专利名称:超声扇扫成象中的数字扫描变换器的制作方法
本实用新型属电子医疗仪器制造方面的技术。
数字扫描变换器用于医学诊断超声波B型扇形扫描成象系统中。这种成象系统是目前医院中广泛用来进行人体心血管、腹部器官和妇产科等临床无损检查的常用设备，特别是对多种心脏疾病有其独特的、很高的诊断价值。其主要设计思想是参考美国专利“U.S.Patent4，310，907 Jan.12，1982.Tachita et al”。本实用新型对上述发明专利中提出的实现方法进行了改进，並使之具体化。
目前使用的B型扇扫超声成象系统中，超声波束一般按等角速度(或等角度增量)的偏转方式，在约30～100°的范围内对人体进行扫描。从目标反射的回波信号按其强度以不同的灰度在显示器相应位置上进行显示。国内目前生产的成象系统显示装置一般是使显示扫描与声束扫描按同样的极座标形式进行，这样得到的扇形图象是由一根根(约一百余根)辐射状扫描线构成，图象不连续，亮度不均匀，清晰度分辨率较低。多数图象都有闪烁现象。国外近年来对此问题进行了改进，生产出了配有数字扫描变换器的扇扫系统。其数字扫描变换器除本说明书中将要介绍的外，还有如欧洲专利“EP Patent 2，061，30.05.79”、“EP Patent 45，224.03.02.82”美国专利“U.S.Patent 4，241，412.Dec.23，1980”、英国专利“GB2089537，Jun.23，1982”和“CB2114787，Aug.24，1983”等多种。数字扫描变换器将极座标关系获得的数据实时地转换为直角座标关系，並进行插补等处理，使得到的扇形回波图象连续、均匀、清晰、无闪烁，並与标准电视扫描制式兼容。本实用新型数字扫描变换器根据国内情况和特点，对上述技术进行了改进，並已用国内可得到的器件实现之。本实用新型数字扫描变换器与上述主要参考专利“U.S.Patent4，310，907，”(以下称为原专利)相比主要的独特之处有1、由于设计出了独特的发射控制电路，使原专利提出的扫描变换方法可用于机械式探头的扇扫超声成象系统中，这比其它可用于机械式探头的专利中介绍的方法简单。这在国内外是均未见报导的。原专利是针对电子扫描式探头设计的，而这种探头本身以及它的控制电路都比机械式的复杂，按国内目前的情况，加工较困难，成本高。
2、采用了独特的封锁电路对超出最大深度以外的值置为零，减化了扇形形成。
3、几乎不增加器件就可改变最大扫描深度，4、可将扇形图形缩小到屏幕上部，将下部空出来留作M型超声心动图或多普勒血流图的显示。
5、改变了图象存贮器矩阵的存取方式，降低了对存贮器芯片存取速度的要求，可使用在国内廉价易购的低速动态随机存贮器芯片。
6、在显示扇形恢复部分的结构上做了一些改动，使所用器件减少，並且在国内易购。同时提出了具体公式说明恢复扇形图象时数据读出的规律。
7、增加了预处理，后处理，图象数据与计算机的输入输出接口等功能。
本实用新型数字扫描变换器构成的成象系统与国内现已公开报导和生产的产品相比，具有图象均匀清晰，层次丰富，有16个灰阶，无闪烁，图象可冻结，並可对信号进行十几种预处理和后处理。对市售标准电视监视器不需做任何改动就可用作图象显示，得到相当于512×512象素密度的扇形回波图象。与市售电视录像机也可直接相配，记录动态超声图象。配有输入输出接口，以便与计算机连接〔52〕开始减计数，允许锁存器〔47〕将加法器〔48〕输出的数据在信号CP作用下置入，並关闭寄存器〔53〕的输出，开放寄存器〔54〕的输出，打开控制门〔55〕允许显示缓冲器〔46〕的读出数据送出。锁存器〔47〕这时输出为Aoi，加法器〔48〕这时的输出为Aoi＋△Ai。