BR112019027296B1 - DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE ELASTICITY OF SOFT SOLIDS - Google Patents
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE ELASTICITY OF SOFT SOLIDS Download PDFInfo
- Publication number
- BR112019027296B1 BR112019027296B1 BR112019027296-8A BR112019027296A BR112019027296B1 BR 112019027296 B1 BR112019027296 B1 BR 112019027296B1 BR 112019027296 A BR112019027296 A BR 112019027296A BR 112019027296 B1 BR112019027296 B1 BR 112019027296B1
- Authority
- BR
- Brazil
- Prior art keywords
- waves
- wave
- elasticity
- soft solid
- sensors
- Prior art date
Links
Abstract
A invenção compreende um dispositivo e método para estimar a elasticidade de sólidos moles elásticos a partir de medições de onda de superfície. O método é não destrutivo, confiável e passível de repetição. O dispositivo final é de baixo custo e portátil. Tem base em propagação de onda de cisalhamento por frequência de áudio em sólidos moles elásticos. Dentro dessa variação de frequência, o comprimento de onda de cisalhamento é dimensionado em centímetros. Assim, os dados experimentais são comumente coletados no campo próximo da fonte. Portanto, um algoritmo de inversão que leva em consideração os efeitos de campo próximo foi desenvolvido para uso com o dispositivo. As aplicações de exemplo são apresentadas em amostras de carne bovina, materiais que imitam tecido e músculo esquelético in vivo de voluntários hígidos.The invention comprises a device and method for estimating the elasticity of elastic soft solids from surface wave measurements. The method is non-destructive, reliable and repeatable. The final device is low-cost and portable. It is based on audio frequency shear wave propagation in elastic soft solids. Within this frequency range, the shear wavelength is scaled in centimeters. Thus, experimental data are commonly collected in the field close to the source. Therefore, an inversion algorithm that takes near-field effects into account was developed for use with the device. Example applications are presented in beef samples, materials that imitate in vivo skeletal tissue and muscle from healthy volunteers.
Description
[001] Patentes Norte-Americanas[001] North American Patents
[002] US 6619423 B2, 9/2003, Courage[002] US 6619423 B2, 9/2003, Courage
[003] US 9044192 B2, 6/2015, Geenleaf et al.[003] US 9044192 B2, 6/2015, Geenleaf et al.
[004] Patentes Internacionais[004] International Patents
[005] EP 0329817 B1, 08/1992, Sarvazyan et al.[005] EP 0329817 B1, 08/1992, Sarvazyan et al.
[006] UY 36047, 03/2015, Benech et al.[006] UY 36047, 03/2015, Benech et al.
[007] Outras referências[007] Other references
[008] F. Carduza, G. Sánchez, G. Grigioni y M Irureta, “Manual de procedimientos para la determination de la calidad fisica y sensorial de carne bovina”, Instituto Nacional de Tecnologia Agropecuaria (INTA), INTA Ediciones, Argentina, 2012.[008] F. Carduza, G. Sánchez, G. Grigioni and M Irureta, “Manual of procedures for determining the physical and sensorial quality of beef”, National Institute of Agricultural Technology (INTA), INTA Ediciones, Argentina, 2012.
[009] V.V. Kazarov, B.N. Klochkov, “Low frequency mechanical properties of the soft tissue of the human arm,” Biophysics, vol. 34 (4), pp. 742-747, 1989.[009] V.V. Kazarov, B.N. Klochkov, “Low frequency mechanical properties of the soft tissue of the human arm,” Biophysics, vol. 34(4), pp. 742-747, 1989.
[010] X. Zhang, B. Qiang, J. Greenleaf, “Comparison of the surface wave method and the indentation method for measuring the elasticity of gelatin phantoms of different concentrations,” Ultrasonics, vol. 51(2), pp. 157-164, 2011.[010] X. Zhang, B. Qiang, J. Greenleaf, “Comparison of the surface wave method and the indentation method for measuring the elasticity of gelatin phantoms of different concentrations,” Ultrasonics, vol. 51(2), pp. 157-164, 2011.
[011] K.G. Sabra, S. Conti, P. Roux, and W.A. Kuperman, “Passive in vivo elastography from skeletal muscle noise,” Applied Physics Letters, vol. 90, pp. 194101-1941013, 2007.[011] K. G. Sabra, S. Conti, P. Roux, and W. A. Kuperman, “Passive in vivo elastography from skeletal muscle noise,” Applied Physics Letters, vol. 90, pp. 194101-1941013, 2007.
[012] M. Salman, K.G. Sabra, “Surface wave measurements using a single continuously scanning laser Doppler vibrometer: Application to elastography,” Journal of Acoustical Society of America, vol. 133 (3), pp 1245-1254, 2013.[012] M. Salman, K. G. Sabra, “Surface wave measurements using a single continuously scanning laser Doppler vibrometer: Application to elastography,” Journal of Acoustical Society of America, vol. 133 (3), pp 1245-1254, 2013.
[013] N. Benech, S. Aguiar, G.A. Grinspan, J. Brum, C. Negreira, “In vivo Assessment of Muscle Mechanical Properties Using a Low-cost Surface Wave Method,” Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, vol. 2012, pp. 2571-2574, 2012.[013] N. Benech, S. Aguiar, G.A. Grinspan, J. Brum, C. Negreira, “In vivo Assessment of Muscle Mechanical Properties Using a Low-cost Surface Wave Method,” Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, vol. 2012, pp. 2571-2574, 2012.
[014] L. Landau and E. Lifshitz, Theory of elasticity, Pergamon Press, New York, 1970.[014] L. Landau and E. Lifshitz, Theory of elasticity, Pergamon Press, New York, 1970.
[015] E. Diuelesaint and D. Royer, “Elastic waves in solids”, Wiley, New York, 1980.[015] E. Diuelesaint and D. Royer, “Elastic waves in solids”, Wiley, New York, 1980.
[016] G. Miller and H. Pursey, “The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of a semi-infinite isotropic solid”, Porc. R. Soc. London Ser A, vol. 223, pp. 521-541, 1954.[016] G. Miller and H. Pursey, “The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of a semi-infinite isotropic solid”, Porc. R. Soc. London Ser A, vol. 223, pp. 521-541, 1954.
[017] J. Brum, J-L. Gennisson, T-M. Nguyen, N. Benech, M. Fink, M. Tanter and C. Negreira, “Application of 1D transient elastography for the shear modulus assessment of thin layered soft tissues: Comparison with supersonic shear imaging”, IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Control, vol. 59 (4), pp. 703-713, 2012.[017] J. Brum, J-L. Gennisson, T-M. Nguyen, N. Benech, M. Fink, M. Tanter and C. Negreira, “Application of 1D transient elastography for the shear modulus assessment of thin layered soft tissues: Comparison with supersonic shear imaging,” IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Control, vol. 59(4), pp. 703-713, 2012.
[018] N. Benech, C. Negreira y G. Brito, “Elastografía ultrasónica para evaluación de la terneza de carne vacuna” en Herramientas tecnológicas aplicadas a calidad y diferenciación de la carne, 29-44, G. Grigione y F. Paschetta, coordinadoras, PROCISUR publicaciones, Montevideo, 2012.[018] N. Benech, C. Negreira and G. Brito, “Ultrasonic elastography for evaluating the tenderness of beef” in Technological herramientas applied to the quality and differentiation of meat, 29-44, G. Grigione and F. Paschetta , coordinators, PROCISUR publications, Montevideo, 2012.
[019] N. Benech, J. Brum, G. Grinspan, S. Aguiar and C. Negreira, “Analysis of the transient surface wave propagation in soft solids elastic plates”, J. Acoust. Soc. Am. Vol. 142, 2919-2932, 2017.[019] N. Benech, J. Brum, G. Grinspan, S. Aguiar and C. Negreira, “Analysis of the transient surface wave propagation in soft solids elastic plates”, J. Acoust. Soc. Am. Vol. 142, 2919-2932, 2017.
[020] A presente invenção se refere aos campos de elastodinâmica e elastografia. Mais especificamente, a presente invenção provê um método e dispositivo para estimar as propriedades elásticas de sólidos elásticos não comprimíveis. A presente invenção tem aplicação, entre outros, à indústria alimentícia, indústria de polímeros, biomecânica, bioengenharia e medicina.[020] The present invention refers to the fields of elastodynamics and elastography. More specifically, the present invention provides a method and device for estimating the elastic properties of non-compressible elastic solids. The present invention has application, among others, to the food industry, polymer industry, biomechanics, bioengineering and medicine.
[021] Sólidos elásticos não comprimíveis, algumas vezes, também são mencionados como sólidos moles, pois são fáceis de deformar. Propriedades elásticas de sólidos moles são de grande interesse na indústria alimentícia (carne, carne bovina, queijo, frutas), indústria de polímero (borracha, polímeros moles) e medicina (músculos e tecidos moles em geral). Alguns dos métodos existentes para determinar a elasticidade de sólidos moles são destrutivos (Testes de tração, força de cisalhamento de Warner-Bratzler, WBSF, teste). Métodos não destrutivos incluem elastografia por ultrassom e elastografia de onda de superfície.[021] Non-compressible elastic solids are sometimes also referred to as soft solids, as they are easy to deform. Elastic properties of soft solids are of great interest in the food industry (meat, beef, cheese, fruits), polymer industry (rubber, soft polymers) and medicine (muscles and soft tissues in general). Some of the existing methods for determining the elasticity of soft solids are destructive (Tensile tests, Warner-Bratzler shear force, WBSF, test). Non-destructive methods include ultrasound elastography and surface wave elastography.
[022] Elastografia por ultrassom é capaz de mapear localmente a elasticidade em tecidos moles. Outra vantagem é que o método estima a elasticidade de tecido de maneira direta, sem precisar de algoritmos de inversão. A elastografia por ultrassom precisa de um escaneador de ultrassom dedicado que é dispendioso. Ademais, elastografia por ultrassom tem algumas limitações. Por exemplo, não funciona em materiais sem disseminadores de som internos (denominados materiais sem mancha). Além disso, não é útil em materiais no quais frequências de ultrassom são altamente atenuadas (indústria alimentícia em geral, como queijo, iogurte e frutas). Assim, elastografia de ultrassom é limitada a algumas aplicações em medicina.[022] Ultrasound elastography is capable of locally mapping elasticity in soft tissues. Another advantage is that the method estimates tissue elasticity directly, without needing inversion algorithms. Ultrasound elastography needs a dedicated ultrasound scanner which is expensive. Furthermore, ultrasound elastography has some limitations. For example, it will not work on materials without internal sound disseminators (called non-stain materials). Furthermore, it is not useful in materials in which ultrasound frequencies are highly attenuated (food industry in general, such as cheese, yogurt and fruit). Thus, ultrasound elastography is limited to a few applications in medicine.
[023] Métodos de onda de superfície foram propostos como uma alternativa à elastografia por ultrassom. Esses métodos têm a vantagem de que são de baixo custo comparado a ultrassom. Entretanto, ondas de superfície não têm uma relação direta com a elasticidade e, assim, algoritmos de inversão são necessários para estimar adequadamente a elasticidade. A maioria dos autores assume a propagação de onda de superfície de Rayleigh. Nesse caso, o algoritmo de inversão é simples. Entretanto, nos casos mais práticos, as condições para propagação de onda de Rayleigh não são alcançadas. Assim, a estimativa de elasticidade é desviada devido ao algoritmo de inversão. Outros autores assumem a propagação de onda orientada em placas finas, como pele ou artérias. Entretanto, ondas orientadas são afetadas por efeitos de campo próximo que não são insignificantes em sólidos moles. A maioria dos métodos de onda de superfície tem base em vibrometria a laser para escanear campo de deslocamento pela superfície. Uma desvantagem importante é que a estimativa de elasticidade não é realizada em tempo real. Estes métodos utilizam um único dispositivo de medição, que escaneia a superfície da amostra. Assim, não podem acompanhar alterações rápidas em elasticidade, como ativação muscular.[023] Surface wave methods have been proposed as an alternative to ultrasound elastography. These methods have the advantage that they are low cost compared to ultrasound. However, surface waves do not have a direct relationship with elasticity and thus inversion algorithms are necessary to properly estimate elasticity. Most authors assume Rayleigh surface wave propagation. In this case, the inversion algorithm is simple. However, in most practical cases, the conditions for Rayleigh wave propagation are not achieved. Thus, the elasticity estimate is biased due to the inversion algorithm. Other authors assume oriented wave propagation in thin plaques, such as skin or arteries. However, oriented waves are affected by near-field effects that are not insignificant in soft solids. Most surface wave methods are based on laser vibrometry to scan the displacement field across the surface. An important disadvantage is that elasticity estimation is not performed in real time. These methods use a single measuring device, which scans the surface of the sample. Therefore, they cannot track rapid changes in elasticity, such as muscle activation.
