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CÓMPUTO PARALELOEN EL PROCESAMIENTO DE SEÑALES
DOPPLER DE ULTRASONIDO
Dr. Fabián García Nocetti
DISCA - IIMASUniversidad Nacional Autónoma de México
SEMINARIO MMC 2006
CONTENIDO
• CÓMPUTO PARALELO
• PROC. DE SEÑALES DOPPLER US
• IMPLANTACIÓN
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES
SEMINARIO MMC 2006
COMPUTO PARALELO• Cómputo Secuencial (von Neumann):
– Un procesador ejecuta instrucciones una por una– La memoria contiene instrucciones y datos
SEMINARIO MMC 2006
• Problemas para Cómputo de Alto Desempeño:– El procesador puede resultar lento– La memoria puede resultar lenta
COMPUTO PARALELO
• Cómputo Paralelo: Utiliza dos o mas procesadores concurrentemente para resolver un problema.
SEMINARIO MMC 2006
COMPUTO PARALELO
• Multiplicación Matriz vector: Ax = b– Asigna uno o varios renglones de A a cada procesador.– Asigna x a todos los procesadores.– Cada procesador realiza el cómputo de los elementos de b.
SEMINARIO MMC 2006
Procesador 1Procesador 2Procesador 3Procesador 4Procesador 5
• METAS:– Reducir el tiempo de ejecución– Manejar mayor complejidad– Tolerar fallas
• PROBLEMAS:– Cómo partir el problema en un número de
tareas?– Cuál es el tamaño adecuado de éstas?– Cómo distribuir las tareas?
COMPUTO PARALELO
SEMINARIO MMC 2006
COMPUTO PARALELO
• Modelos de Programación:
Concurrente ParaleloSEMINARIO MMC 2006
SEMINARIO MMC 2006
vesselvessel
EBREBR
t/mst/ms
VEVE
Pbackg.Pbackg.
PmaxPmax
Ultrasonido Doppler
Ultrasonido DopplerReflejantes "scatterers"
SEMINARIO MMC 2006
v = Velocidad del flujo sanguíneo (14 - 750 mm/s)
fo= frecuencia de transmisión (4 a 8 MHz)
c = Velocidad del US en la sangre (1500 m/s)
fd= Frecuencia Doppler (100 – 7600Hz)
θ = Angulo entre el haz y el flujo
Ultrasonido Doppler
0cos2 fc
vfdθ
±=
SEMINARIO MMC 2006
Ultrasonido DopplerInstrumento Doppler típico
SEMINARIO MMC 2006
Ultrasonido Doppler
SEMINARIO MMC 2006
A{t}
t / ms
time domain
Doppler Doppler FFTFFT
t/st/s
fDfD
Δt > 10msΔt > 10msPRX{fD}PRX{fD}
fDfD
frequency domainfrequency domain
Ultrasonido DopplerUltrasonido Doppler (método no invasivo)- Frec. Doppler proporcional a la velocidad de sangre
- Espectro Doppler varía con el tiempo
SEMINARIO MMC 2006
Ultrasonido DopplerUltrasonido Doppler- Evolución de distribución de velocidad
- Variación en espectro → detección de padecimientos
SEMINARIO MMC 2006
Ultrasonido Doppler- Detección y cuatificación de flujo:
+ Corazón, Arterias y Venas
- Flujo en arterias es complejo:+ Pulsátil, Sangre (fluido no homogéneo),
Arterias (material viscoelástico)
- Perfiles de velocidad variados+ Selección de técnicas de procesamiento
de señal
SEMINARIO MMC 2006
Ultrasonido DopplerProcesamiento de Señal
SEMINARIO MMC 2006
Ultrasonido DopplerProcesamiento de Señal
SEMINARIO MMC 2006
S P ECT R AL ES TIM AT ORS
F T
PARAM ETR IC
TIM E-F R EQ
B OX CA R W INDOWE D
HA NNING W INDOWE D
A R
A RMA
Y ULE W AK E R
B URG
MODIFIE D COV A RIA NCIA
LS MY WE MA Y NE FIRDOZA N
W IGNE R V ILLE
B ES SE L
B ORN J ORDAN
CHOI W ILL IA MS
Métodos de Estimación Espectral
Ultrasonido Doppler
SEMINARIO MMC 2006
Métodos de Estimación espectral
– Basados en Transformada de Fourier– Modelos Paramétricos
• Auto-Regressive• Moving-Average• ARMA• Others
SEMINARIO MMC 2006
FFT-based (Short-term FT) Model-based (AR-Method)
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
FT Paramétrico (AR)
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
• Desempeño de métodos – Señales estacionarias– Segmentos de tiempo cortos para
tratar señales no-estacionarias– Compromiso entre resolución de
frecuencia y tiempo.
