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Título: Sistema para processamento de sinais de ultrassom utilizando excitação chirp com filtros casado e descasado
Título(s) alternativo(s): Ultrasound signal processing system using chirp excitation with matched and mismatched filters
Autor(es): Bairro, Rojelio de
Orientador(es): Assef, Amauri Amorin
Palavras-chave: Ultrassom
Imagens e fantasmas (Radiologia)
Processamento de imagens
Interface gráfica com o usuário (Sistemas de computação)
Modulação de frequência de pulso
Ondas ultrassônicas
Ultrasonics
Phantoms (Radiology)
Image processing
Graphical user interfaces (Computer systems)
Pulse frequency modulation
Ultrasonic waves
Data do documento: 17-Dez-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: BAIRRO, Rojelio de. Sistema para processamento de sinais de ultrassom utilizando excitação chirp com filtros casado e descasado. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: Técnicas de excitação ultrassônica baseadas na aplicação de pulso chirp codificado têm sido estudadas para melhorar a relação sinal-ruído (SNR) de sinais e imagens, principalmente em regiões mais profundas no meio biológico. As principais vantagens dessas técnicas são alongar temporalmente o pulso de transmissão para aumentar a potência acústica usando modulação linear de frequência e, posteriormente, na recepção, aplicar filtros de compressão para recuperação dos sinais. Neste trabalho foi proposto um sistema para simulação e avaliação experimental de sinais de Excitação Convencional Senoidal (ECS) e Excitação Chirp Codificada (ECC) na formação de sinais ultrassônicos a partir de phantoms computacionais unidimensionais e experimentais de ultrassom. O sistema é composto por um computador, no qual uma Interface Gráfica de Usuário (GUI) foi implementada na plataforma MATLAB, e uma arquitetura de hardware reconfigurável utilizando o kit de FPGA DE2-115, e uma placa proprietária com o gerador de forma de onda arbitrária MD2134, desenvolvida pelo Grupo de Ultrassom da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). As principais vantagens do sistema são flexibilidade e facilidade de uso para geração de pulsos complexos, possibilitando a configuração dos parâmetros de frequência central, faixa de frequência para sinais chirp, função de janelamento e duração do pulso, entre outros. Na etapa de recepção, os dados digitalizados dos ecos de ultrassom com taxa de amostragem de 80 MSPS são adquiridos via interface USB para pós-processamento. Os sinais retroespalhados de ECS com frequência de 1,6 MHz, janelamento Hanning e duração de 3 ciclos foram comparados com os sinais de ecos gerados por pulsos de ECC, configurados com faixa de frequência de 1,6 MHz ± 400 kHz, janelamento Tukey de 25% com duração de 5 µs, 10 µs e 20 µs, com a aplicação do filtro casado (FC) e filtro descasado (FDC) para avaliação da compressão dos sinais. Esses experimentos foram realizados por simulação no MATLAB e com os sinais de eco reais adquiridos com um phantom experimental de acrílico com dois grupos de fios. Os resultados indicam que o sistema é adequado para a realização de estudos simulados e experimentais utilizando pulsos convencionais e codificados para avaliação de compressão de pulso.
Abstract: Ultrasonic excitation techniques based on the application of chirp-coded pulse (ECC) have been studied to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of signals and images, especially in deeper regions of the biological media. The main advantages of these techniques are to temporally lengthen the transmission pulse to increase the acoustic power using linear frequency modulation and, subsequently, at reception, apply compression filters to recover the signals. In this work, a system was proposed for simulation and experimental evaluation of Sinusoidal Conventional Excitation (ECS) and Chirp-Coded Excitation (ECC) signals in the formation of ultrasonic signals from one-dimensional computational and experimental ultrasound phantoms. The system consists of a computer, in which a Graphical User Interface (GUI) was implemented on the MATLAB platform, and a reconfigurable hardware architecture using the DE2-115 FPGA kit, and a proprietary board with the MD2134 arbitrary waveform generator, developed by the Ultrasound Group of the Federal University of Technology – Paraná (UTFPR). The main advantages of the system are flexibility and ease of use for generating complex pulses, allowing the configuration of the parameters of central frequency, frequency range for chirp signals, windowing function and pulse duration, among others. In the reception stage, the digitized data of the ultrasound echoes with a sampling rate of 80 MSPS are acquired via the USB interface for post-processing. The ECS backscattered signals with a frequency of 1.6 MHz, Hanning window and duration of 3 cycles were compared with the echo signals generated by ECC pulses, configured with a frequency range of 1.6 MHz ± 400 kHz, Tukey window of 25% with duration of 5 µs, 10 µs and 20 µs, with the application of the matched filter (FC) and mismatched filter (FDC) to evaluate the signal compression. These experiments were performed by simulation in MATLAB and with the real echo signals acquired with an acrylic experimental phantom with two groups of wires. The results indicate that the system is suitable for carrying out simulated and experimental studies using conventional and coded pulses to evaluate pulse compression.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35987
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