专利名称：超声成像系统数字化扫描变换方法及实现电路的制作方法
技术领域：
本发明属于超声图象生成及数字化处理技术领域。
数字化扫描变换器是先进的扇形扫描超声成像系统的重要组成部件。扇形扫描超声成像系统在医疗诊断、工业的无损探伤等领域有着广泛的应用前景。在这类成像系统中，一般采用低速的机械扇形扫描来采集信息，并高速地(以电视制式)显示在显示器屏幕上。数字化扫描变换器(简称DSC)就是解决在采样空间与显示空间实现扫描变换的一种先进技术方案。DSC的核心是设置一个贮存器阵列，将低速的机械扫描过程中采集的像素信息数字化后存入贮存体中，同时以电视制式将贮存体中的图象信息读出，高速显示在电视屏幕上。实现DSC技术有三个主要环节1.决定像素在三个空间的分布方式。这三个空间是采样空间Ⅰ(被观察物的断面)，贮存空间Ⅱ(贮存器阵列)和显示空间Ⅲ(显示器屏幕)。2.决定像素信息由一个空间转移到另一个空间时位置对应的规则。3.提供一种电路来实时地完成这种转移。
现有的DSC技术方案主要有二种实现方法，其一，最邻近插值方法，简称NNIA，是使像素在上述三个空间内均按极坐标系排列的一种方法，如
图1(a)所示。该方法中，采样空间的像素均匀地分布在一些射线上，射线在空间的角向分布也是均匀的，所以产生射线的激励脉冲和产生像素的采样脉冲均为均匀脉冲系列，以此构成像素在采样空间的极坐标分布。为了得到像素在贮存空间和显示空间中相同的极坐标分布，像素的转移是按位置对应的原则，即为了决定像素在贮存体中的行、列地址，需要将扫描探头输出的像素空间位置模拟信号数字化并完成由极坐标到直角坐标的坐标变换，对每一个像素，这种变换都包括两次正弦或余弦函数运算和两次乘法，这就要用到8至9位的高速A/D变换器。由于数字化的截断误差，会带来一种“赝象”，消除这种赝象要用到复杂的插补技术，这使可用于A/D变换的时间进一步缩短，而且还会使图象产生附加的畸变，这种DSC方法的电路实现方案相当复杂，而且成本很高。其二，均匀梯型方法，简称ULA，是使像素在采样空间和显示空间按一种均匀梯形坐标系排列，而在贮存空间按直角坐标系均匀排列的一种方法，如图1(b)所示。在该方法中，像素在采样空间中分布在一些角向分布不均匀的射线上，像素在每一条射线上都是均匀分布的，但对不同的射线，像素间的距离不同，从而使所有像素分布在若干等距的等y线上，而且在每一条等y线上，像素均匀分布。因此，在时域上，激励脉冲是不均匀的，对不同射线，采样脉冲的周期不同。为了得到这两组非均匀的脉冲系列，该ULA的实现方案采用了一台频率综合器。采样得到的像素信息转移到贮存空间时，采用下标对应的规则第i条射线上第j个像素的数据贮存于贮存体第i列第j行的单元中，因此像素在贮存空间按直角坐标均匀分布。在这个转移过程中，不需要由像素位置模拟量来计算贮存体的写地址，也不需高速A/D变换。但是，由于在显示空间中，像素的分布必须恢复成均匀梯形。该方案采用了另一台频率综合器，使每一个显示行都分成三部分开始是一段空扫描(不显示数据)，接着是一段显示段，将贮存体内相应行中的数据均取点并加以显示，其后又是一段空扫描。这种ULA方案及其实现方法避免了使用高速A/D变换器和计算贮存体的写地址，插补过程只需在行内进行，也不带来畸变，其优点是明显的，然而两台频率综合器的使用使得其电路仍然很复杂，成本很高。
本发明的目的在于对已有的数字化扫描变换方法及其实现方案进行改进，克服上述方法的不足之处，提出一种新的数字化扫描变换方法，并提供一种实现该方法的简单电路，构成一种具有高的性价比的数字化扫描变换器，特别适用于医用超声图象系统中。并且能方便地装配在原不具有DSC的低档的医用超声成像系统中，使其提高档次、改善性能。
