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超声成像系统数字扫描变换器

  超声成像系统数字扫描变换器_信息与通信_工程科技_专业资料。超声成像系统数字扫描变换器的结构和功能简介

  超声成像系统 数字扫描变换器 主要内容 ?基本组成 ?图像数字化及A/D转换 ?图像前处理 ?图像存储器 ?图像后处理及D/A转换 基本组成 数字扫描变换器(Digital Scan Converter,DSC) 实质上是一个带有图象存储器的数字计算机系统, 可以用标准电视的方法显示清晰的动态图象,而且 提供了强大的图象处理功能,如图象冻结、多帧存 储、测量计算、放大显示等。 基本组成 DSC基本结构框图 基本组成 ? A/D转换:将视频模拟信号转换成数字信号,即实 现图象数字化。其作用是将代表图象的连续信号 转换成离散信号,以便于数字信号处理设备和计 算机系统对其进行处理。 ? 图象前处理:实现回波幅度深度修正,包括对数 压缩、指数变换、回波幅度深度校正、行相关和 帧相关等。 基本组成 ? 图象存储器:DSC的核心部件,是数字图象处理的 基础,实现超声图象数据的读入、读出。 ? 图象后处理:提高图象清晰度、突出各具有诊断 价值的图象特征。一般包括:灰度修正、灰阶的 扩展与压缩、γ 校正、直方均衡、电子放大与插 行处理以及正/负像翻转等。 ? D/A转换:将数字信号转换成模拟信号,并同时与 电视同步信号合成为全电视复合信号输出。 图象的数字化及A/D转换 ? 图像的数字化 一幅二维的黑白图象中各点的灰度值可用一个二维的 连续函数f(x,y)来表示,其中x,y为直角二维空间域中坐标 系的坐标轴。为进行数字化处理,首先需将此图像在二维空 间域作空间采样,使f(x,y)变为离散f(I,j),i=0,1,2…N-1, j=0,1,2…M-1。为便于讨论取N=4,M=8,f(x,y)=2x+y+2.1。 连续函数f(x,y)的自变量x,y离散处理 图象的数字化及A/D转换 将i,j具体值代入函数f(i,j)后,可得 进行离散化(采样)后得到的离散函数f(i,j)图,还不能进 行计算机处理,还必须进行数字化的第二步,量化。量化即 将函数取值的整个范围均匀地划分为2p个区间,p=0,1,2… 等正整数。而落在某个区间地所有函数值,只用一个区间值 来表示。若取字长G=4bit,则上表可转化为: 图象的数字化及A/D转换 ? A/D转换 将预处理电路输出的模拟信号转换成数字信号。为了 使得A/D转换后输出信号不失真,采样频率必须满足采样定 理。设超声视频信号的带宽为6MHz,则由奈奎斯特采样定理 可知,采样频率至少为输出信号最高有效频率的两倍。因此 采样频率至少要大于12MHz。转换精度视像素的灰阶而定, 通常取4~8位。 图象的数字化及A/D转换 ? A/D转换器的技术指标 ? 分辨率:输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压 的变化量。即A/D转换器的满刻度电压与2n的比值,其中n 为A/D转化器输出数字的位数。 ? 转换频率:A/D转换从启动转换到结束(包括稳定时间), 输出稳定的数字量需要的一定的时间,即A/D的转换时间。 转换时间的倒数即每秒钟完成的转换次数,称为转换频率。 图象的数字化及A/D转换 ? 常用的A/D转换器类型 ? 逐次逼近式A/D转换器(应用最广):它将待转换的模拟 输入信号与一个推测信号相比较,根据推测信号大于还是 小于输入信号来决定增大还是减小该推测信号,以便向模 拟输入信号逼近,当推测信号与模拟输入信号相等时,向 A/D转换器输入的数字就是对应模拟量的数字量。该类A/D 转换器的输出位在8~13位之间,转换时间约为1~200?s。 ? 双积分式A/D转换器:是一种间接A/D转换器,首先将模拟 电压转换成时间的积分,然后用数字计时方法转换成计数 脉冲数,然后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成 二进制代码输出。故双积分式A/D转换时间较长,一般要 大于40~50ms,但由于外接元件少,性能价格比高,因此 应用也十分广泛。 