ES2836267T3 - Procedimiento y dispositivo acústico para medir los movimientos de superficie - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para detectar movimientos de una superficie (21) que refleja ondas ultrasónicas, que comprende varias etapas de medición sucesivas en el transcurso de cada una de las cuales se emite al menos una onda ultrasónica incidente en el aire hacia la superficie (21) con un dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas y se captan señales reflejadas representativas de al menos una onda ultrasónica reflejada en el aire por dicha superficie (21) a partir de dicha al menos una onda ultrasónica incidente, caracterizado por que en el transcurso de cada etapa de medición: - se miden los movimientos de una pluralidad de puntos de medición (P) que pertenecen al menos a dicha superficie iluminando cada punto de medición (P) con dicha al menos una onda ultrasónica incidente en múltiples ángulos de incidencia, - se captan las señales reflejadas con una red de transductores de recepción (3) que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de recepción (3a) y se determina una señal de conformación de haz para cada punto de medición (P), mediante la conformación de un haz al menos en recepción a partir de dichas señales reflejadas, y por que además consta de al menos una etapa de determinación de movimiento en el transcurso de la cual se determinan dichos movimientos de la superficie (21) en el punto de medición (P) considerado determinando al menos un retardo o un desfase entre dos señales de conformación de haz para ese punto de medición (P).
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo acústico para medir los movimientos de superficie
Campo de la invención
La presente invención se refiere a procedimientos y dispositivos acústicos para detectar los movimientos de una superficie.
De manera más particular, la invención se refiere a un procedimiento para detectar los movimientos de una superficie, que comprende una etapa de medición en el transcurso de la cual se emite al menos una onda ultrasónica incidente en el aire hacia la superficie con un dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas y se captan señales reflejadas representativas de al menos una onda ultrasónica reflejada en el aire por dicha superficie a partir de dicha al menos una onda ultrasónica incidente.
El documento US4122427 describe un ejemplo de un procedimiento de este tipo, en el que se miden los movimientos de una superficie en un haz de medición, haciendo emitir hacia la superficie, ultrasonidos a una frecuencia del orden de 40 Hz. Los ultrasonidos son emitidos por un único transductor.
El documento US2011208060 también describe un ejemplo de un procedimiento de este tipo, en el que se miden los movimientos de una superficie en una o más zonas de medición distintas, haciendo que las ondas ultrasónicas generadas se emitan hacia la superficie por medio de un único transductor o por medio de una red de transductores.
Compendio de la invención
La presente invención tiene como objetivo, en particular, perfeccionar aún más este tipo de procedimiento, para permitir, en particular, una mejor eficacia de detección de los movimientos de la superficie.
Para tal efecto, según la invención, un procedimiento del tipo en cuestión se caracteriza por que en el transcurso de cada medición:
- se miden los movimientos de una pluralidad de puntos de medición que pertenecen al menos a dicha superficie iluminando cada punto de medición con dicha al menos una onda ultrasónica incidente en una multitud de ángulos de incidencia,
- se captan las señales reflejadas con una red de transductores de recepción que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de recepción y se determina una señal de conformación de haz para cada punto de medición, mediante la conformación de un haz al menos en recepción a partir de dichas señales reflejadas, y por que además consta al menos de una etapa de determinación de movimiento en el transcurso de la cual se determinan dichos movimientos de la superficie en el punto de medición considerado determinando al menos un retardo o un desfase entre dos señales de conformación de haz para ese punto de medición.
Gracias a estas disposiciones, se pueden medir los movimientos de una gran variedad de superficies líquidas o sólidas, lisas o rugosas, planas o no, todo ello independientemente de su transparencia a la luz. Es posible formar imágenes de los movimientos de la superficie en un área grande, por ejemplo, de varias decenas de cm2, a una cadencia que puede alcanzar un kilohercio o incluso más. La sensibilidad del procedimiento de medición de la invención alcanza el micrómetro para una velocidad mínima detectable del orden de una fracción de milímetro por segundo. Por último, la potencia acústica utilizada puede ser baja, por ejemplo, con un nivel del orden de 60-70 dB SPL (nivel de presión sonora).