[024] O documento US5588440A revela um método e aparelho para localizar e avaliar lesões de tecidos moles que inclui uma sonda para entrar em contato com uma área da pele.[024] Document US5588440A discloses a method and apparatus for locating and evaluating soft tissue injuries that includes a probe for contacting an area of the skin.
[025] A presente invenção provê um dispositivo não destrutivo e um método confiável para estimar a elasticidade de amostras de sólidos moles utilizando ondas de superfície. O método proposto supera algumas desvantagens encontradas nos trabalhos anteriores, conforme descrito acima. Assim, a presente invenção provê um dispositivo e método elastográfico alternativos, que não sejam destrutivos, de baixo custo, em tempo real, quantitativos e passíveis de repetição.[025] The present invention provides a non-destructive device and a reliable method for estimating the elasticity of soft solid samples using surface waves. The proposed method overcomes some disadvantages found in previous works, as described above. Thus, the present invention provides an alternative elastographic device and method, which is non-destructive, low-cost, real-time, quantitative and repeatable.
[026] Estes e outros objetivos da invenção são atendidos por meio de um dispositivo e método para determinar a elasticidade de sólidos moles. A presente invenção é revelada no conjunto de reivindicações em anexo. De acordo com um primeiro aspecto, a invenção refere-se a um dispositivo para determinar a elasticidade de sólidos moles que compreende uma fonte de onda, uma haste acoplada por uma de suas extremidades à fonte de onda e que possui uma peça de topo em sua extremidade oposta, uma pluralidade de sensores de vibração espaçados igualmente e dispostos de maneira linear um em relação ao outro, e um conversor analógico para digital conectado aos sensores de vibração e a um processador. No dispositivo da invenção, a face da peça de topo oposta à haste e a pluralidade de sensores de vibração estão substancialmente em um mesmo plano no mesmo lado do dispositivo, e o eixo da haste é normal ao plano contendo os sensores e topo da haste, e a distância entre a haste e o sensor de vibração mais próximo é a mesma distância entre os sensores de vibração.[026] These and other objectives of the invention are met by means of a device and method for determining the elasticity of soft solids. The present invention is disclosed in the attached set of claims. According to a first aspect, the invention relates to a device for determining the elasticity of soft solids which comprises a wave source, a rod coupled at one of its ends to the wave source and which has a top piece at its end. opposite end, a plurality of vibration sensors equally spaced and arranged linearly relative to each other, and an analog to digital converter connected to the vibration sensors and a processor. In the device of the invention, the face of the top piece opposite the rod and the plurality of vibration sensors are in substantially the same plane on the same side of the device, and the axis of the rod is normal to the plane containing the sensors and top of the rod. and the distance between the rod and the nearest vibration sensor is the same as the distance between the vibration sensors.
[027] Em uma realização particular da invenção, os sensores de vibração são sensores piezelétricos. Em outra realização particular da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, os sensores são quatro.[027] In a particular embodiment of the invention, the vibration sensors are piezoelectric sensors. In another particular embodiment of the invention, alone or in combination with any of the above or below embodiments, the sensors are four.
[028] Em outra realização particular da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, a face da peça de topo oposta à haste (fonte de onda) tem a forma de um retângulo com seu lado extenso perpendicular à linha que conecta a haste e os sensores e seu lado curto paralelo à dita linha.[028] In another particular embodiment of the invention, alone or in combination with any of the embodiments above or below, the face of the top piece opposite the rod (wave source) has the shape of a rectangle with its extended side perpendicular to the line that connects the rod and sensors and its short side parallel to said line.
[029] Em outra realização particular da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, o dispositivo ainda compreende um sensor de temperatura.[029] In another particular embodiment of the invention, alone or in combination with any of the above or below embodiments, the device further comprises a temperature sensor.
[030] Em outra realização particular da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, o dispositivo ainda compreende um sensor de pressão. Em uma realização mais particular da invenção, o sensor de pressão consiste em uma célula de carga conectada a um circuito divisor de tensão com comparador. O sensor de pressão pode ser conectado à indicadores com luz de LED para indicar ao usuário se a quantidade de pressão correta estiver sendo aplicada à amostra a ser medida.[030] In another particular embodiment of the invention, alone or in combination with any of the embodiments above or below, the device further comprises a pressure sensor. In a more particular embodiment of the invention, the pressure sensor consists of a load cell connected to a voltage divider circuit with comparator. The pressure sensor can be connected to LED indicators to indicate to the user whether the correct amount of pressure is being applied to the sample being measured.
[031] Em outra realização particular da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, o dispositivo ainda compreende um sensor de distância. Em uma realização mais particular da invenção, o sensor de distância é um sensor infravermelho.[031] In another particular embodiment of the invention, alone or in combination with any of the embodiments above or below, the device further comprises a distance sensor. In a more particular embodiment of the invention, the distance sensor is an infrared sensor.
[032] De acordo com um segundo aspecto, a invenção se refere a um método para determinar a elasticidade de um sólido mole, o método compreendendo as etapas de: a) utilização de uma fonte de onda para excitar ondas de frequência audíveis de baixa amplitude em uma localização selecionada de uma superfície livre do sólido mole, cuja elasticidade deve ser determinada, b) registros de traços no tempo do deslocamento de superfície com uma pluralidade de sensores de vibração de contato que são dispostos de maneira linear e espaçados igualmente entre si, em que a distância entre o ponto no qual as ondas estão sendo excitadas e o sensor mais próximo é o mesmo que a distância entre os sensores, c) computação da velocidade de fase da onda de superfície ao estimar a troca de fase entre sensores e um sinal de referência enviado à fonte, d) conversão da velocidade de fase computada na etapa c a um valor de elasticidade ao utilizar um algoritmo de inversão.[032] According to a second aspect, the invention relates to a method for determining the elasticity of a soft solid, the method comprising the steps of: a) using a wave source to excite low amplitude audible frequency waves at a selected location of a free surface of the soft solid, the elasticity of which is to be determined, b) recording time traces of the surface displacement with a plurality of contact vibration sensors that are arranged in a linear manner and equally spaced apart, where the distance between the point at which the waves are being excited and the nearest sensor is the same as the distance between the sensors, c) computing the phase velocity of the surface wave by estimating the phase shift between sensors and a reference signal sent to the source, d) converting the phase velocity computed in step c to an elasticity value when using an inversion algorithm.
[033] Em uma realização do método da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, um conversor analógico para digital recebe informações analógicas dos sensores, as transforma em informações digitais, e transmite essas informações digitais a um processador.[033] In one embodiment of the method of the invention, alone or in combination with any of the embodiments above or below, an analog to digital converter receives analog information from sensors, transforms it into digital information, and transmits this digital information to a processor.
[034] Em outra realização particular do método da invenção, isoladamente ou em combinação com quaisquer das realizações acima ou abaixo, o valor de elasticidade calculado é apresentado em uma tela.[034] In another particular embodiment of the method of the invention, alone or in combination with any of the embodiments above or below, the calculated elasticity value is displayed on a screen.
[035] Esta patente reivindica um teste de elasticidade acústico, não invasivo de tecidos biológicos moles. Em sua realização preferida, mede a velocidade das ondas por meio de uma sonda com um piezotransdutor de transmissão e dois de recepção, os transdutores de recepção sendo colocados simetricamente em relação ao transmissor, sendo que isso permite a amplificação diferencial dos sinais acústicos recebidos. Estes piezotransdutores são montados à sonda por meio de linhas de atraso acústico na forma de hastes metálicas de parede fina, ocas, longas o suficiente para atrasar o sinal acústico que passa do transmissor ao receptor através do corpo da sonda. Há também um contato de agulha (não uma fonte de linha como na nossa), uma mola e um contato tubular. A conversão do valor do tempo decorrido da onda de superfície entre os pontos de irradiação e recepção é indicativa da elasticidade do tecido na direção da propagação da onda. Tudo isso é completamente diferente - em princípio e em construção física - de nossa invenção, que tem base em ondas de superfície e sua troca de fase, além de ter um sistema de conversão analógico/digital e sensor de pressão que são fundamentalmente diferentes desta invenção. Levando em consideração que ondas de cisalhamento trafegam através de tecidos moles aproximadamente 1000 vezes mais lentas e atenuam aproximadamente 10000 vezes mais rápido do que as ondas de ultrassom convencionais longitudinais, ambas as invenções estão quase em campos diferentes (radiographics.rsna.org, maio - junho de 2017).[035] This patent claims a non-invasive, acoustic elasticity test of soft biological tissues. In its preferred embodiment, it measures wave speed by means of a probe with a transmission and two reception piezotransducers, the reception transducers being placed symmetrically in relation to the transmitter, which allows differential amplification of the received acoustic signals. These piezotransducers are mounted to the probe via acoustic delay lines in the form of hollow, thin-walled metal rods long enough to delay the acoustic signal passing from transmitter to receiver through the body of the probe. There is also a needle contact (not a line source like on ours), a spring and a tubular contact. The conversion of the elapsed time value of the surface wave between the irradiation and reception points is indicative of the elasticity of the tissue in the direction of wave propagation. All of this is completely different - in principle and in physical construction - from our invention, which is based on surface waves and their phase change, in addition to having an analog/digital conversion system and pressure sensor that are fundamentally different from this invention. . Taking into consideration that shear waves travel through soft tissue approximately 1000 times slower and attenuate approximately 10000 times faster than conventional longitudinal ultrasound waves, both inventions are almost in different fields (radiographics.rsna.org, May - June 2017).
