ES2267184T3 - Sistema de seguimiento en 3d basado en ultrasonido usando un procesador de señales digitales. - Google Patents

Sistema de seguimiento en 3d basado en ultrasonido usando un procesador de señales digitales. Download PDF

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ES2267184T3 ES98918222T ES98918222T ES2267184T3 ES 2267184 T3 ES2267184 T3 ES 2267184T3 ES 98918222 T ES98918222 T ES 98918222T ES 98918222 T ES98918222 T ES 98918222T ES 2267184 T3 ES2267184 T3 ES 2267184T3
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Abstract

Esta invención es un sistema (50) para determinar un retardo de una señal (56) que se propaga a través de un medio. El retardo se utiliza para determinar la distancia entre transductores (52, 54) dispuestos dentro una estructura. Se programas uno o más Procesadores de Señal Digitales (DSP) (70) para reconocer varios modelos de formas de onda emparejando una forma de onda recibida con un modelo de forma de onda

Description

Sistema de seguimiento en 3D basado en ultrasonido usando un procesador de señales digitales.
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a un sistema de seguimiento en 3D basado en ultrasonido, y más en particular a un sistema de seguimiento en 3D basado en ultrasonido usando un procesador de señales digitales para determinar el tiempo de desplazamiento de ondas de sonido ultrasónicas para aislar las posiciones relativas de los objetos.
Antecedentes de la invención
Usando el principio de tiempo de vuelo de ondas de sonido de alta frecuencia, es posible medir con precisión distancias en un medio acuático, por ejemplo dentro del cuerpo de un ser vivo durante una operación quirúrgica. El sonido de alta frecuencia, o ultrasonido, se define como la energía vibracional cuya frecuencia varía de 100 kHz a 10 MHz. El dispositivo empleado para obtener mediciones en tres dimensiones usando ondas de sonido se conoce como sonomicrómetro. Normalmente, un sonomicrómetro consiste en un par de transductores piezoeléctricos (es decir, un transductor actúa como transmisor mientras que el otro transductor actúa como receptor). Los transductores se implantan en un medio, y se conectan a un circuito electrónico. Para medir la distancia entre los transductores, el transmisor recibe energía eléctrica para producir un ultrasonido. La onda de sonido resultante se propaga entonces a través del medio hasta que se detecta por el receptor.
El transmisor normalmente adopta la forma de un cristal piezoeléctrico que recibe energía mediante una punta de alta tensión, o función de impulsos que duran menos de un microsegundo. Esto hace que el cristal piezoeléctrico oscile a su frecuencia de resonancia característica propia. La envolvente de la señal del transmisor se desvanece rápidamente con el tiempo, produciendo habitualmente una serie de seis o más ciclos que se propagan alejándose del transmisor a través del medio acuoso. La energía del sonido también se atenúa con cada zona de contacto que
encuentra.
El receptor también adopta normalmente la forma de un cristal piezoeléctrico (con similares características que el cristal piezoeléctrico del transmisor), que detecta la energía del sonido producido por el transmisor y empieza a vibrar en respuesta al mismo. Esta vibración produce una señal electrónica en el orden de los milivoltios, que puede amplificarse mediante un circuito receptor apropiado.
La velocidad de propagación del ultrasonido en un medio acuoso está muy documentada. La distancia recorrida por un impulso de ultrasonido puede por tanto medirse sencillamente registrando el retardo de tiempo entre el instante en que se transmite el sonido y en el que se recibe.
En la técnica anterior, se han empleado contadores y circuitos de detección de umbral para determinar el tiempo de desplazamiento de las formas de onda transmitidas entre los transductores. Se asocia un contador a cada transductor y las formas de onda se usan como activación del contador. El circuito de detección de umbral detiene el contador cuando una tensión creciente sobrepasa el nivel de ruido. El uso de contadores y circuitos de detección de umbral para determinar el tiempo de desplazamiento limita la precisión de la frecuencia del contador y requiere un importante número de componentes.
La presente invención proporciona un sistema único y ventajoso que usa un procesador de señales digitales (PSD) para determinar un tiempo de retardo de propagación con el fin de hacer un seguimiento de la posición de un dispositivo que se mueve por un medio.
