No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo en portal de tesis electrónicas hasta el 16/04/2018 / Ingeniero Civil Electricista / Esta Memoria se origina en la necesidad de disponer de enlaces de radio frecuencias en aplicaciones cotidianas o diseños tecnológicos comerciales, evitando así la comunicación física mediante cables entre distintos dispositivos, ya sea por comodidad, barreras físicas del medio, seguridad o imposiciones de diseño. En esa misma línea, el objetivo de este trabajo consiste en dotar de un bloque de transferencia inalámbrica de imágenes a un ecógrafo diseñado en el país. El estudio detrás de tal implementación se centra en la identificación de aspectos de importancia en una transmisión inalámbrica de corto alcance, tales como: banda de frecuencia a usar; saturación de la banda; obstaculización; direccionalidad de la señal; esquema analógico o digital a implementar y aislamiento electromagnético propio de las PCBs donde se montan dichos sistemas. En este trabajo, se diseñó e implementó un bloque de transmisión analógico, el cual transmite video compuesto NTSC y opera en la banda libre de 5.8 GHz, mediante circuitos integrados especializados. Este enlace fue completado a todo nivel, es decir, se fabricó tanto la PCB transmisora como la receptora, y se compatibilizó ambas con los elementos terminales mediante programación y construcción de hardware auxiliar. La primera PCB se comunica con el actual prototipo del ecógrafo y recibe video de 640 x 480 píxeles en formato VGA entrelazado -lo cual implicó la elaboración de un bloque de compatibilidad VGA a NTSC dentro del mismo procesamiento del sistema-, luego lo codifica a NTSC y transmite de forma inalámbrica. La segunda PCB, por su parte, permitió coordinar y disponer de un prototipo funcional de recepción de video analógico, junto con su posterior visualización en dispositivos personales HMDs. Sin embargo, la calidad de imagen obtenida se vió limitada por la misma naturaleza del NTSC y el enlace analógico, notando pequeñas perturbaciones visuales al existir obstaculización entre emisor y receptor. Por otro lado, también se estudiaron las ventajas generadas por un esquema de enlace digital, el cual potencialmente permite mayor capacidad de transferencia de datos, seguridad, y mejor calidad de imagen. Este estudio, se centró en la compresión y descompresión de imágenes en formato JPEG2000, previo al envío de datos. Esta etapa es necesaria en toda aplicación de video digital, e implica mayor complejidad -en términos de implementación- que el enlace mismo, o más aún, que el esquema de transferencia analógico. Así fue posible diseñar una tarjeta de desarrollo compatible con la plataforma DE2 de Altera para el envío, manejo y (des)compresión de imágenes en tiempo real. Finalmente se culmina la propuesta de transmisión digital indicando las etapas necesarias de programación y captura de imágenes desde el equipo, para ser transmitidas bajo WiFi en la banda de 2.4 GHz. Este trabajo permitirá disponer de un ecógrafo capaz de enviar video inalámbrico, y plantea el esquema de compresión y envío digital de imágenes como mejora al actual prototipo. Por otro lado, las consideraciones realizadas sobre el diseño en PCBs para video, más los proyectos de descripción de hardware para FPGAs facilitados, permiten acelerar el proceso de obtención de nuevos prototipos tecnológicos funcionales.