[036] Esta patente, que poderia ser considerada vivos, não para sólidos moles, em geral, como a atual invenção; tem base em um modelo viscoelástico, e deve, assim, determinar dois fatores, um elástico e um viscoso, enquanto a atual invenção é um modelo puramente elástico e, assim, somente um parâmetro elástico é determinado; inclui tecidos de múltiplas camadas, enquanto a atual invenção não; a velocidade de fase é medida por meio de regressão linear ou fase vs. distância, enquanto na atual invenção, essa hipótese não está presente; tem base em equações de campo distante (embora isso não seja dito explicitamente) uma vez que modos de propagação normal são utilizados, enquanto a atual invenção somente as contas de campo próximo; aplica-se somente a tecidos isotrópicos - embora, na Reivindicação 13, tecidos anisotrópicos sejam considerados, nada na Memória justifica essa reivindicação e não há menção de como quantificar parâmetros nesse caso - enquanto, na atual invenção, o dispositivo é utilizado em sólidos moles isotrópicos e anisotrópicos (transversalmente isotrópicos), além disso, na atual invenção, um método de como obter de maneira quantitativa os parâmetros é descrito para ambos os casos (isotrópico e anisotrópico); não inclui correções de temperatura (uma vez que as medições são sempre consideradas na mesma temperatura), enquanto a atual invenção as faz; utiliza sensores remotos (ultrassom ou vibrometria a laser), enquanto a atual invenção utiliza sensores de contato. O uso de equações de campo distante causa um desvio nos resultados de medição, desvio que depende de frequência. Quando forem utilizadas altas frequências, elas são úteis - utilizando equações de campo distante - somente para as camadas superficiais de tecido. Isso não vale para a atual invenção uma vez que, ao utilizar equações de campo próximo, todo o tecido e não somente as camadas superficiais são medidas precisamente. Dadas todas essas diferenças substanciais, a patente US9044192 é somente útil para fins médicos de órgãos internos, um campo completamente diferente do que visamos na atual invenção.[036] This patent, which could be considered alive, not for soft solids, in general, like the current invention; is based on a viscoelastic model, and must therefore determine two factors, one elastic and one viscous, while the current invention is a purely elastic model and, therefore, only one elastic parameter is determined; includes multi-layer fabrics, whereas the current invention does not; phase velocity is measured using linear regression or phase vs. distance, while in the current invention, this hypothesis is not present; is based on far-field equations (although this is not said explicitly) since normal propagation modes are used, while the current invention only accounts for the near-field; applies only to isotropic tissues - although, in Claim 13, anisotropic tissues are considered, nothing in the Memorandum justifies this claim and there is no mention of how to quantify parameters in this case - while, in the current invention, the device is used in isotropic soft solids and anisotropic (transversely isotropic), in addition, in the current invention, a method of how to quantitatively obtain the parameters is described for both cases (isotropic and anisotropic); does not include temperature corrections (since measurements are always considered at the same temperature), while the current invention does; uses remote sensors (ultrasound or laser vibrometry), while the current invention uses contact sensors. The use of far-field equations causes a deviation in the measurement results, a deviation that depends on frequency. When high frequencies are used, they are useful - using far-field equations - only for the superficial layers of tissue. This does not apply to the current invention since, when using near-field equations, the entire tissue and not just the superficial layers are precisely measured. Given all these substantial differences, patent US9044192 is only useful for medical purposes of internal organs, a completely different field from what we target in the current invention.
[037] Esta patente e o que é depositado com ela têm base em ondas de superfície, mas há diferenças significativas, como segue: - Na patente UY36047 somente sólidos isotrópicos foram considerados, enquanto na atual, sólidos anisotrópicos também são incluídos. - Na patente UY36047, somente ondas de superfície do tipo Raleygh foram consideradas, enquanto, na atual, os efeitos de campo próximo que incluem diversas ondas de superfície são incluídos. - A patente UY36047 foi centrada na correção dos efeitos de ondas de difração e orientadas, enquanto na atual, tanto a fonte quando os sensores foram modificados de modo a tornar desnecessário corrigir os ditos efeitos. - A Patente UY36047 não leva em consideração alterações de temperatura, enquanto a atual o faz. - A Patente UY36047 não levou em consideração modificações do valor de elasticidade relatado devido à pressão exercida pelo dispositivo. No atual pedido, esse efeito é, de fato, levado em consideração por meio de um sensor de pressão. - A Patente UY36047 não estabeleceu ou especificou limites de frequência úteis, enquanto a atual os fez. É nossa conclusão que, devido a essas diferenças significativas, nenhuma dessas patentes é um antecessor útil a questionar o caráter inovador da etapa inventiva da atual invenção.[037] This patent and what is filed with it are based on surface waves, but there are significant differences, as follows: - In patent UY36047 only isotropic solids were considered, while in the current one, anisotropic solids are also included. - In patent UY36047, only surface waves of the Raleygh type were considered, while in the current one, near-field effects that include several surface waves are included. - The UY36047 patent was focused on correcting the effects of diffraction and oriented waves, while in the current one, both the source and the sensors were modified in such a way as to make it unnecessary to correct said effects. - Patent UY36047 does not take temperature changes into account, while the current one does. - Patent UY36047 did not take into account changes in the reported elasticity value due to the pressure exerted by the device. In the current order, this effect is in fact taken into account by means of a pressure sensor. - Patent UY36047 did not establish or specify useful frequency limits, while the current one did. It is our conclusion that, due to these significant differences, none of these patents is a useful predecessor to question the innovative character of the inventive step of the current invention.
[038] Os elementos que compõem o equipamento da presente invenção são descritos abaixo, com os números com os quais aparecem nas figuras. 1 - Fonte de onda com uma haste acoplada 2 - Sensores de vibração 3 - Saídas ao conversor de sinal analógico para digital (A/D) 4 - Amplificador de áudio 5 - Botão de início 6 - Sensor de temperatura 7 - Bastão afixado à célula de carga (sensor de pressão) 8 - Indicador com luzes LED 9 - Nível de bolhas 10 - Sensor de distância 11 - Alça de retenção 12 - Esponja amortecedora 13 - Arco de retenção 14 - Disparador 15 - Computador[038] The elements that make up the equipment of the present invention are described below, with the numbers with which they appear in the figures. 1 - Wave source with an attached rod 2 - Vibration sensors 3 - Outputs to the analog to digital signal converter (A/D) 4 - Audio amplifier 5 - Start button 6 - Temperature sensor 7 - Stick affixed to the cell load (pressure sensor) 8 - Indicator with LED lights 9 - Spirit level 10 - Distance sensor 11 - Retaining strap 12 - Damping sponge 13 - Retaining arch 14 - Trigger 15 - Computer
[039] O método tem base nas seguintes etapas: 1) utilizando uma fonte de onda (1), excitação de ondas de frequência audíveis de baixa amplitude em uma localização selecionada de uma superfície livre da amostra. A frequência de excitação, assim como o número de ciclos excitados, é controlada pelo usuário. Podem ser selecionados a fim de otimizar os resultados para a aplicação em especial. 2) Registro dos traços no tempo do deslocamento de superfície utilizando sensores de vibração de contato (2) dispostos em um arranjo linear ao longo da superfície livre da amostra. 3) Computação da velocidade de fase da onda de superfície ao estimar a troca de fase entre sensores (2) e fonte (1). 4) Uso de um algoritmo de inversão para converter a velocidade de fase computada na etapa anterior em um valor de elasticidade significativo (Diagrama de blocos, figura 10). 5) Relato do resultado em uma tela.[039] The method is based on the following steps: 1) using a wave source (1), excitation of low-amplitude audible frequency waves at a selected location of a free surface of the sample. The excitation frequency, as well as the number of excited cycles, is controlled by the user. They can be selected to optimize results for the particular application. 2) Recording time traces of surface displacement using contact vibration sensors (2) arranged in a linear arrangement along the free surface of the sample. 3) Computation of surface wave phase velocity by estimating phase shift between sensors (2) and source (1). 4) Use of an inversion algorithm to convert the phase velocity computed in the previous step into a meaningful elasticity value (Block diagram, figure 10). 5) Reporting the result on a screen.
[040] O dispositivo também compreende um conversor A/D (3) para digitalizar os sinais analógicos do arranjo linear de sensores de vibração de superfície (2) e um processador (15) para computar as trocas no tempo entre sensores e realizar o processamento de dados. Os aspectos detalhados da presente invenção serão descritos nos parágrafos a seguir.[040] The device also comprises an A/D converter (3) for digitizing the analog signals from the linear array of surface vibration sensors (2) and a processor (15) for computing time changes between sensors and performing processing. of data. Detailed aspects of the present invention will be described in the following paragraphs.
[041] O algoritmo de processamento estima uma troca de fase entre os sinais registrados pelo arranjo linear de sensores de vibração e o sinal de referência enviado à fonte. Assim, a primeira etapa é para aplicar um filtro de passagem em faixa centralizado na frequência da fonte com uma amplitude de faixa entre 30% e 50%. Isso permite a eliminação de frequências indesejadas que podem afetar as estimativas. Então, a troca de fase entre os sinais registrados e o sinal de referência é computado em uma frequência selecionada dentro da amplitude de faixa pela transformada de Fourier. A troca de fase é convertida em atraso de tempo ao dividir a troca de fase entre a frequência angular correspondente. Esse procedimento permite a estimativa da velocidade de onda de superfície, uma vez que a distância entre fonte e sensor é conhecida (distâncias d e d' na figura 1).[041] The processing algorithm estimates a phase shift between the signals recorded by the linear array of vibration sensors and the reference signal sent to the source. Thus, the first step is to apply a bandpass filter centered on the source frequency with a range amplitude between 30% and 50%. This allows the elimination of unwanted frequencies that could affect the estimates. Then, the phase shift between the recorded signals and the reference signal is computed at a frequency selected within the range amplitude by the Fourier transform. The phase shift is converted to time delay by dividing the phase shift between the corresponding angular frequency. This procedure allows the estimation of surface wave speed, since the distance between source and sensor is known (distances d and d' in figure 1).
[042] A operação do método não apresenta limitações referentes à frequência funcional. Entretanto, dependendo da frequência, pode ser necessário corrigir o valor computador, levando em consideração a propagação de onda orientada. Portanto, o principal objetivo dessa invenção é aplicar algoritmos de correção designados a corrigir automaticamente a incidência de ondas guiadas. Assim, a invenção provê uma ferramenta quantitativa e confiável para estimar a velocidade da onda de cisalhamento das amostras testadas. A velocidade da onda de cisalhamento é relacionada a um módulo elástico dependendo do tipo de sólido sendo testado.[042] The operation of the method has no limitations regarding the functional frequency. However, depending on the frequency, it may be necessary to correct the computer value, taking into account oriented wave propagation. Therefore, the main objective of this invention is to apply correction algorithms designed to automatically correct the incidence of guided waves. Thus, the invention provides a quantitative and reliable tool for estimating the shear wave velocity of tested samples. Shear wave speed is related to elastic modulus depending on the type of solid being tested.
[043] O equipamento compreendendo a presente invenção é constituído por uma fonte de onda externa tendo uma fonte de linha acoplada (1). A variação de frequência de operação, assim como o número de ciclos, é selecionada pela aplicação para a qual a invenção é destinada a ser utilizada. Essa fonte deve vibrar normalmente a uma superfície livre da amostra, a fim de excitar principalmente o componente vertical das ondas de superfície. As ondas assim geradas serão registradas por uma disposição linear de sensores de vibração (2) (por exemplo, sensores piezelétricos, acelerômetros, sensores resistivos, microfones etc.), que são colocados ao longo da superfície livre da amostra. Estes sensores registram o componente vertical das vibrações (figura 1). A Figura 1 apresenta um exemplo não limitante de sensor piezelétrico, constituído por um filme piezelétrico flexível de PVDF, possuindo uma massa na extremidade e uma pequena extensão afixada a ele. A massa afixada oferece uma grande sensibilidade a esses sensores para registrar as vibrações de superfície, mantendo sua área efetiva (e, assim, a proporção de sinal/ruído), mas com uma área de contato mínima. Portanto, os sensores são do tipo ponto e efeitos de difração na estimativa de velocidade de ondas de superfície são evitados. O sinal analógico de cada sensor é digitalizado por um conversor de sinal analógico para digital (A/D) (3), sendo transferido subsequentemente a um computador (15 para processamento.[043] The equipment comprising the present invention consists of an external wave source having an coupled line source (1). The operating frequency variation, as well as the number of cycles, is selected by the application for which the invention is intended to be used. This source must vibrate normally to a free surface of the sample in order to excite mainly the vertical component of the surface waves. The waves thus generated will be recorded by a linear arrangement of vibration sensors (2) (for example, piezoelectric sensors, accelerometers, resistive sensors, microphones, etc.), which are placed along the free surface of the sample. These sensors record the vertical component of vibrations (figure 1). Figure 1 presents a non-limiting example of a piezoelectric sensor, consisting of a flexible PVDF piezoelectric film, having a mass at the end and a small extension attached to it. The affixed mass gives these sensors great sensitivity to record surface vibrations while maintaining their effective area (and thus signal-to-noise ratio) but with a minimal contact area. Therefore, the sensors are point type and diffraction effects on surface wave velocity estimation are avoided. The analog signal from each sensor is digitized by an analog-to-digital (A/D) signal converter (3) and subsequently transferred to a computer (15 for processing.
