Procedimiento y dispositivo ultrasónico para caracterizar un medio.

Procedimiento ultrasónico de caracterización de un medio, que incluye:

- aplicar una señal de excitación ultraónica al medio,

- detectar una respuesta constituida de las señales ultrasónicas recibidas en varios sitios de recepción (12)situados a distintas distancias de un sitio de emisión (11) donde se aplicó la señal de excitación,

- a partir del conjunto de las señales ultrasónicas recibidas, extraer una cartografía de los modos que sepropagaron, en una señal frecuencia-velocidad de propagación,

caracterizados porque para cada sitio de recepción (12) la detección se realiza sucesivamente para al menosdos señales de excitación diferentes, de modo que cada sitio de recepción vea pasar al menos dos respuestascuyos componentes vibratorios son diferentes y/o diferentemente añadidas, porque se establece para cadafrecuencia una matriz NE X NR de los niveles de energía y de los desfases de las respuestas para NR sitios derecepción y NE señales de emisión distintos y porque se somete la matriz de las respuestas frecuencialesiniciales a una descomposición en valores singulares de los que resulta para cada frecuencia una base devectores singulares en el espacio de las excitaciones, y una base de vectores singulares en el espacio de lasondas que se propagaron a lo largo de los receptores, así como de los valores singulares.

Procedimiento y dispositivo ultrasónico para caracterizar un medio La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo ultrasónico para caracterizar un medio.

La presente invención se aplica, en particular, para la caracterización de medios sólidos que constituyen objetos y en que se trata de conocer la naturaleza, la composición, el grado de homogeneidad, el estado, una dimensión etc., en particular en comparación con resultados establecidos anteriormente para medios conocidos.

Se puede tratar en particular de detectar de manera no destructiva el estado de una pieza mecánica. Más concretamente, se puede tratar de explorar el estado de un hueso humano o animal, en particular el estado de la capa cortical del hueso, por ejemplo para conocer la fase de evolución de un hueso en los niños, el estado de un hueso en el caso de algunos perjuicios que afectan al esqueleto, o también detectar patologías óseas tales como la osteoporosis y evaluar cuando proceda el grado de gravedad de la patología detectada.

Los procedimientos ultrasónicos ofrecen numerosas ventajas con respecto a los procedimientos radiográficos que requieren un material costoso y un entorno adaptado, que tiene efectos secundarios indeseables y cuya frecuencia de aplicación sobre un mismo individuo se debe limitar.

Se conocen procedimientos de caracterización que consisten en aplicar una excitación ultrasónica en un sitio de emisión y en detectar en varios sitios de recepción sucesivos la llegada de la primera señal generada por esta excitación, luego se calcula la velocidad de propagación de esta primera señal. El procedimiento se puede emplear aplicando una sonda sobre la superficie exterior del cuerpo del paciente. La solicitud de patente francesa nº

2.839.877 enseña un procedimiento y un dispositivo que eliminan la influencia de un espesor eventualmente variable de tejidos blandos (piel, músculo) entre la sonda y el hueso que se debe explorar. En la capa cortical de un hueso, la velocidad de la primera señal varía en función de parámetros tales como el espesor de la capa cortical, la presencia de osteoporosis etc. La única medida de la velocidad de la primera señal no permite siempre, por lo tanto, discriminar distintos síntomas.

Otro documento pertinente es la solicitud de patente internacional nº 03/045251 A1.

Ahora bien, la señal ultrasónica observada en los receptores en respuesta a una excitación tal como un impulso u otra excitación multifrecuencia contiene varias contribuciones asociadas a ondas que se propagan a velocidades diferentes, variables en función de la frecuencia, y con niveles de energía diferentes. Se conoce detectar los estados de excitación, sucesivos en el tiempo, de los múltiples receptores repartidos sobre el trayecto de las señales, y de establecer con el resultado de estas detecciones una imagen de los niveles de energía, en función del tiempo y del espacio, señales ultrasónicas transmitidas a lo largo del medio de estudio. Esta imagen espacio-temporal de los niveles de energía es rica en informaciones ya que agrupa las consecuencias, en términos de excitación, de los distintos modos vibratorios suscitados por la señal de excitación en el medio de estudio. Se saben extraer de las señales recibidas por los detectores sucesivos una cartografía de los niveles de energía en función de la frecuencia y de la velocidad de propagación. Esta cartografía toma por ejemplo la forma de una representación, por niveles de color o de gris, de la energía en cada punto de una marca frecuencia-velocidad de propagación. Se ven aparecer líneas de fuerte energía, denominadas “trayectorias”, que reflejan cada una un modo vibratorio y que forman un conjunto característico del medio de propagación.

