医用超声内窥镜探头设计及实时图像数字扫描变换的研究

摘要

在对消化道病变的诊断当中,单纯根据粘膜表面的形态变化来推断病变情况的方法,存在一定的主观性和局限性.内窥镜超声成像系统可以通过超声扫描,获得较为清晰、准确的消化道器官的断层图像,为医生的对症施治提供了客观的依据.相对于其他成像方式,超声成像具有无创伤、无电离辐射、重复性好等优点.内窥镜超声成像系统的研制工作主要包括探头设计、图像采集和图像处理三个部分的内容.受内窥镜活检通道尺寸的限制,探头的设计面临诸多难题,其中包括微型驱动源和微型高频超声换能器设计.在B型超声机械扇形扫描成像当中,原始图像信号是以极坐标的形式输出的,对图像进行实时坐标变换和漏点插补是图像预处理所要解决的主要问题.通过采用先进的微型超声马达和马达前置的设计方案,该文设计了无电磁干扰、长寿命、匀速、大转矩的驱动源.在换能器设计当中采用复合材料和球面单源的结构形式,为宽带、高灵敏度内窥镜超声探头的研制奠定了良好的基础.该文采用数字坐标旋转(CORDIC)算法将极坐标图像转化为直角坐标图像,并采用三次样条插值的方法对漏点进行弥补.在算法实现过程当中,充分利用FPGA的空间计算能力,设计了流水线式并行处理结构,获得了很高的处理速度.该文搭建了以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心的硬件系统建构,并在该系统当中利用Verilog HDL实现了上述图像处理任务.仿真实验证实,该方法能在保证图像质量的基础上满足实时性的要求.该系统采用512×512大小、帧频15Hz的超声图像,图像从输入到输出的时间延时是一帧时间,相当于67ms,因此,观察超声图像时,人眼基本感觉不到延时的存在,达到了实时性的设计要求.系统的误差来源和图像处理精度的分析结果证明,图像处理精度较高,失真较小.最后,总结了系统的特点,提出了改进的措施和方法.

目录

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第一章绪论

§1.1内窥镜超声成像概述

§1.1.1内窥镜发展简介

§1.1.2超声内窥镜的成像原理与构成

§1.1.3超声内窥镜在临床应用上的优点

§1.1.4超声内窥镜的分类和发展概况

§1.2研制内窥镜超声成像系统的目的及意义

§1.2.1超声探头设计的关键技术及目标

§1.2.2实时数字扫描变换的目的及意义

§1.2.3国内外研究动态

§1.3论文的主要工作

第二章内窥镜超声成像的原理与方法

§2.1超声成像声学、电学原理

§2.1.1超声成像的物理基础

§2.1.2换能器电气模型

§2.1.3 B型超声成像原理

§2.1.4内窥镜超声成像系统结构

§2.2图像数字扫描变换的一般原理

§2.3本章小结

第三章超声探头设计

§3.1超声探头总体方案

§3.2超声换能器设计

§3.2.1高频超声换能器等效模型分析

§3.2.2换能器材料的选择

§3.2.3换能器的结构形式

§3.2.4医用内窥镜超声成像性能参数

§3.3本章小结

第四章数字扫描变换实时算法实现与仿真

§4.1实时图像处理系统

§4.2数字扫描变换器系统结构

§4.3实时数字坐标旋转算法实现

§4.3.1实时数字坐标旋转算法设计

§4.3.2 Verilog HDL语言和Quartus Ⅱ编译仿真工具

§4.4图像漏点插值

§4.5基于MATLAB环境的图像处理仿真

§4.5.1 Matlab简介

§4.5.2仿真结果及比较分析

§4.5.3硬件实时处理算法的软件仿真

§4.5.4基于QuartusⅡ的硬件算法实时性仿真

§4.6误差来源与精度分析

§4.6.1坐标变换精度验证

§4.6.2漏点插值精度验证与误差分析

§4.7本章小结

第五章结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表及录用的学术论文

致谢