Sumario de la invención
Según la presente invención se proporciona un procesador de señales digitales (PSD) para cotejar una forma de onda recibida con una forma de onda de una plantilla y determinar un tiempo de desplazamiento de la forma de onda.
Una ventaja de la presente invención es que proporciona un procesador de señales digitales (PSD) que elimina la necesidad de contadores y circuitos de activación de forma de onda asociados.
Otra ventaja de la presente invención es que proporciona un PSD que puede obtener muestras de señales análogas y digitalizarlas a gran velocidad.
Otra ventaja de la presente invención es que proporciona un PSD programado para reconocer varios patrones de formas de onda.
Otras ventajas adicionales de la invención serán evidentes para los expertos en la técnica tras la lectura y la comprensión de la siguiente descripción detallada, los dibujos que la acompañan y las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La invención puede adoptar forma física en determinadas piezas y disposiciones de piezas, de las que se describirá detalladamente en esta memoria una realización preferida y un método, y se ilustrará en los dibujos adjuntos que forman parte de la misma, y en los que:
La figura 1 es un diagrama de una forma de onda de plantilla;
la figura 2 es un diagrama de una forma de onda de señal de salida;
la figura 3 es un diagrama de una forma de onda de señal de salida sobrepuesta a la forma de onda de la plantilla;
la figura 4 es un diagrama de temporización para una primera realización de la presente invención;
la figura 5 es un diagrama de temporización para una segunda realización de la presente invención; y
la figura 6 es un diagrama de bloques de un sistema según la presente invención.
Descripción detallada de la realización preferida
En referencia ahora a los dibujos, en los que las imágenes sólo tienen el propósito de ilustrar una realización preferida de la invención y no de limitarla, la figura 1 muestra una forma de onda de plantilla 20 que tiene un punto inicial 22 y un punto de pico máximo 24. La forma de onda de plantilla 20 es característica de una señal electrónica típica generada por un cristal transductor piezoeléctrico al activarse en respuesta a una onda de sonido. Tal como se indicó anteriormente, un transductor piezoeléctrico vibrará en respuesta a la recepción de una onda de sonido. La vibración a su vez producirá una señal electrónica (es decir, "forma de onda de señal de salida"). La figura 2 muestra una forma de onda de señal de salida 40 característica generada por un cristal transductor piezoeléctrico real, al activarse por una onda de sonido ultrasónica. La forma de onda de señal de salida 40 tiene un punto inicial 42 y un punto de pico máximo 44. Un procesador de señales digitales (PSD) se programa para comparar la forma de onda de señal de salida 40 con la forma de onda de plantilla 20 almacenada en la memoria.
Cuando una forma de onda de señal de salida 40 se recibe en el PSD, se digitaliza de manera apropiada a una gran velocidad de muestreo. Una velocidad de muestreo mayor proporciona una representación digital de la onda mucho más precisa, y minimiza la posibilidad de una pérdida de transitorios de corta duración. A continuación se realiza una convolución de la forma de onda de señal de salida 40 (en formato digital) con la forma de onda de plantilla 20. El proceso de convolución o autocorrelación producirá un máximo en un punto en el que estas dos señales tienen la mejor coincidencia, tal como se observa en la figura 3. Debería apreciarse que una función de autocorrelación proporciona una medida de la similitud entre versiones retardadas y no retardadas de una señal, expresada como función de retardo.
Haciendo coincidir un punto (por ejemplo el punto de pico máximo 44) sobre la forma de onda de señal de salida 40 con el punto correspondiente (por ejemplo el punto de pico máximo 24) sobre una forma de onda de plantilla 20, puede determinarse el punto inicial 42 de la forma de onda de señal de salida 40. A este respecto, el punto inicial 42 se hace coincidir con el punto inicial 22. Haciendo coincidir el punto inicial 42 de la forma de onda de señal de salida 40 con el punto inicial 22 de la forma de onda de plantilla 20, puede determinarse el retardo de tiempo (t_{retardo}) entre la aplicación de energía (es decir, la "activación") de un transductor transmisor y la generación de la forma de onda de señal de salida 40 por el transductor receptor. En consecuencia puede calcularse la distancia entre un par de transductores.
