Diagnostic Sonar acquiert et traite des images en imagerie ultrasonore par technologie multi-éléments à l’aide de NI LabVIEW et PXI

Author(s):
David Lines - Diagnostic Sonar Ltd.

Industry:
Aerospace/Avionics, Research, Imaging Equipment

Products:
Data Acquisition, High-Speed Digitizers, PXI/CompactPCI, Real-Time, LabVIEW, Reconfigurable I/O

The Challenge:
Créer un système économique et modulaire capable d’acquérir rapidement des signaux échographiques via la technologie multi-éléments par ultrasons pour un contrôle non destructif avancé.

The Solution:
Utiliser des châssis et des contrôleurs PXI de National Instruments, des numériseurs haute vitesse multivoies, ainsi que des contrôleurs temps réel d’E/S FPGA reconfigurables avec le logiciel NI LabVIEW. Il s’agit de concevoir un système d’acquisition évolutif avec une synchronisation et un cadencement étroits afin d’effectuer une acquisition de données multi-éléments pour l’imagerie temps réel par ultrasons.

Contexte
Les techniques à ultrasons multi-éléments sont utilisées depuis de nombreuses années, en imagerie médicale, mais jusqu’àrécemment, elles n’ont rencontré qu’un succès limité en contrôle non destructif (CND) à cause du coût et de la complexité de leur mise en place. Diagnostic Sonar Ltd. utilise le décalage de phase pour l’imagerie temps réel en CND pour l’aérospatiale depuis trente ans. Ces compétences nous ont permis d’élaborer une fonctionnalité tout à fait révolutionnaire, la collecte et le traitement des données brutes complètes (Full Raw Data, FRD), qui offre des avantages considérables aux clients mais
qui impose de nouveaux défis aux logiciels et aux matériels d’acquisition de données.
Afin de générer un faisceau ayant une cible et une direction particulières,la solution conventionnelle d’imagerie ultrasonore par technologie multiéléments en mode pulse-écho implique l’excitation en phase d’un groupe d’éléments du réseau ultrasonore, avec des retards différentiels entre les éléments correspondant aux différentes trajectoires de propagation. De manière analogue, le processus de réception implique une recombinaison des signaux en provenance d’un groupe similaire d’éléments une fois que des retards différentiels appropriés ont été insérés. Ces retards peuvent varier avec le temps pour que la cible de réception suive l’impulsion de transmission, processus communément appelé “focalisation dynamique”. L’image se compose d’une séquence de faisceaux parcourant la zone d’intérêt. L’utilisateur perçoit la performance comme étant temps réel
si les fréquences de trame excèdent 15 Hz. Toutefois, la couverture de la zone requiert des fréquences d’acquisition nettement supérieures, 100 Hz étant souvent atteint.
Par opposition, l’approche FRD collecte des données en mode pulso-écho en provenance de toutes les combinaisons d’éléments de transmission et de réception, et génère l’image résultante par post-traitement, permettant une focalisation dynamique en transmission et en réception pour une résolution optimale. Cette nouvelle technique offre également plusieurs possibilités de traitement tout à fait uniques, comme la formation de faisceaux non linéaires et l’analyse par rétrodiffusion.

Limitations du système précédent

Notre système d’imagerie précédent, “FlawInspecta”, est basé sur le PCI et utilise des cartes d’acquisition d’images de NI avec LabVIEW pour acquérir le format vidéo non standard des images par ultrasons. Nous avons choisi LabVIEW parce qu’il satisfaisait nos exigences initiales, à savoir obtenir un développement rapide d’interfaces utilisateurs simples mais puissantes, allié à un contrôle facile du matériel personnalisé et standard, ainsi qu’une acquisition et un traitement d’images temps réel offerts par le module NI Vision Development. Cette combinaison matérielle et logicielle
convenait bien à l’application d’imagerie par écho-impulsion temps réel “conventionnelle”. Cependant, l’unique voie de la carte d’imagerie limite la fréquence de couverture de la zone FRD. La seule solution possible était l’acquisition parallèle, mais multiplier le nombre de cartes d’imagerie pour une acquisition parallèle restait trop coûteux.

La solution système de NI

La solution était de migrer vers le nouvel oscilloscope/numériseur multivoies sur PC PXI-5105 de National Instruments. Cette solution est suffisamment flexible pour traiter le format d’images dont nous avons besoin et permet une mise à jour logicielle aisée. Chaque NI PXI-5105 acquiert huit voies, permettant à un seul module de remplacer huit cartes d’acquisition d’images
monovoies et de réduire de façon importante les coûts et la taille du système. Nous pouvons mettre en oeuvre un système d’acquisition de 32 voies avec seulement quatre modules. Le PXI-5105 offre aussi des performances accrues, avec une résolution de 12 bits à 60 Méch./s comparée à la résolution de 10 bits à 40 Méch./s de notre précédent système.
Il est essentiel que toutes les cartes d’acquisition soient synchronisées de façon précise. C’est la raison pour laquelle nous utilisons un PXI-7830R de National Instruments dans l’emplacement à déclenchement en étoile pour les fonctions critiques de synchronisation et de contrôle, fonctions précédemment mises en oeuvre dans des FPGA personnalisés.
Avec huit voies par module, l’échantillonnage haute résolution (en amplitude et en temps), le format multi-enregistrements, et une interface standardisée des drivers pour LabVIEW, la souplesse et la modularité du PXI-5105 offrent un système durci avec des capacités quasiment illimitées en termes de voies. Cela permet de configurer facilement les systèmes afin de satisfaire les exigences des clients relatives aux performances et aux budgets.

Défis

Le concept FRD présente deux défis majeurs. Le premier est de l’ordre de l’augmentation de l’amplitude des données, qui pourrait dépasser la capacité de transfert du bus. La mémoire embarquée du PXI-5105 offre un buffer de manière à ce que la contrainte de transfert soit limitée par la fréquence moyenne plutôt que par un pic de fréquence. Dans le cas où nous dépassons cette vitesse lors d’une acquisition très rapide sur une petite période, la mémoire embarquée est suffisante pour contenir toutes les données à transférer une fois l’acquisition terminée. Le deuxième défi est la nécessité de reconstruire les données sous la forme d’une image pendant l’acquisition. La vitesse du module NI Vision Development est suffisante pour effectuer cette opération élémentaire à la volée.

Résumé

LabVIEW et le matériel de National Instruments avaient déjà prouvé leur valeur dans la gamme actuelle d’instruments d’ magerie par ultrasons à décalage de phase “FlawInspecta” de Diagnostic Sonar, pour le contrôle
non destructif.
Notre nouveau principe d’acquisition FRD offre de nombreux avantages aux clients, mais la configuration monovoie existante avait pour conséquence une chute importante dans la fréquence de couverture de la zone. Nous avions besoin de plusieurs voies d’acquisition, mais le coût supplémentaire et la taille des nombreuses cartes monovoie n’étaient pas envisageables. Le
PXI-5105 offrait une solution évolutive pour les besoins des clients en plus d’intégrer des capacités multi-enregistrements capables d’offrir une voie simple de migration logicielle.

Juin 2007

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
David Lines
Diagnostic Sonar Ltd.
Baird Road, Kirkton Campus
Livingston, West Lothian EH54 7BX
GB
Tel: 44 (0)1506 411877
Fax: +44 (0)1506 412410

Browse All Case Studies »