[044] A fim de que o dispositivo da presente invenção funcione adequadamente, a fonte deve ser alinhada ao arranjo de sensores, que deve ser espaçado igualmente em uma distância d que evita contato de um com o outro (FIGURA 1). Um amplificador de áudio (4) é empregado para excitar o vibrador. O conjunto no qual os sensores estão dispostos pode abranger diferentes alternativas. Como exemplos não exclusivos do mencionado acima, os sensores podem ser dispostos em uma placa que os retenha na configuração correta (figura 3A). A placa é posicionada na superfície da amostra por um arco de retenção (figura 3D) ou ao afixá-la em um retentor com uma alça de retenção (figura 3A-3C). Por outro lado, em diferentes modalidades ou realizações da invenção, há a possibilidade de incluir outros sensores, que permitem controlar e padronizar a medição em função de variáveis externas que podem influenciar nos resultados. Assim, o equipamento pode incluir um sensor de temperatura (6), que permite que o método estime o módulo elástico como função da temperatura (figura 11). O equipamento também pode incluir um sensor de pressão (7), consistindo em uma célula de carga conectada a um circuito divisor de tensão com comparador e luzes LED indicadoras (8). Isso permite que o usuário controle a pressão exercida no meio durante as medições, assim como ajustar rapidamente a pressão quando estiver acima ou abaixo da variação ideal estabelecida. Também, um nível de bolhas (9) afixado próximo às luzes LED indicadoras permite que o usuário nivele a pressão exercida no meio, de modo que isso seja uniforme na direção anterior-posterior. Além disso, o equipamento também pode incluir um sensor de distância (10), tipicamente infravermelho, mas não limitante, para medir a espessura do meio. Saber a espessura das amostras permite a correção da velocidade de onda de superfície pelo efeito de ondas guiadas, conforme descrito na seção teórica.[044] In order for the device of the present invention to function properly, the source must be aligned with the sensor array, which must be equally spaced at a distance that avoids contact with each other (FIGURE 1). An audio amplifier (4) is employed to excite the vibrator. The set in which the sensors are arranged can cover different alternatives. As non-exclusive examples of the above, the sensors can be arranged on a plate that holds them in the correct configuration (figure 3A). The plate is positioned on the sample surface by a holding arc (Figure 3D) or by affixing it to a retainer with a holding strap (Figure 3A-3C). On the other hand, in different embodiments or embodiments of the invention, there is the possibility of including other sensors, which allow controlling and standardizing the measurement depending on external variables that can influence the results. Thus, the equipment may include a temperature sensor (6), which allows the method to estimate the elastic modulus as a function of temperature (figure 11). The equipment may also include a pressure sensor (7), consisting of a load cell connected to a voltage divider circuit with comparator and LED indicator lights (8). This allows the user to control the pressure exerted on the medium during measurements, as well as quickly adjust the pressure when it is above or below the established ideal variation. Also, a bubble level (9) affixed next to the LED indicator lights allows the user to level the pressure exerted on the medium so that it is uniform in the anterior-posterior direction. Furthermore, the equipment may also include a distance sensor (10), typically infrared, but not limiting, for measuring the thickness of the medium. Knowing the thickness of the samples allows the correction of the surface wave velocity by the guided wave effect, as described in the theoretical section.
[045] Com base no mencionado acima, a operação do equipamento descrita na presente invenção tem a vantagem de ter base em poucas direções básicas. Em uma realização ou modalidade preferida, o equipamento compreende quatro sensores de vibração dispostos em um arranjo linear. Eles devem ser separados em uma distância d, sendo muito importante que permaneça constante entre todos os sensores do arranjo. Da mesma forma, o vibrador deve ser colocado na superfície do sólido mole, cuja elasticidade deve ser medida, sendo colocado no lado externo do arranjo imediatamente antes do primeiro sensor em uma distância d' (figura 1). A vibração deve ser normal para a superfície, a fim de excitar o componente vertical de ondas de superfície. Dessa forma, os sinais serão recebidos e processados pelo equipamento, que proverá o valor de elasticidade correspondente em tempo real por meio de um monitor ou tela.[045] Based on the above, the operation of the equipment described in the present invention has the advantage of being based on few basic directions. In a preferred embodiment or embodiment, the equipment comprises four vibration sensors arranged in a linear arrangement. They must be separated by a distance d, and it is very important that it remains constant between all the sensors in the array. Likewise, the vibrator must be placed on the surface of the soft solid, whose elasticity must be measured, being placed on the external side of the arrangement immediately before the first sensor at a distance d' (figure 1). The vibration must be normal to the surface in order to excite the vertical component of surface waves. In this way, the signals will be received and processed by the equipment, which will provide the corresponding elasticity value in real time through a monitor or screen.
[046] FIGURA 1: apresenta uma disposição linear de sensores de vibração e uma fonte de linha afixados a um vibrador por meio de uma haste. Trata-se de um exemplo não limitante de sensor piezelétrico de vibração, constituído por um filme piezelétrico flexível de PVDF, tem uma massa na extremidade com uma pequena extensão afixada a ela. As dimensões em milímetros são apresentadas abaixo, à esquerda. A distância d entre os sensores assim como a distância d' entre a fonte e o primeiro sensor também são exibidas.[046] FIGURE 1: shows a linear arrangement of vibration sensors and a line source affixed to a vibrator by means of a rod. This is a non-limiting example of a piezoelectric vibration sensor, consisting of a flexible PVDF piezoelectric film, with a mass at the end with a small extension attached to it. Dimensions in millimeters are shown below on the left. The distance d between the sensors as well as the distance d' between the source and the first sensor are also displayed.
[047] FIGURA 2: é um fluxograma para obter dados com a presente invenção. Linhas pontilhadas indicam que o sensor de pressão, sensor de temperatura e sensor de distância são elementos opcionais.[047] FIGURE 2: is a flowchart for obtaining data with the present invention. Dotted lines indicate that the pressure sensor, temperature sensor and distance sensor are optional elements.
[048] FIGURAS 3A a 3D: apresentam duas montagens alternativas para dispor os sensores de vibração no meio de interesse. 3A-3C corresponde às vistas inferior, superior e lateral, respectivamente. Barra de escala = 12mm. A Figura 3D é uma cinta para afixar os sensores a músculos vivos.[048] FIGURES 3A to 3D: present two alternative assemblies for arranging the vibration sensors in the medium of interest. 3A-3C correspond to the bottom, top and side views, respectively. Scale bar = 12mm. Figure 3D is a strap for attaching sensors to living muscles.
[049] FIGURA 4: apresenta a orientação do sistema de coordenadas para o sólido transversalmente isotrópico. O eixo de simetria é orientado ao longo da direção paralela às fibras (seja fibras musculares ou cadeias de moléculas extensas). A fonte de linha orientada com um ângulo e em relação à direção também é exibida.[049] FIGURE 4: shows the orientation of the coordinate system for the transversely isotropic solid. The axis of symmetry is oriented along the direction parallel to the fibers (either muscle fibers or extended molecule chains). The line source oriented at an angle and relative to the direction is also displayed.
[050] FIGURA 5: Exibe o diagrama de diretividade de ondas de cisalhamento criadas por uma fonte de linha em um sólido elástico isotrópico semi-infinito. A amplitude máxima é alcançada a 34°. Abaixo desse ângulo, a amplitude diminui rapidamente para 0.[050] FIGURE 5: Displays the directivity diagram of shear waves created by a line source in a semi-infinite isotropic elastic solid. Maximum amplitude is reached at 34°. Below this angle, the amplitude quickly decreases to 0.
[051] FIGURA 6: é uma representação esquemática[051] FIGURE 6: is a schematic representation
[052] FIGURA 7: apresenta a velocidade de fase da onda de superfície medida em um sólido isotrópico, como uma função da frequência para uma posição 1 ■'1 ■'-. Pontos, valores experimentais. Linha contínua: Método de inversão no 1.[052] FIGURE 7: presents the phase speed of the surface wave measured in an isotropic solid, as a function of frequency for a position 1 ■'1 ■'-. Points, experimental values. Solid line: Inversion method #1.
[053] FIGURA 8: apresenta a velocidade de fase de onda de superfície medida em um sólido isotrópico como função de frequência para uma posição . Pontos: valores experimentais. Linha contínua: Método de inversão no 3.[053] FIGURE 8: presents the surface wave phase velocity measured in an isotropic solid as a function of frequency for a position. Points: experimental values. Solid line: Inversion method #3.
[054] FIGURA 9: apresenta a onda de superfície velocidade de fase medida em um sólido isotrópico como função de frequência para uma posição <i . Pontos: Valores experimentais. Linha contínua: Método de inversão no 4.[054] FIGURE 9: presents the surface wave phase velocity measured in an isotropic solid as a function of frequency for a position <i. Points: Experimental values. Solid line: Inversion method #4.
[055] FIGURA 10: é um diagrama de blocos representando o algoritmo de inversão para um sólido isotrópico.[055] FIGURE 10: is a block diagram representing the inversion algorithm for an isotropic solid.
[056] FIGURAS 11A a 11B: exibem um exemplo de dados experimentais apresentando a dependência de 1 " com temperatura em amostras de carne bovina.[056] FIGURES 11A to 11B: show an example of experimental data showing the dependence of 1" on temperature in beef samples.
[057] As FIGURAS 12A a 12E apresentam as alterações elásticas relativas durante o processo de maturação por envelhecimento em diferentes amostras de carne bovina. Todas as curvas foram normalizadas em relação ao valor de r' na primeira medição. As barras de erro representam um desvio padrão por 10 medições.[057] FIGURES 12A to 12E show the relative elastic changes during the aging maturation process in different samples of beef. All curves were normalized with respect to the r' value in the first measurement. Error bars represent one standard deviation per 10 measurements.
[058] As FIGURAS 13A a 13C apresentam uma comparação do desempenho da presente invenção com os resultados obtidos pelo teste de força de cisalhamento de Warner-Bratzler (WBSF) padrão.[058] FIGURES 13A to 13C present a comparison of the performance of the present invention with the results obtained by the standard Warner-Bratzler shear force test (WBSF).
[059] A FIGURA 14 apresenta um exemplo de utilização da presente invenção para classificar diferentes cortes de carne bovina, de acordo com seu valor de elasticidade.[059] FIGURE 14 shows an example of using the present invention to classify different cuts of beef, according to their elasticity value.
[060] As FIGURAS 15A a 15C apresentam exemplos de utilização da presente invenção para monitorar a elasticidade musculoesquelética in vivo em situações dinâmicas.[060] FIGURES 15A to 15C present examples of using the present invention to monitor musculoskeletal elasticity in vivo in dynamic situations.
