Implementação de um sistema de transferência de dados de ultrassom via Ethernet e processamento embarcado em dispositivo FPGA

• Autor(a) principal: Oliveira, Jonathan de
• Data de Publicação: 2020
• 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/1/5100
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::ENGENHARIA MEDICA::INSTRUMENTACAO ODONTOLOGICA E MEDICO-HOSPITALAR; Ultrassom - Qualidade da imagem; Diagnóstico por ultrassom; Sistemas de transmissão de dados; Ethernet (Redes locais de computadores); Processamento de sinais - Técnicas digitais; Reconstrução de imagens; Arranjos de lógica programável em campo; Processamento eletrônico de dados em tempo real; SIMULINK (Programa de computador); Métodos de simulação; Ultrasonics - Image quality; Diagnostic ultrasonic imaging; Data transmission systems; Ethernet (Local area network system); Signal processing - Digital technique; Image reconstruction; Field programmable gate arrays; Real-time data processing; SIMULINK; Simulation methods; Engenharia Elétrica

A geração de imagens por ultrassom para auxílio ao diagnóstico, caracterização e avaliação não destrutiva de materiais exige alto poder de processamento digital de sinais e capacidade de transferência massiva de dados. Na Universidade Tecnológica Federal do Paraná, o Grupo de Pesquisa do Ultrassom vem atuando no desenvolvimento da plataforma de pesquisa ULTRAORS (do inglês Ultrasound Open Research System) que, apesar de adequada às exigências de flexibilidade e acesso ao fluxo de dados de ultrassom, excede o tempo de transferência e processamento para geração de imagens em tempo real. Neste trabalho, propôs-se a implementação de um sistema de transferência de sinais brutos de ultrassom em alta velocidade com processamento para reconstrução de imagem Modo B embarcado em arquitetura de hardware reconfigurável, objetivando reduzir ambos os tempos de transferência e computação. O sistema proposto é formado por duas placas de desenvolvimento com FPGA: DE2-115 e DE4-230 (Terasic Inc., Taiwan). A primeira placa tem a função de montar e transmitir os pacotes de dados via rede Ethernet. A segunda placa recebe os pacotes, extrai os dados de ultrassom e realiza o processamento para reconstrução da imagem usando a técnica beamforming Delay and Sum (DAS) para as aberturas de 8 e 32 elementos ativos. Além do software Quartus Prime e da ferramenta Qsys, utilizou-se a biblioteca DSP Builder no ambiente Simulink para modelagem, simulação e transformação dos seguintes modelos em linguagem de descrição de hardware: filtro FIR, atraso variável, apodização, somatório coerente, demodulação com detecção de envoltória baseada em aproximação da Transformada de Hilbert e compressão logarítmica. Para a implementação e avaliação dos algoritmos das duas placas foram utilizados dados brutos de ultrassom, adquiridos pelo sistema ULTRA-ORS com frequência de amostragem de 40 MHz e resolução de 12 bits, usando um transdutor convexo de 128 elementos em um phantom de ultrassom. O resultado experimental do processamento foi transferido para um computador para posterior conversão de varredura e apresentação em monitor. Para as avaliações quantitativa e qualitativa da acurácia dos métodos apresentados foi empregada a função de custo da raiz quadrada do erro quadrático médio normalizado (NRMSE) em comparação com as mesmas funções implementadas através de script no Matlab, simulação no Simulink e imagens reconstruídas. Por fim, aplicou-se a razão de contraste (CR) e razão de contraste-ruído (CNR) para avaliação das imagens geradas. Todos os resultados apresentaram excelente concordância com NRMSE inferior a 10%. Os erros do CR e CNR foram inferiores a 5,7% e 6,8%, respectivamente. Houve um avanço significativo no tempo de processamento máximo, passando de 30 minutos para 9 segundos. No entanto, novos estudos são necessários para possibilitar a geração de imagens por ultrassom em tempo real.