En unos modos de realización preferidos del procedimiento según la invención, eventualmente también se puede recurrir a una y/u otra de las siguientes disposiciones:
- en el transcurso de cada etapa de medición, se ilumina cada punto de medición de la superficie con dicha al menos una onda incidente a unos ángulos de incidencia que se extienden sobre una gama de ángulos de incidencia de al menos 20 grados;
- en el transcurso de cada etapa de medición, se miden los movimientos sustancialmente en todos los puntos de la superficie sobre un área superior a 10 cm2;
- el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas y la red de transductores de recepción son bidimensionales; - la red de transductores de emisión (2) presenta una abertura al menos igual a una abertura del dispositivo de recepción de ondas ultrasónicas según dos direcciones sustancialmente perpendiculares;
- la abertura de la red de transductores de emisión es al menos igual a tres veces la abertura del dispositivo de recepción de ondas ultrasónicas, al menos en una de las direcciones;
- la abertura del dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas es al menos igual a 20 cm en cada dirección;
- el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas comprende una red de transductores de emisión que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de emisión;
- los transductores ultrasónicos de emisión están distribuidos en varios grupos y en el transcurso de dicha etapa de medición, se hace que una misma señal sea emitida simultáneamente por los transductores ultrasónicos de emisión que pertenecen a un mismo grupo;
- el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas comprende al menos un transductor ultrasónico de emisión dispuesto para emitir en una cavidad de mezcla adaptada para provocar múltiples reflexiones de dicha al menos una onda ultrasónica incidente antes de enviarla hacia la superficie;
- las ondas ultrasónicas tienen una frecuencia inferior a 100 kHz;
- las ondas ultrasónicas se emiten a una cadencia superior a 500 disparos por segundo;
- en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, se calcula al menos en diferentes puntos de la superficie una señal de conformación de haz Sk en recepción en dicho punto,
y en el transcurso de cada etapa de determinación de movimiento, se determina el movimiento de cada punto de la superficie determinando un retardo o un desfase entre las señales de conformación de haz Sk en recepción en dicho punto, para dos valores de k diferentes.
- en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas emite una onda ultrasónica incidente no enfocada hacia la superficie;
- en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas emite sucesivamente ondas ultrasónicas incidentes enfocadas hacia los diferentes puntos de la superficie y la señal de conformación de haz Sk en recepción en dicho punto se determina a partir de las señales reflejadas correspondientes a la onda ultrasónica incidente enfocada en dicho punto;
- la señal de conformación de haz en recepción Sk se determina con la fórmula:
donde:
- rj es la señal captada por el transductor ultrasónico de recepción (3a) de índice j,
- t es el tiempo,
- dj es una distancia entre el punto P y el transductor ultrasónico de recepción (3a) de índice j,
- c es la celeridad de la onda ultrasónica en el aire.
- el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas comprende una red de transductores de emisión que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de emisión,
en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, se miden las respectivas respuestas a los pulsos entre cada transductor ultrasónico de emisión y cada transductor ultrasónico de recepción, luego se calcula al menos en diferentes puntos de la superficie una señal de conformación de haz S'k en emisión y recepción en dicho punto,
y en el transcurso de cada etapa de determinación de movimiento, se determina un movimiento de cada punto de la superficie determinando un retardo o un desfase entre las señales del haz S'k en emisión y recepción en dicho punto, para dos valores de k diferentes;
- cada señal de conformación de haz en emisión y recepción en dicho punto se determina con la fórmula:
donde:
- i es un índice comprendido entre 1 y M que designa un transductor ultrasónico de emisión,
- j es un índice comprendido entre 1 y N que designa un transductor ultrasónico de recepción,
- hijk es la respuesta a los pulsos entre el transductor ultrasónico de emisión de índice i y el transductor ultrasónico de recepción de índice j,
- t es el tiempo,
- dij es una distancia recorrida por una onda ultrasónica desde el transductor ultrasónico de emisión de índice i hasta el transductor ultrasónico de recepción de índice j que se refleja en el punto (P) considerado en la superficie,
- c es la celeridad de las ondas ultrasónicas en el aire;
- en el transcurso de al menos algunas etapas de medición, se determina una señal de conformación de haz para cada punto de medición en una zona de observación predeterminada
y se determinan los puntos de medición pertenecientes a la superficie como aquellos que maximizan la señal de conformación de haz;
- en el transcurso de la etapa de determinación de movimiento, se determina un retardo dt entre las señales de conformación de haz correspondientes a dos etapas de medición en el mismo punto de medición y se determina:
- un desplazamiento 5 en el punto de medición que es proporcional a dt.c
- y/o una velocidad en el punto de medición que es proporcional a dt.c/At,
donde c es la celeridad de las ondas ultrasónicas en el aire y At es un intervalo de tiempo entre dichas dos etapas de medición;
- en el transcurso de la etapa de determinación de movimiento, se determina un desfase 9 entre las señales de conformación de haz correspondientes a dos etapas de medición en el mismo punto de medición y se determina:
- un desplazamiento 5 en el punto de medición que es proporcional a c.^/(2.n.f)
- y/o una velocidad en el punto de medición que es proporcional a c.^/(2.n.f)/At,
donde c es la celeridad de las ondas ultrasónicas en el aire, f es la frecuencia de las ondas ultrasónicas y At es un intervalo de tiempo entre dichas dos etapas de medición.