下一个CP信号来时将加法器〔48〕的输出置入47，这使48的输出为(Aoi＋△Ai)＋△A＝Aoi＋2△Ai。这样每来一个CP锁存器〔47〕的输出就增加一个△Ai，即其内容以Aoi为初值，以△Ai为增量不断累加。锁存器47输出的整数部份作为显示缓冲器〔46〕的读出地址。这样就从显示光栅扇形左边缘起从显示缓冲器内已插补好的4N个数据中均匀等分地取出bi个数据送去显示。当第bi个数据送出后，计数器〔52〕正好减至零，这时关闭控制门〔55〕，停止数据输出。水平光栅扫描从上至下一行行进行，就在屏幕上恢复出了均匀连续的扇形回波图象。这里对原专利提出的结构设想做了较大改动，主要是为了简化结构，节省器件，並可使用国内易购的中速器件。
当图3A中多路器〔34〕控制端接到图象缩小信号时，利用其输入端预先接好的顺序，使计数器〔35〕送给图象存贮器〔32〕的读出行地址左移1位，这相当于对计数器〔35〕的输出乘以2，这样图象存贮器〔32〕的读出行地址速度提高了一倍。当电视水平扫描行从上至下只扫到原扇形图象高度的一半时，图象存贮器〔32〕最后一行数据已送来显示了。这就是说在电视屏幕上扇形图像向上缩小到只有原来的一半高。由于在图象存贮器〔32〕内图1中最大深度线C以下部分已存入零，不论扇形图象是否缩小，这部份都不会显示出来，因此扇形图象在显示时下部分为圆弧形。这种缩小功能为一个电视监视器同时显示扇扫图象和M型超声心动图等图象提供了可能。处理，计算出水平相邻两采样点a(i，j－1)与a(i，j)之间图象信号的三个线性插值a′(i，j)＝ 3/4 a(i，j－1)＋ 1/4 a(i，j)，a″(i，j)＝ 1/2 a(i，j－1)＋ 1/2 a(i，j)，a″′(i，j)＝ 1/4 a(i，j－1)＋ 3/4 a(i，j)，将a(i，j－1)与a′(i，j)，a″(i，j)，a″′(i，j)一起顺序存入一长度为4N的高速显示缓冲器中。由于在恢复扇形图象时，各水平光栅扫描线上扇形上部和下部各占的显示象素点数不同，上少下多，则根据第i行水平扫描线与扇形左右两侧交点间的象素点数bi，从上述显示缓冲器中均匀等间隔地读出bi个数值，读出为恒速，与象素显示速度相等。读出数值经D／A变换送到阴极射线管进行调辉，则在电视屏幕上恢复出连续均匀的扇形超声回波图象。
在图3A发射电路〔61〕中，计数器〔10〕在时钟信号CK作用下不断计数，其输出送入电机驱动电路〔4〕，作为机械式扇扫探头〔1〕中电机〔3〕的偏转位置信号。同时计数器〔10〕的输出还作为可擦除可编程只读存贮器EPROM9的地址输入。从EPROM〔9〕中读出的8位二进制数按位代表在计数器〔10〕本次与下次电机偏转位置之间探头 发射的超声脉冲个数和发射位置。EPROM〔9〕的内容经並／串转换电路〔8〕，以8倍于CK的速度按位顺序串行输出，在探头每偏转相对于图1中参考线R等tgθ角度增量时，通过发射／接收电路〔5〕触发压电晶片〔2〕，发射一个超声脉冲。由于EPROM9可擦写，所以可以根据不同探头的具体机械特性，对其存贮内容进行适当调整，达到按上述最佳位置发射，达到发射与探头偏转的最佳配合。这使本实用新型数字扫描变换器有较大的适应性，这是国内外均无报导的。由晶片〔2〕接收到从被检查物体反射的回波信号，通过发射／接收电路〔5〕经放大器〔6〕和检波器〔7〕到达A／D变换器〔30〕。
