cÓmputo paralelo en el procesamiento de … · – tolerar fallas • problemas: ... deteccion,...
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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
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CONTENIDO
• CÓMPUTO PARALELO
• PROC. DE SEÑALES DOPPLER US
• IMPLANTACIÓN
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES
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COMPUTO PARALELO• Cómputo Secuencial (von Neumann):
– Un procesador ejecuta instrucciones una por una– La memoria contiene instrucciones y datos
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• Problemas para Cómputo de Alto Desempeño:– El procesador puede resultar lento– La memoria puede resultar lenta
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COMPUTO PARALELO
• Cómputo Paralelo: Utiliza dos o mas procesadores concurrentemente para resolver un problema.
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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.
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Procesador 1Procesador 2Procesador 3Procesador 4Procesador 5
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• 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
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COMPUTO PARALELO
• Modelos de Programación:
Concurrente ParaleloSEMINARIO MMC 2006
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SEMINARIO MMC 2006
vesselvessel
EBREBR
t/mst/ms
VEVE
Pbackg.Pbackg.
PmaxPmax
Ultrasonido Doppler
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Ultrasonido DopplerReflejantes "scatterers"
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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
±=
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Ultrasonido DopplerInstrumento Doppler típico
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Ultrasonido Doppler
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A{t}
t / ms
time domain
Doppler Doppler FFTFFT
t/st/s
fDfD
Δt > 10msΔt > 10msPRX{fD}PRX{fD}
fDfD
frequency domainfrequency domain
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Ultrasonido DopplerUltrasonido Doppler (método no invasivo)- Frec. Doppler proporcional a la velocidad de sangre
- Espectro Doppler varía con el tiempo
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Ultrasonido DopplerUltrasonido Doppler- Evolución de distribución de velocidad
- Variación en espectro → detección de padecimientos
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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
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Ultrasonido DopplerProcesamiento de Señal
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Ultrasonido DopplerProcesamiento de Señal
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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
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Métodos de Estimación espectral
– Basados en Transformada de Fourier– Modelos Paramétricos
• Auto-Regressive• Moving-Average• ARMA• Others
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FFT-based (Short-term FT) Model-based (AR-Method)
Métodos de Estimación espectral
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Métodos de Estimación espectral
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Métodos de Estimación espectral
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FT Paramétrico (AR)
Métodos de Estimación espectral
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• 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
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• 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
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• The Wigner Ville Distribution
( ) ∫∞
∞−
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ += τττω ωτdetxtxtWVD j
22, *
( ) ( ) ( )∑−
+−=
−•−=
1
1
2*2,
N
N
Nkj
eWWknDWVDτ
τπ
ττ
( ) ( )ττ −+• nxnx *
Métodos de Estimación espectral
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• 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
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• 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
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• 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
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• Desempeño de DTFs– Señales no-estacionarias– Suministran información relativa
tanto del tiempo como la frecuencia
Sin embargo:
– Mayor complejidad computacional
Métodos de Estimación espectral
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Arquitectura para Procesamiento
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
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ADSP-21062 SHARC ARCHITECTURE PARTITIONING AND TASK ALLOCATION
Arquitectura para ProcesamientoSISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
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MODELO COMPUTATIONAL (FARM)
PARMasterPAR i=0 FOR N
Worker
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
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WORKER PROCESS
PARSwitch(MoreWork,
FPrev,ToNext,Work)Feedback(ToPrev,Fnext,
WorkDone)Application(Mwork,Work,
WorkDone)
COMPUTATIONAL MODEL (FARM)
SISTEMA DOPPLER DE ULTRASONIDO
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4 Data-Segment on 4 processors
MODELO COMPUTATIONAL (FARM)
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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
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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)
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.
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
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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)
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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)
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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)
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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)
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• Sistema Doppler Bidireccional
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
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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
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• Sensores (UNAM-ICIMAF-USC)
SISTEMAS DOPPLER DE ULTRASONIDO
SEMINARIO MMC 2006
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• 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
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• 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
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• 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
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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
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Velocidad y Gasto, por default GASTO
Dejarlo así mismo
dejarlo
Agregar botones de:
• SALVAR
• CARGAR
• IMPRIMIR
• BASE DE DATOS
SEMINARIO MMC 2006
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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
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Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
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Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Beam Focusing and steering
Beam Focusing Beam Steering
Beam Re-forming
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Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
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Tomógrafo Ultrasónico
IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Procesamiento
Enfque
Adquisición
Amplifica Sensor
CUADRATIC SPLINESCUADRATIC SPLINES CUBIC CONVOLUTIONCUBIC CONVOLUTIONORIGINALORIGINAL
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IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Plataforma Experimental (CINVESTAV)
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IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x100 Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
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IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x1000Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
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IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x1000Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
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IMAGENOLOGÍA ULTRASÓNICA
Construcción de Imágenes
Tamaño 2500x1000Paso lateral del transductor 1 mm
Transductor de 2 Mhz5 mm de diametro
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• CÓMPUTO PARALELO EN PROC. DE SEÑALES E IMÁGENES
• IMPLANTACIÓN EFICIENTE
• OPCIÓN FLEXIBLE Y ESCALABLE
• ABIERTO A NUEVAS TECNOLOGÍAS Y DESARROLLOS
CONCLUSIONES
SEMINARIO MMC 2006
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CONCLUSIONES
![Page 63: CÓMPUTO PARALELO EN EL PROCESAMIENTO DE … · – tolerar fallas • problemas: ... deteccion, filtrado y amplificaciondeteccion, ... sistemas doppler de ultrasonido seminario mmc](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020121/5bc1334609d3f2840b8c2da1/html5/thumbnails/63.jpg)
• 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