Actualmente el ultrasonido es una técnica de rehabilitación muy usada en distintos lugares del mundo para tratar personas que han sufrido algún tipo de lesión tisular. Este tipo de terapia ha ganado prestigio debido a la practicidad de su uso y por sus buenos resultados a causa de los efectos mecánicos (micromasaje) y térmicos que estimulan el metabolismo y la reparación de los tejidos afectados. Sin embargo, estos equipos tienen una desventaja: en algunas ocasiones pierden la calibración sin tener mucho tiempo de uso, esto quiere decir que los equipos pueden emitir una potencia mayor, originando que el paciente tenga algunas molestias o pueda sufrir una leve quemadura; o una potencia menor, lo cual no generaría el calor necesario para que se realice la rehabilitación con éxito. En el presente estudio se analizan equipos de ultrasonido analógicos en vez de equipos digitales, esto se debe a que en esta clase de equipos, las etapas son muy parecidas, con lo cual se puede generalizar el estudio para varios equipos. Primero se analiza el diagrama de bloques del equipo de ultrasonido, se eligen las etapas que van a ser estudiadas teniendo como criterio si éstas tienen relación directa con la señal de salida o no. Luego por cada etapa se elige un elemento crítico el cual es el más importante dentro del circuito y el más susceptible a error. A continuación se prueban los circuitos funcionando correctamente y luego se prueban con variaciones las cuales dependen del elemento crítico elegido. Por último se concluye si la etapa analizada puede influir en la potencia de salida del equipo y por ende llevarlo a perder la calibración. Según el estudio realizado, las etapas de oscilación, digitalización y amplificación pueden llevar a la pérdida de calibración del equipo; la etapa de Modo Pulsado no influye en la pérdida de calibración; sin embargo, una falla en esta etapa puede perjudicar al paciente si se le trata con una intensidad mayor a la recomendada. En el transductor se encontraron fallas principalmente mecánicas y también fallas causadas por mala manipulación del usuario. / Tesis

La presente investigación tiene por objetivo el estudio de las técnicas de creación de imágenes ultrasónicas, tanto a gran escala como a pequeña escala, trabajando con bajas y altas frecuencias. Para el caso de gran escala se propone un diseño de un sistema telemétrico. Por otro lado, para el caso de pequeña escala se tomará énfasis en la técnica conocida como SAFT (Técnica de Enfocamiento mediante Apertura Sintética) debido a su compromiso costoresolución. Se realizará comparaciones entre estas técnicas y se indicarán propuestas de mejoramiento como el uso de transductores enfocados. / Tesis

Breast cancer is one of the greatest problems of national and international public health, whose incidence among women population shows an increasing trend. Nowadays there are several elastographic techniques, which seek to characterize the tissue, that is, to analyze the response produced by the application of a perturbation in the medium, to describe its mechanical properties. Among the modalities used are ultrasound, nuclear magnetic resonance and optical coherence tomography. On the other hand, among the types of disturbance used are low frequency mechanical waves, a uniform compression force or acoustic radiation force. In this thesis work, ultrasound was used due to its low economical cost in comparison to the other modalities. In addition, the type of perturbation selected was the external mechanical vibration, as it ensures the achievement of quantitative results, there is no risk of temperature rise in the analyzed area and allows the repeatability of the results obtained. Hence, two elastographic techniques were the axes of the present work: vibro-elastography and normal vibration holography. For the first, a calibrated phantom and a gelatin-based phantom were used, in order to characterize and validate the technique over a wide range of excitation frequencies. Posteriorly, 18 patients were analyzed prior biopsy exam, obtaining elastograms and contrasting them with the respective biopsy results. The results suggest that the technique is able to identify the presence of benign or malignant cancer, and the elasticity estimated agree with values reported in the literature. The second technique is proposed in the elastography field for the first time. Based on holography, its experimental scheme is established, and the mathematical expression for shear speed estimation is presented. Results from simulation and experiments performed on homogeneous and heterogeneous phantoms are presented, and the estimates are compared with previously obtained reference values. The results suggest that the estimates are close to the reference values for all media tested, and the technique must be studied in depth to revert artifacts formation. / Tesis