由並／串转换电路〔8〕输出的时钟信号，同时作为计数器〔12〕的计数脉冲、计数器〔17〕的复位脉冲和锁存器〔15〕的清除脉冲，EPROM〔13〕中存有对应图1中每条发射束U上回波信号的采样时间增量值△Tj，j＝1～N。对于第j条发射声束，△Tj是固定值，而各条之间互不相同，其变化规律为图1中偏转角θ的余弦Cosθ成反比。△Tj值送入加法器〔14〕的输入端口，其另一输入端口与锁存器〔15〕的输出相接。当每个发射时钟信号发出后，锁存器〔15〕和计算器〔17〕的输出均为零，二者经比较器比较相等，比较器输出一信号，此信号作为锁存器〔15〕的更新时钟将加法器〔14〕的输出值△Tj打入该锁存器，计数器〔17〕这时也以信号CP为时钟进行加法计数。锁存器〔15〕这时的输出为△Tj，加法器〔14〕的输出为△Tj＋△Tj＝2△Tj。当计数器〔17〕的输出与锁存器〔15〕输出(△Tj〕再次相等时，比较器〔16〕又输出信号将2△Tj打入锁存器〔15〕。加法器〔15〕这时的输出变为2△Tj＋△Tj＝3△Tj。这样锁存器的内容不断与计数器〔17〕的输出进行比较，每当相等比较器〔16〕就输出一信号，使锁存器〔15〕的内容递增△Tj。这样比较器的输出就是按△Tj为间隔的一串脉冲，它作为A／D变换器〔30〕的采样时钟，对检波后的模拟回波信号进行采样，将其变为6位数字信号。这样采样的结果使图1中各条发射声束U上左右相邻的采样点在空间上成一条与参考线R垂直的直线L。各L线之间距离△Y相等，等于在电视屏幕上显示扇形图象时两水平光栅扫描之间所代表的距离，且每条L线上采样点距相等。改变EPROM13的深度选择信号，可使其输出对应不同最大扫描深度的一组△Tj。这里共有三组△Tj可选，分别对应最大扫描深度为12，16和18cm。
A／D变换器〔30〕输出的6位数字信号送入预处理器〔29〕中。预处理器〔29〕由只读存贮器构成，处理采用查表方式，可对输入信号进行黑白颠倒、对数压缩、指数变换、局部加强或压缩等多种处理。本实用新型有16种，也可扩展到32种或64种，这是原专利没有的，对多种脏器的观察和疾病诊断都有很大价值。由预处理〔29〕输出经过处理后的4位数字信号，送入串／並锁存器〔28〕。在此锁存器内将先后到来的两个4位信号並为一个8位信号，低4位为前一点，高4位为后一点，送到暂存器〔26〕、〔27〕的入口处。
二选一多路选择器〔20〕的两路输入端一路接比较器〔16〕的输出，另一路接比较器〔16〕经过2分频器〔21〕的时钟信号。计数器〔21〕的输出送到双路交换器〔25〕的一个输入端口，其另一个输入端口接计数器〔33〕的输出。双路交换器〔25〕还有两个输出端口，其功能是可将其输入端的两组数据相互对调输出，相当于一组双刀双掷开关。计数器〔33〕的时钟为信号L经过2分频器〔37〕的信号。来自时钟源〔1〕的信号L的周期约为电视光栅一行扫描时间的N分之一。信号L作为触发器〔38〕的时钟，控制图象存贮器矩阵〔32〕交替读写。计数器〔33〕和计数器〔12〕的输出分别作为图象存贮器〔32〕行列的写入地址。T触发器〔18〕每当来一个发射脉冲时钟就翻转一次，控制双路交换器〔25〕将两路输出对调，此两路输出分别送至暂存器〔26〕和〔27〕，作为它们的读或写地址。来自计数器〔33〕的为读地址，来自计数器〔21〕的为写地址。暂存器〔26〕和〔27〕的容量各为M／2字节，每字节8位。当一个暂存器从串／並锁存器28的输出顺序写入第j条发射声束线上的采样点时，另一暂存器则将已存满的第j－1条发射声束线上的采样值顺序读出，经控制门〔13〕送入图象存贮器〔32〕作为其写入数据，低4位写入图2中的奇数行，高4位写入图2中的偶数行，按顺序写入。暂存器〔26〕、〔27〕的读写每来一个发射时钟信号交换一次。
