分布式網絡計算在超聲成像系統中的應用效果觀察

謝萌

（廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所廣西南寧市530001）

分布式網絡計算在超聲成像系統中的應用效果觀察

謝萌

（廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所廣西南寧市530001）

超聲成像系統在后期的數據處理中存在難度高且實效性不足。計算機網絡技術的發展不僅拓寬了超聲成像系統的應用平臺，更促進了社會現代化、科技化、智能化的發展。順應時代潮流的發展，將分布式算法與互聯網技術結合起來應用于超聲成像系統中，不僅解決了以往超聲成像系統在后期的數據處理中難度高、實效性不足等缺陷，還提高了超聲成像的處理速度，減少系統投入成本，這對超聲成像系統在相關行業的長遠發展有著不可替代的積極意義。因此，本文簡單介紹在由美國國家儀器公司研發的Lab VIEW技術和傳輸控制協議的基礎上發展而來的分布式網絡計算方法以及其應用優點，并詳細闡述了分布式網絡計算應用于超聲成像系統的實現過程，這為相關行業對超聲成像系統的優化和完善提供了一定的參考依據和借鑒意義。

分布式網絡計算；超聲成像系統；應用

1 前言

由于互聯網絡信息的快速發展，計算機技術的深入推廣，給人們的日常工作和生活帶來了極大的方便，同時也促進了社會生產可持續發展，推動科學技術邁向更大的發展平臺。隨著超聲成像技術的不斷發展，相關學者和行業人員對其系統的研究和探討活動隨之展開，結合現代化科學技術的發展，研究分布式網絡計算技術在超聲成像系統上的應用，從而推動了超聲成像系統的有效運行。

通過超聲成像系統來達到圖像成像的目的，其實質在于通過波束形成算法與相關軟件的結合運用使得波束發生掃描、偏轉、聚焦，從而獲得場中全部空間位置的信號特征。由于波束形成算法的計算存在一定的難度，使得超聲成像系統在處理數據時所需時間長且效率不高，在當下，采用現場可編程門陣列（FPGA）這一方法來解決這一缺陷。現場可編程門陣列（FPGA）不僅有較強的平行計算能力，還有較快的處理速度。

2 分布式網絡計算方法的形成與優點

因為計算數值合成聚焦的工作量比較大，一臺計算機的工作能力無法滿足計算要求，且其處理數據的效率不高，所以，針對這一現象，可以通過互聯網中處于主體地位的計算機把全部的計算工作集合起來進行一定的任務管理，在一定情況下通過互聯網分配給各個計算機實現計算工作，同時還要發回運算結果。根據這一原理特點，逐漸形成了一種在由美國國家儀器公司研發的Lab VIEW技術和傳輸控制協議的基礎上發展而來的分布式網絡計算方法。相比采用現場可編程門陣列（FPGA）這一方法進行的平行計算，分布式網絡計算通過網絡資源和計算機手段對數據進行有效處理，顯著提高了系統數據的處理效率，節約系統優化投入成本，滿足一定的經濟效益。

3 分布式網絡計算應用于超聲成像系統的實現過程

3.1 研究數據采集與合成過程

通過超聲相控陣檢測技術進行相應的采集合成。在數據的采集過程中，將N陣元換能器陣列中各個陣元順次當作刺激陣元、剩下的陣元順次當作感應陣元，通過N×（N－1）次脈沖發出和采集，把原本的超聲數據存在主機上。通過合成聚焦原理對任意場點S實行信號特征聚焦，為了獲得S處的聚焦信號的返回信息，在各個感應陣元接收信號特征時，根據參照陣元和最終場點在空間上所處的位置對其進行一定的相位延遲和對信號特征進行疊加，同時還要確保過程的準確性，從而使得超聲成像波束形成。

超聲相控陣檢測技術通過運用形狀外觀不一樣的多陣元換能器來形成超聲波束和接收超聲波束，對換能器陣列中各個陣元不同程度發出或者接收脈沖的作用時間進行控制，從而變換聲波與物體相關點的相位關系，滿足聚焦點與超聲波束方向的改變，通過機械與電子相結合的掃描方式對達到圖像成像的目的。

3.2 數據運算工作的分配方式

超聲成像其實質是通過聚焦成像范圍內的各像素點來進行相關的繪制，完成圖像的繪制是要求發生多次相位延遲、信號疊加、波束成形等操作。分布式網絡計算與超聲成像系統結合形成的新系統是把成像區域內的全部數據塊分成多個計算任務，由系統中央控制室進行統籌管控，根據實際需求將計算任務實時地分布到各個處于次要地位的計算機中，使其進行相關的數據運算和數據處理，結束后將結果返回系統主機。數據運算工作的分配方式一般分為兩種：在線與離線分配。

3.2.1 數據運算工作的在線分配

數據運算工作的在線分配實質是系統中央控制室通過動態把握其他計算機處理數據的實際情況來進行適宜的計算任務分配，使得計算任務能夠有效地分配到各個計算機，完成高效率的數據處理工作，有著良好的適應性、靈活性。

3.2.2 數據運算工作的離線分配

在離線狀態時，系統中央控制室按照處于連接狀態的其他計算機的數量，把總體的數據運算工作在該數量的基礎上實行均分，然后把均分的運算任務分發給各個計算機進行相關的數據運算，最后系統中央控制室處于等待空閑狀態，直到各個計算機將數據處理結果返回。在此情況下，系統中央控制室與各個計算機僅僅發生一次互傳數據。在實際情況中，由于計算機不同，其運算能力也不大相同，在離線狀態下，由于網絡連接狀態不同，可能會發生系統中央控制室已經接收到了大部分的數據返回結果，卻還在等待接收小部分計算機的返回結果的現象。相比之下，在線分配方式就有較好的靈活性和適應性。

3.3 傳輸控制協議的長度不定數組的傳輸

基于Lab VIEW平臺，通過網絡或串行通信接口串口等連接方式來發射或者接收的數據是由數字、字母、下劃線組成的一串字符，而且網絡接收數據時要求事先設定數據的相關規格，這給實時發射數據帶來不便。解決辦法如圖1所示。論文為了解決此問題，進行兩次編寫傳輸控制協議數據。第一次編程時，編寫需要發射的數組長度，第二次編程時，編寫該數組。實現傳輸控制協議的長度不定數組的傳輸，不僅增強了分布式網絡計算在超聲成像系統中的應用，給新系統實施發射和接收傳輸控制協議數據組帶來了方便，還能提高系統的靈活性、方便性。

圖1 傳輸控制協議的長度不定數組的發射子程序

3.4 數據幀（數據鏈路層的協議數據單元）分析過程

數據幀（數據鏈路層的協議數據單元）是由本機IP、分隔符、數據類型、數據內容組成。數據類型一般是指發射的任務數據和返回的結果數據，經過對數據幀（數據鏈路層的協議數據單元）的分隔符進行一定的匹配，對本機IP相關信息、任務數據的類型和數據內容等方面的信息的提煉帶來一定的方便。根據傳輸控制協議長度不定的數據組傳送方法，不需要設定數據幀（數據鏈路層的協議數據單元）的大小。如“113.14.36.49”+taskpackage+（101，92）；”表示計算機“113.14.36.49”發來任務數據（101，92）。

4 結語

近年來，隨著網絡計算機水平的持續提高，超聲成像技術的不斷發展，相關領域越來越重視分布式網絡計算應用于超聲成像系統的研制開發，基于Lab VIEW平臺創建新的超聲成像系統，開發新的超聲成像技術，不但能夠解決傳統模式下存在的問題，還能夠極大縮短了數據處理的時間，提高了工作效率，這有著極為重要的深遠意義。

Lab VIEW作為圖形化編程語言的開發環境，在當下具有極高的推廣價值和應用價值。互聯網信息技術與虛擬環境相結合形成了符合時代潮流發展的虛擬網絡系統，通過廣泛的互聯網絡和豐富的網絡資源，可以有效地滿足產業控制與數據勘測遠距離的信息交流和傳遞，增強了數據處理的高效性、適應性。論文介紹了一種適合用于超聲相控陣檢測的分布式網絡計算方法，在此方法下形成的新模式是把成像區域內的全部數據塊分成多個計算任務，由系統中央控制室進行統籌管控，根據實際需求將計算任務實時地分布到各個處于次要地位的計算機中，使其進行相關的數據運算和數據處理，并將運算結果返回系統中央控制室。相比FPGA，分布式網絡計算通過網絡資源和計算機手段對數據進行有效處理，顯著提高了數據處理的工作效率，降低系統優化成本，具有一定的經濟效益，有一定的推廣和應用意義。

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[3]李仙琴.基于分布式算法實現高頻超聲信號動態濾波的研究[D].北京：生物醫學工程研究所，2010.

TP274.2

A

1004-7344（2016）16-0301-02

2016-3-2

謝萌（1978-），男，工程師，大學專科，主要從事后勤管理，計算機管理、網絡監控單位數據庫管理等工作。