本发明提出一种用于扇形扫描超声成像系统的新型数字化扫描变换方法，包括像素在采样空间、贮存空间和显示空间的空间分布形式以及该像素在各空间之间转移的变换方法，其特征在于使像素在所说的三个空间均按均匀梯形坐标系排列，即利用非均匀超声激励脉冲系列和变周期的采样脉冲系列实现所说像素在所说采样空间按均匀梯形坐标系排列，以及实现所说像素从采样空间到贮存空间再到显示空间转移时均按均匀梯形坐标系排列的变换方法。本发明实现所说的非均匀超声激励脉冲系列和变周期采样脉冲系列的方法是把予先计算出的两个脉冲之间应有的时间间隔存入一个只读存贮器中，然后依次输出，以控制输出脉冲之间的时间延迟。产生所说的非均匀脉冲系列的电路由计数器、只读贮存器、减计数器构成，所说计数器的计数值i选取所说的只读贮存器第i个单元中的数据Ni，Ni是第i个和第i+1个脉冲之间的时间间隔除以主时钟周期的值，所说Ni输入所说减计数器中，在主时钟脉冲的作用下作减计数，在减计数器的借位端输出所说的非均匀脉冲系列。产生所说的变周期脉冲系列的电路由计数器、只读存贮器和n位全加器构成，所说计数器的计数值i选取所说只读存贮器中第i个单元的数据2n/Mi，该Mi是第i组脉冲周期除以主时钟脉冲周期的值，在时钟脉冲的作用下，该数据在所说的全加器中逐次累加，在该全加器的进位端输出所说的变周期脉冲系列。上述方法及实现电路详细描述如下根据均匀梯形坐标系的特点和换能器机械扫描的运动规律，第i个和第i+1个激励脉冲之间的时间间隔△Ti折合成主时钟脉冲周期的个数Ni，把它预先存入一个只读存贮器ROM 1中的第i个单元，依次读出Ni并用来控制脉冲周期，就可以得到所需的激励脉冲系列。这个过程可用图2来说明设计数器1计数值为i(相当于第i条射线)，就在ROM 1中选取第i个单元中的数据Ni，并送入减计数器中，在主时钟脉冲φ1的作用下作减计数，当减计数器中的值减到0时，其借位端输出一个脉冲JL，这样就保证了此脉冲的出现延迟了Ni个主时钟周期，亦即所需的△Ti，因此JL脉冲就可用作激励脉冲，用以控制超声脉冲出现的时间。JL脉冲同时使计数器加1，选取ROM 1中的Ni+1，并经过Ni+1个主时钟周期后输出第i+1个激励脉冲。当主时钟频率足够高时，脉冲间隔△Ti可以控制到足够高的精度。
对第i条射线，两个取样点之间的空间距离和对应的两个采样脉冲之间的时间间隔△ti也是可以预先计算的。因此，原理上也可以利用与图2类似的电路来产生采样脉冲系列。但是，△ti＜＜△Ti，计算△ti中的主时钟周期数Mi时，带来很大的截断误差，并会积累到不能接受的程度。为了解决这个问题，电路框图如图3所示。计数器2对JL脉冲计数得到i，并在ROM2中选取第i个单元中的数据。ROM2的第i个单元中存入的数据不是Mi，而是216/Mi的值(n＝16)。这个值被送入一个16位全加器中，并在主时钟脉冲φ1的作用下，通过一个16位寄存器，把ROM2中的数据(216/Mi)在其中累加。加到其中的值大于216时，其进位端输出一个脉冲C16。输出C16脉冲时，累加过程已经进行了Mi次，所以C16脉冲的时间间隔是所需的△ti，C16即可用作采样脉冲。用这种方法，△ti的误差并不积累，可保证整个图象的畸变不超过一个像素。
JL和C16脉冲分别控制换能器的超声脉冲发射和对回波的采样，就保证了采样空间中像素按照均匀梯形坐标系排列。
本发明所说的像素从采样空间转移到所说的存贮空间的变换方法是使采样空间一条射线上的像素转移到贮存空间时，只能存贮在一条折线上，并使该折线的平均倾斜角θ与所说的采样空间中的射线倾斜角相等，以及根据周围像素值进行线性插补的方法;即根据均匀梯形坐标系的特点，与第i条射线对应的折线可以这样来形成(见图4)第一个采样点存入第一行的中间单元，以后每一个采样脉冲使行地址加1，而每Ei个采样脉冲才使列地址加1。Ei的值决定于第i条射线的偏角θi，是可以预先计算的。用这样的折线来近似实际的射线，误差可以不大于一个像素。这样，贮存体写地址的产生就变得非常简单由采样脉冲C16产生行地址可用一个计数器来完成;每Ei个采样脉冲产生一个列地址加1控制脉冲则可以用与图3完全相同的办法。此时ROM的第i个单元中存入128/Ei的值，累加过程在采样脉冲C16的控制下在一个七位全加器中完成。这样就完全避免了对像素位置模拟信号作高速A/D变换和完成极坐标到直角坐标的变换运算以形成贮存体写地址这样一个复杂而昂贵的过程。所说的像素从所说存贮空间转移到所说的显示空间的变换方法是采用空间位置一一对应原则，因此，实现这种转移只是一种常规操作。
