Modelagem e implementação de um sistema de processamento digital de sinais baseado em FPGA para geração de imagens por ultrassom usando Simulink

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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorAssef, Amauri Amorin-
Autor(es): dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/0720172921923496-
Autor(es): dc.contributorAssef, Amauri Amorin-
Autor(es): dc.contributorManffra, Elisangela Ferretti-
Autor(es): dc.contributorMaia, Joaquim Miguel-
Autor(es): dc.creatorFerreira, Breno Mendes-
Data de aceite: dc.date.accessioned2022-02-21T21:52:44Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2022-02-21T21:52:44Z-
Data de envio: dc.date.issued2017-12-28-
Data de envio: dc.date.issued2017-12-28-
Data de envio: dc.date.issued2017-04-04-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2874-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/662673-
Descrição: dc.descriptionUltrasound (US) is a well-established technique that has been widely used for testing, characterizing and visualizing internal structures of biological and non-biological material. The US research group of the Federal University of Technology - Paraná developed the ULTRA-ORS system, which, although suitable for research related to multichannel excitation and reception, uses a large computing time, due to the personal computer processing. This research presents the modeling, implementation and validation of a digital processing system of signals based on a FPGA (Field-Programmable Gate Array) device of high performance for the reconstruction of images through US, using the beamforming technique. The software Simulink and the tool DSP Builder were used for simulation and transformation of the following models in hardware description language: digital filter FIR (Finite Impulse Response), CIC (Cascaded Integrator-Comb) Interpolation filter, variable delay, apodization, coherent summation, decimation, demodulation with envelope detection and logarithmic compression. After the Simulink validation, the design was synthesized for a Stratix IV FPGA and implemented on the Terasic DE4-230 board. The tool SignalTap II in the software Quartus II was used to acquire the processed signals from the FPGA. For the graphic and quantitative evaluation of the accuracy of this method, we used real raw US data, acquired from the ULTRA-ORS with sampling frequency of 40 MHz and 12-bit resolution, and the normalized root mean squared error (NRMSE) in comparison with the same functions implemented through scripts in Matlab. As a main result of the modeling, in addition to the individual responses of each implemented block, comparisons between the reconstructed images by ULTRA-ORS and FPGA processing for four apodization windows are presented. The excellent agreement between the simulated and experimental results with NRMSE values lower than 6.2% and total processing latency of 0.83 µs corroborates the simplicity, modularity and effectiveness of the proposed modeling for use in US signal processing research for real-time image reconstruction.-
Descrição: dc.descriptionO ultrassom (US) é uma técnica bem consolidada que vem sendo amplamente utilizada para teste, caracterização e visualização de estruturas internas de materiais biológicos e não biológicos. Na Universidade Tecnológica Federal do Paraná, o grupo de pesquisa do US desenvolveu o sistema ULTRA-ORS que, apesar de adequado para pesquisa relacionada à excitação e recepção multicanal, possui tempo de computação muito elevado, devido a processamento em computador pessoal. Este trabalho apresenta a modelagem, implementação e validação de um sistema de processamento digital de sinais baseado em dispositivo FPGA (Field-Programmable Gate Array) de alto desempenho para reconstrução de imagens por US através da técnica beamforming. O software Simulink e a ferramenta DSP Builder foram empregados para simulação e transformação dos seguintes modelos em linguagem de descrição de hardware: filtro digital FIR (Finite Impulse Response), filtro de interpolação CIC (Cascaded Integrator-Comb), atraso variável, apodização, somatório coerente, decimação, demodulação com detecção de envoltória e compressão logarítmica. Após validação no Simulink, o projeto foi sintetizado para uma FPGA Stratix IV e implementado na placa Terasic DE4-230. A ferramenta SignalTap II do software Quartus II foi utilizada para aquisição dos sinais processados pela FPGA. Para avaliação gráfica e quantitativa da acurácia deste método, foram empregados dados brutos reais de US, adquiridos do ULTRA-ORS com frequência de amostragem de 40 MHz e resolução de 12 bits, e a função de custo da raiz quadrada do erro quadrático médio normalizado (NRMSE) em comparação com as mesmas funções implementadas através de scripts no Matlab. Como resultado principal do modelamento, além das respostas individuais de cada bloco implementado, são apresentadas as comparações entre as imagens reconstruídas pelo ULTRA-ORS e pelo processamento em FPGA para quatro janelas de apodização. A excelente concordância entre os resultados simulados e experimentais com valores de NRMSE inferiores à 6,2% e latência total de processamento de 0,83 µs corroboram a simplicidade, modularidade e efetividade do modelamento proposto para utilização em pesquisas sobre o processamento de sinais de US para reconstrução de imagens em tempo real.-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Idioma: dc.languagept_BR-
Publicador: dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paraná-
Publicador: dc.publisherCuritiba-
Publicador: dc.publisherBrasil-
Publicador: dc.publisherPrograma de Pós-Graduação em Sistemas de Energia-
Publicador: dc.publisherUTFPR-
Direitos: dc.rightsopenAccess-
Palavras-chave: dc.subjectUltrassom-
Palavras-chave: dc.subjectProcessamento de sinais - Técnicas digitais-
Palavras-chave: dc.subjectArranjos de lógica programável em campo-
Palavras-chave: dc.subjectReconstrução de imagens-
Palavras-chave: dc.subjectProgramação (Computadores)-
Palavras-chave: dc.subjectSIMULINK (Programa de computador)-
Palavras-chave: dc.subjectMétodos de simulação-
Palavras-chave: dc.subjectSistemas de energia elétrica-
Palavras-chave: dc.subjectEngenharia elétrica-
Palavras-chave: dc.subjectUltrasonics-
Palavras-chave: dc.subjectSignal processing - Digital technique-
Palavras-chave: dc.subjectField programmable gate arrays-
Palavras-chave: dc.subjectImage reconstruction-
Palavras-chave: dc.subjectComputer programming-
Palavras-chave: dc.subjectSIMULINK-
Palavras-chave: dc.subjectSimulation methods-
Palavras-chave: dc.subjectElectric power systems-
Palavras-chave: dc.subjectElectric engineering-
Palavras-chave: dc.subjectCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::MEDIDAS ELETRICAS, MAGNETICAS E ELETRONICAS INSTRUMENTACAO-
Palavras-chave: dc.subjectEngenharia Elétrica-
Título: dc.titleModelagem e implementação de um sistema de processamento digital de sinais baseado em FPGA para geração de imagens por ultrassom usando Simulink-
Título: dc.titleModeling and implementation of a FPGA-based digital signal processing for ultrasound imaging using Simulink-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
Aparece nas coleções:Repositorio Institucional da UTFPR - RIUT

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