Diseño de un Sistema de Adquisición de Datos Ultrasónicos

Diseño de un Sistema de Adquisición de Datos Ultrasónicos
Orientado a Aplicaciones Biomédicas
David J. Santos Llave
Pontificia Universidad Católica del Perú,
Lima, Perú
david.santos@pucp.edu.pe
Roberto Lavarello Montero
University of Illinois at Urbana Champaign
IL 61801, Urbana, Illinois, USA
lavarell@illinois.edu
Benjamín Castañeda Aphan
University of Rochester
NY 14627, Rochester, New York, USA
castaned@ece.rochester.edu
Abstract
El ultrasonido es una herramienta muy utilizada en medicina tanto para diagnóstico como para
terapia. La limitación principal de los sistemas de ultrasonido médico comerciales es el acceso
restringido a los datos de radiofrecuencia. Para acceder a estos datos es necesario comprar licencias
de investigación de elevado costo. El acceso a los datos de radiofrecuencia ultrasónicos permite el
desarrollo de nuevos algoritmos tanto para la formación como para el procesamiento de imágenes
médicas. El presente trabajo muestra el diseño e implementación de un sistema de generación y
adquisición de señales de ultrasonido en el rango de los Megahertz. Ambos sistemas han sido
desarrollados considerando las características de señales utilizadas en aplicaciones médicas
convencionales de ultrasonido. Los resultados preliminares muestran que el transmisor construido es
genera pulsos con ancho de banda suficiente para excitar transductores de hasta 50 MHz.
Validaciones parciales del ancho de banda del transmisor fueron obtenidas al excitar transductores
de 2.25 y 5 MHz. El sistema de recepción construido está basado en un FPGA con frecuencia
máxima de operación de 100 MHz y un ADC con resolución de 12 bits. Resultados preliminares
fueron obtenidos usando 25 MHz de frecuencia de muestreo y 8 bits de resolución para digitalizar
ecos ultrasónicos provenientes de un transductor de 5 MHz.
Palabras clave: Ultrasonido, FPGA, adquisición de datos, transductor.
los datos ultrasónicos de radiofrecuencia. Para
acceder a estos datos es necesario comprar
licencias de investigación de elevado costo.
Introducción
El ultrasonido es una onda mecánica en el
rango no audible del ser humano (mayor a 20
KHz). Se emplea tanto en aplicaciones médicas
(diagnóstico y terapia) como industriales
(ensayos no destructivos). El 25% de las
imágenes médicas formadas en el 2003 a nivel
mundial fueron realizadas con técnicas
ultrasónicas [1], lo cual posiciona al ultrasonido
como una herramienta fundamental para
diagnóstico médico. Sin embargo, los equipos
comerciales de formación de imágenes médicas
(ecógrafos) tienen un costo muy elevado (mayor
a $100, 000) y además restringen el acceso a
El acceso a los datos de radiofrecuencia
ultrasónicos permite el desarrollo de nuevos
algoritmos tanto para la formación como para el
procesamiento de imágenes médicas. En el
Perú existe una falta de desarrollo en
aplicaciones con ultrasonido y de desarrollo de
sistemas digitales de alta velocidad en general.
Ante ese contexto el presente trabajo busca
generar un punto de partida para el diseño y
desarrollo de sistemas ultrasónicos. En una
primera etapa el sistema ha sido diseñado para
186
banda ancha.
funcionar con transductores enfocados de un
solo canal. Sin embargo, para aplicaciones
clínicas convencionales es necesario expandir
el sistema a una segunda etapa utilizando un
arreglo de transductores de ultrasonido.
El presente trabajo muestra el diseño e
implementación preliminar de un sistema capaz
de permitir el acceso a los datos de
radiofrecuencia proveniente de un transductor
de ultrasonido. El sistema se divide en dos subsistemas: el sistema de transmisión y el sistema
de recepción. Estos dos sub-sistemas han sido
desarrollados considerando el rango de
frecuencias utilizadas en aplicaciones médicas
convencionales de ultrasonido [3] y tomando
como
referencia
equipos
comerciales
disponibles en las Universidades de Illinois en
Urbana-Champaign y Rochester.
