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dc.creatorOliveira, Jonathan de-
dc.date.accessioned2020-07-24T18:06:59Z-
dc.date.available2020-07-24T18:06:59Z-
dc.date.issued2020-05-14-
dc.identifier.citationOLIVEIRA, Jonathan de. Implementação de um sistema de transferência de dados de ultrassom via Ethernet e processamento embarcado em dispositivo FPGA. 2020. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Energia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5100-
dc.description.abstractThe generation of ultrasound images to aid in the diagnosis, characterization and nondestructive evaluation of materials requires high power of digital signal processing and capacity for massive data transfer. In order to circumvent the typically closed architecture of most commercial ultrasound equipment, as well as optimize resources and improve the quality of the images generated by the technique, several research groups have presented new approaches to ultrasound imaging. At the Federal Technological University of Paraná, the Ultrasound Research Group has been working on development of the open research platform ULTRA-ORS (Ultrasound Open Research System) which, although is suitable for the requirements of flexibility and ultrasound dataflow, it exceeds the data transfer and processing time to generate images in real time. In this work, we propose the implementation of a system for transferring raw ultrasound signals with high speed processing for reconstruction of B Mode image in reconfigurable hardware architecture, aiming at a reduction at the time required for transfer and computation. The proposed system consists of two FPGA development boards: Terasic DE2- 115 and DE4-230 (Terasic Inc., Taiwan). The first board has the function of assembling and transmitting data packets via an Ethernet network using the TCP/IP communication protocol. The second board receives the packets and performs the processing for image reconstruction using the beamforming Delay and Sum (DAS) technique for 8 and 32 active aperture elements. In addition to the Quartus Prime software and the Qsys tool, the DSP Builder library was used in the Simulink environment for modeling, simulation and transformation of the following models in hardware description language (HDL): Finite Impulse Response (FIR) filter, variable delay, apodization, coherent summation, demodulation with envelope detection based on the Hilbert Transform approximation and logarithmic compression. For the algorithm implementation and evaluation, within two FPGA devices, raw ultrasound data were used, acquired by the ULTRA-ORS system with a sampling frequency of 40 MHz and 12-bits resolution, using a convex transducer of 128 elements in an ultrasound phantom. The experimental result of the processing was transferred to a computer for later scan conversion and display on monitor. For the quantitative and qualitative assessments of the accuracy of the presented method, the cost function of the square root of the normalized mean square error (NRMSE) was used in comparison with the same functions implemented through a script in Matlab, simulation in Simulink and reconstructed images. Finally, the contrast ratio (CR) and contrast-noise ratio (CNR) were applied to evaluate the generated images. All results showed excellent agreement with NRMSE below 10%. The CR and CNR errors were less than 5.7% and 6.8%, respectively. There has been a significant improvement in the maximum processing time, going from 30 minutes to 9 seconds. However, further studies are needed to enable the generation of ultrasound images in real-time.pt_BR
dc.description.sponsorshipConselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)pt_BR
dc.description.sponsorshipFinanciadora de Estudos e Projetos (FINEP)pt_BR
dc.description.sponsorshipFundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paranápt_BR
dc.description.sponsorshipUniversidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paranápt_BR
dc.rightsopenAccesspt_BR
dc.subjectUltrassom - Qualidade da imagempt_BR
dc.subjectDiagnóstico por ultrassompt_BR
dc.subjectSistemas de transmissão de dadospt_BR
dc.subjectEthernet (Redes locais de computadores)pt_BR
dc.subjectProcessamento de sinais - Técnicas digitaispt_BR
dc.subjectReconstrução de imagenspt_BR
dc.subjectArranjos de lógica programável em campopt_BR
dc.subjectProcessamento eletrônico de dados em tempo realpt_BR
dc.subjectSIMULINK (Programa de computador)pt_BR
dc.subjectMétodos de simulaçãopt_BR
dc.subjectUltrasonics - Image qualitypt_BR
dc.subjectDiagnostic ultrasonic imagingpt_BR
dc.subjectData transmission systemspt_BR
dc.subjectEthernet (Local area network system)pt_BR
dc.subjectSignal processing - Digital techniquept_BR
dc.subjectImage reconstructionpt_BR
dc.subjectField programmable gate arrayspt_BR
dc.subjectReal-time data processingpt_BR
dc.subjectSIMULINKpt_BR
dc.subjectSimulation methodspt_BR
dc.titleImplementação de um sistema de transferência de dados de ultrassom via Ethernet e processamento embarcado em dispositivo FPGApt_BR
dc.title.alternativeImplementation of a digital signal transfer and processing system for generating ultrasound images based on FPGApt_BR
dc.typemasterThesispt_BR
dc.description.resumoA 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.pt_BR
dc.degree.localCuritibapt_BR
dc.publisher.localCuritibapt_BR
dc.creator.IDhttps://orcid.org/0000-0002-7216-0666pt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5802588615600501pt_BR
dc.contributor.advisor1Assef, Amauri Amorin-
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2001-5387pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0720172921923496pt_BR
dc.contributor.referee1Assef, Amauri Amorin-
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2001-5387pt_BR
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0720172921923496pt_BR
dc.contributor.referee2Maia, Joaquim Miguel-
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0001-6309-8664pt_BR
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/6369674496221915pt_BR
dc.contributor.referee3Hara, Marcos Santos-
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/8070220022292930pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Sistemas de Energiapt_BR
dc.publisher.initialsUTFPRpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::ENGENHARIA MEDICA::INSTRUMENTACAO ODONTOLOGICA E MEDICO-HOSPITALARpt_BR
dc.subject.capesEngenharia Elétricapt_BR
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