| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| AUTO-FOCUSING IN THREE-DIMENSIONAL ULTRASOUND IMAGING | | Autor/a | Cosarinsky Markman, Guillermo Gerardo | | Departamento | Electrónica | | Director/a | Camacho Sosa-Dias, Jorge Jaime | | Codirector/a | Fernández Cruza, Jorge | | Fecha de defensa | 10-04-2024 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Las imágenes por ultrasonido se utilizan para observar indirectamente el interior de un material. Los principales campos de aplicación son la ecografía médica y los Ensayos No Destructivos (END). Las imágenes se obtienen a partir de las reflexiones (ecos) de una onda de ultrasonido que se propaga a través del material bajo ensayo. Estas ondas se emiten mediante un transductor, y los ecos se reciben mediante el mismo u otro transductor. Las señales recibidas, llamadas A-scan, se utilizan para formar una imagen.
La imagen ultrasónica actual se basa en la utilización de transductores tipo array, formados por una gran cantidad de elementos (entre 32 y 128) que se controlan individualmente tanto en emisión como en recepción. Modificando los instantes de excitación de los elementos (ley focal) se consigue modificar las propiedades del campo acústico emitido, dando lugar a distintas modalidades de imagen según las características del haz (emisión focalizada, onda plana, emisión omnidireccional, etc). En recepción, las señales recibidas individualmente por los elementos se combinan para formar la imagen en un proceso conocido como conformación de haz.
Para realizar la conformación de haz es necesario conocer los tiempos de vuelo del ultrasonido desde cada elemento del array hasta cada punto de la imagen. Cuando el medio de propagación es homogéneo, y por lo tanto la velocidad de propagación es única, el cálculo es directo mediante una fórmula cerrada. Únicamente es necesario calcular la distancia entre el elemento y el foco. Este es el caso cuando el array está en contacto directo con el material. Cuando la pieza a inspeccionar tiene superficies curvas, o no es posible colocar el array en contacto directo con la zona a explorar, es necesario utilizar un medio acoplante, cuya velocidad de propagación es diferente a la del material. Como consecuencia, la onda se refracta en la interfaz entre los dos medios, complicando notablemente el cálculo de las leyes focales, dado que se hace necesario el uso de métodos iterativos con una carga computacional elevada.
Por otro lado, es necesario conocer la forma de la interfaz, y la posición y orientación del array respecto a la misma. Para obtener esta información se puede utilizar el mismo array, detectando los ecos generados por la superficie. Una vez estimada la forma de la interfaz, se pueden calcular las leyes focales. A este proceso se lo conoce como auto-enfoque.
En los últimos años se han desarrolado métodos de auto-enfoque para arrays de tipo lineal o 1D, en que los N elementos que lo constituyen se ubican en una fila. Estos métodos permiten obtener imágenes 2D en componentes cuya superficie presenta curvatura solamente en la dirección del array. Además, es necesaria una alineación precisa del array respecto a la pieza para evitar la refracción de los rayos fuera del plano de imagen. Para superar estas limitaciones se puede usar arrays de tipo matricial o 2D, en los cuales los elementos se ubican sobre una rejilla rectangular. Sin embargo, el uso de arrays matriciales no se haya actualmente muy difundido en END, y no existen equipos comerciales que pueda realizar auto-enfoque con ellos. En esta tesis se desarrollan técnicas de imagen auto-enfocada con arrays matriciales, que permiten obtener una imagen volumétrica de componentes con superficies de forma arbitraria.
En esta tesis, luego de una breve introducción a los fundamentos de la imagen ultrasónica, se plantean los problemas que presenta la refracción en END y una revisión de la literatura relativa. En los capítulos subsiguientes se desarrollan los métodos propuestos. Primeramente se desarrolla el método del Array Virtual 3D para la optimización de los cálculos de tiempos de vuelo. En segundo lugar, se aborda la imagen volumétrica con ondas planas. Luego se desarrollan dos métodos para la detección y reconstrucción de la superficie del componente ensayado.
Los métodos desarrollados han sido implementados en software utilizando una combinación de CPU y GPU. Se presentan resultados experimentales demostrando que, con esta implementación, se pueden conseguir tasas de unas 24 imágenes tridimensionales y auto-enfocadas por segundo. |
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