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
• Otros tipos de estimadores espectrales:– Distribuciones Tiempo-frecuencia
Wigner Ville, Choi Williams, Bessel, Born Jordan, Margenau Hill, Kirkwood Rihaczek, Page, Zhao Atlas Marks, Sinc, Adaptative-Q, ...etc.
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
• The Wigner Ville Distribution
( ) ∫∞
∞−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ += τττω ωτdetxtxtWVD j
22, *
( ) ( ) ( )∑−
+−=
−•−=
1
1
2*2,
N
N
Nkj
eWWknDWVDτ
τπ
ττ
( ) ( )ττ −+• nxnx *
Métodos de Estimación espectral
• The Choi Williams Distribution( )
( )
∫ ∫∞
∞−
∞
∞−
−−
•= στμ
σπτω
2
2
424
1,t
etCWD
τμτμτμ ωτdedxx j−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +•
22*
( ) ( ) ( )∑−
+−=
−
⎜⎜⎝
⎛•−=
1
1
2*2,
N
N
Nkj
eWWknDCWDτ
τπ
ττ
( ) ( )⎟⎟
⎠
⎞−+++• ∑
−=
−M
Mnxnxe
μ
στμ
τμτμσπτ
*42
2
2
41
Métodos de Estimación espectral
• The Bessel Distributions( ) ∫ ∫
∞
∞−
∞
∞−
•⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−=ατμ
ατμ
τπαω tUttBD 0
2
12,
τμτμτμ ωτdedxx j−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +•
22*
( ) ( ) ( )∑−
+−=
−
⎜⎜⎝
⎛•−=
1
1
2*2,
N
N
Nkj
eWWknDBDτ
τπ
ττ
( ) ( )⎟⎟
⎠
⎞−+++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−• ∑
−=
τα
ταμ
τμτματμ
τπα
2
2
*2
211 nxnx
Métodos de Estimación espectral
• The Born Jordan Distribution( ) ∫ ∫
∞
∞−
+
−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ += τμτμτμ
ταω
ατ
ατ
ωτt
t
j dedxxtBJD22
121, *
( ) ( ) ( )∑−
+−=
−
⎜⎜⎝
⎛•−=
1
1
2*2,
N
N
Nkj
eWWknDBJDτ
τπ
ττ
( ) ( )⎟⎟⎠
⎞−+++• ∑
−=
τα
ταμ
τμτμτα
2
2
*
41 nxnx
Métodos de Estimación espectral
• Desempeño de DTFs– Señales no-estacionarias– Suministran información relativa
tanto del tiempo como la frecuencia
Sin embargo:
– Mayor complejidad computacional
Métodos de Estimación espectral
SEMINARIO MMC 2006
Arquitectura para Procesamiento
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
ADSP-21062 SHARC ARCHITECTURE PARTITIONING AND TASK ALLOCATION
Arquitectura para ProcesamientoSISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
MODELO COMPUTATIONAL (FARM)
PARMasterPAR i=0 FOR N
Worker
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
WORKER PROCESS
PARSwitch(MoreWork,
FPrev,ToNext,Work)Feedback(ToPrev,Fnext,
WorkDone)Application(Mwork,Work,
WorkDone)
COMPUTATIONAL MODEL (FARM)
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
4 Data-Segment on 4 processors
MODELO COMPUTATIONAL (FARM)
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
Analiticsignal’s 1st
segment
Analiticsignal’s pth
segment
Processor 1t
Processor pt
Processor p+1t
Autocorrelationfunction’s 1th
segment
TFD’s 1th
segment
Processor p+qt
Autocorrelationfunction’s qth
segment
TFD’s rthsegment
Processor p+q+1t
Processor nt TFDi(t,w)
xi(t) Xi+1(t)
TFDi-1(t,w)
Cómputo Paralelo (TFD)
Intrinsic/Algorithm Parallelism
xi(t),i=1,2, ... ,N
SequentialTFD of x1(t)
SequentialTFD of x2(t)
SequentialTFD of xN(t)
TFDi(t,w),i=1,2, ... ,N t
Processor 1
tProcessor 2
tProcessor n
Data Parallelism
Cómputo Paralelo (TFD)
.
