CN101461716B - 一种用于数字扫描变换的帧同步方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数字扫描变换的帧同步方法及其***，其根据回波帧指示信号的状态，将接收到的每一帧回波数据按顺序依次循环写入存储器的多个存储单元中，并在执行写操作期间内根据显示屏刷新指示信号的状态、依据坐标变换后的地址信息依次循环读取每一个存储单元中的每一帧回波数据，进行插值运算后将予以显示。本发明的方法采用硬件存储器时分复用技术来实现DSC帧同步控制机制，从而在原黑白B超诊断DSC硬件平台上，不增加任何硬件资源就能实时快速地实现DSC帧同步机制，同时也可以将该方法应用于彩色B超诊断设备上。

Description

一种用于数字扫描变换的帧同步方法及其***

技术领域

本发明涉及超声诊断***，尤其涉及的是，一种超声诊断***中的扫描变换帧同步方法及其***。

背景技术

超声诊断设备利用超声波在人体中的传播，得到人体组织和器官结构的超声波特征信息，形成各种成像模式显示。在临床实际检查病人时，这些信息实时地显示在阴极射线管(cathode ray tube；CRT)或者液晶显示器(Liquid Crystal Display；LCD)上。人体组织结构几何形状的成像一般采用B(Brightness)模式和彩色血流成像(即C模式)显示。B模式和C模式实时图像形成技术均需要将包含在超声回波信号中的信息进行转换，显示在CRT或LCD上，这种转换称为扫描转换。

目前大多数医学超声设备中的扫描变换采用数字扫描变换技术(digitalscan converters；DSC)，其主要作用是将超声扫描数据变成显示器显示格式，其主要原理是利用探头对超声回波扫描线数据进行重新组织安排并存储，以达到显示器显示格式要求。如图1所示，数字扫描变换DSC由存储器、坐标变换、插值运算三个部分组成。其中，存储器是一块内存，用于存储超声回波数据。坐标变换功能是将CRT或LCD显示屏上的坐标转换成为对应超声回波信号信息的坐标。在检查剖面上得到超声信息通常以极坐标表示，但是在标准电视栅格的显示***上显示像素通常以笛卡尔坐标表示。因此，就需要对数据进行一帧数据进行缓存、并进行极坐标和笛卡儿坐标之间的转换，转换后的数据才能在显示器上表现出很好的效果来。

在超声诊断***中，每个扫描模式下，超声的扫描周期并不是固定的，即在不同的扫描模式下超声回波图像的帧率也是不固定，但是显示器的刷新频率是固定的，所以如果要把超声回波数据图像显示在显示器上，就必须进行帧同步处理。例如，现有技术中存在如下方式，其通过对图像进行缓存、并通过其缓存的读写时序进行控制来实现图像显示帧同步的效果，该方法中虽然解决了显示帧同步问题，但是该方法只能适用于图像格式与显示格式相一致的***中，并不能适用于像超声***中，因为超声***中回波图像格式需要经过坐标变换以后才能变成显示格式。

在超声诊断***中，每条扫描线的扫描周期与扫描模式相关，不同模式下超声回波的帧率不同，而显示器的刷新频率是固定的，所以如果不在DSC处做帧同步处理，最后显示在屏幕上的图像就会出现拼帧的情况，即在两帧不同的图像拼接在一起显示出来。目前，大部分黑白B超设备由于只有简单的单功(单B扫描)或双功(B+M扫描)扫描模式，单B扫描模式下帧率比较快，普通回波帧率可以达到30帧/秒左右，而且由于人体大部分的组织运动比较缓慢，每相邻两帧的图像差异比较小，图像以每30帧/秒的速度在显示器上显示时人眼并不会感觉到有拼帧的效果，所以大部分黑白B超诊断设备中，并没有采用DSC帧同步技术。但是在彩色B超诊断设备中，由于其工作模式复杂，扫描模式众多，经常是多种扫描模式混合进行工作。由于扫描模式众多，导致回波帧率下降，回波帧率最差时只有几帧。这样人眼就很容易在显示器上看到拼帧的效果，降低了图像的显示效果，同时也影响了医生对病人的诊断。