Por otra parte, la invención también tiene como objetivo un dispositivo para detectar los movimientos de una superficie que refleja las ondas ultrasónicas, que comprende un dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas, un dispositivo de recepción de ondas ultrasónicas, un dispositivo de control que controla el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas y que recibe las señales captadas por el dispositivo de recepción de ondas ultrasónicas, estando el dispositivo de control adaptado para realizar varias etapas de medición sucesivas en el transcurso de cada una de las cuales el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas emite al menos una onda ultrasónica incidente en el aire hacia la superficie y el dispositivo de recepción de ondas ultrasónicas capta las señales reflejadas representativas de al menos una onda ultrasónica reflejada en el aire por dicha superficie a partir de dicha al menos una onda ultrasónica incidente,
caracterizado por que el dispositivo de emisión de ondas ultrasónicas está adaptado para iluminar una pluralidad de puntos de medición (P) que pertenecen al menos a dicha superficie (21) mediante dicha al menos una onda ultrasónica incidente en una multitud de ángulos de incidencia,
por que el dispositivo de recepción de ondas ultrasónicas es una red de transductores de recepción que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de recepción, por que el dispositivo de control está adaptado para, en el transcurso de cada etapa de medición, determinar una señal de conformación de haz para cada punto de medición, mediante la conformación de un haz al menos en recepción a partir de dichas señales reflejadas,
y por que el dispositivo de control está adaptado para determinar dichos movimientos de la superficie en el punto de medición considerado determinando al menos un retardo o un desfase entre dos señales de conformación de haz para este punto de medición.
Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto en el transcurso de la siguiente descripción de una de sus formas de realización, aportada a modo de ejemplo no limitativo, con respecto a los dibujos adjuntos.
En los dibujos:
- la figura 1 es una vista de conjunto esquemática de un ejemplo de dispositivo de generación de ondas ultrasónicas que implementa la invención,
- la figura 2 muestra un ejemplo de una red de transductores de emisión que se pueden utilizar en la presente invención,
- la figura 3 es una vista en sección esquemática que ilustra un ejemplo de una cavidad de mezcla para uno o más transductores ultrasónicos,
- la figura 4 es una vista en perspectiva de la parte interna de la cavidad de mezcla de la figura 3,
- la figura 5 es una vista esquemática en perspectiva que muestra la red de transductores de emisión y la red de transductores de recepción ensamblados en un soporte,
- la figura 6 es un ejemplo de cartografía de las velocidades de desplazamiento de una superficie medida por el dispositivo de las figuras 1 a 5,
- la figura 7 es un ejemplo de cartografía de los desplazamientos de una superficie medida por el dispositivo de las figuras 1 a 5,
- la figura 8 es un ejemplo de una curva de las velocidades de desplazamiento de un punto de la superficie a lo largo del tiempo, medidas por el dispositivo de las figuras 1 a 5, y
- la figura 9 es un ejemplo de una curva de los desplazamientos de un punto de la superficie a lo largo del tiempo, medidos por el dispositivo de las figuras 1 a 5.
En las diversas figuras, las mismas referencias designan elementos idénticos o similares.
La figura 1 representa un dispositivo ultrasónico 1 para medir los movimientos de una superficie 21, que puede ser de cualquier tipo, sólida o líquida. La superficie 21 puede ser, por ejemplo, la piel de un ser humano o animal.