[061] Em teoria de elasticidade linear, a tensão e força dentro de um sólido elástico são relacionadas pela lei de Hooke generalizada: [061] In linear elasticity theory, tension and force within an elastic solid are related by generalized Hooke's law:
[062] em que a convenção de Einstein sobre índices repetidos se aplica. Nesta equaçãoé o tensor de estresse,é o tensor de força definido como é o componente k = 1,2,3 do campo de deslocamento eé o tensor de dureza. Tem 81(34) elementos representando as constantes elásticas. Entretanto, uma vez que e ∈kl = ∈lk, esse número se reduz a 36 coeficientes independentes. Ademais, uma vez que a simetria da derivada da energia de força em relação ao tensor de força, esse número se reduz mais a 21 coeficientes independentes. Assim, os 21 coeficientes elásticos independentes definem o sólido elástico anisotrópico geral. A fim de evitar trabalho com um quarto tensor de classificação, é comum representar as constantes independente do tensor de dureza em dois índices α e β com valores 1 a 6 correspondendo a um arranjo de 6x6 com a seguinte convenção: [062] where Einstein's convention on repeated indices applies. In this equation is the stress tensor, is the force tensor defined as is the k = 1,2,3 component of the displacement field and is the hardness tensor. It has 81(34) elements representing the elastic constants. However, since and ∈kl = ∈lk, this number reduces to 36 independent coefficients. Furthermore, given the symmetry of the derivative of the force energy with respect to the force tensor, this number is further reduced to 21 independent coefficients. Thus, the 21 independent elastic coefficients define the overall anisotropic elastic solid. In order to avoid working with a fourth classification tensor, it is common to represent the constants independent of the hardness tensor in two indices α and β with values 1 to 6 corresponding to a 6x6 arrangement with the following convention:
[063] Assim, com α relacionado a e β relacionado a [063] Thus, with α related to and β related to
[064] A relação fundamental da dinâmica aplicada a esse sistema concede: [064] The fundamental relationship of the dynamics applied to this system grants:
[065] onde é a densidade do material. Ao utilizar a lei de Hooke (1) para expressar o tensor de estresse, essa equação se lê: [065] where is the density of the material. When using Hooke's law (1) to express the stress tensor, this equation reads:
[066] que é um sistema de três equações diferenciais de segunda ordem que descreve a propagação de onda nos três corpos anisotrópicos tridimensionais. As soluções de onda planas para essa equação são expressas como: [066] which is a system of three second-order differential equations that describes wave propagation in three three-dimensional anisotropic bodies. The plane wave solutions to this equation are expressed as:
[067] em que é um vetor de unidade na direção de deslocamento de partícula e é mencionado como a polarização de onda e é um vetor de unidade na direção da propagação de onda. Inserindo a equação (4) na equação (3), concede: [067] where is a unit vector in the direction of particle displacement and is referred to as the wave polarization and is a unit vector in the direction of wave propagation. Inserting equation (4) into equation (3) grants:
[068] Introduzindo o segundo tensor de classificação, o segundo tensor de classificação se torna a equação de Christoffel: [068] Introducing the second classification tensor , the second rank tensor becomes the Christoffel equation:
[069] Assim, a polarização e velocidade de fase de uma onda plana que se propaga na direção são o autovetor e autovalor do tensor de Christoffel respectivamente. Uma vez que esse tensor é simétrico, seus autovalores são reais e seus autovetores são ortogonais entre si.[069] Thus, the polarization and phase velocity of a plane wave propagating in the direction are the eigenvector and eigenvalue of the Christoffel tensor respectively. Since this tensor is symmetric, its eigenvalues are real and its eigenvectors are orthogonal to each other.
[070] Para um sólido isotrópico, a matriz de dureza tem a forma: [070] For an isotropic solid, the hardness matrix has the form:
[071] onde. Assim, um sólido isotrópico tem somente duas constantes elásticas independentes mencionadas como constantes de Lamé. Na literatura de engenharia mecânica, duas outras constantes são empregadas, o módulo de Young e a razão de Poisson . São relacionadas às constantes de Lamé por: [071] where . Thus, an isotropic solid has only two independent elastic constants mentioned as Lamé constants. In mechanical engineering literature, two other constants are employed, Young's modulus and Poisson's ratio . They are related to Lamé constants by:
[072] Um sólido elástico não comprimível é definido como um sólido com a razão de Poisson. Em termos de constantes de Lamé, isso significa e, portanto,. O objetivo da presente invenção, quando aplicada a sólidos moles isotrópicos é estimar o valor de de ondas de superfície.[072] A non-compressible elastic solid is defined as a solid with Poisson's ratio . In terms of Lamé constants, this means and therefore, . The objective of the present invention, when applied to isotropic soft solids, is to estimate the value of of surface waves.
[073] Para um sólido isotrópico, o tensor de Christoffel é independente da direção de propagação. Lê-se: [073] For an isotropic solid, the Christoffel tensor is independent of the propagation direction. It reads:
[074] Portanto, os autovalores são(degenerados) e correspondendo às polarizações perpendiculares e paralelas à direção de propagação, respectivamente. Assim, Vr é a velocidade de ondas transversais ou de cisalhamento e é a velocidade de ondas longitudinais ou de compressão. Devido à relação em um sólido mole. Se a densidade do material da amostra for conhecida, o valor de -li- pode ser estimado ao medir a velocidade l?." das ondas de cisalhamento e inverter a primeira relação de autovalor escrita acima: Assim, a tarefa mudou para estimar da medição do campo de deslocamento de superfície.[074] Therefore, the eigenvalues are (degenerate) and corresponding to polarizations perpendicular and parallel to the propagation direction, respectively. Thus, Vr is the velocity of transverse or shear waves and is the velocity of longitudinal or compression waves. Due to the relationship into a soft solid. If the density of the sample material is known, the value of -li- can be estimated by measuring the speed l?." of the shear waves and inverting the first eigenvalue relation written above: Thus, the task changed to estimating from the surface displacement field measurement.
[075] Ao inserir a matriz de dureza dada na equação (7) à equação de onda (3), a equação de onda para sólidos isotrópicos é obtida. Ela pode ser escrita na forma vetorial como: [075] By inserting the hardness matrix given in equation (7) into the wave equation (3), the wave equation for isotropic solids is obtained. It can be written in vector form as:
[076] Considerando a divergência na equação acima, concede-se: [076] Considering the divergence in the above equation, it is granted:
[077] Assim, é uma onda não rotativa que se propaga com a velocidade , ou seja, a velocidade da onda comprimível. Considere D sendo uma dimensão característica da amostra sendo testada (por exemplo, seu comprimento ou largura). Se a frequência de excitação da onda for escolhida de modo que e, então o comprimento de onda a onda não rotativa lJ é muito maior que D. Portanto, é aproximadamente constante dentro da amostra e é possível escrever Sob essa condição, a equação de onda (11) se torna: [077] Thus, is a non-rotating wave that propagates with the velocity, that is, the speed of the compressible wave. Consider D to be a characteristic dimension of the sample being tested (e.g., its length or width). If the wave excitation frequency is chosen so that and, then the wavelength of the non-rotating wave lJ is much greater than D. Therefore, is approximately constant within the sample and it is possible to write Under this condition, wave equation (11) becomes:
[078] Isto é, ondas de baixa frequência em sólidos moles se propagam quase como ondas de cisalhamento. Esta última afirmação é real para propagação de onda em volume em um sólido infinito. Se a amostra for limitada por uma superfície livre, ondas de superfície também se propagam.[078] That is, low-frequency waves in soft solids propagate almost like shear waves. This last statement is true for volume wave propagation in an infinite solid. If the sample is bounded by a free surface, surface waves also propagate.
[079] Sem perda da generalidade, considere uma onda de superfície que se propaga ao longo da direção X1. O campo de deslocamento é dado por: [079] Without loss of generality, consider a surface wave that propagates along the X1 direction. The displacement field is given by:
[080] ondeInserindo (14) à equação de onda (3) e utilizando a matriz de dureza para um sólido isotrópico (7), concede-se: [080] where Inserting (14) into the wave equation (3) and using the hardness matrix for an isotropic solid (7), we grant:
[081] ondeé é a velocidade da onda de superfície e os iniciadores sobre as funções indicam a derivada em relação a seu aumento. A solução a esse sistema é dada por: [081] where is is the speed of the surface wave and the starters on the functions indicate the derivative with respect to its increase. The solution to this system is given by:
[082] em que os coeficientes são determinados pelas condições de limite mecânico e [082] in which the coefficients are determined by the mechanical boundary conditions and
[083] Para uma superfície livre, as condições de limite relevante emUtilizando (1) e (7), as condições de limite são lidas: [083] For a free surface, the relevant boundary conditions in Using (1) and (7), the boundary conditions are read:
[084] A fim de evitar a solução trivial, o determinado da matriz de coeficiente deve ser zero. Isso dá origem à equação secular para as ondas de superfície: [084] In order to avoid the trivial solution, the determined coefficient matrix must be zero. This gives rise to the secular equation for surface waves:
[085] Substituindo, nessa equação, os valores de eem termos das velocidades, a equação secular se torna a equação de Rayleigh bem conhecida: [085] Substituting, in this equation, the values of and in terms of velocities, the secular equation becomes the well-known Rayleigh equation:
[086] É conhecido que se, essa equação tem uma raiz real e duas raízes conjugadas complexas. A raiz real corresponde à velocidade de uma onda de superfície propagatória (onda de Rayleigh). As raízes complexas correspondem a uma onda de superfície física denominada como a superfície de fuga com velocidade de propagação. Ao utilizer a relação na equação (23), descobriu-se que: [086] It is known that if , this equation has one real root and two complex conjugate roots. The real root corresponds to the speed of a propagating surface wave (Rayleigh wave). The complex roots correspond to a physical surface wave called the vanishing surface with propagation velocity. When using the relationship in equation (23), it was found that:
[087] Portanto, a velocidade de Rayleigh tem uma relação simples com a velocidade de cisalhamento:.Assim, muitos autores utilizam, como algoritmo de inversão para estimar Í;+T das medições de onda de superfície, a seguinte expressão: [087] Therefore, Rayleigh speed has a simple relationship with shear speed: Therefore, many authors use, as an inversion algorithm to estimate Í;+T from surface wave measurements, the following expression:
[088] Entretanto, essa relação somente retém-se em um meio semi-infinito e no preenchido distante, onde a onda de fuga é insignificante devido à sua velocidade complexa. Amostras reais são, de fato, finitas. Assim, a fim de atender às condições para a equação (25) ser válida, muitos autores empregam propagação de onda de alta frequência. Dessa forma, o comprimento de onda da onda de Rayleigh é muito menor do que a altura a amostra e o meio é considerado semi-infinito. Não obstante, o uso de altas frequências não é desejável por muitos motivos. Primeiramente, devido à onda de superfície somente detectar uma pequena parte de toda a amostra (sua profundidade de penetração é limitada a um comprimento de onda). Além disso, amostras reais são atenuantes. O coeficiente de atenuação cresce como uma energia de frequência. Assim, quanto maior a frequência, menor a distância de propagação da onda. Por fim, para altas frequências, a onda comprimível não é insignificante e a propagação de onda guiada não pode ser evitada.[088] However, this relationship only holds in a semi-infinite medium and in the distant filled, where the escape wave is insignificant due to its complex speed. Real samples are, in fact, finite. Thus, in order to meet the conditions for equation (25) to be valid, many authors employ high-frequency wave propagation. Thus, the wavelength of the Rayleigh wave is much smaller than the height of the sample and the medium is considered semi-infinite. However, the use of high frequencies is not desirable for many reasons. Firstly, because the surface wave only detects a small part of the entire sample (its penetration depth is limited to one wavelength). Furthermore, real samples are mitigating. The attenuation coefficient grows as a frequency energy. Thus, the higher the frequency, the shorter the wave propagation distance. Finally, for high frequencies, the compressible wave is not negligible and guided wave propagation cannot be avoided.
[089] Se o comprimento de onda da onda de cisalhamento for comparável à altura da amostra sendo testada, o algoritmo de inversão utilizado na equação (25) não é mais válido. Nesse caso, muitos autores recorrem ao modelo RayleighLamb de propagação de onda guiada em placas. Uma vez que baixas frequências são empregadas, algoritmos de inversão baseados em modos de ordem zero são utilizados, pois são os únicos modos sem uma frequência limite. Entretanto, os dados são comumente coletados no campo próximo da fonte e por breves períodos. Dentro dessas condições, os modos de Rayleigh-Lamb ainda não são desenvolvidos. Esse fato leva a desvios na estimativa de Portanto, na presente invenção, um algoritmo de inversão diferente é utilizado para recuperar a velocidade da onda de cisalhamento do deslocamento de superfícies.[089] If the wavelength of the shear wave is comparable to the height of the sample being tested, the inversion algorithm used in equation (25) is no longer valid. In this case, many authors resort to the RayleighLamb model of guided wave propagation in plates. Since low frequencies are employed, inversion algorithms based on zero-order modes are used, as they are the only modes without a limiting frequency. However, data are commonly collected in the field close to the source and for brief periods. Under these conditions, Rayleigh-Lamb modes are not yet developed. This fact leads to deviations in the estimation of Therefore, in the present invention, a different inversion algorithm is used to recover the shear wave velocity surface displacement.
[090] Considere uma placa elástica isotrópica de sólido mole homogênea de altura 2h, que é excitada por uma fonte localizada na superfície livre em = 0, conforme exibido na figura 6. A fonte vibra normalmente à superfície livre da placa, ou seja, na direção ^. Se a frequência de vibração for escolhida adequadamente, somente ondas de cisalhamento se propagam ao volume da placa, conforme expresso na equação (13). O diagrama de diretividade H(θ) da onda de cisalhamento para uma fonte agindo normalmente para a superfície livre é dado por: [090] Consider an isotropic elastic homogeneous soft solid plate of height 2h, which is excited by a source located on the free surface at = 0, as shown in figure 6. The source vibrates normally to the free surface of the plate, that is, at direction ^. If the vibration frequency is chosen appropriately, only shear waves propagate to the plate volume, as expressed in equation (13). The directivity diagram H(θ) of the shear wave for a source acting normally to the free surface is given by:
[091] e exibido na figura 5. O ângulo para o valor máximo no lobo é de 34° em relação ao eixo da fonte. A amplitude de deslocamento da onda diminui rapidamente para ângulos abaixo de 34°. Assim, somente ondas que se propagam acima dessa direção produzirão ondas refletidas apreciáveis. Essa onda atinge a superfície oposta eme reflete de volta ao meio com o mesmo ângulo. Atinge a superfície livre em uma distância da fonte dada por: 2,7h. Uma vez que a onda comprimível é insignificante, o campo de deslocamento de superfície em não tem contribuições da superfície oposta. Assim, dentro dessa região, somente ondas de superfície se propagam. Isso inclui a onda de Rayleigh, mas também a onda de superfície de fuga. A onda de superfície de fuga se atenua conforme propaga ao longo da direção vi . Utilizando os valores de K.- da equação (24), foi descoberto que essa velocidade de fase é duas vezes a velocidade da onda de cisalhamento e sua distância de atenuação característica é dada por: [091] and shown in figure 5. The angle for the maximum value in the lobe is 34° in relation to the source axis. The wave displacement amplitude decreases rapidly for angles below 34°. Thus, only waves propagating above this direction will produce appreciable reflected waves. This wave reaches the opposite surface at and reflects back to the middle at the same angle. Reaches the free surface at a distance from the source given by: 2.7h. Since the compressible wave is negligible, the surface displacement field in it has no contributions from the opposite surface. Thus, within this region, only surface waves propagate. This includes the Rayleigh wave, but also the trailing surface wave. The trailing surface wave attenuates as it propagates along the vi direction. Using the values of K.- from equation (24), it was found that this phase velocity is twice the speed of the shear wave and its characteristic attenuation distance is given by:
[092] em queé o comprimento de onda de cisalhamento. Assim, a distância de atenuação da onda de superfície de fuga ao longo da direção -v é comparável ao comprimento de onda de cisalhamento em sólidos moles. Portanto, o algoritmo de inversão expresso na equação (25) é válido somente se . Entretanto, o valor denão é insignificante em baixas frequências. Por exemplo, valores típicos das velocidades envolvidas em tecidos moles são . Portanto, o comprimento de onda de cisalhamento pode variar de 10 a 1 cm para frequências de excitação na variação de 100 - 1000 Hz. Então, a onda de fuga não é insignificante no campo próximo. Portanto, interferência entre a onda de superfície de Rayleigh e de fuga é possível. Esse fato tem consequências sobre a velocidade de fase do campo de superfície, conforme apresentado abaixo.[092] in which is the shear wavelength. Thus, the attenuation distance of the trailing surface wave along the -v direction is comparable to the shear wavelength in soft solids. Therefore, the inversion algorithm expressed in equation (25) is valid only if . However, the value of is not insignificant at low frequencies. For example, typical values of the velocities involved in soft tissue are . Therefore, the shear wavelength can vary from 10 to 1 cm for excitation frequencies in the range of 100 - 1000 Hz. Therefore, the leakage wave is not insignificant in the near field. Therefore, interference between the surface Rayleigh and escape wave is possible. This fact has consequences for the phase velocity of the surface field, as shown below.
[093] Observe que, dependendo da frequência, o valor depode ser maior que . Uma frequência crucial pode ser definida como. O valor de é dado por: [093] Note that, depending on the frequency, the value of may be greater than . A crucial frequency can be defined as . The value of It is given by:
[094] A partir das considerações acima, o componente do deslocamento de superfíciepara frequências abaixo de A pode ser escrito como: [094] From the above considerations, the surface displacement component for frequencies below A it can be written as:
[095] correspondente à soma da onda de superfície de Rayleigh e de fuga, em queé a parte real do número de onda da onda de superfície de fuga. Para baixas frequências, e portanto: [095] corresponding to the sum of the Rayleigh surface and escape waves, where is the real part of the wavenumber of the vanishing surface wave. For low frequencies, and therefore:
[096] ondeé definido como Definindo [096] where is defined as Defining
[097] a fasedessa onda pode ser expressa como: [097] the phase This wave can be expressed as:
[098] Assim, a velocidade de fase V da onda de superfície para uma determinada frequênciaé expressa como: [098] Thus, the phase velocity V of the surface wave for a given frequency is expressed as:
[099] onde os iniciadores sobre a função indica a derivada em relação a X1. Observe que essa expressão concede uma curva de dispersão diferente para cada valor de X1. Assim, essa não é a curva de dispersão para os modos Rayleigh-Lamb.Neste estágio, dois métodos de inversão são previstos para recuperar VT dos valores experimentais de V. - Primeiro método de inversão. Se, para uma determinada posição, uma curva de dispersão experimental para frequências está disponível, então, a equação (32) pode ser ajustada em um sentido de quadrados mínimos para os dados experimentais. O valor de que minimiza a soma de diferenças quadráticas é a melhor estimativa para a velocidade da onda de cisalhamento. Esse foi o método de inversão empregado na figura 7. - Segundo método de inversão. Se, para uma determinada posição um único valor de V estiver disponível, correspondendo a uma única frequência então a equação (32) pode ser utilizada para construir a curva . A abscissa correspondente à intersecção entre os valores experimentais e teóricos concede a estimativa para a velocidade de onda de cisalhamento V.[099] where the starters on the function indicate the derivative with respect to X1. Note that this expression grants a different dispersion curve for each value of X1. Thus, this is not the dispersion curve for Rayleigh-Lamb modes. At this stage, two inversion methods are envisaged to recover VT from the experimental values of V. - First inversion method. If, for a given position , an experimental dispersion curve for frequencies is available, then equation (32) can be fitted in a least squares sense to the experimental data. The value that minimizes the sum of quadratic differences is the best estimate for the shear wave velocity. This was the inversion method used in figure 7. - Second inversion method. If, for a given position a single value of V is available, corresponding to a single frequency then equation (32) can be used to construct the curve . The abscissa corresponding to the intersection between the experimental and theoretical values provides the estimate for the shear wave velocity V.
[0100] Até o momento, os métodos de inversão propostos acima consideram somente o campo de deslocamento de superfície para Se as ondas de cisalhamento refletidas não são insignificantes e devem ser levadas em consideração no método de inversão. Para este fim, os efeitos de uma onda de cisalhamento de colisão na superfície livre devem ser considerados primeiro.[0100] To date, the inversion methods proposed above only consider the surface displacement field to If the reflected shear waves are not insignificant and must be taken into account in the inversion method. To this end, the effects of a colliding shear wave on the free surface must be considered first.
[0101] Considere uma onda de cisalhamento de colisão na superfície livre X3= θ. Essa onda produz uma onda de cisalhamento refletida e, devido à conversão de modo, uma onda comprimível refletida. Seo são a amplitude e ângulo da onda de cisalhamento incidente, a amplitude e ângulo da onda comprimível refletida são dadas por: [0101] Consider a collision shear wave on the free surface X3= θ. This wave produces a reflected shear wave and, due to mode conversion, a reflected compressible wave. If o are the amplitude and angle of the incident shear wave, the amplitude and angle of the reflected compressible wave are given by:
[0102] Uma vez queo ângulo é complexo mesmo se Considere onde onde é real e positivo. Considere, agora, os componentes do vetor de onda da onda comprimível refletida ao longo de : [0102] Since the angle is complex even if Consider where where it is real and positive. Now consider the components of the wave vector of the compressible wave reflected along :
[0103] Assim, qualquer que seja o ângulo incidente, a onda de cisalhamento de colisão produz uma onda comprimível evanescente confinada à superfície livre do sólido mole. Assim, é uma onda de superfície que chamamos de onda SP (figura 6). A velocidade de fase VSP desta onda ao longo da direção X1 pode ser computada como: [0103] Thus, whatever the incident angle, the collision shear wave produces an evanescent compressible wave confined to the free surface of the soft solid. Thus, it is a surface wave that we call an SP wave (figure 6). The VSP phase velocity of this wave along the X1 direction can be computed as:
[0104] Portanto, a velocidade de fase da onda SP varia de quase infinito parapara Após alguma computação, a amplitude da onda SP é dada por: [0104] Therefore, the phase speed of the SP wave varies from almost infinite to for After some computation, the amplitude of the SP wave is given by:
[0105] onde a aproximação é válida se .. Esse é sempre o caso desde que . Assim, devido ao denominador complexo, a onda SP está fora de fase com a onda de cisalhamento refletida. A diferença de fase depende do ângulo incidente da onda de cisalhamento. Esperamos observar a onda SP sempre que a amplitudeda onda de cisalhamento é máxima. De acordo com o padrão de diretividade da onda de cisalhamento, tem um máximo para. Neste ângulo, a velocidade de fase da onda SP é Assim, o campo de deslocamento de superfície na proximidade de -5 é uma sobreposição complicada dos diferentes tipos de onda, cada um com sua própria velocidade de fase. Se , o componente do campo de superfície pode ser expresso como a sobreposição da onda de Rayleigh, a onda de cisalhamento refletida e a onda SP como: [0105] where the approximation is valid if . . This is always the case since . Thus, due to the complex denominator, the SP wave is out of phase with the reflected shear wave. The phase difference depends on the incident angle of the shear wave. We expect to observe the SP wave whenever the amplitude of the shear wave is maximum. According to the shear wave directivity pattern, it has a maximum for . At this angle, the phase velocity of the SP wave is Thus, the surface displacement field in the vicinity of -5 is a complicated superposition of the different wave types, each with its own phase velocity. If , the surface field component can be expressed as the superposition of the Rayleigh wave, the reflected shear wave and the SP wave as:
[0106] ondeé o componente do vetor de onda de cisalhamento ao longo de é o ângulo de fase da onda SP com relação à onda de cisalhamento e é a amplitude da onda de cisalhamento refletida em. Levando em consideração a diretividade e a atenuação geométrica, é dada por: [0106] where is the component of the shear wave vector along is the phase angle of the SP wave with respect to the shear wave and is the amplitude of the shear wave reflected in . Taking into account directivity and geometric attenuation, it is given by:
[0107] Agora, para baixas frequências, a equação (35) pode ser expressa como: [0107] Now, for low frequencies, equation (35) can be expressed as:
[0108] Definindo, a velocidade de fase é expressa como: [0108] Defining , the phase velocity is expressed as:
[0109] Assim, um terceiro método de inversão é possível: Terceiro método de inversão. Se, para uma determinada posição uma curva de dispersão experimental para frequências está disponível, então, a equação (37) pode ser ajustada em um sentido de quadrados mínimos para os dados experimentais. O valor de que minimiza a soma de diferenças quadráticas é a melhor estimativa para a velocidade da onda de cisalhamento. Esse foi o método de inversão empregado na figura 8.[0109] Thus, a third inversion method is possible: Third inversion method. If, for a given position an experimental dispersion curve for frequencies is available, then equation (37) can be fitted in a least squares sense to the experimental data. The value that minimizes the sum of quadratic differences is the best estimate for the shear wave velocity. This was the inversion method used in figure 8.