Many pathological conditions are closely related with an increase in tissue sti ness. For many years, experts performed manual palpation in order to measure elasticity changes, however, this method can only be applied on superficial areas of the human body and provides crude sti ness estimation. Elastography is a technique that attempts to characterize the elastic properties of tissue in order to provide additional and useful information for clinical diagnosis. For more than twenty years, di erent research groups have developed various elastography modalities with a strong interest for quantitative images during the last decade. Recently, comparative studies among di erent elastographic techniques have been performed in order to better characterize biomaterials, to cross-validate several shear wave elastographic modalities and to study the factors that influence their precision and accuracy. This comparison works may contribute to achieve standardization in quantitative elastography and their use in commercial equipment for their application in human patients. However, there is still a limited literature in the field of quantitative elastography modalities comparisons. This thesis focuses on the comparison between two elastographic techniques: crawling wave sonoelastography (CWS) and single tracking location-acoustic radiation force impulse (STL-ARFI). The comparison shows the estimation of the shear wave speed (SWS), lateral resolution, contrast and contrast-to-noise ratio (CNR) in homogeneous and inhomogeneous phantoms using both techniques. The SWS values obtained with both modalities are validated with mechanical measurements that are considered as ground truth. The SWS results for the three di erent homogeneous phantoms (10%, 13%, and 16% gelatin concentrations), show good agreement between CWS, STL-ARFI and mechanical measurements as a function of frequency. The maximum accuracy errors obtained with CWS were 2.52%, 1.63% and 2.26%. For STL-ARFI, the maximum errors were 6.22%, 5.63% and 4.08% for the 10%,13% and 16% gelatin phantom respectively. For lateral resolution, contrast and CNR estimated in the inhomogeneous phantoms, it can be seen that for vibration frequencies higher than 340 Hz, CWS presents better results than the obtained with STL-ARFI using distances between the push beams ( x) higher than 4 mm. However, using these vibration frequencies will not be feasible for in vivo tissues due to attenuation problems. It that sense, for lower vibration frequencies than 300 Hz and x among 3 mm and 6 mm, comparable lateral resolution, contrast and CNR was obtained. Finally, the results of this study contribute to the data currently available for comparing elastographic techniques. Moreover, the methodology implemented in this document may be helpful for future standardization for di erent elastographic modalities. / Tesis

The attenuation coefficient slope (ACS) has the potential to be used for tissue characterization and as a diagnostic ultrasound tool, hence complementing B-mode images. The ACS can be valuable for estimation of other ultrasound parameters such as the backscatter coefficient. There is a well-known tradeoff between the precision of the estimated ACS values and the data block size used in spectral-based techniques such as the spectral log difference (SLD). This trade-off limits the practical usefulness of spectral-based attenuation imaging techniques. In this thesis work, the regularized spectral log difference (RSLD) technique is presented in detail and evaluated with simulations and experiments with physical phantoms, ex vivo and in vivo. The ACS values obtained when using the RSLD technique were compared to the ones obtained when using the SLD technique, as well as the ground truth ACS values obtained with insertion loss techniques. The results showed that the RSLD technique allowed significantly decreasing estimation variance when using small data block sizes (i.e., standard deviation of percentage error reduced by more than an order of magnitude in all cases when using 10 x 10 data blocks) without sacrificing estimation accuracy. Therefore, the RSLD allows for the reconstruction of attenuation coefficient images with an improved trade-off between spatial resolution and estimation precision. / Tesis

El presente trabajo tiene por objetivo el diseño y desarrollo de un excitador básico de ultrasonido. Para dicho fin, se debe generar una señal eléctrica adecuada para aplicarla a un transductor. Esta señal eléctrica consiste básicamente en trenes de pulsos de alto voltaje que son enviados cada cierto periodo. Los parámetros de esta onda, tales como duración del pulso, número de pulsos por tren y frecuencia de repetición del tren de pulsos, deben ser configurados por el usuario. Con este trabajo se busca promover la investigación sobre excitadores de ultrasonido de mayor precisión y resolución, lo que implicará una contribución en el desarrollo de equipos de ultrasonido para diversas aplicaciones, cada vez más necesarias e importantes en la medicina e industria. Para alcanzar este objetivo, se ha hecho uso de un sintetizador digital de frecuencias, conocido como DDS, para poder generar pulsos de voltaje de hasta 200 nanosegundos. Para controlar la frecuencia de repetición se utilizó un microcontrolador Atmel de 8 bits y para el control del número de pulsos por tren, un sistema compuesto por compuertas lógicas de alta velocidad de la familia 74HCT. Finalmente, para amplificar la señal lógica generada, se usó un arreglo de Power MOSFETs. / Tesis