而为了解决上述问题，现有的DSC帧同步技术，大致分为两类，一类是在插值运算以后采用多片存储器进行帧同步处理，该类方法占用了大量的硬件和软件控制资源；另一类是后端采用PC机进行DSC运算，在进行坐标变换完成以后利用显卡缓存实现同步显示技术，这种方式增加了***的负担，占用了CPU和显卡的缓存资源，降低了PC机的处理速度，提高了成本。

可见，现有技术中存在一定的缺陷，需要进一步地改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于数字扫描变换的帧同步方法及其***，其主要应用于超声诊断***中，实时快速地实现了数字扫描变换DSC帧同步机制，不仅可以应用于黑白B超诊断设备上，而且还可以应用于彩色B超诊断设备上。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的帧同步方法，所述方法包括以下步骤：A、接收超声回波数据包，并解析获得回波帧指示信号和回波数据；B、根据回波帧指示信号的状态，将接收到的每一帧回波数据按顺序依次循环写入多个存储单元中，并在执行写操作的期间内，根据显示屏刷新指示信号的状态、以及依据坐标变换后的地址信息依次循环读取每一个存储单元中的每一帧回波数据，进行插值运算后将予以显示。所述步骤B中，所述每个存储单元至少存储一帧回波数据。其中，所述多个存储单元是多片存储器，或是一片存储器上设置的多个存储区。

其中，所述步骤B包括以下步骤：

B1、检测并判断所述回波帧指示信号的每一帧帧起始是否到来；若是，则执行步骤B2；

B2、将当前帧回波数据写入其中一个存储单元中，并在当前回波帧的持续时间内，检测判断所述显示屏刷新指示信号的显示帧起始是否到来；若是，则执行步骤B3；

B3、依据坐标变换后的地址信息，读取记录在前一个存储单元中的上一帧回波数据，并进行插值运算后将予以显示；

B4、返回步骤B1，并依次在由多个存储单元形成的闭合循环圈中执行循环读写操作。

其中，所述步骤B利用三个存储单元执行回波数据循环读写操作。

基于上述方法，本发明还提供了一种数字扫描变换***，所述***位于超声信号接收电路和显示设备之间，其包括插值运算模块和坐标变换模块，所述***还包括：多个存储单元和一帧同步控制器；所述帧同步控制器的读地址输入端与坐标变换模块的输出端相连，用于获取坐标变换后的地址信息；所述帧同步控制器的超声回波数据输入端连接所述超声信号接收电路的输出端，所述帧同步控制器的显示屏刷新指示信号输入端连接所述显示设备，所述帧同步控制器与所述多个存储单元相连，用于根据回波帧指示信号控制回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中，并根据显示屏刷新指示信号控制循环读取所述多个存储单元中的数据，将读取的数据送入所述插值运算模块中。

其中，所述帧同步控制器包括：存储区选择控制器，该控制器与所述显示设备相连，用于检测判断所述回波帧指示信号和显示屏刷新指示信号的状态，并生成存储区写片选信号、读片选信号；写地址发生器，用于接收所述存储区写片选信号，并生成写地址数据；读地址发生器，用于接收所述存储区读片选信号和来自所述坐标变换模块的地址信息，并生成读地址数据；存储器读写控制器，该控制器与所述超声信号接收电路相连，用于根据所述写地址数据将回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中，并根据所述读地址数据循环读取所述多个存储单元中的回波数据。

其中，所述帧同步控制器还包括：一数据包解析模块，该模块与所述存储区选择控制器、存储器读写控制器和超声信号接收电路相连，用于解析所述帧同步控制器获得的超声回波数据包，并将解析获得的所述回波帧指示信号送入所述存储区选择控制器中，将解析获得的回波数据送入所述存储器读写控制器的数据传输端。