En la realización ilustrada por el diagrama de temporización mostrado en la figura 4, el PSD empieza a tomar muestras de los datos y a digitalizarlos en el momento en que se "activa" (t_{activ.}) el transductor transmisor. Debería observarse que la "activación" se refiere a la aplicación de energía en el transductor mediante una punta de tensión o una función de impulso, provocando que el cristal piezoeléctrico oscile a su propia frecuencia de resonancia característica. El PSD tomará muestras y digitalizará el ruido (del transductor receptor) hasta que la forma de onda de señal de salida 40 se reciba en t_{0}. Cada elemento de los datos digitalizados se almacena en una ubicación individual de la memoria en una matriz de memoria. En consecuencia, si los datos entrantes se han muestreado a una velocidad de 1 MHz, entonces los datos digitalizados se almacenarán cada 1 microsegundo (periodo de muestreo). Por lo tanto, cada ubicación de memoria consecutiva en la matriz representa 1 microsegundo de tiempo transcurrido. Se deduce por tanto que el producto de: (1) la posición en la matriz de memoria que corresponde a t_{0} y (2) el periodo de muestreo (t_{muestreo}), proporcionará una medida del tiempo de retardo (t_{retardo}). Tal como se indicó anteriormente, la posición de t_{0} en la matriz de memoria se determina mediante convolución de la forma de onda de señal de salida 40 con la forma de onda de plantilla 20. Una vez determinado el tiempo de retardo (t_{retardo}), puede calcularse la distancia entre un par de transductores determinados.
Tal como puede observarse en la figura 4, el tiempo de retardo (t_{retardo}) se representa mediante la distancia entre el punto inicial 42 y el punto inicial 22. Asimismo, el tiempo de retardo (t_{retardo}) se representa también mediante la distancia entre la posición de pico máximo 44 y la posición de pico máximo
24.
Debería observarse que, en la mayoría de los casos, se requeriría un PSD para cada transductor receptor en esta realización, a menos que todos los canales de recepción estén multiplexados conjuntamente y pasados a uno o más PSD. El procedimiento anterior sustituye la necesidad de contadores (que actúan como temporizadores) y circuitos de detección de umbral para activar los contadores.
Una realización alternativa de la presente invención se describirá ahora en referencia a la figura 5. En esta realización, el PSD esperará un periodo de tiempo (t_{espera}) predeterminado antes de empezar a tomar muestras y digitalizar la señal entrante. El valor de t_{espera} se determina de tal manera que el PSD empiece a tomar muestras y a digitalizar la señal entrante justo antes del momento en que se espera que el PSD reciba la forma de onda de señal de salida 40. Se usa un contador (que actúa como temporizador) para determinar el valor de t_{espera}. El contador se inicia en el momento en que el transductor transmisor es "activado". Cuando pasa un periodo de tiempo predeterminado, el contador se detiene. El valor del contador es indicativo del valor de t_{espera}. Al igual que en el caso de la primera realización descrita anteriormente, el PSD tomará muestras y digitalizará el ruido hasta que se reciba la forma de onda de señal de salida 40. El periodo de tiempo durante el que se muestrea y se digitaliza el ruido se designa como t_{ruido}. Tal como puede observarse en la figura 5, la suma de t_{espera} y t_{ruido} es igual a t_{retardo}. El valor de t_{ruido} se determina de la misma manera que el valor de t_{retardo} en la primera realización descrita anteriormente. El valor de t_{rudio} se suma al valor de t_{espera} para calcular t_{retardo}. Debería apreciarse que t_{espera} puede ajustarse si es necesario para evitar perder parte de la forma de onda de señal de salida 40, o para evitar digitalizar demasiado ruido antes de recibir la forma de onda de señal de salida 40.
Debería observarse que, aunque que la primera realización elimina la necesidad de un circuito de detección de umbral (que detiene un dispositivo temporizador cuando la tensión creciente sobrepasa un umbral por encima del nivel de ruido) y un dispositivo temporizador (tal como un contador), también exige mucho del PSD y requiere suficiente memoria para almacenar grandes cantidades de datos de muestreo digitalizados. Por el contrario, la segunda realización sólo elimina la necesidad de un circuito de detección de umbral. Sin embargo, la exigencia del PSD es menor, y se necesita menos memoria ya que se registran menos puntos de datos.