图象的数字化及A/D转换 ? 并行式A/D转换器:转换速度最快,转换原理最直观的A/D 转换器,其转换时间约为20~50ns,因此最适合应用于超 声图象的A/D转换。 ? TDC1014J型集成A/D转换器 TDC1014J是一款常用的并行式集成A/D转换芯片,其 转换频率为25MS/s,完成一次A/D转换的时间仅需40ns,可 用于带宽10MHz以下模拟信号的A/D转换。 图象的数字化及A/D转换 该芯片主要由比较器、编码器和锁存器三部分组成。 输出6位并行数据,具有64级灰度。该芯片使用两组电源供 电(+5V和-5V),外部提供-1V的参考电压,模拟输入电 压0~-1V,输出为二进制码。 图象的数字化及A/D转换 该电路的转换原理最为直观,首先分压电阻网络将基准电压 分为63个比较电平,送入到63个低漂移的差分比较器的输入 端,与加在各比较器另一端的模拟输入信号Vin进行比较。 图象的数字化及A/D转换 当控制端CONVERT为高电平时,将63个比较器的比较结果同 步输出;当CONVERT为低电平时,编码器将这个比较结果进 行编码;当CONVERT再度为高电平时,编码后的6bit数字信 号被储存后输出。 图象的数字化及A/D转换 ? EUB-240型B超仪的A/D转换器 该电路由10B的运算放大器及A/D变换器9B(HA1902)组 成。其基准电压高电平和低电平分别由电位器VR1与VR2获得。 输入视频模拟信号经运算放大器放大10B后输给A/D转换器的 Vin输入端,在CPU转换时钟信号ADCK的控制下,模拟信号转 换成数字信号由DATA3~DATA0输出,并送往下一级缓冲存储 器。 图象前处理 ? 意义 在A/D转换之后,图象存储器之前的一段处理称为图 象的前处理。 ? 缓冲存储器与行相关电路 ? 缓冲存储器 缓冲存储器既作为A/D转换输出数据的缓冲,又是行 相关电路中的一个重要部件。 图象前处理 由于超声波的传播速度有限,因此扫描一行所需的时间总是 固定且较长。图象存储器通常只能利用电视显示的空闲时间 来写入数据,而不能按超声信息采集的速度来写入数据,否 则帧存储器的读写操作时间会发生冲突。采用缓冲存储器是 让缓冲器的写入速度与采集超声信息(A/D转换)速率同步, 即慢速写入,然后在电视显示的空闲时间,以较快的速率将 缓冲器存放的一扫描行的数据写入帧存储器。 图象前处理 ? 行相关电路 对相邻扫描行的对应象素进行相关处理,可以起到平 滑噪声的作用。行相关电路在EUB-240型B超仪中是采用数列 表方法来实现,即在只读存储器中预先写入三种灰度值表格, 分别用DN、DP和(DN+DP)/2来表示。DN为当前象素灰度数据 表,DP为前一行象素灰度数据表,(DN+DP)/2为相关象素灰 度数据表。具体要取出哪种表格,由CPU给出的相关控制码 SECR2~SECR0的状态来确定。 图象前处理 对于EUB-240C型B超仪行相关电路由只读存储器10C,缓冲存 储器9E和10E,数据选择器8C,译码器10D,触发器8M及计数 器9J~9L、10L~10J等组出。 图象前处理 ? 串/并变换和帧相关处理 ? 串/并变换 由缓冲存储器读出的数据,还不能直接送往帧存储器 中。因为读缓冲存储器时每次只能输出4bit的数据(代表一 个象素的灰度值),即缓冲器只能一个一个向外输出数据, 一个个数据是以串行关系出现在数据线上的。因此一般的B 超仪通常在缓冲存储器和帧存储器之间加一个串/并变换电 路,将不同时刻到达的四个串行数据,转换为并行排列的一 组数据,然后再将这组并行排列的数据一次性地写入帧存储 器中。 图象前处理 EUB-240型B超串/并变换电路 图象前处理 EUB-240型B超串/并转换电路同步脉冲时序图 该串/并变换电路由锁存器8D、8E、8F和8G组成,其中8D、 8E由CK1同步驱动,8F、8G由CK2同步驱动。 图象前处理 ? 工作过程如下 ? (1)设在t1之前第一个数 据A(4bit)已经到达8D的D2 端,则在t1时刻CK1上升沿 作用下,数据被存入8D的 Q2端,同时加至8D的D1端。 ? (2)跟随着第二个数据到 达8D的D2端,CK1第二个脉 冲使A存入8D的Q1端,而数 据B则存入8D的Q2端,同时 将B加在8D的D1端,A加在 8E的D1端。 图象前处理 ? (3)跟随着第三个数据到达8D 的D2端,CK1第三个脉冲,使A存 入8E的Q1端,而数据B则存入8D 的Q1端,数据C存入8D的Q2端,同 时将C加在8D的D1端,B加在8E的 D1端,A加在8E的D2端。 ? (4)跟随着第四个数据D到达8D 的D2端,CK1第四个脉冲,使A存 入8E的Q2端,而数据B则存入8E 的Q1端,数据C存入8D的Q1端,数 据D存入8D的Q2端,同时将D加在 8G的D1端,C加在8G的D2端,B加 在8F的D1端,A加在8F的D2 。 图象前处理 ? (5)t5时刻8F和8G同时受触发, 将8F与8G D端的数据A、B、C、D 输至相应的Q端,使A、B、C、D 这四个数据同时出现在16条输出 数据线上,实现数据的串/行转 换。 为使电路可靠工作,CK1和CK2时序的配合上应保持4 倍频率关系。 图象前处理 ? 帧相关处理 为了减小噪声,串/并转换器输出的数据,还需进行 帧相关处理。所谓的帧相关处理是指图象帧与帧之间对应像 素灰度的平滑处理。从数学角度来说,由于叠加在图象上的 噪声是非相关的,其均值为零,如果在相同条件下将若干帧 图象的平均值来表示原图,则可使图象噪声强度减弱。在B 超仪中,一般采用将当前帧与前一帧图象进行相关处理。 图象前处理 ? 其基本过程如下: (1)在超声扫描获得的当前数据(A)到达时,由图象存储 器送出前一帧对应扫描行数据(B)也同时到达; (2)作(A+B)/2运算; (3)在时序脉冲控制下,再将运算结果作为新的图象数据 写入B数据的原存储单元。 根据不同的运算过程,应设计不同的帧相关电路进行相应计 算。 图象前处理 帧相关电路和前后级电路之间的连接如下图所示,前级串/ 并变换电路为帧相关器提供四级数据输出,而帧相关器的输 出与双页存储器相连接。帧相关电路由四路帧相关电路组成, 即一次完成四个象素的相关运算。 图象存储器 图象存储器又称主存储器或者帧存储器,是数字扫 描变换器(DSC)的核心部件,也是数字图象处理的 基础,用以存储一帧或者数帧超声图象数据。其单 帧容量的大小取决于一帧扫描行信息线的多少以及 对探测深度回波进行A/D变换的采样速率。 为了实现实时地采集和显示超声图象,存储器必须 不断地写入采样数据,同时又要不断地从存储器读 出数据以便在显示器上重建图象。在正程显示图象 时,存储器处于读状态,而图象的写入只能在存储 器读出的空余时间进行。 图象存储器 为了协调慢速写入和快速读出的时间上的矛盾,因 此图象存储器采用双页结构,在图象存储器的前面 设置两个容量相同可分别存储一行像素的缓冲存储 器。有了缓冲存储器后,可用较慢的速率将超声采 集的数据写入缓冲存储器,然后在显示的空闲时间 以较快的速率将已存入缓冲存储器的数据(一行数 据)写入图象存储器。 图象存储器 在每次发射之后的接收期,缓冲存储器1以采 样时钟ADCK同步的速率写入当前接收的数据,在写 入的同时,缓冲存储器2读出数据,且读出数据的速 率仅要求与串/并变换率相同,若干次读出的串行数 据经串/并变换后一次写入图象存储器,这就使图象 存储器写数据的时间缩短了若干倍。 图象存储器 当一扫描行像素写完时,缓冲存储器交换工作方式, 以缓冲存储器2写入,缓冲存储器1读出。 图象存储器 图象存储器采用动态RAM,其读出数据也相当慢 (200ns),若将图象存储器一次读出的并行数据, 经并/串变换转换成TV显示所需的串行数据,这样读 完一个扫描行的全部像素所需的时间又可缩短若干 倍。 图象后处理及D/A转换 在图象存储器之后在D/A转换之前的这一段处理可称 为图象的后处理。后处理是以提高图象清晰度、突 出个具有诊断价值的图象特征为目的。 ? 数据插补 ? 图像的灰度处理 ? 直方图处理(直方图均衡) ? 伪彩色处理 经过图象处理后的信号为数字信号,在图象显示之 前,必须进行D/A转换,使之还原成模拟信号,可有 D/A转换芯片完成。 Q&A

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