Digital Twin di una Sonda Ecografica

Abstract

L’obiettivo di questa tesi è la realizzazione del Digital Twin di una sonda ecografica. Nello specifico, si intende creare un modello software in grado di produrre segnali ecografici coerenti con quelli generati da una sonda ecografica reale, nei diversi sce nari di utilizzo. Questo strumento si inserisce in un progetto più ampio, in cui esiste un sistema di simulazione dell’intero apparato ecografico, il quale modella tutti i componenti hardware e software che lo compongono, a partire dall’elaborazione dei segnali, pas sando per la comunicazione tra FPGA e processore fino alla visualizzazione dei dati. Realizzando il Digital Twin della sonda ecografica, si completa la struttura, fornendo al sistema dati verosimili con cui è possibile testare e validare algoritmi di imaging ecografico, tool di misurazione e sistemi di intelligenza artificiale. Il tutto lavorando in un ambiente virtuale, potendo così valutare i risultati prima di passare al sistema reale. Questo si traduce in un notevole risparmio di tempo e costi, oltre ad una riduzione dei possibili rischi legati ad eseguire codice "unstable" su un apparato molto costoso come un ecografo. Un ulteriore vantaggio è quello di rendere disponibili dei dati in un ambito, come quello della diagnostica medica, in cui la loro raccolta è complessa e si scontra con gli aspetti della privacy e della sicurezza. Si intende realizzare uno strumento in grado di generare dati in diverse modalità ecografiche, quali B, M, Color Doppler e Power Doppler, 3D e 4D, e di simulare la variazione dei parametri di acquisizione in tempo reale. Ciò permette, ad esempio, di cambiare la profondità di acquisizione, la densità e l’angolo di incidenza mante nendo la coerenza geometrica e fisica del segnale ecografico generato. In questa tesi si descrivono i principi fisici alla base della generazione del segnale ecografico, si analizza l’approccio alla realizzazione del Digital Twin e si presentano i risultati ottenuti.

The goal of this thesis is to create a digital twin for an ultrasound probe. Specifically, we intend to create a software model capable of producing ultrasound signals consistent with those generated by a real ultrasound probe, in various usage scenarios. This tool is part of a larger project, which includes a simulation system for the entire ultrasound system, which models all the hardware and software components that comprise it, from signal processing, through communication between the FPGA and the processor, to data visualization. By creating a digital twin for the ultrasound probe, the structure is completed, providing the system with credible data that can be used to test and validate ultrasound imaging algorithms, measurement tools, and artificial intelligence systems. All this happens while working in a virtual environment, allowing the results to be evaluated before moving on to the real system. This translates into significant time and cost savings, as well as a reduction of the potential risks associated with running "unstable" code on a very expensive device like an ultrasound scanner. A further advantage is making data available in a field, such as medical diagnostics, where data collection is complex and faces privacy and security concerns. The aim is to develop a tool capable of generating data in different ultrasound modalities, such as B-wave, M-wave, Color Doppler, and Power Doppler, 3D and 4D, and of simulating the variation of acquisition parameters in real time. This allows, for example, the acquisition depth, density, and incidence angle to be changed while maintaining the geometric and physical coherence of the generated ultrasound signal. This thesis describes the physical principles underlying ultrasound signal generation, analyzes the approach to creating the Digital Twin, and presents the results obtained.