El sistema de transmisión se encarga de
generar un pulso eléctrico de corta duración
(orden de nanosegundos) y elevado voltaje,
capaz de excitar transductores ultrasónicos en
el rango de los MHz. Para lograr esta excitación
es necesario que el espectro en frecuencia del
pulso generado cubra el ancho de banda (BW)
del transductor a utilizar. La potencia y duración
del pulso de excitación afectan directamente la
intensidad y el BW de los ecos ultrasónicos
recibidos.
Fig. 1.
Diagrama de bloques del sistema de adquisición de
datos ultrasónicos.
Las aplicaciones médicas convencionales
con ultrasonido utilizan frecuencias centrales
de operación de hasta 15 MHz [3]. Por lo tanto,
y considerando que es común utilizar
transductores con ancho de banda fraccional
cercano al 100% para aplicaciones de imágenes
ultrasónicas [8], el espectro de frecuencia del
pulso de excitación diseñado debe tener como
mínimo 22.5 MHz de BW, tal que pueda
envolver el BW del transductor.
El sistema de recepción se encarga de
acondicionar los ecos reflejados, digitalizarlos,
almacenarlos y pre-procesarlos. Un FPGA se
encarga de generar las señales de control para
la excitación del transductor, del ADC (ADC por
sus siglas en inglés), del almacenamiento y de
la transmisión de datos a la PC. La arquitectura
es flexible y permite configurar los parámetros
de frecuencia de operación, tiempo de
adquisición, tiempos de espera, número de
promediados de la adquisición y frecuencia de
repetición de pulsos.
El pulso de excitación de alta potencia se
obtuvo mediante la descarga de un
condensador a través de una red pasiva que
tiene como carga un transductor de ultrasonido
con resistencia nominal de 50 Ohmios. Para
realizar dicha descarga, es necesario utilizar un
conmutador de alta potencia y de velocidad
elevada. En la Fig. 2 se aprecia el diagrama
esquemático del pulser construido.
Metodología
El sistema de adquisición de datos
ultrasónicos propuesto se muestra en la Fig. 1 y
consta de dos sub-sistemas: de transmisión y
de recepción.
Sistema de transmisión.
Este sistema se encarga de generar un
pulso eléctrico tal que puedan excitar un
transductor de ultrasonido.
Los tipos de
circuitos de excitación de transductores de
ultrasonido (pulser) más comunes son: de
banda ancha (excitación impulsiva) y de banda
estrecha (excitación sinusoidal) [6]. En el
presente trabajo se optó por utilizar un pulser de
Fig. 2. Diagrama esquemático del pulser desarrollado.
187
En el circuito desarrollado se utilizó como
conmutador un HEXFET, IRF 820 canal N, que
soporta voltajes de hasta 500V y tiene un
tiempo de conmutación típico de 16 ns. Se
utilizó opto-acopladores para separar la etapa
digital de control de la etapa de potencia. Para
excitar adecuadamente el HEXFET se utilizó un
driver de MOSFET especializado conectado a la
salida del opto acoplador. Para generar el
voltaje necesario para la excitación del
transductor, se utilizó multiplicadores de voltaje
debido al bajo consumo de potencia.
computadora personal (PC) los ecos de
ultrasonido recibidos por el transductor. Para la
adquisición de los ecos ultrasónicos se tomó
como consideración que el BW de los
transductores ultrasónicos empleados en
formación de imágenes médicas es comparable
a la frecuencia central del transductor (BW
relativo cercano a 100%). Por lo tanto, en el
diseño del sistema se considera la posibilidad
de generar y digitalizar señales de ultrasonido
de hasta 22.5 MHz de frecuencia (1.5 x 15
MHz).
El tiempo de descarga del pulso se controla
con una resistencia de amortiguamiento en
paralelo con el transductor [2, 4]. Los valores
de la resistencia de amortiguamiento utilizados
son configurables desde 50 hasta 500 Ohmios.