如果多路器〔20〕的控制端(称为深度减半信号端)，使其输出选为比较器〔16〕的输出信号，则计数器〔21〕的计数速度提高一倍，並控制串／並锁存器〔28〕直接将一个4位输入同时作为低4位和高4位並为一8位信号输出。写入暂存器〔26〕或〔27〕的速度这时也提高一倍。这样存满暂存器〔26〕或〔27〕只需原来前一半的采样点，而采样频率没变。这相当于最大扫描深度减少一半而扇形大小並未变，即相当于图象放大。这样可将原深度(12，15，18Cm三档)变为6，7.5，9Cm三档。这只用很少器件就实现了深度变换，並且不必对A／D变换器〔30〕速度上提出更高要求。这样做並没有损失实际超声图象的分辨率，因为一般常用超声探头的轴向分辨率为1mm左右，而对应6，7.5，9Cm三档的采样分辨力为0.23，0.29，0.35mm，完全满足要求。这也是原专利没有的功能。
EPROM〔23〕中存有图1中各条发射声束U在最大深度弧线C以上的采样点数，其输出与计数器〔33〕的输出进行比较，当后者大于前者时，比较器〔24〕的输出将封锁控制门〔31〕，使其输出为零。这样在图2中相应于图1中最大深度弧线C以下部分采样点的存贮单元内均存入零，如图2中阴影部分所示。这是原专利没有的。这有利于简化扇形图象缩小电路，在实现时EPROM〔23〕並非为一单独的存贮器，而是与EPROM〔13〕合在一起，以节省器件。
图象存贮器〔32〕为512行×128列×4位的数字存贮器矩阵，如图2所示，由16片16K×1的动态MOS存贮器芯片构成。数据按列的顺序两两写入(一次写入8位)，按行的顺序两两读出。读写交替进行。由于采用了本实用新型这种扫描变换方法和上述读写方式，降低了对图象存贮器容量和读写速度的要求，使容量只有通常的四分之一左右；读写电路也大为简化，在芯片电路的安排上采取了一些措施，省去了刷新电路。为了使超声成象系统能与外部计算机连接，进行数字图象处理和识别，本实用新型还为图象存贮器〔32〕配上了图象输入输出接口〔60〕。这是原专利没有的。
图象存贮器〔32〕的读出行，列的地址分别由计数器〔35〕和〔36〕提供。多路器〔34〕的作用后边将提到。由时钟源〔11〕来的电视场扫描同步信号VS作为计数器〔35〕的复位信号，行扫描同步信号HS分别作为计数器〔35〕，〔36〕的时钟和复位信号。计数器〔36〕的时钟来自2分频器〔37〕的输出。从图象存贮器〔32〕中一次读出的8位数据为图1中水平线L上相邻的两个采样值a(i，j)，a(i，j＋1)，分别送入插补器〔63〕中的锁存器〔40〕和〔41〕。锁存器〔39〕中存有上一次读出与a(i，j)左侧相邻的采样值a(i，j－1)。a(i，j－1)和a(i，j)在运算单元〔42〕，〔43〕，〔44〕中运行得到四个输出，其中除a(i，j－1)本身外，另三个为a′(i，j)＝ 3/4 a(i，j－1)＋ 1/4 a(i，j)，a″(i，j)＝ 1/2 a(i，j－1)＋ 1/2 a(i，j)，a′″(i，j)＝ 1/4 a(i，j－1)＋ 3/4 a(i，j)。以计数器〔36〕的输出为高位地址将这四个值顺序存入显示缓冲器〔46〕中。在信号L的作用下将a(i，j)移入锁存器〔39〕中，将a(i，j＋1)移入锁存器〔40〕中，重复上述运算，得到a(i，j)，a′(i，j＋1)，a″(i，j＋1)，a″′(i，j＋1)，接在a″′(i，j)之后顺序存入显示缓冲器〔46〕。在下一次从图象存贮器〔32〕中读出新的数值並写入锁存器〔40〕〔41〕的同时，将原锁存器〔40〕中的a(i，j＋1)移入锁存器〔39〕，作为再一次重复上述插补过程中新的a(i，j－1)。
显示缓冲器〔46〕由两组高速随机存贮器构成。每组容量为4N×4位。两组存贮器中一组进行写入时，另一组进行读出。每来一个HS信号T触发器〔45〕翻转一次，将原来写入的组改为读出，已读出的进行新的写入。显示缓冲器〔46〕的读地址由图3B中的锁存器〔47〕提供。