En una realización que se refiere a la obtención de esta cartografía, la imagen espacio-temporal puede ser tratada en particular por transformación de Fourier bidimensional numérica para extraer un espectro de las frecuencias temporales y de las frecuencias espaciales, y establecer, en particular, una correspondencia entre los valores de las frecuencias espaciales y los valores de las frecuencias temporales. La señales recibidas, muestreadas en el tiempo y, a causa del número finito de receptores, en el espacio, se ponen bajo la forma de una matriz (tiempo - espacie) de los niveles de energía en el espacio y en el tiempo. Se realiza a continuación una transformación de Fourier numérica de dos dimensiones (TF2D) de la matriz de los niveles de energía, de tal modo que pasen variables tiempo y espacio a las variables frecuencia y velocidad de propagación. La cartografía antes citada corresponde a una visualización de la transformada de Fourier de dos dimensiones (TF2D) .

Esta técnica presenta no obstante una serie de limitaciones y/o inconvenientes. Los modos débilmente energéticos tienden a ser encubiertos por los procedimientos más energéticos. La calidad de la imagen obtenida se degrada en los medios ruidosos. Además la técnica conocida demanda una gran cantidad de adquisiciones, sobre todo si el número de detectores está limitado por la forma o las dimensiones del objeto que incorporan el medio que se debe caracterizar. En particular, una técnica para hacer el método conocido más eficaz consiste en efectuar cada medida un gran número de veces, luego se debe tratar matemáticamente (TF2D) una matriz formada por las medias de las medidas efectuadas. Esto elimina en gran parte los errores que ocurren de forma aleatoria, pero no algunas fuentes de errores sistemáticas.

El objetivo de la presente invención consiste en remediar al menos algunos de los inconvenientes antes citados proponiendo un procedimiento y/o un dispositivo de caracterización por vía ultrasónica que sea fundamentalmente más eficaz que la técnica conocida.

Según la invención, el procedimiento ultrasónico de caracterización de un medio, comprende las etapas descritas en la reivindicación 1.

Se sabe que la respuesta a una excitación ultrasónica se analiza como una adición de componentes vibratorios que tienen, cada una, una amplitud (nivel de energía) , una frecuencia, un posicionamiento en el tiempo (fase) , y una velocidad de propagación.

La excitación (por ejemplo un impulso de Dirac) se analiza tal como se forma por componentes vibratorios que tienen, cada una, una frecuencia y una amplitud (nivel de energía) . La excitación se caracteriza también por el sitio de emisión en que se aplica, ya que en el sentido de la invención se considera que dos señales de excitación son diferentes si se componen idénticamente pero aplicadas en sitios de emisión diferentes.

Una segunda señal de excitación, diferente de una primera señal de excitación, genera en cada detector una diferente respuesta de la generada en este mismo detector en respuesta a la primera señal de excitación.

Esta propiedad se puede explotar de distintas maneras. Se pueden por ejemplo realizar varias veces el método conocido, cambiando la señal de excitación de una vez a otra, obtener cada vez la cartografía que corresponde a la señal de excitación emitida, luego comparar y/o añadir las cartografías obtenidas para generar una cartografía resultante más fiable.

La invención prevé preferentemente utilizar más de dos señales de excitación diferentes, por ejemplo alrededor de una decena, para mejorar también los resultados de base de la invención.

Se prefiere según la invención que las señales de excitación diferentes difieren por la distancia entre su sitio de emisión respectivo y cada sitio de recepción. Se prefiere también, en este caso, que las señales de excitación no presentan otra diferencia entre sí, es decir su espectro de componentes vibratorios elementales sea sensiblemente el mismo. Se puede por ejemplo utilizar sistemáticamente como señal de excitación un impulso de Dirac. Se sabe que la respuesta de un transductor ultrasónico a tal impulso presenta un espectro formado por frecuencias situadas en un determinado intervalo con una distribución de Gauss de las amplitudes por una y otra parte de una frecuencia central.