其中，所述多个存储单元包括：多片存储器，或一片存储器中设置的多个存储区。

其中，所述帧同步控制器采用可编程逻辑控制器件来实现，并由可编程逻辑控制器件对存储器进行分区。

其中，所述***中包括三个用于循环读写的存储单元。

发明效果：本发明提供了一种新的数字扫描变换帧同步方法，该方法采用硬件存储器时分复用技术来实现DSC帧同步。本发明通过对多个存储单元(如多片存储器或一片存储器上设置的多个存储区)进行循环读写操作，来实现了一种图像坐标变换缓存与图像同步缓存复用的控制机制，其不仅可以应用于黑白B超诊断设备上，而且还可以应用于彩色B超诊断设备上，适应多扫描工作模式的需求。

本发明根据不同的扫描模式下超声扫描周期不固定的特点，以回波帧指示信号的帧起始(即上升沿或下降沿)为依据，执行回波数据的写操作，从而适应多扫描工作模式的需求；本发明还根据显示设备的刷新频率固定不变的特点，以显示屏刷新指示信号的帧起始(即上升沿或下降沿)为依据，在执行回波数据写操作的同时执行其读操作，并且每个存储单元只存储一帧回波数据，从而保证了每次屏幕刷新显示都是一帧完整的回波数据，解决了因为超声***中因为回波帧率与显示帧率不匹配而造成的显示拼帧和帧不同步的问题。

与现有技术相比，采用本发明的方法，最少可以只利用三个存储单元进行循环读写控制，便能实现帧同步；并且通过对两个帧同步信号进行判断，控制存储单元的读写，彻底实现了帧同步的目的。而且，采用本发明的方法可以根据数据源帧同步信号，自动与显示器场频相匹配，不需要要其他额外控制。如果本发明的多个存储单元采用在一片存储器上设置多个存储区的方式，则可以在原黑白B超诊断DSC硬件平台上，不增加任何硬件资源就能实时快速地实现DSC帧同步机制。

基于上述方法，本发明还提供了一种新的数字扫描变换***，其在原有结构的基础上增加一帧同步控制器，其结构简单，成本低，而且可以应用于彩色或黑白B超诊断设备上实现DSC帧同步机制。本发明的***可以利用可编程逻辑控制器件(如FPGA)实现帧同步控制器的功能，对存储器的分区处理以及读写控制，其应用方便简单、可操作性强、成本低，并且不需要额外再利用PC机的缓存进行同步处理。

附图说明

图1为现有技术中数字扫描变换内部结构的示意图；

图2是本发明的DSC帧同步控制的数据流控制结构示意图；

图3是本发明的帧同步控制器的结构示意图；

图4是本发明的回波数据写入存储器状态图示意图；

图5是本发明的读存储器时序控制示意图；

图6是本发明的存储器循环读写操作的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明的技术方案。

如图2和图6所示，本发明提供了一种用于数字扫描变换的帧同步方法，其根据回波帧指示信号的状态，将接收到的每一帧回波数据按顺序依次循环写入存储器的多个存储单元中，并在执行写操作的期间内根据显示屏刷新指示信号的状态、依据坐标变换后的地址信息依次循环读取每一个存储单元中的每一帧回波数据，并将读取的数据进行插值运算后将予以显示。在这里，多个存储单元可以是多片存储器，或是一片存储器上设置的多个存储区，如果是一片存储器上设置的多个存储区，则可以直接对原有的数字扫描变换***中的存储器进行分区处理，并标记予以区分。而且每一个存储单元至少能存储一帧回波数据。上述回波帧指示信号和回波数据通过接收并解析超声回波数据包后获得，这里可以按常规的解析手段处理超声回波数据包。

在图6中给出了根据回波帧指示信号的状态和显示屏刷新指示信号的状态，对各个存储单元执行循环读写操作的具体过程，如下：

110、检测并判断所述回波帧指示信号的每一帧帧起始(即上升沿或下降沿)是否到来；若是，则执行步骤120；若否，则等待并返回步骤110；

120、将当前帧回波数据写入其中一个存储单元中，并在此期间，即在当前回波帧的持续时间内，检测判断显示屏刷新指示信号的显示帧起始(即上升沿或下降沿)是否到来；若是，则执行步骤130；若否，则等待并返回步骤步骤120；