Estos valores han sido elegidos tomando como
referencia el equipo comercial MS5800 de
Olympus [9]. En la Fig. 3 se muestra la
simulación del pulso de excitación diseñado
para una resistencia de amortiguamiento igual a
50 Ohmios utilizando el software SPICE.
El sistema de recepción ha sido diseñado
tomando
como
referencia
transductores
enfocados para la formación de imágenes
ultrasónicas. Debido al rango de frecuencias y
números focales a utilizar, en el presente
proyecto se consideró una profundidad focal
máxima de 7.5 cm. Asumiendo una velocidad
del sonido (c) promedio igual a 1.5 mm/us [8], la
duración máxima (∆t) de los ecos ultrasónicos
está dada por:
∆t =
150mm
∆d
=
= 100us
c / 2 1.5mm / us
(1)
Este valor es usado para determinar cuánta
capacidad de memoria se necesita para el
almacenamiento de los ecos ultrasónicos.
Considerando
una frecuencia de muestreo
máxima de 80 MHz, el número máximo (N) de
muestras es:
N=
tiempo máximo
100us
=
= 8000
periodo de muestreo 12.5ns
(2)
Debido al ruido producido por el hardware
del
sistema
y
por
la
interferencia
electromagnética,
se
promedian
varias
muestras en una misma posición de adquisición
de datos [6]. El sistema propuesto posee un
número de promediados configurable por el
usuario en valores de 2, 4, 8, 16, 32, y 64, lo
cual permite un aumento máximo en la relación
señal al ruido de aproximadamente 18 dB. Para
implementar el promediado se decidió reservar
6 bits adicionales para almacenar los datos
sumados.
Fig. 3. Simulación del pulser desarrollado con el software
SPICE.
Las características eléctricas del pulso de
excitación diseñado son: amplitud pico entre 35
y 80V, tiempo de bajada menor a 10ns y tiempo
de recuperación entre 15 a 200 ns. Estas
características han sido consideradas tomando
como referencia el equipo comercial MS 5800
de OLYMPUS®.
Para generar el voltaje necesario para la
excitación del transductor de ultrasonido, se
construyó una fuente de voltaje capaz de
generar hasta 140 VDC. Para generar este
voltaje se diseño un arreglo de siete
multiplicadores a partir de 15 VRMS.
Debido al elevado rango dinámico de la
señal de ultrasonido los equipos comerciales
cuentan con 8 bits de resolución como mínimo
(48 dB) [4, 5]. Sin embargo, existen aplicaciones
más sofisticadas con ultrasonido, como
caracterización de tejidos, que necesitan mayor
rango dinámico [4]. Por tal motivo para
digitalizar los ecos ultrasónicos, se escogió un
ADC con 12 bits de resolución (72 dB de rango
dinámico) que opere a frecuencias superiores a
80 MHz, lo cual permite obtener cerca de 4
Sistema de recepción.
La recepción de datos consiste en
acondicionar, digitalizar, almacenar, preprocesar y finalmente transmitir a una
188
50 Ohmios
a)
b)
c)
.
Señal en el tiempo del
MS-5800 de OLYMPUS
Señal en el tiempo del
sistema propuesto
Espectro de frecuencia
100 Ohmios
.
d)
e)
Señal en el tiempo del
sistema propuesto
f)
Señal en el tiempo del
MS-5800 de OLYMPUS
Espectro de frecuencia
Fig. 4. Respuesta en el tiempo y en frecuencia del pulso de excitación con el sistema propuesto (a), (c) y con el
equipo comercial MS-5800 de Olympus (b), (d), para resistencia de amortiguamiento de 50 y 100 Ohmios.
puntos por cada periodo de la onda ultrasónica
a la frecuencia máxima a digitalizar (22.5 MHz).
excitación para valores de resistencia de
amortiguamiento de 50 y 100 Ohmios. Los
resultados obtenidos con el sistema propuesto
(Fig. 4a y 4d) tienen características similares
(tiempo de bajada y voltaje) con respecto a las
señales obtenidas en la simulación del pulso de
excitación de la Fig. 3. En la Fig. 4 también se
presentan los pulsos de excitación obtenidos
con el equipo comercial (OLYMPUS® MS 5800)
para los mismos valores de resistencias de
amortiguamiento (Fig. 4b y 4e). La respuesta en
frecuencia de los dos sistemas se muestra en la
Fig. 4c y Fig. 4f.