在远离起始点的等y线上贮存行中可能出现没有写入数据的单元，结果是图象中将产生赝象图案。插补技术就是在这种空单元中写入由其周围像素值决定的线性插值。在本方案中，插补只需在行中进行。如果采用128条射线每条射线256个采样点的格式，两单元间需要插补的单元不超出一个。写入的值应为前后两像素值的平均值，对二进制数，这个过程是一次加法和一次移位，过程非常简单，也不带来附加的畸变。
贮存体中写入像素的同时，其中的数据又不断地被读出并以电视制式显示在监视器屏幕上，得到实时的B型显示图像。由于贮存空间和显示空间的像素排列在空间上有一一对应的关系，显示过程只是依次将每个贮存行中的数据取出，显示在对应的显示行上。这是一种常规操作。如果每次机械扫描只对i相同的某一条射线采样，并存入贮存体的一列中，就得到M型显示图象。当写入过程停止时，读出并显示的就是一幅冻结的B型或M型图象，可以对它进行仔细的观察和分析，或输入计算机。
本发明提出的上述方法及实现电路，与已有的NNIA和ULA方案相比，既不需要高速A/D变换器，也不需要频率综合器，而可以用简单得多的电路，普通元件，低廉的成本实现全部DSC功能。因而具有广泛的应用前景。
附图简要说明图1 数字化扫描变换方法中像素在三个空间分布的三种方式，其中(a)为已有的NNIA方案(b)为已有的ULA方案(c)为本发明提出的均匀梯形最邻近插值方案图2 为产生非均匀激励脉冲系列的一种实现电路框图。
图3 为产生变周期采样脉冲系列的一种实现电路框图。
图4 为采样空间第i条射线的像素转移到贮存空间时的分布示意图。
图5 本发明的总体电路框图。
图6 本发明用于扇形扫描超声成像系统的一个实施例示意图。
本发明提出的数字化扫描变换方法的一种实现电路的总体框图如图5所示。
在图5中，时钟发生器产生主时钟脉冲φ1用来同步整个系统的时序。计数器1，ROM1和减计数器产生激励同步脉冲JL，用来控制探头的超声脉冲发射。计数器1的计数值(i)通过扫描同步发生器产生扫描同步脉冲，用以控制换能器的机械扫描，使每一次扫描中发射规定的超声脉冲个数。计数器2、ROM2、全加器2和寄存器2在主时钟脉冲φ1的控制下输出采样脉冲C16。来自换能器的超声回波信号在采样保持电路中被C16采样，经过A/D变换形成数字量并写入贮存体RAM中的指定单元。RAM的写地址由地址形成电路提供，它由C16控制，每一个C16脉冲使行地址加1，而列地址加1的控制脉冲C8则由计数器3、ROM3、全加器3和寄存器3在C16的控制下产生，保证每Ei个C16脉冲输出一个C8脉冲。在RAM被写入的同时，其中的数据也被读出显示，读和写过程的切换由读写控制电路来完成。读地址是在全电视信号形成电路中产生的，被选取单元中的数据经过D/A变换(也在全电视信号形成电路中)变成全电视信号中的模拟视频信号。该电路还产生电视制式的行、帧同步脉冲，与视频信号合成全电视信号，提供给电视监视器。图中没有画出与计算机通讯的接口电路和控制电路。