El presente trabajo tiene como objetivo diseñar y desarrollar un sistema de adquisición de datos ultrasónicos en un FPGA, capaz de excitar transductores ultrasónicos en el rango de las aplicaciones médicas convencionales de ultrasonido, y de digitalizar, almacenar y transmitir los ecos ultrasónicos recibidos a una computadora personal. En el Capítulo 1 se presenta la problemática actual en nuestro país con respecto al desarrollo de sistemas de adquisición de datos ultrasónicos y las ventajas que tendría desarrollar este tipo de tecnología. Adicionalmente, se presenta los objetivos del presente proyecto de tesis, los requerimientos y características principales del sistema propuesto y las maneras que existen de implementar un sistema de adquisición de datos. En el Capítulo 2 se describen cada una de las partes que componen un sistema de adquisición de datos ultrasónicos, por ejemplo: circuito de excitación, acondicionamiento de señal, adquisición de datos, transmisión de datos e interfaz con el usuario. Adicionalmente se analizan las características físicas y eléctricas de cada parte del sistema. En el Capítulo 3 se presenta el diseño electrónico de la etapa de excitación de transductores ultrasónicos, adquisición, almacenamiento, pre-procesamiento y transmisión de datos a la computadora. En cada etapa se muestra los criterios de diseño utilizados, las simulaciones obtenidas con el diseño propuesto y se realiza una comparación cualitativa con el trabajo precedente a este proyecto. En el Capítulo 4 se muestran los resultados obtenidos con el sistema de adquisición de datos desarrollado. Se presenta una comparación cualitativa entre los resultados obtenidos con el equipo comercial MS-5800 de la empresa OLYMPUS y el sistema de excitación desarrollado. También se presenta una comparación entre las señales adquiridas con un osciloscopio digital de la marca TEKTRONIX y el sistema de adquisición de datos desarrollado. / Tesis

Ingeniero Civil Eléctrico / 23/07/2023

Ingeniero Civil Eléctrico / Taote es un dispositivo de ultrasonido portátil de bajo costo completamente diseñado y construido en la Universidad de Chile. Su portabilidad, fácil uso y bajo costo lo hacen una herramienta idónea para el pre diagnostico conducido por médicos generales, dando solución al problema de congestión de la red de salud pública al evitar derivar casos innecesarios a otros centros de atención de mayor complejidad y dando un mayor acceso a este tipo de exámenes en zonas donde su acceso es restringido. Como producto en desarrollo, aún enfrenta diversos desafíos que deben resolverse, entre ellos, el tratamiento de imágenes para su realce. Los dispositivos de ultrasonido son afectos a un fenómeno particular llamado speckle, generado por la interferencia de la señal exploradora con los elementos pequeños en las superficies examinadas, lo que se traduce en artefactos granulares, zonas de alta y baja intensidad que dificultan el diagnóstico médico y automatizado. El objetivo principal de este trabajo consiste en diseñar e implementar distintas técnicas de procesamiento considerando las restricciones que impone Taote, tal que permitan realzar las imágenes de ultrasonido que provienen de él. Para ello, se estudian algunas técnicas existentes en el estado del arte , se simulan y evalúan para su posterior implementación. Al respecto, el operador lineal con ganancia adaptable de Lee y el operador no lineal de mediana multicapa, entregan los mejores desempeños seguidos por los operadores fundamentales (promedio y mediana convencional) para los índices de transformación de imágenes. Éstos entregan una métrica de la calidad de la transformación y no de la calidad de la imagen por sí misma (la cual es subjetiva y depende del observador) . Debido a la complejidad computacional, se diseñan circuitos que implementan estos operadores con ganancia fija, es decir, representándolos como la interpolación constante de operadores fundamentales en Verilog, para su posterior síntesis e implementación en la FPGA del equipo. En su implementación en el equipo, las capturas de las nuevas imágenes procesadas demuestran transformaciones similares a las obtenidas en las simulaciones, aunque con métricas de transformación diferente. Aún así , éstas logran validar las transformaciones en la imagen original de Taote. Finalmente, estas capturas fueron sometidas a la evaluación del ojo experto, donde el operador no lineal con ventana de tamaño 5 X 5 fue la elegida para ser incorporada en el proyecto. Si bien fue posible incorporar técnicas que modifican métricas de la imagen, un examen exhaustivo debe hacerse al obtener el índice de eficiencia de diagnostico de los operadores del producto y compararlos con los del producto sin la técnica de procesamiento. Hacer estas pruebas escapa a los alcances de este trabajo, pero hacerlo llevará a validar objetivamente las técnicas de procesamiento y abre las puertas a nuevos desarrollos, como el diagnóstico automatizado, segmentación de imágenes y otro tipo de desarrollos que acercarán al proyecto para lograr su cometido; incorporar un nuevo elemento en el diagnóstico médico general. / 03/10/2021