Como la respuesta a una excitación en un medio dado se forma por componentes vibratorios que se propagan a velocidades diferentes, los componentes vibratorios de las dos respuestas a dos señales de excitación idénticamente compuestas pero aplicadas a distancias diferentes de un detector dado se añaden diferentemente al paso delante de este detector. Las dos señales captadas por cada detector son, por lo tanto, diferentes. Ahí también, se pueden emplear más de dos señales diferentes, por ejemplo una decena de señales aplicadas cada una a un sitio de emisión respectivo.... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento ultrasónico de caracterización de un medio, que incluye:

-aplicar una señal de excitación ultrasónica al medio,

-detectar una respuesta constituida de las señales ultrasónicas recibidas en varios sitios de recepción (12) situados a distintas distancias de un sitio de emisión (11) donde se aplicó la señal de excitación,

-a partir del conjunto de las señales ultrasónicas recibidas, extraer una cartografía de los modos que se propagaron, en una señal frecuencia-velocidad de propagación,

caracterizados porque para cada sitio de recepción (12) la detección se realiza sucesivamente para al menos dos señales de excitación diferentes, de modo que cada sitio de recepción vea pasar al menos dos respuestas cuyos componentes vibratorios son diferentes y/o diferentemente añadidas, porque se establece para cada frecuencia una matriz NE X NR de los niveles de energía y de los desfases de las respuestas para NR sitios de recepción y NE señales de emisión distintos y porque se somete la matriz de las respuestas frecuenciales iniciales a una descomposición en valores singulares de los que resulta para cada frecuencia una base de vectores singulares en el espacio de las excitaciones, y una base de vectores singulares en el espacio de las ondas que se propagaron a lo largo de los receptores, así como de los valores singulares.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque señales de excitación diferentes difieren por la distancia entre sus sitios de aplicación respectivos y cada sitio de recepción.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque fuera de la distancia entre el sitio de aplicación y cada sitio de recepción las señales de excitación son sensiblemente idénticas.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se aplican las señales de excitación diferentes en instantes diferentes, y se detectan separadamente las respuestas para cada señal de excitación.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se determina el espectro de los componentes vibratorios de cada señal ultrasónica recibida, en particular por cálculo de la transformada de Fourier temporal de cada señal recibida.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque para cada frecuencia se expresa la base de las ondas planas en la base de los vectores singulares de recepción y se designan aquellas de las ondas planas que participan más en los vectores singulares de recepción.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se utilizan al menos dos emisores y se determina para cada frecuencia al menos una emisión combinada de los dos emisores, para la cual la respuesta recibida en los sitios de recepción se optimiza en términos de energía recibida con respecto a la energía emitida.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se utilizan varios emisores y se determinan para cada frecuencia varias emisiones combinadas de los varios emisores para los cuales las respuestas frecuenciales respectivas se optimizan en términos de energía recibida con respecto a la energía emitida.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque se seleccionan las respuestas frecuenciales más energéticas para la determinación de las ondas planas que participan en las señales de recepción, y se elimina al menos una respuesta frecuencial poco energética.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se normalizaron las respuestas frecuenciales.

11. Dispositivo para el empleo de un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que incluye una sonda (4) equipada de medios de emisión ultrasónica (11) y de una fila de receptores ultrasónicos (12) , medios para activar los medios de emisión y recibir las señales procedente de los receptores en una ventana de tiempo después de la activación de los medios de emisión, y medios de tratamiento para extraer de las señales recibidas una cartografía de los modos que se propagaron, en una marca frecuencia velocidad de propagación, caracterizado porque los medios de emisión incluyen varios emisores (11) y los medios de tratamiento establecen la cartografía combinando matemáticamente las señales recibidas en respuesta a diferentes estados de activación de los emisores, y porque los medios de tratamiento realizan:

-la transformada de Fourier temporal de cada señal recibida por cada receptor en respuesta a cada estado de activación, de tal modo que se obtenga para cada frecuencia una matriz NE X NR de NE respuestas adquiridas por NR detectores en respuesta a NE estados de activación,

-la descomposición en valores singulares de estas matrices para extraer de cada una de ellas al menos un vector singular que forma parte constitutiva de una base del espacio de recepción,

-el cálculo de las coordenadas de un vector que representa una onda plana dada en la base de los vectores singulares de recepción.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, que incluye medios para eliminar vectores singulares que corresponden a niveles de energía relativamente bajos.

x (nº receptor)