本发明提出的数字化扫描变换方法用于扇形扫描超声成像系统的一个实施例可由图6说明。该实施例中包括了本发明中所说的DSC，以及脉冲功率放大器，扫描驱动器，电视监视器，和具有扇形扫描机构和超声换能器的一个扫描探头。其工作过程如下扫描驱动器驱动超声换能器作往复的扇形扫描，扫描频率由所说DSC输出的扫描同步脉冲来同步，使扫描过程始终保持所需的运动规律。所说DSC输出的非均匀激励脉冲经过脉冲功率放大器放大，加到扫描中的超声换能器上，使所说换能器在规定的角度上发出超声脉冲，形成该方向上的超声波束(射线)。所说的超声波束透入被观察物的内部，并在材料性质发生突变的地方(例如人体内器官的界面上)产生反射，形成超声回波信号，并输入所说DSC中。所说DSC中产生的变周期采样脉冲对所说的回波信号采样，得到像素强度模拟信号。所说的激励脉冲和采样脉冲保证所有像素在被观察物的扫描断面内排列于一个均匀梯形坐标系中。所说像素强度模拟信号在所说DSC中经A/D变换后写入所说DSC中贮存体的一个单元，所说单元的行，列地址内由所说DSC中的写地址产生电路产生，保证所说像素在贮存体中也是按均匀梯形坐标系分布。在所说DSC中的读写控制电路切换成读状态时，各贮存行中的数据被依次读出，在所说DSC的全电视信号形成电路中经过D/A变换，形成模拟视频信号，并加入行，帧同步脉冲，形成全电视信号，输出到一个电视监视器上，从而在所说监视器的屏幕上显示出被观察物的断面图像。
权利要求
1.一种用于扇形扫描超声成像系统的数字化扫描变换方法，包括像素在采样空间、贮存空间和显示空间的空间分布形式以及该像素在各空间之间转移的变换方法，其特征在于使像素在所说的三个空间均按均匀梯形坐标系排列，即利用非均匀超声激励脉冲系列和变周期的采样脉冲系列实现所说像素在所说采样空间按均匀梯形坐标系排列，以及实现所说像素从采样空间到贮存空间再到显示空间转移时均按均匀梯形坐标系排列的变换方法。
2.一种如权利要求1所述的数字化扫描变换方法，其特征在于实现所说的非均匀超声激励脉冲系列和变周期采样脉冲系列的方法是把予先计算出的两个脉冲之间应有的时间间隔存入一个只读存贮器中，然后依次输出，以控制输出脉冲之间的时间延迟。
3.一种实现如权利要求2所述的数字化扫描变换方法的电路，其特征在于产生所说的非均匀脉冲系列的电路由计数器、只读贮存器、减计数器构成，所说计数器的计数值i选取所说的只读贮存器第i个单元中的数据Ni，Ni是第i个和第i+1个脉冲之间的时间间隔除以主时钟周期的值，所说Ni输入所说减计数器中，在主时钟脉冲的作用下作减计数，在减计数器的借位端输出所说的非均匀脉冲系列。
4.一种实现如权利要求2所述的数字化扫描变换方法的电路，其特征在于产生所说的变周期脉冲系列的电路由计数器、只读存贮器和n位全加器构成，所说计数器的计数值i选取所说只读存贮器中第i个单元的数据2n/Mi，该Mi是第i组脉冲周期除以主时钟脉冲周期的值，在主时钟脉冲的作用下，该数据在所说的n位全加器中逐次累加，在该全加器的进位端输出所说的变周期脉冲系列。
5.如权利要求1所述的数字化扫描变换方法，其特征在于所说的像素从所说的采样空间转移到所说的存贮空间的变换方法是使采样空间一条射线上的象素转移到贮存空间时，只能存贮在一条折线上，并使该折线的平均倾斜角θ与所说的采样空间中的射线倾斜角相等，以及根据周围像素值进行线性插补的方法，所说的像素从所说存贮空间转移到所说显示空间的变换方法是采用空间位置上一一对应的原则。
全文摘要
超声成像系统数字化扫描变换方法及实现电路，属于超声图象的生成及数字化处理技术领域。本发明提出一种使像素在采样空间、贮存空间及显示空间均按均匀梯形坐标系排列的数字化扫描变换方法，并用简单的电路和很低的成本实现了数字化扫描变换器的全部功能。用该方法及其实现电路设计出的数字化扫描变换器广泛适用于医用超声成像系统及无损探伤等设备中，可附加在不具有DSC，只利用模拟技术的设备上，从而提高原有设备的技术指标。
文档编号G01N29/06GK1061477SQ9010901
公开日1992年5月27日 申请日期1990年11月15日 优先权日1990年11月15日
发明者乐光启, 胡修泰 申请人:清华大学