130、依据坐标变换后的地址信息，读取记录在前一个存储单元中的上一帧回波数据，并进行插值运算后将予以显示；

140、返回步骤110，并依此在由多个存储单元形成的闭合循环圈中执行循环读写操作。

如图2所示，本发明基于上述方法，还提供了一种数字扫描变换***，该***位于超声信号接收电路和显示设备之间，其包括插值运算模块220和坐标变换模块230；所述***还包括：多个存储单元和一帧同步控制器240；该帧同步控制器240位于超声信号接收电路、坐标变换模块230和存储器210之间，用于接收超声回波数据和坐标变换后的地址信息，并对多个存储区域进行循环调用读写，其连接关系如图3所示。这里的多个存储单元可以是多片存储器，或是一片存储器上设置的多个存储区(如图2所示，在原有的存储器210基础上划分了多个存储区，并分别标记为存储区0、存储区1、存储区2、存储区3......存储区n)。

如图3所示，帧同步控制器240的读RAM的低位地址坐标输入端与坐标变换模块230的输出端相连，帧同步控制器240与存储器210相连，帧同步控制器240的超声回波数据输入端连接所述超声信号接收电路的输出端，帧同步控制器240的显示屏刷新指示信号输入端连接显示设备；依据上述本发明的方法思想，帧同步控制器240根据回波帧指示信号控制回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中，并根据显示屏刷新指示信号控制循环读取所述多个存储单元中的数据，将读取的数据送入所述插值运算模块230中，从而实现了帧同步机制。

上述帧同步控制器采用可编程逻辑控制器件来实现，如FPGA，并通过可编程逻辑控制器件对原有***的存储器进行分区，然后根据前端回波帧同步信号以及显示器的帧同步信号循环调用存储器210中的各个分区，从而达到帧同步的目的。如图2所示，存储器210可以被分成4个区，各个区域可以独立存储数据，其中，一个存储区用于存放静止图像数据，另三个存储区用于执行回波数据循环读写操作；也可以被分为5个区，利用其中的三个存储区域用于循环读写，另两个存储静止图像数据，实现多屏显示。本发明多个存储单元的最优设置是，设置三个用于循环读写的存储单元，也就是说，设置三片存储器，或者在一片存储器上设置三个存储区，用于循环读写。与现有技术相比，采用本发明的方法，最少只需要利用三个存储区域进行循环调用读写，就可以达到帧同步，从而减少了硬件资源和软件控制资源。

从上述结构可以看出，本发明可以在由FPGA构成的B超DSC的基础上通过编程实现上述帧同步控制器的功能模块，并依此对原有的存储器进行分区控制，在实际运用时对每个存储区域进行分时复用，从而实现DSC帧同步的机制。相对于现有技术而言，没有增加额外的硬件资源，而且结构简单、易操作。

下面再结合图3详细说明上述帧同步控制器的内部结构。

上述帧同步控制器240可以包括以下几个部分：

存储区选择控制器241，该控制器与显示设备相连，用于检测判断回波帧指示信号和显示屏刷新指示信号的状态，并根据判断结果确定当前回波数据该写入哪个存储区中，同时确定当前应该从那个存储区中读出数据用来显示，之后输出存储区写片选信号、读片选信号。存储器选择控制模块241是整个帧同步技术的关键，其输入两个帧指示信号，输出存储区读写片选信号。

写地址发生器242，用于接收上述存储区写片选信号，并生成存储器的写地址数据，该地址信息是用于将回波数据以极坐标的模式写入存储器中；

读地址发生器243，用于接收上述存储区读片选信号和来自所述坐标变换模块的地址信息，并生成存储器的读地址数据，这里来自所述坐标变换模块230的地址信息是，经过坐标变换后，显示设备的直角坐标所对应的的极坐标地址信息，所以读地址发生器243输出的也应是用于读取存储器中数据的极坐标地址信息；