在图3B中，EPROM〔49〕内存有供在标准电视监视器上恢复扇形图象的有关数据。在电视水平光栅扫描每行开始前，由置数控制器〔50〕根据计数器〔35〕提供的地址，从EPROM〔49〕中将该行需要的有关数据分别置入可预置减法计数器〔51〕、〔52〕和三态输出寄存器〔53〕、〔54〕中。计数器〔51〕中置入从该水平光栅扫描行左边起到显示扇形左侧边缘与该行相交处的显示象素点数Ci。计数器〔52〕中置入显示扇形左右边缘与该水平扫描行两交点之间的显示象素bi。寄存器〔53〕中置入值为Aoi＝ (2n)/(bi) 。寄存器〔54〕中置入值为△Ai＝ (4N)/(bi) 。该水平扫描行开始扫描后，计数器〔51〕以来自图3A中时钟源〔11〕的12.5MHZ(每个显示象素的输出频率)象素时钟信号CP为时钟进行减计数。当计数器〔51〕未减到零禁止计数器〔52〕计数，並开放寄存器〔53〕的三态输出端，而关闭寄存器〔54〕的输出，同时置锁存器〔47〕为零，並关闭控制门〔55〕不便显示缓冲器〔46〕的输出数据送出。加法器〔48〕这时的输出为寄存器〔53〕中的内容Aoi。当计数器〔51〕减至零后则停止计数，同时允许计数器进行图象处理，最大扫描深度有6，7.5，9，12，15和18Cm六档可调。由于采用了标准电视光栅扫描制式(625行50场隔行扫描)，为字符，曲线图表等显示和自动距离、面积测量提供了方便。对目前国内已生产的机械式扇扫成象系统无需作很大改动就可与本扫描变换器相配，实现老产品的更新换代。稍做修改也适用于电子扇形扫描的超声成象系统。
附图1为探头发射超声束和信号采样位置关系图，是本实用新型数字扫描变换器的基本变换原理示意图。
附图2为采样数据在图象存贮器矩阵中存入读出顺序和相对位置关系示意图。
附图3A为本实用新型数字扫描变换器信号获取、存贮及插补处理部分原理框图。
附图3B为本实用新型数字扫描变换器扇形图象恢复及信号输出部分原理框图。
图1中常规的机械式摆动或旋转探头的压电晶片，在以O点为圆心连续匀角速度摆动或旋转的过程中，数字扫描变换器控制晶片在相对于参考线R等tgθ增量位置处发射超声波束U，並接收回波信号。对此信号按与Cosθ成反比的时间间隔进行采样並经A／D变换得到数值a(i，j)，i＝1～M，j＝1～N，对图1中最大深度弧线C以外的采样值令为零，这里M为声束线上的采样点数，这里为512；N为在扇扫范围内(这里为79.5°)依次发射的超声束数，这里为128。这样使采样点a(i，j)的空间位置在水平方向与电视光栅扫描线重合，並且每行上的采样点都是按等间隔分布。得到的a(i，j)沿列的方向依次存入－512行×128列的图象存贮器矩阵中，如图2所示。
数据从图象存贮器中按行的方向读出。对读出数据首先进行插补这是原专利中所没有的。
由控制门〔55〕输出的扇形图象信号与灰阶发电器〔58〕产生的灰阶信号(可在屏幕左侧显示一条灰阶等级图)，经迭加器〔57〕合为一复合信号，送入后处理D／A变换视频混合器〔56〕。在此混合器中将从时钟源〔11〕来的电视复合同步信号CS、复合消隐信号CN与迭回器〔57〕输出的图象信号合成在一起，经后处理、D／A变换变为模拟视频信号。这个峰值为1V的正极性标准全电视信号经75Ω同轴电缆可送入电视监视器、录象机等进行动态超声回波图象的显示与记录。混合器〔56〕的后处理功能是通过调整改变D／A变换的16个权重，达到对16个灰度的亮度进行任意调整，从而可根据显示器发光特性及照像感光材料的特性，对亮度进行非线性校正，即所谓“伽玛校正”，分别达到人眼观察和照像灰度层次的最佳水平。本实用型的后处理亮度非线性校正曲线形状任意可调，曲线数量可根据需要增加。这些是原专利没有的。
以上各部份中除了明确指出与原专利不同之处和增加了多种功能外，在许多地方或多或少地从结构上对原专利进行了改进。其目的一方面是使结构更合理，更接近实用；另一方面是为了降低对实现器件的要求，使所有使用器件都能在国内市场上买到，便于国内实现和生产，並降低成本。