Dirigiéndonos ahora a la figura 6, se muestra un diagrama de bloques de un sistema 50 según la presente invención. El sistema 50 está compuesto en general por un transductor transmisor 52, un transductor receptor 54 y un sistema de seguimiento en 3D 60. El sistema de seguimiento en 3D 60 incluye un procesador de señales digitales (PSD) 70, una memoria 72 y un contador 74 (en el caso de la segunda realización descrita anteriormente). La memoria 72 almacena la forma de onda de plantilla 20 así como las muestras digitalizadas de la forma de onda de señal de salida 40. Debería apreciarse que el sistema de seguimiento en 3D 60 incluye componentes adicionales que se describen detalladamente en la patente estadounidense nº 5.515.853 y en la solicitud PCT
nº WO96/31753.
Tal como se ha indicado anteriormente, el transductor transmisor 52 se activa mediante un impulso de activación. En respuesta a éste, se genera una onda 56 de sonido que se recibe por un transductor receptor 54. El transductor receptor 54 responde a la onda 56 de sonido generando una forma de onda de señal de salida 40 que se recibe por el PSD 70. El PSD 70 utiliza la forma de onda de plantilla almacenada en la memoria 72 para determinar un tiempo de retardo de propagación y así calcular la distancia entre el transductor transmisor 52 y el transductor receptor 54.
Otra realización adicional del objeto de la invención emplea adecuadamente la aplicación de un algoritmo de filtración de curva adecuado a los intervalos registrados. La reducción de los datos a ecuaciones se realiza de manera adecuada mediante un número de algoritmos o sistemas fácilmente disponibles. Un análisis matemático directo y una comparación entre dichas ecuaciones permitirán por tanto el cotejo de las formas de onda.
La invención se ha descrito en referencia a una realización preferida. Obviamente, podrán concebirse modificaciones y alteraciones tras la lectura y comprensión de esta memoria. Todas estas modificaciones y alteraciones se suponen incluidas siempre que entren dentro del alcance de las reivindicaciones
adjuntas.

Claims (18)

1. Sistema para determinar un tiempo de retardo de propagación de una forma de onda de emisión iniciada por un medio transmisor asociado y recibida por un medio receptor asociado, en el que dicho medio receptor genera una salida en forma de una forma de onda de salida en respuesta a la recepción de la forma de onda de emisión, comprendiendo el sistema:
medios de almacenamiento para almacenar datos de forma de onda de plantilla representativos de una forma de onda de salida característica;
medios de muestreo para muestrear la salida del medio receptor a una velocidad de muestreo predeterminada y convertir la forma de onda de salida en datos de forma de onda de salida digitales;
medios de comparación para comparar los datos de forma de onda de salida digitales con los datos de forma de onda de plantilla para determinar los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida; y
medios de cálculo para calcular el tiempo de retardo de propagación de acuerdo con los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida.
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que dichos medios de comparación incluyen un medio de convolución para realizar una convolución de dichos datos de forma de onda de salida digitales y dichos datos de forma de onda de plantilla.
3. Sistema según la reivindicación 1, en el que dichos medios de comparación incluyen un medio de autocorrelación para correlacionar dichos datos de forma de onda de salida digitales con dichos datos de forma de onda de plantilla.
4. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicho medio transmisor y dicho medio receptor son medios transductores piezoeléctricos.
5. Sistema según la reivindicación 4, en el que dicha forma de onda de salida característica es característica de oscilaciones de cristal piezoeléctrico.
6. Sistema según la reivindicación 1, en el que dichos medios de muestreo almacenan los datos de forma de onda de salida digitales en una matriz de memoria que tiene una posición respectiva para cada elemento de los datos de forma de onda de salida digitales, y dichos medios de cálculo incluyen medios para calcular el producto de (1) la posición en la matriz de memoria de los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida y (2) la velocidad de muestreo predeterminada, siendo dicho producto indicativo del tiempo de retardo de propagación.
7. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicho sistema comprende además medios temporizadores para determinar un tiempo de espera que se inicia con el inicio de la forma de onda de emisión y que finaliza antes de la generación de la forma de onda de salida.
8. Sistema según la reivindicación 7, en el que dichos medios de muestreo almacenan los datos de forma de onda de salida digitales en una matriz de memoria que tiene una posición respectiva para cada elemento del los datos de forma de onda de salida digitales, y dichos medios de cálculo incluyen medios para calcular el producto de (1) la posición en la matriz de memoria de los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida y (2) la velocidad de muestreo predeterminada, y medios para sumar el producto con dicho tiempo de espera, siendo la suma indicativa del tiempo de retardo de propagación.
9. Sistema según la reivindicación 8, en el que dichos medios temporizadores incluyen un medio contador.
10. Método para determinar un tiempo de retardo de propagación de una forma de onda de emisión por un medio transmisor asociado y recibida por un medio transmisor asociado, en el que dicho medio receptor genera una salida en forma de una forma de onda de salida en respuesta a la recepción de la forma de onda de emisión, comprendiendo el método:
obtener datos de forma de onda de plantilla representativos de una forma de onda de salida característica;
tomar muestras de la salida del medio receptor a una velocidad de muestreo predeterminada y convertir la forma de onda de salida en datos de forma de onda de salida digitales;
comparar los datos de forma de onda de salida digitales con los datos de forma de onda de plantilla para determinar los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden con el inicio de la forma de onda de salida; y
calcular el tiempo de retardo de acuerdo con los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida.
11. Método según la reivindicación 10, en el que dicha etapa de comparación incluye la etapa de realizar una convolución de dichos datos de forma de onda de salida digitales y dichos datos de forma de onda de plantilla.
12. Método según la reivindicación 10, en el que dicha etapa de comparación incluye la etapa de correlacionar dichos datos de forma de onda de salida digitales con dichos datos de forma de onda de plantilla.
13. Método según la reivindicación 10, en el que dicho medio transmisor y dicho medio receptor son medios transductores piezoeléctricos.
14. Método según la reivindicación 13, en el que dicha forma de onda de salida característica es característica de las oscilaciones de cristal piezoeléctrico.
15. Método según la reivindicación 10, en el que dicha etapa de muestreo incluye la etapa de almacenar los datos de forma de onda de salida digitales en una matriz de memoria que tiene una posición respectiva para cada elemento de los datos de forma de onda de salida digitales, y dicha etapa de cálculo incluye la etapa de calcular el producto de (1) la posición en la matriz de memoria de los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida y (2) la velocidad de muestreo predeterminada, siendo dicho producto indicativo del tiempo de retardo de propagación.
16. Método según la reivindicación 10, en el que dicho método comprende además la etapa de determinar un tiempo de espera que se inicia con el inicio de la forma de onda de emisión y que acaba antes de la generación de la forma de onda de salida.
17. Método según la reivindicación 16, en el que dicha etapa de muestreo incluye la etapa de almacenar los datos de forma de onda de salida digitales en una matriz de memoria que tiene posiciones respectivas para cada elemento de los datos de forma de onda de salida digitales, y dicha etapa de cálculo comprende las etapas de:
(a) calcular el producto de (1) la posición en la matriz de memoria de los datos de forma de onda de salida digitales que corresponden al inicio de la forma de onda de salida y (2) la velocidad de muestreo predeterminada, y
(b) sumar el producto con dicho tiempo de espera, siendo la suma indicativa del tiempo de retardo de propagación.
18. Método para determinar el tiempo de retardo de una señal que se propaga por un medio, que comprende:
iniciar una forma de onda de emisión desde una primera ubicación;
generar una forma de onda de salida en una segunda ubicación en respuesta a la recepción de la forma de onda de emisión;
almacenar los datos de forma de onda de plantilla representativos de una forma de onda de salida estándar;
digitalizar la forma de onda de salida en datos de forma de onda de salida digitales; y
comparar los datos de forma de onda de salida digitales con los datos de forma de onda de plantilla para determinar el tiempo de retardo entre el inicio de la forma de onda de emisión y la generación de la forma de onda de salida.
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