Sistema reconfigurável pulse/receiver para excitação ultrassônica convencional e chirp codificada usando modulação de amplitude de pulso
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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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 |
Resumo: | 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. |
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2023-02-08T16:28:22Z2023-02-08T16:28:22Z2022-09-23MEDEIROS, Renan Antonio Corrêa. Sistema reconfigurável pulse/receiver para excitação ultrassônica convencional e chirp codificada usando modulação de amplitude de pulso. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30541O 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.Several research groups have addressed the study of new ultrasonic excitation techniques to optimize the relationship between spatial resolution and penetration depth of the acoustic beam. However, the generation of complex waveforms with short pulses using conventional sinusoidal excitation (CCS) and long pulses from coded chirp excitation (CCE), as well as the analysis of the ultrasound echoes generated by both techniques, requires appropriate electronic instrumentation, which is not always available to researchers. This dissertation presents a reconfigurable, flexible, and fully programmable arbitrary waveform generator (AWG) pulser/receiver (P/R) system for ECS and ECC research activities. The pulse-echo system consists of a Matlab-based graphical user interface GUI to control and acquire raw ultrasound echoes from a hardware structure formed by a DE2-115 FPGA kit and a proprietary board with the reception modules. (RX) and transmission (TX). The prototype board includes the AWG MD2134, which uses the pulse amplitude modulation technique, and the RX module, formed by the MD0100 T/R switch, VCA810 variable gain amplifier, and the 12-bit 80 MSPS ADS6123 analog-to-digital converter. The FPGA was programmed with Quartus Prime Lite software and, in addition to the codes implemented in VHDL language and intellectual property blocks, it includes a 32-bit Nios II processor to control and transfer the data packet with a length of 16384 samples to a computer. The characterization and performance tests of the system were carried out with RC load, two single-element transducers with a central frequency of 1.6 MHz and 5 MHz, and an ultrasound phantom with a speed of sound of 1540 ± 6 m/s. ECS signals of 3 cycles with a central frequency of 1.6 MHz and 5 MHz, and ECC with a duration of 5 µs and 10 µs, and frequency bands of 1.6 MHz ± 1 MHz and 5 MHz ± 2 MHz were evaluated. After acquiring phantom signals, filtering, envelope detection, and logarithmic compression steps were performed to calculate the speed of sound and FWHM parameters of 13 targets with a diameter of 1 mm, spaced at 1 cm in the axial direction. The experimental results of the mean sound propagation speed for ECS and ECC were 1566.51 ± 28.40 m/s and 1585.24 ± 62.50 m/s, with a mean error of 1.78% and 3.62%, respectively. The ECS method also showed better FWHM values, resulting in 1.48 ± 0.44 mm, compared to ECC of 2.12 ± 0.27 mm. The results show that the proposed system is suitable for future medical and industrial instrumentation applications, in addition to the study of coded excitation techniques through the application of matched and mismatched filters in the reception to detect deeper targets with the same spatial resolution provided by conventionally excited systems.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)porUniversidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRBrasilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAEngenharia ElétricaUltrassomModulação em amplitudeCircuitos de pulsoProcessamento de sinais - Técnicas digitaisSimulação (Computadores)Instrumentos e aparelhos médicosUltrasonicsAmplitude modulationPulse circuitsSignal processing - Digital techniqueComputer simulationMedical instruments and apparatusSistema reconfigurável pulse/receiver para excitação ultrassônica convencional e chirp codificada usando modulação de amplitude de pulsoReconfigurable pulse/receiver system for conventional and chirp coded ultrasound excitation using pulse amplitude modulationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCuritibaAssef, Amauri Amorinhttps://orcid.org/0000-0002-2001-5387http://lattes.cnpq.br/0720172921923496Maia, Joaquim Miguelhttps://orcid.org/0000-0001-6309-8664http://lattes.cnpq.br/6369674496221915Assef, Amauri Amorinhttps://orcid.org/0000-0002-2001-5387http://lattes.cnpq.br/0720172921923496Mendes Júnior, José Jair Alveshttps://orcid.org/0000-0001-5578-7734http://lattes.cnpq.br/1920188611669631Souza, Mauren Abreu dehttps://orcid.org/0000-0001-6137-918Xhttp://lattes.cnpq.br/7932254008088709https://orcid.org/0000-0003-3500-9526http://lattes.cnpq.br/7799371514567058Medeiros, Renan Antonio Corrêareponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPRORIGINALsistemapulsereceiverultrassonica.pdfapplication/pdf4617668http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/30541/1/sistemapulsereceiverultrassonica.pdfe6037295b83fc54c046eae2a11f4e98aMD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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