNIA算法的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,它從像素點(diǎn)反過(guò)來(lái)尋找對(duì)應(yīng)回波點(diǎn)來(lái)對(duì)像素進(jìn)行填充。由于像素點(diǎn)是連續(xù)的，因此每個(gè)像素點(diǎn)都能找到與其相對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)的值，算法模型如圖5所示。
首先通過(guò)極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出像素點(diǎn)在極坐標(biāo)下的對(duì)應(yīng)點(diǎn)P，再找出與P點(diǎn)相鄰的4個(gè)回波點(diǎn)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(shuí)最靠近P點(diǎn)，就將這點(diǎn)的值賦值給P，這樣就完成了極坐標(biāo)對(duì)直角坐標(biāo)值的填充。
該算法運(yùn)用直角坐標(biāo)系下的像素點(diǎn)反回來(lái)找對(duì)應(yīng)極坐標(biāo)下的回波點(diǎn)，且一個(gè)像素點(diǎn)要找到與其對(duì)應(yīng)的4個(gè)相鄰的回波點(diǎn)，運(yùn)算量比NNIA大。若顯示器像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)為X個(gè)，則采用改進(jìn)NNIA算法進(jìn)行幾何變換，需要進(jìn)行兩次正余弦變換和4次乘法運(yùn)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(jìn)NNIA算法的基礎(chǔ)上，消除由于舍入或截?cái)嗨鶐?lái)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(diǎn)對(duì)應(yīng)到極坐標(biāo)形式的回波點(diǎn)。與改進(jìn)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(yùn)算量，若需要確定X個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)有正余弦信號(hào)的變換各一次和6次乘法運(yùn)算。由此可以看出,R-Theta算法的運(yùn)算量是三種算法中運(yùn)算量最大的。
3 DSP實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)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(hào)為256灰度級(jí)的128像素×512像素的扇形數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)采用TMS320C64X系列的DSP。C64X定點(diǎn)DSP是業(yè)界公認(rèn)的處理能力最強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理器,在工作時(shí)鐘達(dá)到1 GHz時(shí),C64X DSP的信息處理能力最高可達(dá)到8 000 MIPS。C64X DSP除了運(yùn)行在高頻率的工作時(shí)鐘外，還利用特殊指令功能在一個(gè)時(shí)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(hào)處理及視頻和圖像的處理。利用DSP的軟件仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真，最后將程序加載到開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，查看運(yùn)行效果，分析成像精度、運(yùn)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(duì)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(diǎn)計(jì)算存在舍入或截?cái)嗾`差。這樣，原先回波點(diǎn)對(duì)像素點(diǎn)的填充可能會(huì)被鄰近回波點(diǎn)的值所覆蓋，圖像就會(huì)丟失信息產(chǎn)生失真。采用改進(jìn)NNIA算法,因?yàn)樗捎玫氖怯上袼攸c(diǎn)對(duì)應(yīng)回波，則每個(gè)像素點(diǎn)都能找到與其對(duì)應(yīng)的像素值，不會(huì)出現(xiàn)像素點(diǎn)無(wú)值的情況，所以也就不會(huì)出現(xiàn)NNIA算法中出現(xiàn)的空缺像素點(diǎn)的情況。但由于算法本身的原因，相鄰4個(gè)回波點(diǎn)之間可能包含多個(gè)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，即一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)像素點(diǎn)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(lái)不便。R-Theta有效地避免了改進(jìn)NNIA算法中的一個(gè)像素值對(duì)應(yīng)多個(gè)像素點(diǎn)的情況，也就不會(huì)產(chǎn)生亮斑。
采用R-Theta減小了舍入誤差和截?cái)嗾`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(yùn)算量最大，但在現(xiàn)如今的DSP運(yùn)算條件下，實(shí)驗(yàn)證明，采用R-Theta完全可以實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示，并且圖像的質(zhì)量也得到了有效的保證。同時(shí)，算法很好地保留了原始信息，便于實(shí)現(xiàn)圖像的后續(xù)處理。
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