Paralelización y mejora del proceso de conformación de haz en sistemas de apertura sintética para la generación de imagen ultrasónica en tiempo real

Resumen

El desarrollo de sistemas ecográficos de alta calidad y con buenas prestaciones se basa en el empleo de sistemas multisensoriales (arrays) que pueden contener decenas de elementos y tiene asociado una elevada complejidad, por el número de sensores, la electrónica para la adquisición de señales y la etapa de procesamiento de los datos adquiridos que debe operar en tiempo real. En este sentido, el desarrollo de nuevos sistemas con mayores prestaciones (resolución, contraste, 3D) está fuertemente limitado por el número de sensores. Hay numerosas líneas de investigación que analizan estrategias de adquisición que utilizan un número reducido de canales electrónicos en paralelo. A estas técnicas se las conoce como Técnicas de Apertura Sintética (SAFT) y su interés radica en que son capaces de reducir los requerimientos hardware (bajo consumo, portabilidad, coste) y además permiten mejorar la calidad de imagen respecto a los sistemas convencionales. La principal limitación de SAFT es su elevado coste computacional. Disponer del conjunto de datos crudos para un array de N elementos proporciona un conjunto de datos de N×N señales (conocido como FMC). Estos datos se combinan para generar una imagen de I píxeles mediante un proceso de conformación de haz (beamforming), que compensa los tiempos de propagación de las señales a todos los píxeles de la imagen. Este proceso es conocido como Total Focussing Method (TFM) y junto con el FMC ha dado lugar a un nuevo estándar de calidad. Desafortunadamente, su coste es O(N·N·I) y supone un difícil compromiso entre el paralelismo hardware y el coste de ejecución del FMC; y por otro lado tiene una baja relación señal a ruido. Sobre toda esta problemática se desarrolla esta tesis, analizando el papel de los sistemas de procesamiento paralelo y evaluando su capacidad para generar imagen en tiempo real, tanto en su configuraciones multi-core (CPUs) como en procesadores gráficos (GPUs). La primera parte de este trabajo se desarrolla sobre la obtención de modelos de campo acústico, que son muy importantes para el desarrollo de espacios simulados y probar nuevos algoritmos. Se adaptan muy bien al modelo SIMD (Single Instruction Multiple Data) por el gran número de puntos sobre los que se debe realizar de manera independiente el cálculo. La segunda parte se centra en los procesos de de conformación de TFM + FMC. Se han diseñado algoritmos de paralelización para valorar la posibilidad de sustituir un conformador hardware tradicional por uno software.Así, se ha demostrado que es posible conseguir un sistema en tiempo real de 25 img/seg para un array de N = 64 elementos y una imagen de 512 × 512 píxeles usando una GPU Nvidia Quadro K5000. Adicionalmente, esto ha dado lugar al desarrollo de una librería de procesamiento multiplataforma para imagen 2D y 3D, que integra variedad de técnicas SAFT y facilita el prototipado de nuevas técnicas de imagen. La tercera parte estudia aspectos enfocados a desarrollar sistemas de bajo coste, alta calidad y velocidad. Se centra en desarrollar alternativas que exploten las soluciones de mínima redundancia del coarray (MRC) que tienen un coste de O(N ·I) y procedimientos de beamforming que implementan TFM + MRC. Asimismo se propone una nueva técnica, FAST-SAFT, que minimiza el número de disparos. Finalmente se ha estudiado el problema del rango dinámico a través del empleo de técnicas de compresión de pulsos. Como conclusiones, los resultados obtenidos demuestran que es posible conseguir imagen a alta velocidad de 200 img/seg bajo las mismas condiciones que en FMC. Además, el uso de la técnica FAST-SAFT y los códigos de Golay permiten reducir el tiempo de adquisición de 64 disparos a sólo 5 y consiguiendo una calidad de imagen comparable con la obtenida por TFM + FMC. Por tanto, las soluciones propuestas en este trabajo demuestran que es posible el desarrollo de sistemas compactos y alta calidad de imagen con un gran campo de aplicación en los sectores médico e industrial.