El dispositivo ultrasónico 1 consta de una red de transductores de emisión 2, que puede comprender uno o más transductores ultrasónicos de emisión 2a por un número M (TE1, TE2, ... TEM) y una red de transductores de recepción 3, que comprende varios transductores ultrasónicos de recepción 3a por un número N (TR1, TR2, ... TRN).
Ventajosamente, las dos redes de transductores 2, 3 pueden ser redes bidimensionales.
Las dos redes 2, 3 se pueden disponer eventualmente en un mismo soporte y, en cuyo caso los transductores 2a, 3a se pueden intercalar los unos entre los otros.
Los transductores 2a, 3a pueden ser de cualquier tipo conocido. En un modo de realización, los transductores ultrasónicos de emisión 2a pueden ser altavoces de gran ancho de banda y los transductores ultrasónicos de recepción 3a pueden ser micrófonos de gran ancho de banda.
El o los transductores ultrasónicos de emisión 2a eventualmente se pueden disponer para emitir ondas ultrasónicas en una cavidad de mezcla 4 antes de enviarlas a la superficie 21, como se describirá más adelante.
La red de transductores de emisión 2 y la red de transductores de recepción 3 están previstas para medir los movimientos de una pluralidad de puntos de medición P pertenecientes a la superficie 21, por ejemplo, para medir los movimientos sustancialmente en todos los puntos de la superficie 21 sobre un área superior a 10 cm y que puede ser de varias decenas de cm2.
Para tal efecto, la red de transductores de emisión 2 y la red de transductores de recepción 3 están diseñados para tener, cada una, una abertura relativamente grande, de modo que cada punto de medición P de la superficie 21 esté iluminado con un gran número de ángulos de incidencia por las ondas ultrasónicas incidentes procedentes de la red de transductores de emisión 2, y de modo que cada punto P de la superficie 21 sea visto por los transductores de recepción 3a con un gran número de ángulos de visión.
La abertura de la red de transductores de emisión 2 se puede definir como las dimensiones transversales OEy , OEz de la red, por ejemplo, según un eje vertical Z y un eje horizontal transversal Y (véanse las figuras 1, 2, 5). Esta abertura corresponde a un ángulo de abertura de emisión a con el que se ve la red de transductores de emisión 2 desde cada punto de medición P. Cada punto de medición P está así iluminado por las ondas ultrasónicas incidentes con una multitud de ángulos de incidencia que forman una gama de ángulos de incidencia de ancho a. El ángulo de abertura a puede ser, por ejemplo, al menos igual a 20 grados.
La abertura de la red de transductores de recepción 3 se puede definir como las dimensiones transversales ORy ', ORz de la red, por ejemplo, según un eje vertical Z y un eje horizontal transversal Y' (véanse las figuras 1,5). Esta abertura corresponde a un ángulo de abertura en recepción p con el que se ve la red de transductores de recepción 3 desde cada punto de medición P. Cada punto de medición P es visto así por los transductores ultrasónicos de recepción 3a con una multitud de ángulos de visión que forman una gama de ángulos de visión de ancho p. El ángulo de abertura en recepción p puede ser, por ejemplo, al menos igual a 20 grados.
El ángulo de abertura en emisión a puede ser ventajosamente superior al ángulo de abertura en recepción p.
De manera más particular, la abertura de la red de transductores de emisión 2 según al menos un eje Y, Z o ambos, es ventajosamente superior a la abertura de la red de transductores de recepción según los ejes correspondientes Y', Z. Esta disposición permite garantizar que al menos una parte de las ondas ultrasónicas reflejadas vuelve siempre hacia la red de transductores de recepción 3.
Eventualmente, la abertura de la red de transductores de emisión 2 según al menos un eje Y, Z o ambos, puede ser
superior a 3 veces (incluso 5 veces, o posiblemente 7 veces) la abertura de la red de transductores de recepción según los ejes correspondientes Y', Z.
El dispositivo ultrasónico 1 puede estar controlado por un circuito electrónico 11 que a su vez está eventualmente conectado a un ordenador 12 o similar.
