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CPGEI (Doutorado):Amauri Amorin Assef-08/10/13

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 08/10/2013
das 09h00 até 13h00
Onde Sede Centro - Sala C301
Nome do Contato Prof. Joaquim Miguel Maia
Participantes Prof. Joaquim Miguel Maia, Dr. Orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Joaquim Miguel Maia, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Eduardo Tavares Costa, Dr. - UNICAMP
Prof. Antonio Adilton Oliveira Carneiro, Dr. - USP
Prof. Eduardo Jorge Valadares Oliveira, Dr. - UNICAMP
Prof. Fábio Kurt Schneider, Ph.D. - UTFPR
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Arquitetura de hardware multicanal reconfigurável com excitação multinível para desenvolvimento e testes de novos métodos de geração de imagens por ultrassom

Resumo: Os sistemas de diagnóstico por imagem de ultrassom (US) figuram entre os mais sofisticados equipamentos de processamento de sinais na atualidade. Apesar da alta tecnologia envolvida, a única assistência ofertada por alguns equipamentos comerciais de imagem, para o desenvolvimento e teste de novas modalidades e técnicas do US, consiste na possibilidade de armazenar alguns segundos dos sinais digitalizados de radiofrequência (RF) para possíveis fins de pós-processamento. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma nova arquitetura modular de hardware (front-end), baseada em dispositivos FPGA (Field Programmable Gated Array), e software (back-end), baseada em PC ou DSP, totalmente programável, aberta e flexível, para pesquisa e investigação de técnicas inovadoras para geração de imagens médicas por US. A plataforma desenvolvida ULTRA-ORS (do inglês Ultrasound Open Research System) permite conexão com transdutores multielementos dos tipos lineares, convexos e phased array com frequência central entre 500 kHz e 20 MHz, e capacidade de expansão para operação com transdutores de até 1024 elementos multiplexados. O módulo eletrônico lógico para formação do feixe (beamformer transmitter) possibilita excitação simultaneamente, através de sinais PWM, de 128 canais com formas de ondas arbitrárias, abertura programável, e tensão de excitação de até 200 Vpp, permitindo controle individual de habilitação, amplitude de apodização com até 256 níveis, ângulo de fase e atraso temporal de disparo adequado para focalização na transmissão. O módulo de recepção (beamformer receiver) realiza a aquisição simultânea de 128 canais com taxa de amostragem programável até 50 MHz e resolução de 12 bits. Como item imprescindível deste trabalho, a plataforma proposta possibilita acesso e transferência dos dados de RF digitalizados para um computador através de interfaces seriais ou para kits de DSP para processamento das imagens. Como resultado do projeto de pesquisa, é apresentado um novo sistema digital de US que pode ser utilizado para avaliações das imagens geradas pela técnica beamforming, utilizando como referência a ferramenta de simulação Field II e comparações com as imagens geradas por equipamentos comerciais em phantom mimetizador de tecidos biológicos de US.
Palavras-chave: Imageamento por ultrassom. FPGA. Beamformer. Plataforma de pesquisa.

Reconfigurable multichannel hardware architecture with multilevel excitation for developing and testing new research methods of ultrasound imaging

Abstract: Medical ultrasound (US) scanners are amongst the most sophisticated signal processing machines in use today. Even with the recent advances in electronic technology, the only assistance offered by some commercial image equipment, to the development and test of new modalities and US techniques, consists in the possibility of store a few seconds of the digitalized radio frequency (RF) signals, for possible post-processing. This work presents the development of a novel modular hardware architecture (front-end), FPGA-based (Field Programmable Gated Array) and software (back-end), PC-based or DSP-based, fully programmable, open and flexible, for research and investigation of new techniques for medical US imaging. The proposed platform ULTRA-ORS (Ultrasound Open Research System) allows connection to linear, convex and phased array transducers with center frequency between 500 kHz and 20 MHz, and expansion capability for operation with transducers up to 1024 multiplexed elements. The transmitter beamformer can excite simultaneously, using PWM signals, 128-channel with arbitrary waveform, programmable aperture, and 200 Vpp excitation voltage, allowing individual enable control, amplitude apodization up to 256 levels, phase angle and proper time delay for focusing on transmission. The receiver beamformer can handle simultaneous 128-channels acquisition with programmable sampling rate up to 50 MHz and 12-bit resolution. How essential item of this work, the platform enables access to raw RF to a computer through serial ports or DSP kits for imaging processing. As a result of the research project, we present a new digital US system that can be used for evaluation of images generated by the beamforming technique, using as reference the Field II simulation tool and comparisons with commercial equipment using US tissue-mimicking phantom.
Keywords: Ultrasound imaging. FPGA. Beamformer. Research platform.

Lista de publicações:
ASSEF, A. A.; MAIA, J. M.; ARMSTRONG, R. B.; ASHIHARA, H. M.; COSTA, E. T.; BUTTON, V. L. DA S. N. Sistema digital gerador de forma de onda arbitrária para aplicações de ultrassom. XXII Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica - CBEB- 2010, Tiradentes, p. 391-394, nov. 2010.

ASSEF, A. A.; MAIA, J. M.; SCHNEIDER, F. K.; COSTA, E. T.; BUTTON, V. L. DA S. N. FPGA-Based Real-Time Digital Beamformer for Ultrasonic Elastography. 2011 Pan American Health Care Exchanges (PAHCE), Rio de Janeiro, p. 370, mar. 2011.

ASSEF, A. A.; MAIA, J. M.; SCHNEIDER, F. K.; COSTA, E. T.; BUTTON, V. L. S. N. Beamformer de transmissão multicanal de forma de onda arbitrária para atividades de pesquisa experimental do ultrassom. Controle & Automação (Impresso), v. 26, p. 667-678, 2012.

ASSEF, A. A.; MAIA, J. M.; SCHNEIDER, F. K.; COSTA, E. T.; BUTTON, V. L. DA S. N. A Programmable FPGA-based 8-channel Arbitrary Waveform Generator for Medical Ultrasound Research Activities. 34th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society – IEEE EMBS 2012, San Diego, ago. 2012.

ASSEF, A. A. ; MAIA, J. M. ; GEWEHR, P. M. ; SCHNEIDER, F. K. ; MORAIS FILHO, A. F. ; BUTTON, V. L. S. N. ; COSTA, E. T. . Desenvolvimento de uma nova placa beamformer digital de 16 canais totalmente programável baseada em FPGA para pesquisa do imageamento por ultrassom. In: XXIII Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica CBEB2012, 2012, Porto de Galinhas. CBEB2012. Rio de Janeiro: SBEB, 2012. p. 2370-2374.

ASSEF, A. A.; MAIA, J. M.; SCHNEIDER, F. K.; COSTA, E. T.; BUTTON, V. L. DA S. N. Design of a 128-channel FPGA-Based Ultrasound Imaging Beamformer for Research Activities. IEEE Ultrasonics Symposium 2012, Dresden, out. 2012.

ASSEF, AMAURI A ; MAIA, JOAQUIM M ; SCHNEIDER, FÁBIO K ; BUTTON, VERA LSN ; COSTA, EDUARDO T . A reconfigurable arbitrary waveform generator using PWM modulation for ultrasound research. Biomedical Engineering Online (Online), v. 12, p. 24, 2013.

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