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dc.creatorRuzyk, Matheus Jose da Silva-
dc.date.accessioned2024-02-07T16:19:55Z-
dc.date.available2024-02-07T16:19:55Z-
dc.date.issued2023-12-14-
dc.identifier.citationRUZYK, Matheus Jose da Silva. Sistema de processamento digital de sinais ultrassônicos baseado em system on a chip (SoC). 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33294-
dc.description.abstractUltrasound (US) imaging is a widely spread technique, spanning applications from diagnostic medicine to the general industry. Its non-invasive and non-ionizing characteristics make it suitable for various medical exams. Research in this field often explores novel radiofrequency US techniques, which require full access to intermediate signals and the capacity to make changes in processes that are commonly not accessible in commercial US platforms. Open platforms emerge as a solution, facilitating research in the US domain. The proliferation of the System on a Chip (SoC) technology has accelerated advancements in this field, enabling the creation of open systems with malleable characteristics in transmission beamforming, access to Analog to Digital Converter (ADC) raw data, and real-time imaging, either in hardware, software or in hybrid platforms SoCs. This work aimed to implement an open system to process back-end US data in a SoC platform from AMD Xilinx, specifically the ZedBoard, utilizing the reception beamformer and B-mode image reconstruction with scan conversion. Each processing step was modeled with Model Composer blocks in Simulink, implemented utilizing Vivado and Vitis software, and validated with empirical US data acquired from a commercial phantom. The results of intermediate steps were compared with MATLAB/Simulink simulations, utilizing Normalized Root Mean Square Error (NRMSE) and Normalized Residual Sum of Squares (NRSS) metrics to validate the agreement between models. Image results of the system‘s empirical implementation indicate that it serves as a suitable US processing platform with quantitative errors of 7.14% for Contrast-to-Noise Ratio (CNR) and 17.52% for Contrast Resolution (CR), and with a processing time of 0.36 seconds to display the resulting image on a VGA screen, utilizing less than 50% of the available SoC resources. Although the results show a minor degradation in the contrast resolution compared to the reference, they suggest that the resulting images retain essential information. Moreover, the device’s resource utilization indicates potential optimization for additional processing steps, including changes to enhance processing time, which is already faster than previous works. Possible applications of this work are in the further development of future US research open systems to enable innovative research in the ultrasound area.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paranápt_BR
dc.rightsopenAccesspt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/pt_BR
dc.subjectUltrassonografiapt_BR
dc.subjectSistemas programáveis em chippt_BR
dc.subjectProcessamento de sinaispt_BR
dc.subjectTestes de ultrassompt_BR
dc.subjectSistemas de varredurapt_BR
dc.subjectSistemas imageadorespt_BR
dc.subjectRadiofreqüênciapt_BR
dc.subjectSimulação (Computadores)pt_BR
dc.subjectUltrasonic imagingpt_BR
dc.subjectSystems on a chippt_BR
dc.subjectSignal processingpt_BR
dc.subjectUltrasonic testingpt_BR
dc.subjectScanning systemspt_BR
dc.subjectImaging systemspt_BR
dc.subjectRadio frequencypt_BR
dc.subjectComputer simulationpt_BR
dc.titleSistema de processamento digital de sinais ultrassônicos baseado em system on a chip (SoC)pt_BR
dc.title.alternativeDigital ultrasound signal processing system based on a system on a chip (SoC)pt_BR
dc.typemasterThesispt_BR
dc.description.resumoO ultrassom (US) é uma técnica amplamente difundida e com aplicações tanto na medicina diagnóstica como na indústria. Suas capacidades para analisar meios de forma não invasiva, sem características ionizantes, a tornam adequada para exames de imagem. A pesquisa na área explora novas técnicas de utilização dos sinais de radiofrequência em US, o que requer acesso e manipulação de sinais e etapas intermediárias na cadeia de processamento, geralmente não acessíveis em plataformas comerciais. Plataformas abertas impulsionam avanços na pesquisa em US. O advento da tecnologia de System on a Chip (SoC) acelerou o desenvolvimento da área, permitindo sistemas abertos com características de maleabilidade do beamforming de transmissão, acesso aos dados do ADC e imageamento em tempo real, em software ou hardware, ou em SoC, que associam os dois. O objetivo deste trabalho foi implementar um sistema aberto para processar os dados de back-end de US em uma plataforma SoC da AMD Xilinx, a ZedBoard, realizando o beamforming de recepção e a reconstrução de imagens em Modo B, até a conversão de varredura. As etapas foram projetadas utilizando blocos do Model Composer no Simulink, implementadas no Vivado e Vitis, e validadas utilizando dados de US reais adquiridos de um phantom. Resultados de etapas intermediárias foram comparados com simulações do MATLAB/Simulink usando as métricas Normalized Root Mean Square Error (NRMSE) e Normalized Residual Sum of Squares (NRSS) para comprovar concordância entre os modelos. Já os resultados de imagem do sistema implementado empiricamente indicam que ele é adequado para atuar como plataforma de processamento de sinais de US, com erros quantitativos de 7,14% de Contrast-to-Noise Ratio (CNR) e 17,52% em Contrast Resolution (CR), levando 0,36 s para exibir resultados em um display VGA e consumindo menos de 50% dos recursos do SoC. Apesar de apresentar uma pequena degradação do CR em comparação com a imagem de referência, as imagens reconstruídas conseguiram mostrar características importantes da imagem. Além disso, a ocupação de recursos do dispositivo indica que novas etapas podem ser implementadas e otimizadas, incluindo os tempos de processamento que já diminuíram em relação a trabalhos anteriores. Como exemplo de possível aplicação do sistema implementado, tem-se o desenvolvimento de futuros sistemas abertos com processamento embarcado em SoC para atividades de pesquisas inovadoras do US.pt_BR
dc.degree.localCuritibapt_BR
dc.publisher.localCuritibapt_BR
dc.creator.IDhttps://orcid.org/0000-0002-7122-5974pt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/6923009660586729pt_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.referee3Schiefler Junior, Nivaldo Theodoro-
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0003-0126-6954pt_BR
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/7547185444005370pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrialpt_BR
dc.publisher.initialsUTFPRpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICApt_BR
dc.subject.capesEngenharia Elétricapt_BR
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