存储器读写控制器244，该控制器与所述超声信号接收电路相连，用于根据上述写地址数据将回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中，并根据上述读地址数据循环读取所述多个存储单元中的回波数据。

上述结构中，存储器选择控制模块241是整个帧同步控制器240的关键，它控制着整个存储区进行循环读写。存储器选择控制模块241在FPGA中可以通过状态机来完成其工作任务的，通过回波帧指示信号和显示器刷新指示信号来进行状态判断，并控制存储区选择控制器241发出控制信号，使所述存储器读写控制器244的读写操作在不同的存储单元间进行跳转，以此来控制整个存储区的循环读写。存储器选择控制模块按照功能上来分，可以包括写存储器分区选择控制和读存储器分区选择控制，写存储器分区选择控制用于根据上述写地址数据将回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中；而读存储器分区选择控制用于根据上述读地址数据循环读取所述多个存储单元中的回波数据。

上述均提到了回波帧指示信号，该信号可以按常规方法获得，是现有技术中熟知的概念，该信号与超声扫描模式相关。超声数据通常以数据包的形式送入到数字扫描变换***中，而且通常均是由超声信号接收电路获取超声数据后形成数据包，并发送给数字扫描变换***进行后续处理。所以，如果超声信号接收电路以数据包的形式将数据发送给数字扫描变换***的帧同步控制器240，则上述帧同步控制器240还存在一数据包解析模块，该模块与所述存储区选择控制器、存储器读写控制器和超声信号接收电路均相连，用于解析帧同步控制器240获得的超声回波数据包，并将解析获得的回波帧指示信号送入所述存储区选择控制器241中，同时将解析获得的回波数据送入存储器读写控制器244的数据传输端。

下面结合图4和5，以一个例子具体说明本发明的方法和***在进行存储器循环读写时的具体过程。该例子的前提条件是：所述帧同步控制器将存储器分为四个区域，分别为第一存储区0、第二存储区1、第三存储区2、第四存储区3；其中第四存储区3用于存储静止的图像数据，而其他三个用于执行循环读写操作，并且每个存储区中至少能存储一帧数据。

如图4所示，给出了回波数据写存储器状态控制图，帧同步控制器根据回波帧指示信号控制每一帧回波数据按顺序循环存入三不同的存储区中。如图5所示，给出了读存储器分区选择控制时序图，其中Echo_Frame信号表示回波帧指示信号，其上升沿、下降沿表示每一帧帧起始，T表示回波帧的持续时间；DisPlay_Frame信号表示显示屏刷新指示信号，其上升沿、下降沿表示每一显示帧的起始，t表示显示帧持续的时间，可见，通常情况下，t是小于T的。

从图5中可以看出，本发明的循环读写操作流程可以按照以下过程进行：

300、当回波帧指示信号的一个上升沿到来时，将当前接收的第N帧回波数据写入存储器的第一个存储区0中。在当前回波帧的持续时间T内，当显示屏刷新指示信号的一个下降沿到来时，读取记录在所述存储器的第三个存储区2中的第N-1帧回波数据，并进行插值运算后予以显示。这一状态属于图4中的状态A，此过程中，第N帧数据还未完全写入第一个存储区0中，帧数据还不完整，所以不能予以显示，从而只能显示第N-1帧回波数据，即显示第三个存储区2中的回波数据。

301、当回波帧指示信号的下一个下降沿到来时，即第N帧数据完全写入第一存储区0中以后，将当前接收的第N+1帧回波数据写入存储器的第二个存储区1中。在当前回波帧的持续时间T内，当显示屏刷新指示信号的一个上升沿到来时，读取记录在存储器的第一个存储区0中的第N帧回波数据，并进行插值运算后予以显示。这一状态属于图4中的状态B，此过程的开始虽然回波数据帧起始到来，并开始把第N+1帧回波数据写入第二个存储区1中，但此时不能立刻读取第一个存储区0中的数据进行显示，因为回波帧指示信号和显示屏刷新指示信号两个帧同步信号之间并没有同步关系，它们之间存在一个时间差(如图5中虚线框的S)，所以必须等当前显示的显示屏刷新指示信号帧结束以后，再读取第一个存储区0中的数据进行显示。

302、当回波帧指示信号的再下一个上升沿到来时，将当前接收的第N+2帧回波数据写入存储器的第三个存储区2中。在当前回波帧的持续时间T内，当显示屏刷新指示信号的一个下降沿到来时，读取记录在存储器的第二个存储区1中的第N+1帧回波数据，并进行插值运算后予以显示。这一状态属于图4中的状态C，此过程中显示读数据也必须等待当前的显示屏刷新指示信号帧结束以后才能切换读存储区域的。

304、按上述步骤301至步骤303的规则进行循环，对第一个存储区0、第二个存储区1和第三个存储区2进行循环读写操作，从而保证了每次屏幕上显示的都是一帧完整的回波数据，解决了因为超声***中因为回波帧率与显示帧率不匹配而造成的显示拼帧和帧不同步的问题。

从上述过程可以看出，由帧同步控制器控制***在三种存储器读写状态A、B、C之间进行跳转，而跳转的条件就是回波帧指示信号的帧起始的到来。所以，在帧同步控制器内部，存储区选择控制器可以按照状态机的规则对上述三种状态进行控制，发出控制信号用于使存储器读写控制器在不同的存储区域间进行跳转读写。上述图4和图5的状态转换和时序逻辑控制方法，也可以应用于对多片存储器的循环读写。

综上所述，本发明的帧同步方法和***，依据回波帧指示信号的帧起始来进行判断、并确定在不同的存储单元之间进行跳转读写，而且回波帧指示信号由扫描工作模式来决定，所以在彩色B超的多种工作模式下同样适用本发明的帧同步方法和***。而且本发明还可以适用于其它的需要对两种帧进行同步显示的图像处理***中。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字扫描变换***，所述***位于超声信号接收电路和显示设备之间，其包括插值运算模块和坐标变换模块，其特征在于，所述***还包括：多个存储单元和一帧同步控制器；

所述帧同步控制器的读地址输入端与坐标变换模块的输出端相连，用于获取坐标变换后的地址信息；

所述帧同步控制器的超声回波数据输入端连接所述超声信号接收电路的输出端，所述帧同步控制器的显示屏刷新指示信号输入端连接所述显示设备，所述帧同步控制器与所述多个存储单元相连，用于根据回波帧指示信号控制回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中，并根据显示屏刷新指示信号控制循环读取所述多个存储单元中的数据，将读取的数据送入所述插值运算模块中。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述帧同步控制器包括：

存储区选择控制器，该存储区选择控制器与所述显示设备相连，用于检测判断所述回波帧指示信号和显示屏刷新指示信号的状态，并生成存储区写片选信号、读片选信号；

写地址发生器，用于接收所述存储区写片选信号，并生成写地址数据；

读地址发生器，用于接收所述存储区读片选信号和来自所述坐标变换模块的地址信息，并生成读地址数据；

存储器读写控制器，该控制器与所述超声信号接收电路相连，用于根据所述写地址数据将回波数据按顺序依次循环写入所述多个存储单元中，并根据所述读地址数据循环读取所述多个存储单元中的回波数据。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述帧同步控制器还包括：

一数据包解析模块，该数据包解析模块与所述存储区选择控制器、存储器读写控制器和超声信号接收电路相连，用于解析所述帧同步控制器获得的超声回波数据包，并将解析获得的所述回波帧指示信号送入所述存储区选择控制器中，将解析获得的回波数据送入所述存储器读写控制器的数据传输端。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述多个存储单元包括：多片存储器，或一片存储器中设置的多个存储区。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述帧同步控制器采用可编程逻辑控制器件来实现，并由可编程逻辑控制器件对存储器进行分区。

6.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述***中包括三个用于循环读写的存储单元。

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