以图形处理器为基础的超声成像仿真平台

刘永红

吉林省肿瘤医院超声科,吉林长春 130000

1 医务人员要了解超声仿真成像的物理基础

1.1 超声波传播特性

超声波传在播过程中，遇到反射面、障碍物等不同的物体都会发生不同的传播现象，影响超声波传播的轨迹。如果超声波遇到的发射面的面积在各个方向上的长度都远远大于仪器所发出的声波本身的波长，这时超声波便会发生反射，即向某一个统一的方向继续传播。人体内部的结构更加复杂，也更加细致，一些细微的组织结构其长度甚至仅与超声波仪器所发出的波长相当。因此仪器所发出的超声波在前进过程中如果遇到人体的细微组织时便会发生散射。散射是超声波仪器在对人体进行物理检测时最为普遍的物理现象，仪器甚至可以根据散射的情况来定位人体内部的结构组织。

医务人员要了解，由于人体内部的结构复杂，且处在不断的运动和变化之中，所以使用超声波仪器对人体内部进行检测时，超声波的实际散射轨迹也更加多样和模糊，因此在这样的超声波散射活动中建立精准的数学模型相对较难。通常人们通过目标强度、散射系数、散射衰减系数三种参数来表达超声波在人体传播时所形成的散射情况。

从实际的操作情况来看，超声波在体内传播的过程中难免会发生强度的衰减。这主要是由三种原因造成的。首先是由于超声波自身传播时其波阵面并不是沿着统一的大小向前传播而是不断放大的过程。波阵面的放大自然会导致波强的衰减。其次是由于超声波在人体内遇到不同的人体结构组织所造成的复杂的反射和散射。不规则的反射和散射使得超声波波强的衰减加剧。最后一点是人体内部组织结构的吸收。

1.2 声束的物理特性

采用超声波进行人体检测时为了得到更加准确的检测效果需要讲超声波的大部分能量集中在一个规定的区域内，这部分在特定区域内集中的超声波称之为声束。在仪器的实际工作中，仪器设计者需要对光速的形状和宽度两个主要的物理特性进行测量和确定。超声波仪器所发出的超声波的形状尤其是在声束区域内的边界形状以及在距离传感器表面所形成的边界宽度对于仪器研究者而言都是十分重要的研究数据。超声成像设备的单个阵元一般采用声透镜聚焦，换能器线阵一般采用电子聚焦和声透镜聚焦 两种方式。在平行于线阵的方向上采用电子聚焦，在垂直于线阵的方向上采用声透镜聚焦。由于声透镜的声速大于人体组织中的声速，因此采用凹面透镜。

2 医务人员应掌握超声成像仿真平台方案

超声成像方针平台是由超声波声束发射器发射出符合仪器检测标准的声束，经过人体的内部的反射最终形成能够在终端以图像形式显示的图形信号和数据。从整体的结构上来看，超声成像仿真平台通常可以分声场仿真模块、波束形成模块和信号处理模块。

声场仿真模块是整个系统的基础模块。整个仿真平台的基本原理是利用超声波所形成的光速在经过人体时所形成不同的反射信号，根据对反射信号进行分析能够的出人体内部组织结构的基本情况。若想实现超声波的集成波束首先需要有基础性的声场。通过对声场内声波的控制形成检测所需要的基础性声束。声场的产生必须符合相关专业的技术标准并且能够在人体所接受的范围之内，避免对人体造成伤害。由于患者病情和身体状况的差异，声场仿真模块必须能够根据实际的检测需求仿真出频率、强度和波长都不同的超声波，从而实现更加复杂的检测方法。

波束形成模块是对于声场仿真模块所形成的超声波进行集成，按照需要检测的相关标准和要求形成声束。波束是进行人体检测的重要载体，声波波束的形成同样需要符合相关的专业要求。只有在特定要求的条件下，超声波的波束才能够在人体中形成有效、可靠地反射，并且依据反射的波束形成有效的信号从而帮助医生对患者进行检查。如果超声波的波束信号不符合规范的标准，那样便无法在人体形成有效的反射，最终会导致形成模糊或者错误的图形信号，这无疑会严重影响到最后医生的诊断。因此波束形成模块在最终基于声场形成超声波的波束时，必须通过专门的检测，只有在检测时通过了对于波束形状和宽度的检测才能够确定为机器的正常运转，可以进行检测，否则应该给出警告提示，告知操作人员对仪器进行校对和调整。

