Sistema reconfigurável pulse/receiver para excitação ultrassônica convencional e chirp codificada usando modulação de amplitude de pulso

• Autor(a) principal: Medeiros, Renan Antonio Corrêa
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30541
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA; Ultrassom; Modulação em amplitude; Circuitos de pulso; Processamento de sinais - Técnicas digitais; Simulação (Computadores); Instrumentos e aparelhos médicos; Ultrasonics; Amplitude modulation; Pulse circuits; Signal processing - Digital technique; Computer simulation; Medical instruments and apparatus; Engenharia Elétrica

O estudo de novas técnicas de excitação ultrassônica para otimizar a relação entre a resolução espacial e a profundidade de penetração do feixe acústico vem sendo endereçada por diversos grupos de pesquisa. Entretanto, a geração de formas de ondas complexas com pulsos curtos de excitação convencional senoidal (ECS) e longos de excitação chirp codificada (ECC), bem como a análise dos ecos de ultrassom gerados por ambas as técnicas, requer instrumentação eletrônica apropriada, que muitas vezes não é disponível aos pesquisadores. Nesta dissertação é apresentado um sistema gerador de forma de onda arbitrária (GFOA) pulser/receiver (P/R) reconfigurável, flexível e totalmente programável para atividades de pesquisa de ECS e ECC. O sistema pulso-eco consiste em uma interface gráfica de usuário GUI, baseada no Matlab, para controle e aquisição de ecos brutos de ultrassom, a partir de uma estrutura de hardware formado por um kit de FPGA DE2-115 e uma placa proprietária com os módulos de recepção (RX) e transmissão (TX). A placa protótipo inclui o GFOA MD2134, que utiliza a técnica de modulação por amplitude de pulso, e o módulo RX, formado pelo T/R switch MD0100, amplificador de ganho variável VCA810, e conversor analógico-digital ADS6123 de 12 bits e 80 MSPS. A FPGA foi programada com o software Quartus Prime Lite e, além dos códigos implementados em linguagem VHDL e blocos de propriedade intelectual, inclui um processador Nios II de 32 bits para controle e transferência do pacote de dados com comprimento de 16384 amostras para um computador. Os testes de caracterização e desempenho do sistema foram realizados com carga RC, dois transdutores monoelemento com frequência central de 1,6 MHz e 5 MHz, e um phantom de ultrassom com velocidade de propagação do som de 1540 ± 6 m/s. Foram avaliados os sinais de ECS de 3 ciclos com frequência central de 1,6 MHz e 5 MHz, e ECC com duração de 5 µs e 10 µs, e faixas de frequência de 1,6 MHz ± 1 MHz e 5 MHz ± 2 MHz. Após a aquisição de sinais do phantom, foram realizadas as etapas de filtragem, detecção de envoltória, e compressão logarítmica para o cálculo dos parâmetros de velocidade de propagação do som e largura à meia altura (FWHM) de 13 alvos com diâmetro de 1 mm, espaçados em 1 cm na direção axial. Os resultados experimentais da velocidade média de propagação do som para ECS e ECC foram de 1566,51 ± 28,40 m/s e 1585,24 ± 62,50 m/s, com erro médio de 1,78% e 3,62%, respectivamente. O método ECS também apresentou melhores valores de FWHM, resultando em 1,48 ± 0,44 mm, em comparação com ECC de 2,12 ± 0,27 mm. Os resultados comprovam que o sistema proposto é adequado para futuras aplicações de instrumentação médica e industrial, além do estudo de técnicas de excitação codificada por meio da aplicação de filtros casado e descasado na recepção para detecção de alvos mais profundos com a mesma resolução espacial proporcionada por sistemas com excitação convencional.