Netrix S.A.

Stworzeniu układu pomiarowego w ramach tomografii ultradźwiękowej

Zdecydowano, że tomograf będzie wykorzystywał technikę formowania wiązki. Efektem prac były schematy ideowe, mozaiki płytek oraz prototyp modułu pomiarowego.

Zaprojektowano moduł multipleksera na bazie układu HV2809. Służy on do przełączania 16 kanałowej grupy kanałów pomiędzy dwoma złączami wyjściowymi. Jest to tzw. multiplekser 2:1.. Cały zestaw multipleksera składa się z 6 kart przełączających, montowanych na wspólnej płycie rozprowadzających sygnały pomiarowe. Urządzenie z maksymalną liczbą zainstalowanych kart przełączających pozwala na multipleksowanie 16 kanałów pomiarowych do 192 (16*6*2).

Poniżej przedstawiono kolejny prototyp wykonany wg. zaprojektowanej wcześniej oraz przygotowanej płytki modułu UST z wykorzystaniem beaformingu oraz szybkiego układu pomiarowym MAX2082.

Zmontowane płytki, czyli karta pomiarową złożoną z układu MAX2082 i ALTER-y CYCLONE4, oraz płytkę sterującą składającą się z mikrokontrolera STM32H7 i szeregu przetwornic dających w sumie 10 poziomów napięć -w tym napięć wysokich +/-72V.

Układ pomiarowy w ramach EIT 

Układ pomiarowy posiada 16 torów pomiarowych, na które składają się układy kondycjonowania sygnału, analogowe układy przełączające, przetworniki cyfrowo-analogowe, przetworniki analogowo-cyfrowe, układy PGA, oraz układy filtrujące. Prototyp zaprojektowany został w formie karty pomiarowej, do której dołączane jest dwunastotorowe złącze zasilania i transmisji danych, oraz złącze pomiarowe pozwalające dołączyć 16 – kanałową sondę pomiarową.

Układ pomiarowy w ramach UST 

Kamień milowy został zrealizowany dzięki zbudowaniu układu pomiarowego UST w oparciu o wielopłytkową strukturę z wykorzystaniem dedykowanego szybkiego układu pomiarowego MAX2082, który został wykorzystany do budowy prototypu urządzenia. Wykonana karta połączeniowa z przetwornikami posiada 8 torów pomiarowych. Urządzenie sterujące jest w stanie obsłużyć 4 karty, co przekłada się na 32 tory pomiarowe.

Urządzenie pomiarowe

Zostało opracowane urządzenie pomiarowe do dualnej diagnostyki dróg moczowych łączące tomografie UST (ultradźwiękową) oraz EIT (impedancyjną). Urządzenie zostało uruchomione, zostały przeprowadzone testy, z których wynikło, że szybkość budowania obrazów w zakresie obydwu technik pomiarowych wynosi około 470 obrazów na minutę. 

Opracowane zostały również odpowiednie algorytmy pozwalające na rekonstrukcję obrazu z jakością nie gorszą niż 10% w stosunku do powierzchni całego obrazu. W tym celu zaimplementowano metodę tworzenia obrazu polegająca na zmianie kształtu piksela (2D) z kwadratowego na kołowy. Przeanalizowano przypadek, gdy obiekt stanowił niecałe 5% długości boku rozpatrywanego obszaru, czyli obiekt, który jest bardzo mały. Uzyskane wyniki pokazują, że osiągnięty został zakładany w kamieniu milowym parametr rozdzielczości przestrzennej.

Ilość opracowanych metod

W ramach doboru metod rozwiązania zagadnienia odwrotnego oraz układów równań algebraicznych zostały przeanalizowane i przygotowane następujące metody dla metody tomograficznej UST oraz EIT: Gaussa-Newton, Total Variation, liniowa projekcja wsteczna, regresja logistyczna (Lasso czy Elastic Net), regresja probitowa, BWTR (Block Wise Transform Reduction), multiply Neural Networks, metoda zbiorów poziomicowych, Focuss (Focal Underdetermined System Solver) oraz metoda tworzenia obrazu polegająca na zmianie kształtu piksela. W opracowanych metodach uwzględniony został zakres częstotliwości dla UST (40-1000 kHz) oraz dla EIT (0,5-5 kHz).

Metoda wielokanałowego pomiaru potencjałów bioelektrycznych w ramach tomografii impedancyjnej

W ramach opracowywanego rozwiązania powstało rozwiązanie układu toru pomiarowego 16 bitowego przetwornika analogowo cyfrowego pozwalającego na wykonywanie pomiarów z częstotliwością próbkowania od 1 do 25Msps.

Metoda pomiarów parametrów akustycznych ośrodka struktury wewnętrznej w ramach tomografii ultradźwiękowej

W przypadku zaprojektowanego urządzenia, które posiada 32 przetworniki ADC o rozdzielczości 12bitów, rozdzielczość sygnału przetworzonego przez przetworniki ADC pochodzącego z Beamformingu jest aż 17bitowa (32*4095 = 131040). Ilość pomiarów przypadającą na jedną macierz pomiarową jest ustalana parametrem ILOSC_PROBEK[15..0], liczba ta jest 16bitowa, ale ze względu na ograniczoną ilość pamięci RAM dostępną w FPGA oraz mikrokontrolerze STM32H7 ograniczono tą liczbę do 16000 pomiarów.

N a jednej płytce krzemowej scalono aż 8 niezależnych torów pomiarowych, zawierających: szybkie przetworniki ADC 50MSPS (50Mb/s) z serializatorem do LVDS, wzmacniacz niskoszumowy LNA (Low Noise Amplifier), wzmacniacz regulowany VGA (Variable Gain Amplifier), filtr antyaliasingowy AAF, filtr górnoprzepustowy HPF (High Pass Filter), impulsator wysokonapięciowy, przełącznik T/R (nadawanie/odbieranie).

Opracowanie tekstylnych elektrod pomiarowych

Dla całego zakresu częstotliwości wartość impedancji zastępczej mierzonego obiektu wahała się w granicach od 0,74 do 0,82 ohma co jest w granicach błędu pomiarowego. Ze względu na w przybliżeniu stałość otrzymanych wyników pomiarów można szacować, że obiekt mierzony ma charakter głównie rezystancyjny.

Opracowanie piezoelektrycznych elektrod pomiarowych 

Urządzenie (głowica) wykorzystuje przetworniki ultradźwiękowe generujące wysokie częstotliwości w technologii beamforming-u (nakierowywanie fali ultradźwiękowej przy użyciu nieruchomych statycznych przetworników.

Opracowanie algorytmów do rekonstrukcji obrazów

Lista przedstawia rodzaje algorytmów które wykorzystano do rozwiązania problemu odwrotnego: LASSO, Regresja grzbietowa, Elastic-Net, Lars, ANN, CNN.

Czas rekonstrukcji metodami Lasso, Regresja Grzbietowa, Elastic Net spełnia kryterium o czasie rekonstrukcji poniżej 500ms. Średni czas rekonstrukcji dla obliczeń rozłożonych na 8 rdzeni wyniósł 0,2578 sek (257,8 ms) co spełnia warunek pojedynczej średniej rekonstrukcji mniejszej niż 300 ms, przy czym minimalny czas rekonstrukcji wyniósł 0,2448 (244,8 ms) maksymalny czas pojedynczej rekonstrukcji wyniósł natomiast 0,2836 sek (283,6 ms).