权利要求
1.将极座标扇扫形式接收到的超声回波信号变为可供在标准电视上作光栅扫描显出直角座标形式的数字扫描变换器，由电机驱动电路，信号获取、存贮、插补处理、扇形图象恢复及信号输出诸电路组成，其特征在于用固化在只读存贮器中的位置控制探头压电晶片在与参考线成等正切角度增量方向上发射超声波束，使水平方向直线与扇扫中各超块束交点间距离相等；每一射一超声波束后，根据固化在只读存贮器中与参考线夹角的余弦成反比的时间间隔值，对回波信号进行采样，使各条发射声束线上左右相邻的采样点排成间隔相等与参考线垂直的直线；有一个M行N列的数字存贮器矩阵，其中M为在每一发射声束方向上对回波信号的采样点数，N为在扇形扫描范围内发射声束数；对采样后得到的数字信号经只读存贮器按查表方式进行预处理；采样后得到的数字信号经暂存器两两按列顺序写入数字存贮器矩阵，并按行的顺序两两读出，且读写交替进行；在数字存贮器矩阵中按行读出的水平相邻两回波采样信号值之间用数字加法器进行三点线性插值，并将原信号与计算出的三个插补值一起顺序存入显示缓冲器；根据固化在只读存贮器中的数据按预先定好的方式等速地从显示缓冲器中等间隔地顺序读出其中数值恢复扇形图象；用权重可调数模变换器将显示缓冲器中读出的数值变为模拟量视频全电视信号，并进行亮度非线性校正。
2.根据权项1所述的数字扫描变换器，其特征在于用计数器，只读存贮器和二进制并行串行转换器实现二进制位标志发射位置。
3.根据权项1所述的数字扫描变换器，其特征在于用存在只读存贮器中预先计算好的时间增量不断累加比较来实现对回波信号采样，用改变增量值实现改变最大扫描的深度。
4.根据权项3所述的数字扫描变换器，其特征在于由只读存贮器，数字加法器，锁存器，数字比较器和计数器实现时间增量的累加。
5.根据权项1所述的数字扫描变换器，其特征在于采用只读存贮器，数字比较器实现使最大深度弧线以外的存贮器矩阵送入值为零。
6.根据权项1所述的数字扫描变换器，其特征在于将预处理后4位采样值两两合并为8位，通过两组暂存器，一组将此8位信号写入，另一组将前一条声束线上已采到的采样值送入存贮矩阵，和通过适当封锁此送入的采样值使超出最大深度弧线以外的送入值为零来实现对存贮器矩阵的读写，并使存贮器矩阵读出行地址乘以2来实现将显示扇形的高度缩小为原来的二分之一。
7.根据权项1所述的装置，其特征在于采用两组寄存器，数字加法器和锁存器实现用累加值整数部分作为显示缓冲器读出地址。
8.根据权项1所述的装置，其特征在于用两组可预置减法计数器实现允许和结束从显示缓冲器读出数据。
9.根据权项1所述的数字扫描变换器，其特征在于采用一个二进制输入值权重分别可调的数模变换器对输入的扇形图象数字信号进行数模变换，并通过分别调整各权重得到所需的非线性亮度校正特性，变换后的模拟视频信号送电视监视器阴极射线管调辉。
专利摘要
超声扇扫成象中的数字扫描变换器，属电子医疗仪器制造方面的技术。用于医学B型超声扇扫成象系统中，将探头以极座标形式按等正切角度增量方式接收的超声回波信号，按与接收偏角余弦成反比的时间间隔进行采样，经存贮、线性插补和选择读出等处理后，将回波信号以直角座标形式送到标准电视监视器进行光栅扫描显示，恢复出象素密度为512×512点，并有16个灰度等级的扇形回波图象。
文档编号G01S15/00GK85200048SQ85200048
公开日1986年2月19日 申请日期1985年4月1日
发明者翁力, 沈力鸿 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan