Цифроваяобработка УЗ изображения
Первым этапом любойцифровой обработки аналоговых сигналов является их аналого-цифровоепреобразование.
Произведем оценку необходимойскорости такого преобразования для целей визуализации УЗ изображения. Допустим,что максимальная глубина локации составляет 200 мм, а количество отсчетов вдоль луча равно 512. Тогда полное время движения луча (туда и обратно)будет равно
Тл = /> мкс,
а время, необходимое дляполучения одного цифрового отсчета
Тотс = 270/512= 0,53 мкс.
При меньшей глубинелокации, например, 50 мм (исследование щитовидной железы) время одного отсчетасократится до 0,13 мкс, что соответствует частоте преобразования 7,7 МГц.
Такую высокую скоростьпреобразования обеспечивают АЦП параллельного преобразования. Они выпускаютсяшести- и восьмиразрядными с частотами преобразования от 20 до 100 МГц.
Соответственно длязапоминания цифровой информации требуется память с 6-битной или 8-битной(байтной) организацией ячеек. Как уже отмечалось раньше, изображение обычноформируется из 512 /> 512 пикселов с количествомградаций яркости 26 или 28. Выпускаются также и16-разрядные АЦП параллельного преобразования.
Темпы формирования одногокадра УЗ изображения сравнительно невелики. Выше говорилось, что секторныемеханические датчики имеют скорость качаний около 10 1/c.
Электронно-управляемыелинейные и конвексные датчики, в принципе, могли бы обеспечить более высокийтемп сканирования, однако он жестко определяется глубиной локации и количествомэлементов пьезорешетки.
Например, при количествеэлементов 256 и глубине локации 200 мм общее время сканирования, т.е. времяодного кадра УЗ изображения, составит ориентировочно />мс. Следовательно, частота УЗкадров будет равна примерно 14 кадров/c. Как видим, темпы формирования УЗ изображения датчиками ниже 24 кадров всекунду и если их не изменять при выводе на экран, то будут наблюдатьсямерцания изображения.
Для исключения этогонедостатка оперативную память делают двухступенчатой: первая ступень – буфернаяпамять, вторая ступень – экранная. В буферную память записывают цифровуюинформацию в темпе сканирования используемого датчика. Затем информацияпереписывается в экранную память и далее выводится на экран в темпе кадровойразвертки монитора – 60 — 70 кадров/c.
Еще одной специфическойпроблемой цифрового преобразования УЗ сканеров является получение изображенияот секторного (механического или конвексного) датчика в естественной секторной форме.Для этого нужно привести в соответствие полярную систему цифровых отсчетов,присущую секторному датчику, и прямоугольную, в которой работает системастрочно-кадровой развертки монитора.
Поясним сказанноерисунком (рис.1). Слева показан кадр УЗ изображения. По сигналам, поступающимот датчика углового положения, производится пуск УЗ лучей и их подсчет, т.е.указывается дискретное значение угла.
Вдоль каждого луча спомощью АЦП делаются цифровые отсчеты эхо-сигнала, и каждому отсчетуприсваивается номер (дискретное значение глубины). Справа показан прямоугольныйрастр монитора и размещение в нем секторного изображения.
Координаты пиксела Х и Y представляют собой соответственно номеротсчета вдоль строки и номер строки. Как видно из рисунка, точки отсчетов впрямоугольной и полярной системах координат в общем случае не совпадают.
/>
Рисунок 1. Построениевеерного растра на экране монитора.
И они не могут совпадать,так как их координаты связаны иррациональными соотношениями:
/>; /> . (1)
Координаты x и y обязательно должны быть целыми, а r и j, определяемые формулами (1), получаются дробными. Но,с другой стороны, отсчеты r и j, формируемыепри записи в буферную память, также являются целыми числами.
Возникает противоречие.Оно разрешается тем, что инициатором преобразования координат выступаетдекартова система, т.е. система развертки монитора. Она задает координаты x и y, а по формулам (1) вычисляются координаты полярной системы.В наиболее простом случае они округляются до ближайших целых значений.
Однако, в силу того чтомеханический секторный датчик является инерционной асинхронной системой,цифровые отсчеты сигнала для одних и тех же r и j,могут меняться от кадра к кадру, причем эти изменения могут носитьповторяющийся характер. Возникают так называемые муаровые искажения ввиде правильных узоров, которые мешают восприятию изображения. Подобныеискажения появляются на экране телевизора при нарушениях синхронизации.
Для устранения этогонедостатка применяют интерполяцию, или усреднение цифровых отсчетов. Сущностьинтерполяции поясняет рис.2. Точки a, b, c и dпринадлежат полярной системе координат, а точка e – декартовой.
Этими же буквами будемобозначать величины цифровых отсчетов, в этих точках. Координаты точек полярнойсистемы определяются по формулам (1). Из них выделяются целые части r и j, и дробные /> и />. Задача интерполяции заключаетсяв том, чтобы по известным отсчетам a, b, c, d полярной системыполучить отсчет е декартовой системы. Для частного случая расположения точки е,показанного слева, величина е зависит только от а и b: e = a(1-Dj) + bDj.
/>
Рисунок 2. Интерполяцияцифровых отсчетов.
Понятно, что если точка енаходится посредине между точками а и b, то отсчет е равен их полусумме. В общем случае, показанном справа,информация, которая должна быть присвоена точке е, определяется отсчетами всехчетырех точек полярной системы:
/>. /> (2)
Коэффициенты при отсчетаха, b, c, d называютсякоэффициентами интерполяции. Благодаря процедуре интерполяции осуществляетсяплавный переход по яркости от точке к точке в декартовой системе координат,т.е. на экране монитора, и тем самым исключаются муаровые искажения. Вычислениясогласно алгоритму (2) в конверторе выполняет специальное устройство,называемое интерполятором. В него входят преобразователь координат,перемножающие устройства, к нему же можно отнести и буферное ОЗУ.
Причем, буферное ОЗУсостоит из двух идентичных половин. Это сделано для упрощения и ускоренияпроцесса записи-считывания: когда в одну половину идет запись информации отдатчика, то из другой половины производится ее считывание в экранное ОЗУ.Аналогично организована и экранная память: она также состоит из двух половин, икогда в одну половину идет запись из буферной памяти, из другой производитсявывод информации на экран.
Так как обработкаинформации идет в темпе реального времени, то все вычислительные операции,связанные с интерполяцией, выполняются аппаратными средствами, ибо даже самаябыстродействующая ЭВМ не успеет это сделать программным способом.
Например, преобразованиекоординат и вычисление коэффициентов интерполяции в алгоритме (2) производитсяс помощью ПЗУ, а операции умножения – специальными микросхемами цифровыхперемножителей. Все описанные выше сложные преобразования не требуются прииспользовании линейных датчиков, так как они органично вписываются в системудекартовых координат и работают совершенно синхронно с системой разверткиизображения на экране.
Конвертор изображенияпредставляет собой устройство, состоящее из большого количества узлов смногочисленными связями. Поэтому рассмотрим его по частям, причем в основномуделим внимание особенностям, связанным с применением датчиков для угловогосканирования. На рис.4 показана часть структурной схемы, в которой отраженаадресация памяти, преобразование координат и вычисление коэффициентовинтерполяции.
/>
Рисунок 3. Формировательадресов памяти и преобразователь координат.
Рассмотрим, какпроисходит формирование адресов памяти и преобразование координат прииспользовании секторного механического датчика. Запись в буферное ОЗУпроизводится под управлением счетчиков СТr и СТj.
Допустим, что числоотсчетов по глубине равно 512, а по углу – 256. Тогда счетчик СТ/>должен быть9-разрядным, а СТj — 8-разрядным.Кроме того, счетчик СТjдолжен быть реверсивным. Его направление счета переключается специальнымсигналом DIR, указывающим направление движенияПЭП (например, DIR = 1 – прямойход, а DIR = 0 – обратный). Этот сигнал поступаетот системы управления. Счетчик СТ/>тактируется импульсом «Запуск»,поступающим от блока управления секторным датчиком.
При этом счетчикформирует номер луча. Счетчик СТ/>тактируется импульсами WR, которые начинают поступать сразупосле прихода сигнала «Запуск».