El circuito electrónico 11 puede comprender:
- un convertidor digital-analógico 6 (D/A1-D/AM) conectado a cada transductor de emisión 2a (E1-EM) y asociado, en su caso, respectivamente a una memoria intermedia 9 (B1-BN),
- una unidad central electrónica 5 (CPU) controlada por el ordenador 12 y que controla cada convertidor analógico-digital 6,
- al menos una memoria central 7 (MEM) conectada a la unidad central electrónica 5,
- eventualmente, un circuito específico de procesamiento de señales 8 (DSP)
- un convertidor analógico-digital 10 (A/D1 -A/DN) conectado a cada transductor de recepción 3a (TR1 -TRN)), y asociado respectivamente a una memoria intermedia 9 (B'1-B'N).
Los transductores ultrasónicos de emisión 2a se pueden controlar para emitir las ondas ultrasónicas incidentes a una frecuencia inferior a 100 kHz, por ejemplo, comprendida entre 40 y 70 kHz.
Ventajosamente, la unidad central electrónica 5 está adaptada para hacer que las ondas ultrasónicas incidentes se emitan a una cadencia superior a 500 disparos por segundo, para poder seguir los movimientos de la superficie 21 a lo largo del tiempo.
Como se ha representado en la figura 2 en un ejemplo particular de realización, la red de transductores de emisión 2 puede ser una red bidimensional de transductores ultrasónicos de emisión 2a soportados en una placa rígida 13. Estos transductores ultrasónicos de emisión 2a pueden controlarse para que emitan las ondas ultrasónicas incidentes ya sea al mismo tiempo, ya sea secuencialmente.
Eventualmente, los transductores ultrasónicos de emisión 2a se pueden distribuir en varios grupos y todos los transductores ultrasónicos de emisión 2a de un mismo grupo están controlados para emitir simultáneamente la misma señal. Se obtiene así una red multiplicada, lo que aumenta artificialmente la abertura en emisión de la red de transductores de emisión 2.
Como variante o como complemento, la red de transductores de emisión 2 puede estar acoplada a una cavidad de mezcla 4, como se ha explicado anteriormente y como se ha representado en las figuras 1 y 3. La red de transductores de emisión 2 eventualmente se puede reducir en ese caso a un solo transductor ultrasónico de emisión 2a, puesto que la abertura de OE'y , OE'z de la red de transductores de emisión 2 se define entonces no por la distribución espacial de los transductores sino por las dimensiones de la cara emisora de la cavidad de mezcla, por donde las ondas ultrasónicas incidentes salen al aire hacia la superficie 21.
La cavidad de mezcla 4 puede ser un objeto sólido tal como una placa o similar, o bien puede tratarse de una caja en la que está montada la red de transductores de emisión 2, como se ha representado en la figura 3. En ese caso, la cavidad de mezcla 4 puede constar de un fondo 14, de paredes laterales 15 y de una pared de emisión paralela al fondo 14 y que se mantiene separada de dicho fondo 14 por las paredes laterales 15. La red de transductores de emisión 2 se puede montar sobre el fondo 14, en la cavidad de mezcla 4. La pared de emisión 16 puede constar de orificios 17 que permiten la salida de las ondas ultrasónicas incidentes hacia la superficie 21. Estos orificios 17 constituyen otras tantas fuentes de ultrasonidos que definen la abertura de la red de transductores de emisión 2. Como se ha representado en la figura 4, en el interior de la cavidad de mezcla se pueden prever unas paredes reflectantes 18, unidas, por ejemplo, a la pared de emisión 16 y ventajosamente sustancialmente perpendiculares al fondo 14. Las paredes reflectantes 18 están orientadas de diversas formas para favorecer los múltiples reflejos de las ondas ultrasónicas en la cavidad de mezcla 4.
El dispositivo que se acaba de describir permite medir los movimientos de la superficie 21, en particular, el desplazamiento y la velocidad de desplazamiento en cualquier punto.
Esta medición se realiza procesando las señales reflejadas captadas por los transductores ultrasónicos de recepción 3a, mediante un método de procesamiento de señales que puede ser, por ejemplo, uno de los tres métodos descritos a continuación.
Método 1
En este primer método de procesamiento de señales, la iluminación de la superficie 21 por las ondas ultrasónicas
incidentes (el disparo de las ondas ultrasónicas incidentes) se realiza excitando simultáneamente los M transductores ultrasónicos de emisión 2a.
En cada etapa de medición k, correspondiente a un disparo de onda incidente, las señales captadas por los transductores ultrasónicos de recepción 3a se procesan mediante la formación de haces en recepción, de una manera convencional.