Un dispositivo capaz de controlar los subsistemas de transmisión y recepción es
requerido para la construcción del sistema. Este
dispositivo debe ser capaz de operar a altas
velocidades (se considera como mínimo la
máxima frecuencia de muestreo a utilizar);
permitir la programación flexible de la lógica de
control de adquisición y el pre-procesamiento de
los datos ultrasónicos [7]. Como controlador se
escogió un FPGA VirtexII PRO de la empresa
Xilinx, el cual puede trabajar con frecuencias de
operación de hasta 100MHz.
Finalmente, si bien la frecuencia de
muestreo del sistema a desarrollar es
relativamente elevada, las aplicaciones de
ultrasonido médico para formación de imágenes
operan en modo pulsado con altos intervalos de
espera. Por tal motivo, los datos son
almacenados temporalmente en el FPGA para
luego ser enviados hacia una PC para su postprocesamiento.
Resultados
A. Sistema de Transmisión
En la Fig. 4. se muestran los resultados
obtenidos experimentalmente con el circuito de
Fig. 5. Señal en el tiempo obtenida utilizando el sistema de
excitación desarrollado.
189
Sistema Propuesto
Osciloscopio
b)
a)
64 Promediados
Fig. 6. Señales ultrasónicas de un transductor de 5 MHz, digitalizadas con el sistema propuesto y un osciloscopio
digital TEKTRONIX para valores de 0 y 64 promediados.
MHz de frecuencia de muestreo por simplicidad.
Sin embargo, cabe resaltar que el hardware del
sistema permite obtener 12 bits de resolución y
soportan hasta 100 MHz de frecuencia de
muestreo. Para su correcta digitalización, la
señal fue acondicionada usando limitadores de
voltaje y un amplificador comercial de la
empresa Minicircuits (17 dB efectivos de
ganancia).
Para una resistencia de amortiguamiento de
50 Ohmios, el sistema comercial presenta un
tiempo de bajada de 8ns, tiempo de subida de
20 ns, voltaje pico de -28 voltios y BW a -6dB
de 35MHz. Para ese mismo valor de resistencia,
el circuito de excitación desarrollado presenta
las siguientes características: tiempo de bajada
de 8ns, tiempo de subida de 20 ns, voltaje pico
de -35 voltios y BW a -6dB de 50MHz. Se
observa que el circuito de excitación construido
presenta características comparables en
tiempos de conmutación, amplitud y BW, con
respecto al equipo comercial MS-5800 de
Olympus.
Para comprobar el diseño de la etapa de
recepción, se implementó la lógica de control en
una tarjeta de evaluación XUP VP2, la cual
contiene un FPGA VirtexII-PRO. En la Fig. 6 se
muestran las pruebas preliminares del sistema
de adquisición desarrollado. En estas pruebas
se utilizó un transductor no enfocado de 5 MHz
de frecuencia central de operación, la
adquisición de datos se realizó con 64
promediados y sin promediados de datos. Las
pruebas se realizaron con una frecuencia de
repetición de pulsos de 1 KHz. La pieza de
prueba utilizada fue plástico blando y se usó
agua como acople.
En la Fig. 5 se muestran los ecos obtenidos
con un osciloscopio digital TEKTRONIX TDS
1002 utilizando el sistema de excitación
desarrollado
y
una
resistencia
de
amortiguamiento de 50 Ohmios. Se utilizó un
transductor enfocado de 2.25 MHz y una pieza
de prueba de acero. Tanto el transductor como
la pieza de prueba fueron facilitados por el
Laboratorio de Materiales de la Pontificia
Universidad Católica del Perú.
Las señales digitalizadas con el sistema de
adquisición desarrollado se presentan en la Fig.
6a y 6c. Las señales digitalizadas con un
osciloscopio digital TEKTRONIX se muestran
en las Fig. 6b y 6d. Como es de esperarse, por
las propiedades tanto del transductor como del
material de prueba, los ecos recibidos utilizando
una pieza de plástico son más débiles
(10mVpp) que los correspondientes a la Fig. 4.
Sin embargo, se puede apreciar en las gráficas
que las señales adquiridas con el sistema
propuesto son comparables a las obtenidas con
el osciloscopio digital para una misma
resolución y una misma
frecuencia de
muestreo.
Las pruebas realizadas con el circuito pulser
desarrollado muestran que el sistema es capaz
de excitar transductores de ultrasonido de hasta
50 MHz (Fig. 4c) de frecuencia central de
operación, lo cual cubre el rango de frecuencias
utilizado
en
aplicaciones
médicas
convencionales de ultrasonido.