[0110] Uma terceira possibilidade referente à posição (1 em que o deslocamento de superfície é medido deve ser considerada. Sepoucas reflexões para trás e frente nas interfaces da amostra ocorrem. Assim, nesta zona, os modos de Rayleigh-Lamb desenvolveram-se. Devido ao tipo de fonte e polarização utilizados nesta invenção, favorece os modos antissimétricos. Além disso, uma vez que são empregadas baixas frequências, somente o modo de ordem zero se propagam. Assim, outros dois métodos de inversão são possíveis, no mesmo espírito dos métodos no 1 e no 2: - Quarto método de inversão. Se, para uma determinada posição uma curva de dispersão experimental disponível, então o modo Rayleigh-Lamb antissimétrico de ordem zero pode ser ajustado em um sentido de quadrados mínimos aos dados experimentais. O valor de que minimiza a soma de diferenças quadráticas é a melhor estimativa para a velocidade da onda de cisalhamento. Esse foi o método de inversão empregado na figura 9. - Quinto método de inversão. Se, para uma determinada posição um único valor de V está disponível, correspondendo a uma única frequência , então o modo Rayleigh-Lamb assimétrico de ordem zero pode ser utilizado para construir a curva A ab scissa correspondente à intersecção entre os valores experimental e teóricos concede a estimativa para a velocidade da onda de cisalhamento .[0110] A third possibility regarding the position (1 at which the surface displacement is measured should be considered. If few back and forth reflections at the sample interfaces occur. Thus, in this zone, Rayleigh-Lamb modes developed. Due to the type of source and polarization used in this invention, it favors antisymmetric modes. Furthermore, since low frequencies are employed, only the zero-order mode propagates. Thus, two other inversion methods are possible, in the same spirit as methods 1 and 2: - Fourth inversion method. If, for a given position an experimental dispersion curve available, then the zero-order antisymmetric Rayleigh-Lamb mode can be fitted in a least-squares sense to the experimental data. The value that minimizes the sum of quadratic differences is the best estimate for the shear wave velocity. This was the inversion method used in figure 9. - Fifth inversion method. If, for a given position a single value of V is available, corresponding to a single frequency , then the zero-order asymmetric Rayleigh-Lamb mode can be used to construct the curve The abs scissa corresponding to the intersection between the experimental and theoretical values provides the estimate for the shear wave speed.
[0111] Como uma observação final para sólidos isotrópicos, aqui, observamos que, devido à interferência dos tipos de diferentes, a amplitude do deslocamento de superfície é uma função complicada da posição x e frequência a. Assim, uma estimativa do coeficiente de atenuação ao ajustar a amplitude do campo de deslocamento ao declive exponencial comum não faz sentido, pelo menos no campo próximo. Se as medições de campo distante estiverem disponíveis, então, a amplitude deve ser corrigida por difração antes de tentar estimar o coeficiente de atenuação.[0111] As a final observation for isotropic solids, here, we note that due to the interference of different types, the amplitude of the surface displacement is a complicated function of position x and frequency a. Thus, an estimate of the attenuation coefficient by fitting the amplitude of the displacement field to the common exponential slope is meaningless, at least in the near field. If far-field measurements are available, then the amplitude must be diffraction corrected before attempting to estimate the attenuation coefficient.
[0112] Possíveis aplicações da presente invenção incluem estimativa das propriedades elásticas de músculos esqueléticos semitendíneos, por exemplo, amostras de carne ou aplicação in vivo a músculos humanos externos, como bíceps, tríceps, quadríceps etc. Devido à orientação paralela de fibra deste tipo de músculos, podem ser modelados como materiais transversalmente isotrópicos. Além disso, alguns polímeros de cadeia longa com cadeias alinhadas a uma direção preferida também são modelados como modelos transversalmente isotrópicos.[0112] Possible applications of the present invention include estimation of the elastic properties of semitendinosus skeletal muscles, for example, meat samples or in vivo application to external human muscles, such as biceps, triceps, quadriceps, etc. Due to the parallel fiber orientation of this type of muscles, they can be modeled as transversely isotropic materials. Furthermore, some long-chain polymers with chains aligned to a preferred direction are also modeled as transversely isotropic models.
[0113] A matriz de dureza tem cinco módulos elásticos independentes para esse tipo de materiais. Considere À- o eixo de simetria, ou seja, o eixo de orientação das fibras musculares ou cadeias de molécula longas. Assim, os eixos X2 e X3 são perpendiculares às fibras conforme apresentado na figura 4. Para essa escolha de orientação de eixos, a matriz de dureza se lê: [0113] The hardness matrix has five independent elastic moduli for this type of materials. Consider À- the axis of symmetry, that is, the axis of orientation of muscle fibers or long molecule chains. Thus, the X2 and X3 axes are perpendicular to the fibers as shown in figure 4. For this choice of axis orientation, the hardness matrix reads:
[0114] As constantessão relacionadas à propagação de onda comprimível ao longo e perpendicular ao eixo de simetria respectivamente: e . Em muitos sólidos isotrópicos transversalmente não comprimíveis (como musculoesquelético, por exemplo), estes dois valores de velocidades de onda comprimível são quase iguais entre si. Assim, , ou seja, o sólido é isotrópico referente às ondas de compressão. A constante Li-i é relacionada a uma onda de cisalhamento que se propaga perpendicular ao eixo de simetria com polarização perpendicular A constante é relacionada a uma onda de cisalhamento que se propaga paralela ao eixo de simetria com a polarização perpendicular Como no caso de sólido isotrópico sempre que a polarização. Assim,Por fim, a constante é relacionada à propagação de onda (comprimível ou ondas de cisalhamento) nas direções fora dos eixos principais.[0114] The constants are related to compressible wave propagation along and perpendicular to the symmetry axis respectively: It is . In many non-compressible transversely isotropic solids (such as musculoskeletal, for example), these two values of compressible wave velocities are almost equal to each other. Like this, , that is, the solid is isotropic with respect to compression waves. The constant Li-i is related to a shear wave that propagates perpendicular to the axis of symmetry with perpendicular polarization The constant is related to a shear wave that propagates parallel to the axis of symmetry with polarization perpendicular As in the case of isotropic solid whenever polarization. Like this, Finally, the constant is related to wave propagation (compressible or shear waves) in directions outside the main axes.
[0115] Agora, considere um sólido mole anisotrópico em quequalquer que seja a direção de propagação das ondas. A equação de onda para esse caso não pode ser escrita de maneira simples como para o caso isotrópico. Entretanto, ainda é válido que a contribuição das ondas comprimíveis seja insignificante em baixas frequências. Assim, ondas de baixa frequência se propagam quase como ondas de cisalhamento. O objetivo da presente invenção, quando aplicado a sólidos transversalmente isotrópicos, é estimar t-n.^ ou ambos eles.[0115] Now, consider an anisotropic soft solid in which whatever the direction of propagation of the waves. The wave equation for this case cannot be written in a simple way as for the isotropic case. However, it is still valid that the contribution of compressible waves is negligible at low frequencies. Thus, low-frequency waves propagate almost like shear waves. The object of the present invention, when applied to transversely isotropic solids, is to estimate tn.^ or both of them.
[0116] Se a propagação de onda ocorrer em um plano perpendicular ao eixo de simetria (plano na figura 4), a velocidade da onda de cisalhamento é e é independente da direção de propagação dentro desse plano. Utilizando as relações mencionadas acima entre as constantes elásticas para o caso de sólido mole, ou seja, , a equação de onda de Rayleigh tem exatamente a mesma forma que no caso isotrópico com Portanto, se a fonte não excitar o componente ui do campo, o método de inversão para estimar procede exatamente como para o sólido mole isotrópico. Para alcançar essa condição, a invenção é equipada com uma fonte de linha (item (1), figura 3). A extensão da fonte de linha é muito maior que o comprimento de onda de cisalhamento, a fonte de linha é “infinita”). Se a fonte for alinhada paralela à direção *1, excita os componentes u2 e u3 do campo, mas não o componente .[0116] If wave propagation occurs in a plane perpendicular to the axis of symmetry (plane in figure 4), the speed of the shear wave is and is independent of the propagation direction within that plane. Using the relationships mentioned above between the elastic constants for the case of a soft solid, that is, , the Rayleigh wave equation has exactly the same form as in the isotropic case with Therefore, if the source does not excite the ui component of the field, the inversion method for estimation proceeds exactly as for the isotropic soft solid. To achieve this condition, the invention is equipped with a line source (item (1), figure 3). The length of the line source is much greater than the shear wavelength, the line source is “infinite”). If the source is aligned parallel to the *1 direction, it excites the u2 and u3 components of the field, but not the .
[0117] Para estimar , considere a fonte de linha orientada paralela ao eixo X2. Para esse caso, a propagação de onda ocorre em um plano que inclui o eixo de simetria (planona figura 4). A equação secular para a onda de Rayleigh sob essa condição é dada por: [0117] To estimate, consider the line source oriented parallel to the X2 axis. In this case, wave propagation occurs in a plane that includes the axis of symmetry (plane in figure 4). The secular equation for the Rayleigh wave under this condition is given by:
[0118] em que Uma vez que o meio é considerado isotrópico para ondas comprimíveis, a constante r.i2 não é mais uma constante independente. É relacionada a outras constantes por: [0118] where Since the medium is considered isotropic for compressible waves, the constant r.i2 is no longer an independent constant. It is related to other constants by:
[0119] Uma vez que a equação secular (39) é expressa como: [0119] Since the secular equation (39) is expressed as:
[0120] Como para o caso isotrópico, essa equação tem uma raiz real (correspondente à onda de Rayleigh) e duas raízes conjugadas complexas correspondentes à onda de superfície de fuga: [0120] As for the isotropic case, this equation has a real root (corresponding to the Rayleigh wave) and two complex conjugate roots corresponding to the vanishing surface wave:
[0121] Observe que a distância de atenuação para a onda de fugaé maior que para o caso isotrópico, Outra diferença em relação ao sólido isotrópico se refere ao padrão de diretividade da onda de cisalhamento. Não há expressão simples para o padrão de diretividade no plano Entretanto, alguns autores computaram isso numericamente. É presentado que o lobo principal é orientado a 60° da fonte. Portanto, o valor de é, agora, dado por. Assim, o valor da frequência crucial na qual é dado por, que é menor que o caso isotrópico. Portanto, se e o método de inversão para obter í'55 procede conforme dado pela equação (32) para o sólido isotrópico, mas alterando os valores de e pelos dados na equação (41).[0121] Note that the attenuation distance for the leakage wave is greater than for the isotropic case , Another difference in relation to the isotropic solid refers to the directivity pattern of the shear wave. There is no simple expression for the pattern of directivity in the plane However, some authors have computed this numerically. It is shown that the main lobe is oriented at 60° to the source. Therefore, the value of is now given by . Thus, the value of the crucial frequency at which It is given by , which is smaller than the isotropic case. Therefore, if It is the inversion method to obtain í'55 proceeds as given by equation (32) for the isotropic solid, but changing the values of and by those given in equation (41).
[0122] Os procedimentos de inversão para são complicados, uma vez que não estão disponíveis expressões analíticas para a diretividade das ondas de cisalhamento. Além disso, os modos de Rayleigh-Lamb no plano são difíceis de computar até numericamente. Portanto, a presente invenção não inclui métodos de inversão para estes casos.[0122] The inversion procedures for are complicated, since analytical expressions for the directivity of shear waves are not available. Furthermore, in-plane Rayleigh-Lamb modes are difficult to compute even numerically. Therefore, the present invention does not include inversion methods for these cases.
