선택적 주파수 대역의 수동 음향 매핑을 위한 FPGA 기반 최적 시스템 구현
FPGA-based optimal system design for Passive Acoustic Mapping of selective frequency bands
- 주제어 (키워드) 수동 음향 매핑 , 캐비테이션 모니터링 , FPGA 기반 시스템
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000069913
- UCI I804:11029-000000069913
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
FUS(focused ultrasound) 치료는 초음파의 에너지를 집중시켰을 때 발생하는 열과 압력의 변화를 통해 암, 종양과 같은 이상 조직을 제거하는 비침습적 치료법이다. 치료의 정확성과 안전성을 높이기 위해서는 수동 음향 매핑 기법과 같이 FUS에 의해 유도된 cavitation의 발생을 실시간으로 모니터링하는 시스템이 필요하다. 하지만, cavitation 모니터링을 위해 연구되고 있는 대부분의 수동 음향 매핑 기법들은 많은 연산 및 메모리를 요구하기 때문에 실시간 구현에 많은 어려움이 있다. 본 논문에서는 cavitation의 강도 맵을 실시간으로 모니터링할 수 있는 저비용 FPGA(field-programmable gate array) 기반의 초소형 초음파 영상 시스템을 제안한다. 기존의 기법 대비 적은 연산량을 가지는 힐버트 빔포밍 기반의 주파수 영역 수동 음향 매핑 기법을 구현하였다. 제한된 하드웨어 자원 안에서 프레임율을 가능한 높이기 위해 시분할 다중화 방식, 곱셈 누적기와 같은 방식을 이용하여 대상 시스템에 대한 최적의 설계 방법을 도출하였다. 더 나아가, 여러 가지 주파수 대역폭에 대한 빔포밍이 가능하도록 구현하여 시스템의 범용성을 높였다. 또한, cavitation을 임의로 발생시키는 in-vitro 실험을 구성하여 시스템을 통해 획득한 데이터로 제안한 시스템의 동작을 검증하였다.
more초록 (요약문)
FUS (Ultrasound Ultrasound) treatment is a non-invasive treatment that removes abnormal tissues such as cancer and tumors through changes in heat and pressure generated when ultrasound energy is focused. Monitoring the occurrence of FUS-induced cavitation is essential to increasing the accuracy and safety of treatment. Various studies on passive acoustic mapping techniques have been proposed to monitor cavitation. However, most studies on Passive Acoustic Mapping require a lot of calculation and memory, so there are many difficulties in real-time implementation. In this paper, we propose a low-cost, FPGA-based ultra-compact ultrasound imaging system that can monitor cavitation intensity maps in real time. We implemented a passive acoustic mapping technique in the frequency domain based on Hilbert beamforming that requires less computation than conventional techniques. In order to maximize the frame rate within limited hardware resources, the optimal design method for the target system was derived using the time division multiplexing method and the multiplication accumulator structure. In addition, the user can check the cavitation intensity map by selecting the desired frequency band. Finally, an in-vitro experiment in which cavitation occurs randomly was constructed, and the proposed system was verified with the data obtained through this.
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