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

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Oliveira, Jonathan de lattes
Orientador(a): Assef, Amauri Amorin lattes
Banca de defesa: Assef, Amauri Amorin lattes, Maia, Joaquim Miguel lattes, Hara, Marcos Santos lattes
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Brasil
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5100
Resumo: 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.