SHARC Implementation 1 processor
0
5
10
15
20
Exec
. tim
e (m
s)
4 0.5316 1.0532 2.0964 4.18286 0.8929 1.7874 3.5761 7.15378 1.3324 2.6956 5.422 10.874810 1.8438 3.7717 7.6277 15.3398
64 128 256 512p
p : model order ; N: data length
N
SHARC Implementation 2 processors
02
46
810
Exec
. tim
e (m
s)
4 0.3002 0.5955 1.1859 2.36686 0.4809 0.9626 1.9258 3.85238 0.7006 1.4167 2.8487 5.712810 0.9563 1.9547 3.9516 7.9453
64 128 256 512p
p : model order ; N: data length
N
SHARC Implementation 3 processors
0
2
4
6
Exec
. tim
e (m
s)
4 0.2154 0.4276 0.8518 1.70036 0.3359 0.6723 1.345 2.69068 0.4824 0.975 1.9603 3.930910 0.6528 1.3337 2.6956 5.4193
64 128 256 512p
p : model order ; N: data length
N
SHARC Implementation 4 processors
012
345
Exec
. tim
e (m
s)
4 0.1731 0.3436 0.6848 1.36716 0.2634 0.5272 1.0547 2.10978 0.3732 0.7542 1.5162 3.041110 0.5011 1.0233 2.0676 4.1563
64 128 256 512p
p: model order ; N: data length
N
RESULTADOS (MC)
SEMINARIO MMC 2006
TFD Performance on single DSP SHARC Architecture
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
15 31 63 127 255 511 1023data-segment
Tim
e [m
s]
Wigner Ville Born Jordan Bessel Choi Williams STFT
Resultados (TFD)
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
15 31 63 127 255
Signal's length
Tim
e
Wigner, Pipeline Wigner, Farm
Bessel, Pipeline Bessel, Farm
TFD Performance on 4 DSP SHARC: Wigner & BesselIntrinsic/Algorithm Parallelism
Resultados (TFD)
0.0000
1.0000
2.0000
3.0000
4.0000
5.0000
6.0000
15 31 63 127 255 511
Window length
Elap
sed
time
[ms]
1 Proc. 2 Proc.3 Proc. 4 Proc.
TFD Performance on 1 to 4 Sharc DSPs: WignerData Parallelism
Resultados (TFD)
0.0000
1.0000
2.0000
3.0000
4.0000
5.0000
6.0000
15 31 63 127 255 511
Window length
Elap
sed
time
[ms]
1 Proc. 2 Proc. 3 Proc. 4 Proc.
TFD Performance on 1 to 4 Sharc DSPs: BesselData Parallelism
Resultados (TFD)
• Sistema Doppler Bidireccional
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
BLOQUE DE ALIMENTACION Y CARGABLOQUE DE ALIMENTACION Y CARGA
Reg. 5V Cargador Batería Reg. 2.5V
+V
Cargando Batería Baja
Batería Lista
BLOQUE DE ALIMENTACION Y CARGABLOQUE DE ALIMENTACION Y CARGA
Reg. 5VReg. 5V Cargador Batería
Cargador Batería Reg. 2.5VReg. 2.5V
+V
Cargando Batería Baja
Batería Lista
Reg. 5V Charger
Battery
MONITOR
Auto-stop
(2 min)
Reg.
2.5V
Doppler
Detector
PB
BAT
Low Bat
Bat. Ready
Charge
BAT. NiMH
3.6V--1300 mAh
DETALLE DEL BLOQUE DE ALIMENTACION
DETALLE DEL BLOQUE DE ALIMENTACION
100mA
Reg. 5V Charger
Battery
MONITOR
Auto-stop
(2 min)
Reg.