B. Sistema de Recepción
Resultados preliminares también fueron
obtenidos
con el sistema de recepción
desarrollado usando 8 bits de resolución y 25
190
[2] R. Ingunza, J.Valverde. “Diseño e Implementación de
un Sistema de Adquisición de Señales Ultrasónicas para
Transductores Industriales”, Tesis de Ingeniería, Pontificia
Universidad Católica del Perú, Facultad de Ciencias e
Ingeniería, 113p, 2002.
Conclusiones
Se implementó un circuito de excitación de
banda ancha capaz de excitar transductores de
ultrasonido de hasta 50 MHz de BW, rango de
frecuencias utilizado en aplicaciones médicas
convencionales. Las respuestas en el tiempo y
en frecuencia del circuito de excitación
desarrollado son comparables a los resultados
obtenidos con el equipo comercial MS-5800 de
Olympus.
[3] S. L. Bridal, J-M. Correas, A. Saied, y P. Laugier,
Milestones on the road to higher resolution, quantitative, and
functional ultrasonic maging,Proceedings of the IEEE, Vol.
91, No. 10, pp. 1543-1561, Octubre, 2003.
[4] M. Schafer, P. Lewin, The influence of front-end
hardware on digital ultrasonic imaging,IEEE Transaction on
Sonics and Ultrasonics, Vol. 31, No. 4, pp. 295-306, Julio,
1984.
Se implementó un sistema de adquisición de
datos ultrasónicos de un solo canal, capaz de
adquirir ecos ultrasónicos de transductores con
frecuencia central de operación de hasta 15
MHz con un BW fraccional de 100%. Este
sistema utiliza hardware capaz de capturar
datos del ADC, almacenar y pre-procesar los
ecos ultrasónicos con una frecuencia de
muestreo de hasta 100 MHz y una resolución de
12 bits, aunque su funcionamiento solamente ha
sido validado con frecuencias de muestreo de
hasta 25 MHz y 8 bits de resolución.
[5] M. Scabia, E. Biagi, and L. Masotti, Hardware and
software platform for real-time processing and visualization
of echographic radiofrequency signals, IEEE Transactions
on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.
49, pp. 144-1452, Octubre, 2002.
[6]J.B.
Krautkramer,
“Ultrasonic
Materials”,Springer-Verlag, Berlin, 1990.
Testing
of
[7] A.K. Choubey, R. Raushan, V. Manoj Kumar, High-speed
data acquisition system design, 1st International Symposium
on Systems and Control in Aerospace and Astronautics, pp.
6-7, 2006.
[8] T. Szabo, “Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out”,
MA, Elsevier Science, Burlington, 2004.
El sistema utiliza un procesador (FPGA), de
alta velocidad de operación, con flexibilidad de
programación, incluyendo una etapa de
promediado para reducir hasta en 18 dB el
ruido producido por el hardware y la
interferencia electromagnética. Los resultados
preliminares obtenidos en la digitalización de
datos son comparables a los obtenidos con un
osciloscopio digital.
[9] Olympus NDT, http://www.olympusndt.com/en/5800pr/
Para culminar el proyecto es necesario
construir las etapa de amplificación, atenuación
y filtrado programable, con BW elevado y
ganancias típicas (20, 40 y 60 dB) utilizadas en
equipos comerciales de ultrasonido. Además se
debe agregar memorias externas al FPGA para
almacenar mayor cantidad de datos y validar la
capacidad de operar a mayores frecuencias de
muestreo y rangos dinámicos.
El sistema ultrasónico propuesto puede ser
extendido para excitar y adquirir señales
provenientes de arreglos de transductores de
ultrasonido en lugar de transductores de un solo
canal utilizando
la misma
arquitectura
diseñada para el presente proyecto. Para esto
es necesario que el sub-sistema de transmisión
y recepción se replique para cada uno de los
elementos del arreglo de transductores.
Bibliografía
[1] F. Forsberg, Ultrasonic biomedical technology: marketing
versus clinical reality, Ultrasonics, Vol. 42, No. 2, pp.17-27,
Abril, 2004.
191