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Título: Implementação de um sistema de transferência de dados de ultrassom via Ethernet e processamento embarcado em dispositivo FPGA
Título(s) alternativo(s): Implementation of a digital signal transfer and processing system for generating ultrasound images based on FPGA
Autor(es): Oliveira, Jonathan de
Orientador(es): Assef, Amauri Amorin
Palavras-chave: 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
Data do documento: 14-Mai-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: OLIVEIRA, 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.
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.
Abstract: The 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.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5100
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