Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema digital beamformer de transmissão para geração de formas de onda arbitrárias de ultrassom, projetado especificamente para fins de pesquisa. A arquitetura proposta possui 8 canais de excitação independentes e utiliza um dispositivo FPGA (Field Programmable Gated Array) para controle eletrônico dos canais de geração do feixe acústico ultrassônico de transmissão. O sistema permite operação no modo pulso-eco, com taxa de repetição dos pulsos de excitação entre 62,5 Hz e 8 kHz, ou pulso único, frequência central entre 500 kHz e 20 MHz, tensão de excitação entre -100 V e +100 V, e controle individual da amplitude de apodização, ângulo de fase e atraso temporal de disparo. O método matemático para determinação dos sinais digitais de excitação é apresentado e validado através dos resultados práticos para geração de forma de onda com perfil Gaussiano e frequência central de 20 MHz, em uma carga equivalente formada por um capacitor de 220 pF em paralelo com um resistor de 1 k Ω. Os resultados demonstram que a arquitetura flexível e totalmente programável proposta, pode apoiar o desenvolvimento de novos algoritmos e técnicas sofisticadas de processamento do beamformer de transmissão.

This paper presents the development of a digital beamformer transmitter system for generation of arbitrary ultrasound waveforms, specifically designed for research purposes. The proposed architecture has 8 independent excitation channels and uses an FPGA device (Field Programmable Gated Array) for electronic control channel generation of ultrasonic acoustic beam transmission. The system allows operation in pulse-echo mode, with pulse repetition rate of excitation between 62.5 Hz and 8 kHz, or single pulse, center frequency between 500 kHz and 20 MHz, excitation voltage between -100 and +100 V, and individual control of amplitude apodization, phase angle and time delay trigger. The mathematical method for determining the digital signals of excitation is presented and validated through practical results for waveform generation with Gaussian profile and center frequency of 20 MHz, in a load formed by a 220 pF capacitor in parallel with a resistor of 1 k Ω. The results show that the proposed flexible and fully programmable architecture, can support the development of new algorithms and sophisticated processing techniques of the transmission beamformer.

CONTEXTUALIZAÇÃO: A estimulação elétrica neuromuscular (EENM) é uma técnica bastante utilizada na área da reabilitação em fisioterapia, porém a instalação da fadiga ocorre de maneira mais rápida se comparada à contração voluntária. Na prática clínica, torna-se necessário monitorar a fadiga muscular em protocolos de EENM, visando adequar os parâmetros da corrente elétrica e prolongar o tempo de estimulação. OBJETIVOS: O objetivo deste estudo foi utilizar a mecanomiografia como meio de avaliação da fadiga muscular periférica durante a aplicação de um protocolo de EENM. MÉTODOS: Um sistema de aquisição de sinais mecanomiográficos (MMG) e um protocolo experimental foram desenvolvidos. Durante os ensaios in vivo com 10 voluntários, foram realizados testes de contração voluntária máxima (CVM) para extensão do joelho. Realizou-se uma fase de potencialização com contrações dinâmicas produzidas por EENM a 10% da CVM (100 Hz, 400 µm) no músculo quadríceps femoral, e o protocolo de EENM propriamente dito ocorreu a 30% da CVM (50 Hz, 400 µm). Simultaneamente, foram adquiridos os sinais de MMG RMS (amplitude) e MMG MPF (frequência) do músculo reto femoral e de torque (amplitude) para a extensão do joelho. RESULTADOS: A linha de tendência da MMG RMS foi descendente, indicando que a MMG RMS relaciona-se à amplitude do torque. Porém, a MMG MPF não teve uma boa correlação com o torque para este protocolo de EENM. CONCLUSÕES: A MMG pode ser aplicada simultaneamente à EENM, pois não ocorre interferência elétrica, e pode ser utilizada na realização de movimentos funcionais na contração muscular gerada por EENM. Artigo registrado no Australian New Zealand Clinical Trials Registry (ANZCTR) sob o número ACTRN12609000866202.

BACKGROUND: Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is a widely used technique for rehabilitation in physical therapy, however it causes muscle fatigue more rapidly than does voluntary contraction. In clinical practice, it becomes necessary to monitor muscle fatigue during NMES protocols to adjust the parameters of electrical current stimulation and, thus, increase stimulation time. OBJECTIVES: The aim of this study is to use mechanomyography (MMG) as a means of evaluating peripheral muscle fatigue during the execution of an NMES protocol. METHODS: An MMG signal acquisition system and an experimental protocol were developed. During in vivo tests, 10 participants performed maximal voluntary contractions (MVCs) for knee extension. A maximization phase was conducted with dynamic contractions generated by NMES at 10% of MVC (100 Hz, 400 µs) on the quadriceps muscle, and the main NMES protocol occurred at 30% of MVC (50 Hz, 400 µs). Simultaneously, MMG RMS (amplitude) and MMG MPF (frequency) signals of the rectus femoris and the knee extension torque were acquired. RESULTS: The tendency line of the MMG RMS was descendant, indicating that MMG RMS correlates with torque amplitude. However, MMG MPF did not show a significant correlation with torque for the present NMES protocol. CONCLUSIONS: MMG is a technique that can be simultaneously applied to NMES because there is no electrical interference and it can be used during functional movements in the NMES-generated muscle contraction. Article registered in the Australian New Zealand Clinical Trials Registry (ANZCTR) under the number ACTRN12609000866202.

Este trabalho apresenta um sistema de geração, aquisição e processamento de sinais de ultra-som para caracterização de materiais. O sistema permite operação nos modos pulso-eco e transmissão-recepção, com taxa de amostragem configurável entre 5 MHz e 80 MHz, sincronismo interno, taxa de repetição dos pulsos de excitação dos transdutores entre 111 Hz e 333 Hz, largura do pulso de 100 ns e amplitude de 200 V. Os circuitos de recepção operam na faixa entre 20 kHz e 30 MHz, com controle de ganho entre -40 dB e +40 dB. Para avaliar o desempenho do sistema, foram realizadas medidas de velocidade de propagação e atenuação em banda larga de ondas ultra-sônicas BUA em acrílico e água. Os resultados obtidos apresentaram desvios inferiores a 1 %, evidenciando que o sistema apresenta boa repetitividade e pode ser utilizado em testes não invasivos e não destrutivos para caracterização de diferentes materiais.

This work describes a system for generation, acquisition and processing of ultrasonic signals to be used in material characterization. The system can be used in the pulse-echo and transmission-reception modes, with programmable sampling rate between 5 MHz and 80 MHz, internal triggering, repetition rate between 111 Hz and 333 Hz, pulse width of 100 ns and amplitude of 200 V. The reception circuits operate from 20 kHz to 30 MHz, with gain control from -40 dB to +40 dB. In order to evaluate the system performance, the propagation velocity and broadband attenuation of ultrasonic waves BUA were measured in acrylic and water. The results presented deviation below 1 %, showing good repeatability and demonstrating that the system can be used in non invasive and non destructive tests for different material characterization.