2.5V
Doppler
Detector
PB
BAT
Low Bat
Bat. Ready
Charge
BAT. NiMH
3.6V--1300 mAh
DETALLE DEL BLOQUE DE ALIMENTACION
DETALLE DEL BLOQUE DE ALIMENTACION
100mA
OSC
SEN X
COS X
DIVISORES
A
Transductor
RF
125 KHz
62.5 KHz
(1 – 6 mm)
RF
Tx
4 useg
Rx
12 useg
DRIVER DEL TRANSDUCTORDRIVER DEL TRANSDUCTOR
8MHz8MHz
20 ohms
Graft =>1-3 mm
Tx
Tx/Rx
OSCOSC
SEN X
COS X
DIVISORESDIVISORES
AA
Transductor
RFRF
125 KHz
62.5 KHz
(1 – 6 mm)
RFRF
Tx
4 useg
Rx
12 useg
Tx
4 useg
Rx
12 useg
DRIVER DEL TRANSDUCTORDRIVER DEL TRANSDUCTOR
8MHz8MHz
20 ohms
Graft =>1-3 mm
Tx
Tx/Rx
RF
MIXER
X
X
MIXER
SEN X
COS X
A1
A1
60 – 7000 Hz
60 – 7000 Hz
A2
A2
100 ohms
100 ohms
I
Q
DETECCION, FILTRADO Y AMPLIFICACIONDETECCION, FILTRADO Y AMPLIFICACION
5mV
Vout = 500mV
A1 x A2 = 40dB = 100
Doppler signal
5o. Ord
5o. Ord
RFRF
MIXER
X
MIXER
XX
X
MIXER
XX
MIXER
SEN X
COS X
A1A1
A1A1
60 – 7000 Hz
60 – 7000 Hz
A2A2A2
A2A2A2
100 ohms
100 ohms
III
QQQ
DETECCION, FILTRADO Y AMPLIFICACIONDETECCION, FILTRADO Y AMPLIFICACION
5mV
Vout = 500mV
A1 x A2 = 40dB = 100
Doppler signal
5o. Ord
5o. Ord
SEMINARIO MMC 2006
• Sensores (UNAM-ICIMAF-USC)
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
• Sistema Doppler Bidireccional
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 Señal Directa
Tiempo [s]
Am
plitu
d [V
]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Señal Inversa
Tiempo [s]
Am
plitu
d [V
]
2
4
6
8
10
12
Tiempo [s]
Frec
uenc
ia [H
z]
Espectrograma del Flujo Directo
0 0.2 0.4 0.6 0.8
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
20002
4
6
8
10
12
Tiempo [s]
Frec
uenc
ia [H
z]
Espectrograma del Flujo Inverso
0 0.2 0.4 0.6 0.8
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2
4
6
8
10
12
Tiempo [s]
Frec
uenc
ia [H
z]
Espectrograma
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
• Procesamiento de Señales Doppler
S/W: GRAMFFT
PROCESAMIENTO FFT
ARTERIA: CUBITAL
TRANSDUCTOR: 8 MHz
FREC. DE MUESTREO: 22 KHz
RESOLUCIÓN BITS: 16
FILTRO P-BANDA:300–5000 Hz
RANGO DINÁMICO: 22 dB
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
• Procesamiento de Señales Doppler
S/W: GRAMCV4
PROCESAMIENTO COV. MOD.
ORDEN: 4
ARTERIA: CUBITAL
TRANSDUCTOR: 8 MHz
FREC. DE MUESTREO: 22 KHz
RESOLUCIÓN BITS: 16
FILTRO P-BANDA:300–5000 Hz
RANGO DINÁMICO: 22 dB
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
Poner Qmedia, PI, Qmax, Qmin, y HR(ECG)
Opciones Cardiologia:
•1) Sonograma + curva maxima
•2) Curva instantánea media + running average (Default)
8 MHz, 10 MHz y 20 MHz, que despierte con 8
Agregar ventana para ECG
(Siempre Aparece)
SEMINARIO MMC 2006
Velocidad y Gasto, por default GASTO
Dejarlo así mismo
dejarlo
Agregar botones de:
• SALVAR
• CARGAR
• IMPRIMIR
• BASE DE DATOS
SEMINARIO MMC 2006
Default: 45
Colores sobre fondo negro: VERDE, ROJO, AMARILLO, CYAN, BLANCO
Control de ganancia en esta pantalla. Pendiente cual nivel por default
Rango dinamico por default de 12 dB
Default: Toverlap de 5ms, curvas interpoladas,
Nseg: 512 y Fs : 22050 HzAgregar: Boton de ImpresiónSEMINARIO MMC 2006
Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Beam Focusing and steering
Beam Focusing Beam Steering
Beam Re-forming
Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Procesamiento
Enfque
Adquisición
Amplifica Sensor
CUADRATIC SPLINESCUADRATIC SPLINES CUBIC CONVOLUTIONCUBIC CONVOLUTIONORIGINALORIGINAL
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Plataforma Experimental (CINVESTAV)
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x100 Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x1000Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x1000Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x1000Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
• CÓMPUTO PARALELO EN PROC. DE SEÑALES E IMÁGENES
• IMPLANTACIÓN EFICIENTE
• OPCIÓN FLEXIBLE Y ESCALABLE
• ABIERTO A NUEVAS TECNOLOGÍAS Y DESARROLLOS
CONCLUSIONES
SEMINARIO MMC 2006
CONCLUSIONES
• 8 pacientes(abril-julio)• 17 puentes evaluados• 16 permeables de
entrada,1 corregido o revisado en el salon
• No complicaciones relacionadas con revascularizacion
• 2 pacientes con CT-Heli a los 60 dias con permeabilidad(coincidencia 100%)
CONCLUSIONES