SISTEMA COM 8 CANAIS DE CIRCUITOS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE SINAIS DE ULTRASSOM
Fábio Inocêncio Kravetz [Bolsista PIBIC – CNPq], Joaquim Miguel Maia [Orientador] Departamento Acadêmico de Eletrônica – DAELN, Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica e
Informática Industrial – CPGEI Campus Curitiba
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
Avenida Sete de Setembro, 3165 – Curitiba/PR, Brasil – CEP 80230 – 901 fabio.lfk@gmail.com, joaquim@utfpr.edu.br
Resumo: Este trabalho teve por objetivo dar continuidade ao desenvolvimento de um sistema de 8 canais de circuitos de transmissão e recepção de ondas de ultrassom para aplicações na área biomédica, possibilitando assim a obtenção de imagens de maior qualidade para o auxílio ao diagnóstico de doenças. Também foi desenvolvido uma fonte de baixas tensões para a alimentação de kits de desenvolvimento da Texas Instruments e outros circuitos do sistema. O módulo de controle do sistema foi feito utilizando-se FPGAs de alto desempenho da Altera Corporation.
Palavras-chaves: Ultrassom; Circuitos de transmissão; Circuitos de recepção, FPGA.
Abstract: The objective of this work was the continuity of the development of an ultrasound system with 8 channels of transmission and reception circuits to be applied in the biomedical area, making it possible to obtain high quality images to help in the diagnosis of diseases. It was also developed a power source of low voltages to be used in the development kits of the Texas Instruments and in other circuits of the system. The system control module was developed using high performance FPGAs from Altera Corporation.
Key-words: Ultrasound; Transmission circuits; Reception circuitsFPGA.
INTRODUÇÃO
A medicina teve uma grande evolução nas últimas décadas e uma das tecnologias que mais contribuiu para essa considerável evolução foi o ultrassom. A técnica emprega ondas mecânicas com freqüências acima de 20 kHz, que se propagam através dos tecidos biológicos e sua interação com estes resulta em ecos que podem ser processados para gerar imagens em tempo real e de forma segura [1], [2], [3].
As principais características da técnica estão relacionados ao baixo custo quando comparada com outras técnicas de imagens médicas (ressonância e tomografia, por exemplo), ao tipo de energia não ionizante, possibilitando ao médico a repetição dos exames sem danos a saúde do paciente. Também é possível mostrar importantes dados fisiológicos como o fluxo e sua direção, verificar a taxa de batimento cardíaco de fetos e avaliar estruturas móveis como válvulas cardíacas através do efeito Doppler [1], [4], [5].
Este trabalho teve por objetivo dar continuidade ao projeto para desenvolvimento de um sistema de 8 canais de circuitos de transmissão e recepção de ondas ultrassônicas para ser utilizado com transdutores multielementos na formação de imagens em modo B.
METODOLOGIA
Inicialmente foi desenvolvida uma fonte de tensões contínuas para valores de +1,8 V, +2,5 V, +3,3 V, ±5 V e ±12 V, sendo esta necessária para a alimentação dos kits de desenvolvimento da Texas Instruments e outros circuitos do sistema de desenvolvido.
Após a montagem e testes da fonte de alimentação desenvolvida, realizou-se testes com o kit de desenvolvimento da Texas Instruments para o circuito integrado AFE5805. O componente AFE5805 é utilizada para a recepção das ondas ultrassônicas e necessita ser alimentado com tensões de +1,8 V, +2,5 V, +3,3 V e +5 V. kit tem também um software incorporado para a fácil visualização dos sinais padrões com os quais se está trabalhando.
O kit vem acompanhado de um software que permite a programação dos modos de operação e configuração de outros parâmetros. Ele pode operar em dois modos: o modo TGC, que é o modo tradicional de operação, onde o componente possui 8 canais analógicos de recepção, cada um contendo amplificador de baixo-ruído (LNA), atenuador de tensão controlada (VCA), amplificador de ganho controlável (PGA), filtro passa-baixas (LPF), um conversor analógico-digital de 12 bits (ADC) com saída de dados de baixa tensão diferencial formato serial LVDS (low voltage diferential signal)) e o modo CW (Continuous Wave, modo de emissão contínua, mais simples, utilizada para análise de fluxos.
Além dos circuitos de condicionamento de sinais, o kit possui um circuito de proteção para que se possa realizar testes com transdutores de ultrassom operando no modo pulso-eco (onde o mesmo transdutor é utilizado para transmitir e receber os sinais). Este circuito de proteção é necessário para que as altas tensões que são utilizadas para excitar o transdutor (que podem chegar até ± 100 V) não danifiquem os circuitos de baixo sinal, que operam com tensões máximas da ordem de ±5 V.
Os circuitos que compõem o kit de desenvolvimento relativo à parte de recepção são compostos de duas placas, uma delas é responsável pela aquisição do sinal e a outra placa é responsável pela deserialização do sinal para que este seja compatível com a memória FIFO do sistema de controle, que neste caso, foi desenvolvido utilizando-se um kit de desenvolvimento da Altera Corporation (Cyclone III FPGA Starter Kit).