Счетчики СТХ и СТY поставляют адреса для ПЗУ ROM1, в котором хранятся значения />и />, и дляэкранного ОЗУ. Счетчик СТХ тактируется импульсами RD системы управления через схему И. Если формат изображения наэкране равен 512/>512, то счетчики СТХ и СТY могут быть 9-разрядными.
Однако в данном случае СТY – 10-разрядный. Десятый разряд Q9 используется для блокировкиэлемента И после 512-го импульса на входе С. Все счетчики сбрасываются в нольпо сигналу «Кадр», означающего начало формирования кадра.
По адресам Х и Y ПЗУ ROM1 выставляет на выходе два двоичных числа, которыесодержат целые и дробные значения /> и j. Например, под целую часть r может быть отведено 9 старшихразрядов, а под дробную – 4-6 младших разрядов (это зависит от желаемойточности). Так как для интерполяции данных необходимо четыре отсчета в полярнойсистеме координат, то кроме адресов /> и /> требуются еще адреса r + 1 и j + 1. Они формируются с помощью сумматоров(инкременторов) «+1», которые представляют собой отдельные микросхемы. Дробныечасти /> и Dj служат адресами для ПЗУ ROM2, по которым на его выходывызываются коэффициенты интерполяции.
Не все поле из 512/>512 пикселовбудет занято секторным изображением. Для гашения изображения в соответствующихместах экрана на четырех выходах ROM1при определенных сочетаниях адресов /> и /> формируются специальные импульсыгашения. Полученные таким образом адреса r, j, r + 1 j + 1 и коэффициенты интерполяции используются дляуправления блоком интерполяции, который рассмотрим в виде отдельной структурнойсхемы (рис.4).
Этот блок состоит изчетырех идентичных каналов, в каждом из которых содержится два ОЗУ RAM1 и RAM2 с одинаковым объемом памяти. Таким образом, общийобъем буферной памяти равен 8-кратному объему, необходимому для записи одногокадра.
Такое решениеобъясняется, во-первых, принятым принципом записи –считывания (в одно ОЗУ идетзапись данных АЦП, из другого – считывание в экранное ОЗУ) и, во-вторых,необходимостью одновременного доступа к данным четырех точек полярной системы.Вариант использования только одной пары ОЗУ потребовал бы разделения доступа повремени и применения сверхбыстродействующих микросхем, что, впрочем, вряд ли помоглорешить проблему.
Рассмотрим работу одногоканала (первого) интерполятора. Он состоит из двух половин, которые работают винверсных режимах, задаваемых сигналом DIR. В одну из половин записываются данные от АЦП, а издругой данные считываются для интерполяции. Допустим, что действует сигнал DIR, соответствующий прямому ходу (DIR =1). Мультиплексор MS1 при этом включен на пропусканиеадреса Аr,jRD.
Рисунок 4. Блокинтерполятора.
/>
Он поступает на адресныевходы RAM1. Схема И1 не пропускает сигнал WR и тем самым переводит RAM1 в режим чтения. Регистр RG1 находится в третьем состоянии, арегистр RG2 активизирован и фиксирует данные,считанные из RAM1 по адресам Аr,jRDи передает их на вход перемножителя.
Мультиплексор MS2 включен на пропускание адреса Аr,jWR, который поступает на адресные входыRAM2. Схема И2 разрешает прохождениесигнала WR, управляющего записью в RAM2. Регистр RG3 фиксирует данные АЦП, которые передаются на вход данных RAM2. Регистр RG4 находится в третьем состоянии. При действии сигнала DIR, соответствующего обратному ходу (DIR = 0), функции половин каналаинтерполятора становятся инверсными.
Работа остальных каналовинтерполятора протекает аналогично. Отличия состоят в подаче других адресовчтения, коэффициентов интерполяции и сигналов гашения.
На рис.4 указаны толькоэти отличия. Результаты преобразования отдельных каналов суммируются, иокончательный результат интерполяции поступает на экранное ОЗУ, куда онзаписывается по тем же адресам X,YWR, которые использовались дляпреобразования координат. Таким образом, произошел переход от эхо-изображения вполярной системе координат, которое получается при угловом сканировании, кпрямоугольной системе координат, в которой строится изображение на экранемонитора.