信号处理模块包括信号的采集、处理和显示三个子模块。信号采集子模块是对于仪器发出的超声波束经过人体反射后形成的波束进行采集和基础校验。也就是信号采集模块需要对于采集到的数据的有效性、准确性和可靠性进行初步的校验。只有当校验通过后，信号采集子模块才会将信号传递给信号处理模块。信号处理模块是对信号进行量化处理，从而使得信号能够被信号显示模块所显示。信号处理模块首先需要对于信号采集模块传递过来的信号进行筛选，根据检测类型的不同而选择不同的信号筛选方式，这样可以使得最终的显示结果更加具有针对性。然后信号处理模块根据检测的相关需要，对信号进行不同类型和不同参数的量化，并将量化后的信号传递给信号显示模块。信号显示模块是要对信号进行最终的处理并显示到专门的终端显示器上。由于要求以图形的形式显示，因此信号显示模块需要对于信号进行转换和处理。经过转换和处理后的信号才能够被图形处理器所接受并最终显示到终端屏幕上。信号处理模块是集成计算机硬件处理、显示和软件筛选、计算的综合性模块，是统一的整体。其中不仅要求硬件具有较高的运算速度，同样要求软件具有高效、科学、合理、严谨的计算方法。

3 进行图形处理器渲染

GPU 虽然可以被用于通用计算，但是其基本任务仍然是进行图形处理和渲染因此在其硬件结构上，对图形渲染和通用计算进行了一定的平衡。有许多功能模块是通用计算所使用的编程模型和图形渲染流程所共用的。下面本文将分析图形处理器的渲染流程。

在三维空间中，顶点是最重要的坐标点，也是最终要的视觉角度和观察点。在图像处理器中，处理器首选需要确定顶点的位置，通过确定顶点的位置才能够实现对于图像中其他内容的表现。显示生活中点、线和面是图形构成和图像表达的基本要素，图形渲染器重仍然是通过这三个基本要素来表达传递过来的相关信号和信息。

Transformation 和Lighting。Transformation 是指坐标系的变换。通过传感器和传输介质传递到图形处理器进行渲染的信号时向量图形。这边是为了方便图形处理器进行坐标变换的渲染。顶点虽然是主要的视角和观察点，但在实际的操作中，观察者需要通过其他的角度进行观察从而能够得出更加全面的数据。因此对于坐标系的变换是图形处理器渲染的有一个主要内容。

View port Transformation（Clipping 和Culling）。坐标的变换是视角转换的基础。通过坐标 变换能够实现在视角变幻时相应的向量发生变化。但要想真正的实现视角转换还需要进行更加细腻的处理。在视线坐标系中，其视野中的空间为三维梯形，因此需要将在此梯形体之外的顶点裁去。之后就可以将此梯形空间转换为一个立方体空间，也即是在屏幕中显示的空间。此时完成了所有的顶点操作。

顶点操作完成之后，图形处理器渲染的基本工作也就完成。接下来是需要根据视图的需要，在顶点之间建立连接线。连接线并不一定全部由直线构成，根据实际的信号情况，连接线可以是由曲线构成。连接线确定好之后相当于图形处理器渲染工作的线条构建基本完成。接下来图形处理器渲染需要对在线条之间围拢形成的平面或者曲面进行表达。点、线和面的表达是一个统一的整体，点用来确定图像的位置，线用来确定图像的结构，面用来确定彼此之间的立体关系。三者必须统一、和谐才能够将要表达的内容完整地表达出来。如果缺乏有效的协调，那线条很可能成为阻碍面表达关系的障碍，过多的点也可能使得线条之间的关系更加复杂。

如在实际应用中，要准确表达出患者身体内部的结构状况。如患者，女，55岁，因右下腹疼痛来院就诊，经图形处理器渲染发现，其甲状腺双侧叶体积增大，右侧叶前后径、左侧叶前后径以峡部前后径都不正常，通过图形处理器渲染，可测到高速湍流频谱、高速低阻抗和高阻抗的动脉频谱，因此，可得结论是单纯性甲状腺肿并峡部低回声结节。

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