O circuito de transmissão apresenta 8 canais e faz o acionamento de transistores de potência de alta velocidade (do tipo MOSFET) para chaveamento de altas tensões a serem aplicadas ao transdutor e permite o acionamento através de um sistema de controle que trabalha com entradas lógicas e sinais em baixa tensão (1,8 V a 5 V). Esse circuito pode ser replicado para apresentar o número desejado de canais de transmissão e acionar transdutores com 32, 64, 128 ou 192 elementos, por exemplo.
A unidade de controle do sistema utiliza o Cyclone III FPGA Starter Kit, da Altera Corporation. Ele foi escolhido devido à grande capacidade de paralelismo e à disponibilidades de números de pinos de entrada e saída suficientes para o controle dos circuitos de transmissão e recepção.
Para o desenvolvimento do firmware de controle (programação e simulação de códigos fontes), foi utilizado o software Quartus II, 8.0 Web Edition, disponível gratuitamente no site da Altera Corporation. Este programa trabalha com a linguagem VHDL, a qual é de fácil utilização e entendimento. Também foi utilizada a ferramenta SOPC Builder, que faz parte do software Quartus II. Essa ferramenta permite efetuar o projeto de componentes baseados em processadores, memórias e periféricos em FPGAs de maneira simplificada e rápida,
auxiliando o processo de implementação de código e testes do sistema. A figura 1 apresenta os kits desenvolvimento do componente AFE5805.
(a) (b)
Figura 1. (a) Kit de desenvolvimento deserializador (AFE5805 EVM). (b) Kit de desenvolvimento do AFE5805.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 2 apresenta o circuito esquemático da fonte de alimentação desenvolvida.
Figura 2. Circuito esquemático da fonte de tensões desenvolvida.
A figura 3 apresenta um dos 8 canais dos circuitos de transmissão desenvolvidos no projeto de iniciação científica anterior [6].
Após estudo e testes de todos os módulos do projeto em separado, integrou-se todas as partes e foram realizados testes de bancada para avaliar o funcionamento dos circuitos. Verificou-se que os circuitos estão funcionando adequadamente e a próxima etapa será o
interfaceamento dos circuitos de controle, transmissão e recepção a um microcontrolador para realizar o processamento dos sinais e a geração de imagens.
O software de controle do sistema continua em fase de desenvolvimento e o objetivo é a obtenção de imagens de ultrassom em duas dimensões (modo B) de objetos de testes (phantoms) que mimetizam as características de tecidos biológicos.
Figura 3 – Esquemático de um dos 8 canais do circuito de transmissão [6].
CONCLUSÕES
Foi desenvolvida uma fonte de alimentação com tensões contínuas (DC) para alimentar os kits de desenvolvimento do componente AFE5805 da Texas Instruments e de FPGA da Altera Corporation (Cyclone III) A fonte desenvolvida possui saídas DC de tensões com valores de +1,8 V, +2,5 V,+3,3V e tensões simétricas de ±5 V e ±12 V. Também foram desenvolvidas rotinas para o processamento digital dos sinais captados, geração de imagens e interface com o usuário.
O software continua em fase de desenvolvimento e será utilizado para geração de imagens de ultrassom em duas dimensões (modo B) a partir de phantoms de uso geral para a área médica.
Esse projeto servirá como base para dois outros. Um deles é um sistema que tem por finalidade a excitação de transdutores matriciais de 132 elementos, com frequência central de 500 kHz, e será utilizado para caracterização do tecido ósseo na região do calcâneo. O outro projeto será a adaptação dos circuitos já existentes, com a utilização de transistores mais rápidos, para serem utilizados para excitar transdutores de frequências mais altas, na faixa entre 2 MHz e 10 MHz.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq pela concessão da bolsa PIBIT e pelo suporte financeiro (Processo: 476418/2009-7). Ao Professor Joaquim Miguel Maia pelo suporte dado durante todo o projeto. Ao CPGEI/UTFPR pela infraestrutura disponibilizada e à Fundação Araucária pelo suporte financeiro concedido.
REFERÊNCIAS
[1] HEDRICK, W. R.; HYKES, D. L.; STARCHMAN, D. E. Ultrasound physics and instrumentation, 4th. ed. Mosby, St. Louis, 2004
[2] CHRISTENSEN, D. A. Ultrasonic bioinstrumentation, John Wiley & Sons, New York, 1988.
[3] MAIA, J. M. Sistema ultra-sônico para auxílio ao diagnóstico da osteoporose. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica), Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP, Campinas, 2001.
[4] WEBSTER, J.G. Medical instrumentation: application and design. 2nd. ed., Houghton Mifflin, 1992.
[5] WELLS, P.N.T. Biomedical ultrasonics. London, Academic Press Inc, 1977.
[6] ASHIHARA, H. M. Circuitos de transmissão para transdutores de ultrassom multielementos controlados por FPGA, Relatório Final de Atividades de Iniciação Científica, UTFPR, Curitiba, 2011.