[0123] A ausência de algoritmo de inversão paranão não proíbe a estimativa de L’-, em aplicações comuns da invenção. Considere, por exemplo, músculos esqueléticos, como bíceps braquial. O valor médio de sua altura em adultos é 2h = 28 + 7 mm. Assim,. A altura média para outros músculos esqueléticos, como vasto lateral ou vasto medial, é ainda maior que 28 mm. Portanto, se os dados forem coletados nas posições o valor de pode ser estimado pelos métodos de inversão propostos na presente invenção.[0123] The absence of an inversion algorithm for does not prohibit the estimation of L'-, in common applications of the invention. Consider, for example, skeletal muscles such as biceps brachii. The average value of its height in adults is 2h = 28 + 7 mm. Like this, . The average height for other skeletal muscles, such as vastus lateralis or vastus medialis, is even greater than 28 mm. Therefore, if data is collected at positions the value of can be estimated by the inversion methods proposed in the present invention.
[0124] A elasticidade de tecidos moles depende da temperatura. A fim de comparar a elasticidade de diferentes amostras de carne bovina, é importante que sejam todas coletadas na mesma temperatura. Entretanto, esse nem sempre é o caso. A temperatura em abatedouros pode variar dentro de uma variação entre 3 e 10 °C. Neste exemplo, a dependência de temperatura de em amostras de carne bovina é apresentada nas figuras 11A -11B. Uma redução de consistência na elasticidade com elevação da temperatura nas amostras testadas.[0124] The elasticity of soft tissues depends on temperature. In order to compare the elasticity of different beef samples, it is important that they are all collected at the same temperature. However, this is not always the case. The temperature in slaughterhouses can vary within a range between 3 and 10 °C. In this example, the temperature dependence of beef samples is shown in Figures 11A-11B. A consistent reduction in elasticity with increasing temperature in the tested samples.
[0125] A maturação por envelhecimento é um processo fundamental na indústria de carnes. É mediada pela ação de muitos sistemas enzimáticos. Após rigor mortis, estes sistemas enzimáticos produzem um amolecimento progressivo da carne bovina, permitindo atingir a maciez desejada, requerida pelos consumidores. Há uma ausência de método de monitoramento não destrutivo da maturação enzimática. Neste exemplo, o processo de maturação de 5 cortes diferentes, consistindo em 5 amostras de cada, é monitorado com a presente invenção. As amostras foram mantidas vedadas a vácuo dentro de uma sala fria entre 0 e 4 °C durante 21 dias. Todas as amostras foram medidas uma vez ao dia. As Figuras 12A a 12E apresentam a elasticidade normalizada em relação ao primeiro dia para cada corte. As barras de erro representam um desvio padrão das 5 amostras para cada corte. Após oscilações iniciais, uma redução na elasticidade é observada para todas as amostras. Grosseiramente, um valor assintótico é alcançado aproximadamente 14 dias de maturação para todas as amostras.[0125] Aging maturation is a fundamental process in the meat industry. It is mediated by the action of many enzyme systems. After rigor mortis, these enzymatic systems produce a progressive softening of the beef, allowing it to achieve the desired tenderness required by consumers. There is a lack of a non-destructive monitoring method for enzyme maturation. In this example, the maturation process of 5 different cuts, consisting of 5 samples of each, is monitored with the present invention. The samples were kept vacuum sealed inside a cold room between 0 and 4 °C for 21 days. All samples were measured once a day. Figures 12A to 12E show the normalized elasticity in relation to the first day for each cut. Error bars represent one standard deviation of the 5 samples for each slice. After initial oscillations, a reduction in elasticity is observed for all samples. Roughly, an asymptotic value is reached approximately 14 days of maturation for all samples.
[0126] O teste WBSF é um método destrutivo. Mede a força que uma faca em forma de V invertido afiada precisa cortar a amostra de carne bovina, enquanto se movimenta em velocidade constante. É o teste padrão na indústria de carnes para quantificar a maciez. Neste exemplo, os resultados dos testes WBSF em duas amostras de carne bovina diferentes são apresentados (figura 13A). Os resultados da presente invenção aplicados à mesma amostra são apresentados na figura 13 B. A Figura 13C apresenta a proporção entre os módulos elásticos das duas amostras. Essa proporção está de acordo com a proporção esperada dos testes WBSF (figura 13 A).[0126] WBSF testing is a destructive method. It measures the force that a sharp inverted V-shaped knife needs to cut through the beef sample while moving at a constant speed. It is the standard test in the meat industry to quantify tenderness. In this example, the results of WBSF tests on two different beef samples are presented (Figure 13A). The results of the present invention applied to the same sample are shown in figure 13 B. Figure 13C shows the proportion between the elastic moduli of the two samples. This proportion is in line with the expected proportion from WBSF tests (Figure 13 A).
[0127] A maciez das amostras de carne bovina representa uma variável que define, em uma alta porcentagem, seu valor comercial. O procedimento padrão para avaliar a maciez é o teste WBSF. No exemplo anterior, foi apresentado que o teste de força de cisalhamento e a elasticidade são correlacionados. Assim, a presente invenção pode ser empregada para diferenciar amostras de carne bovina, de acordo com sua maciez. A Figura 14 apresenta o valor de elasticidade de diferentes cortes de carne bovina e sua classificação de acordo com 4 graus de maciez: resistente, meio resistente, macio e extremamente macio.[0127] The tenderness of beef samples represents a variable that defines, in a high percentage, their commercial value. The standard procedure for evaluating softness is the WBSF test. In the previous example, it was shown that the shear force test and elasticity are correlated. Thus, the present invention can be used to differentiate beef samples according to their tenderness. Figure 14 shows the elasticity value of different cuts of beef and their classification according to 4 degrees of tenderness: resistant, medium resistant, tender and extremely tender.
[0128] A estimativa das propriedades elásticas de músculo esquelético em condições dinâmicas é importante em ciência desportiva para avaliar o estado de saúde dos músculos. Assim, a presente invenção seria benéfica nessa área e em relacionadas. Nesse exemplo, a presente invenção é utilizada para monitorar alterações em em bíceps braquial de três voluntários hígidos durante contração isométrica. Os voluntários foram solicitados a contraírem o músculo a 40% de sua contração voluntária máxima (MVC, medida previamente com um dinamômetro isocinético) em 20 segundos. Então, mantém-se essa contração por outros 5 segundos e, por fim, reduz a contração a 0% em 20 segundos. As Figuras 15A-15C apresentam os resultados obtidos para cada voluntário, em que pode ser observado que a presente invenção é capaz de acompanhar alterações de elasticidade em situações dinâmicas.[0128] Estimating the elastic properties of skeletal muscle in dynamic conditions is important in sports science to assess the health status of muscles. Thus, the present invention would be beneficial in this and related areas. In this example, the present invention is used to monitor changes in the biceps brachii of three healthy volunteers during isometric contraction. Volunteers were asked to contract the muscle to 40% of their maximum voluntary contraction (MVC, previously measured with an isokinetic dynamometer) in 20 seconds. Then, this contraction is maintained for another 5 seconds and, finally, the contraction is reduced to 0% in 20 seconds. Figures 15A-15C show the results obtained for each volunteer, in which it can be seen that the present invention is capable of monitoring changes in elasticity in dynamic situations.
[0129] Nesta seção, apresentamos resultados experimentais para a aplicação da presente invenção em simuladores à base de gelatina e ágar-ágar (sólido isotrópico). Esses tipos de simuladores são amplamente utilizados para simular as propriedades mecânicas de tecidos moles. Foram feitos com uma mistura de ágar-ágar (1% p/p) e gelatina (3% p/p) em água quente (> 80 °C). Álcool e antibióticos também foram adicionados para fins de conservação. Assim, elaboramos uma amostra com forma de paralelepípedo de altura 2h = 20 mm, extensão e largura 100 e 120, respectivamente. As FIGURAS 7, 8 e 9 apresentam a curva de dispersão para a velocidade de fase da onda de superfície, obtida para as configuraçõesrespectivamente. Cada ponto destas curvas foi obtido ao se excitar o acionador de superfície com 6 ciclos de sinusoide na frequência correspondente. Então a velocidade de fase para cada canal de recepção foi computada. Dessa forma ao ajustar os dados experimentais às curvas teóricas providas pelo método de inversão adequado, de acordo com a configuração, os valores correspondentes de foram obtidos.[0129] In this section, we present experimental results for the application of the present invention in simulants based on gelatin and agar-agar (isotropic solid). These types of simulators are widely used to simulate the mechanical properties of soft tissues. They were made with a mixture of agar-agar (1% w/w) and gelatin (3% w/w) in hot water (> 80 °C). Alcohol and antibiotics were also added for preservation purposes. Thus, we created a parallelepiped-shaped sample with height 2h = 20 mm, extension and width 100 and 120, respectively. FIGURES 7, 8 and 9 present the dispersion curve for the surface wave phase velocity, obtained for the configurations respectively. Each point on these curves was obtained by exciting the surface actuator with 6 sinusoid cycles at the corresponding frequency. Then the phase velocity for each receive channel was computed. Thus, by adjusting the experimental data to the theoretical curves provided by the appropriate inversion method, according to the configuration, the corresponding values of were obtained.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201762579262P | 2017-10-31 | 2017-10-31 | |
US62/579,262 | 2017-10-31 | ||
PCT/BR2018/050395 WO2019084646A1 (en) | 2017-10-31 | 2018-10-30 | Device and method for determining the elasticity of soft-solids |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BR112019027296A2 BR112019027296A2 (en) | 2020-07-21 |
BR112019027296B1 true BR112019027296B1 (en) | 2023-09-05 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sandrin et al. | Shear elasticity probe for soft tissues with 1-D transient elastography | |
Menikou et al. | Acoustic and thermal characterization of agar based phantoms used for evaluating focused ultrasound exposures | |
Doyley et al. | Elastography: general principles and clincial applications | |
Chen et al. | Shearwave dispersion ultrasound vibrometry (SDUV) for measuring tissue elasticity and viscosity | |
Catheline et al. | Measurement of viscoelastic properties of homogeneous soft solid using transient elastography: An inverse problem approach | |
Royston et al. | Excitation and propagation of surface waves on a viscoelastic half-space with application to medical diagnosis | |
WO2017107660A1 (en) | Method and apparatus for measuring viscoelastic parameter of viscoelastic medium | |
Orescanin et al. | Shear modulus estimation with vibrating needle stimulation | |
BR112017023279B1 (en) | ELASTICITY DETECTION METHOD AND DEVICE | |
KR20100050469A (en) | Method for rheological characterization of a viscoelastic medium | |
Urban et al. | Generalized response of a sphere embedded in a viscoelastic medium excited by an ultrasonic radiation force | |
Nenadic et al. | Application of attenuation measuring ultrasound shearwave elastography in 8 post-transplant liver patients | |
AU2018359026B2 (en) | Device and method for determining the elasticity of soft-solids | |
JP2008136880A (en) | Ultrasonic diagnostic system, strain distribution display method, and elastic modulus display method | |
Yamamoto et al. | Shear wave velocity measurement of upper trapezius muscle by color Doppler shear wave imaging | |
Girnyk et al. | The estimation of elasticity and viscosity of soft tissues in vitro using the data of remote acoustic palpation | |
Carrascal et al. | Acoustic radiation force-induced creep–recovery (ARFICR): A noninvasive method to characterize tissue viscoelasticity | |
Bauer-Marschallinger et al. | Broadband high-frequency measurement of ultrasonic attenuation of tissues and liquids | |
Sugino et al. | Experimental and computational investigation of guided waves in a human skull | |
Brewin et al. | Characterisation of elastic and acoustic properties of an agar-based tissue mimicking material | |
Knight et al. | Parametric Analysis of SV Mode Shear Waves in Transversely Isotropic Materials Using Ultrasonic Rotational 3-D SWEI | |
Baldwin et al. | Estimating myocardial attenuation from M-mode ultrasonic backscatter | |
BR112019027296B1 (en) | DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE ELASTICITY OF SOFT SOLIDS | |
JP2024530779A (en) | Methods, systems, and computer program products for tissue analysis using ultrasonic backscattered coherence | |
Wang et al. | Wave propagation in viscoelastic materials |