De este modo, para cada punto P de la zona de observación (es decir, la zona susceptible de estar ocupada por la superficie 21), se calcula una señal de conformación de haz en recepción Sk(t) como sigue:
Sk(t) = 'Z'¡=1r j ( t - % ) (1)
Donde:
- rj es la señal captada por el transductor Rj de la red de recepción 3,
- t es el tiempo,
- dj es la distancia entre el punto P y el transductor Rj,
- c es la celeridad de la onda ultrasónica en el aire.
Esta señal es máxima para los puntos P que pertenecen a la superficie reflectante 21.
De este modo, es posible determinar una topografía de la superficie 21 y, por tanto, una imagen de la superficie 21, que, sin embargo, las más de las veces es aproximada.
En cambio, se pueden determinar con mucha precisión los desplazamientos 5 en cada punto P de la superficie entre dos disparos k y k+1, por comparación entre las señales Sk(t) correspondientes a los diferentes disparos sucesivos. Para un punto P dado de la superficie 21, se comparan las sucesivas señales Sk(t) y Sk+1 (t) durante al menos una etapa de determinación de movimiento, lo que revela un desfase 9 que está relacionado con el desplazamiento 5 sufrido por el punto P entre los disparos k y k+1 en perpendicular a la superficie 21, por la relación:
_ 2ScosQ
2 n f c (1), donde:
- c es la celeridad de la onda ultrasónica en el aire,
- f es la frecuencia de la onda ultrasónica
- 0 es el ángulo medio de incidencia y de reflexión de la onda ultrasónica en el punto P, es decir, el ángulo medio entre la normal a la superficie y el haz reflejado (determinado en función de la topografía de la superficie 21). Habida cuenta que la superficie 21 es reflectante para las ondas ultrasónicas, el desplazamiento d de la superficie 21 se ve como un desplazamiento 2d.cos0 de una fuente virtual situada detrás de la superficie 21, de ahí la fórmula (1) anterior. Por tanto, el desplazamiento 5 del punto P entre los disparos k y k+1 se calcula con la fórmula:
De manera equivalente, se puede medir no el desfase 9, sino el retardo dt=9/(2nf) de la señal Sk+1 (t) con respecto a Sk(t) (t se cuenta cada vez, a partir del disparo de la onda incidente), realizándose entonces el cálculo del desplazamiento 5 entre los disparos k y k+1 con la fórmula:
En los dos casos, se puede volver fácilmente a la velocidad normal de la superficie 21: V = 5/At, donde At es el intervalo de tiempo entre los disparos k y k+1.
Este primer método es muy rápido y particularmente eficaz, particularmente, si la superficie 21 está iluminada con una amplia gama de ángulos y, por lo tanto, si la red de transductores de emisión 2 presenta una abertura de emisión amplia. Por tanto, el uso de una red multiplicada o de una cavidad de mezcla es particularmente deseable en este caso para la red de transductores de emisión 2.
Método 2
En este segundo método de procesamiento de señales, preferiblemente, no se usa ninguna cavidad de mezcla para
la red de transductores de emisión 2.
Se hace que una onda de pulsos sea emitida sucesivamente por cada transductor ultrasónico de emisión 2a, que se considerará puntual y que emite una onda esférica. Cada serie de disparos sucesivos del conjunto de transductores ultrasónicos de emisión 2a, constituye una etapa de medición k, luego, se repiten los disparos en la siguiente serie k+1 de disparos sucesivos de todos los transductores ultrasónicos de emisión 2a.
Con cada serie k de disparos, se determina de este modo la respuesta a los pulsos hijk(t) entre cada transductor ultrasónico de emisión Ei y cada transductor ultrasónico de recepción TRj.
Para un punto P dado de la zona a observar, se conoce la distancia que debe recorrer la onda ultrasónica desde el emisor Ei hasta el receptor Rj, denotada dy. Esta distancia es conocida para todos los pares (Ei, Rj).
A continuación, se calcula una señal de conformación de haz ("Beamforming") en emisión y recepción en el punto P para el transductor ultrasónico de recepción TRj. Esta señal ryk(t) se obtiene sumando todas las respuestas a los pulsos retardadas para compensar los tiempos de recorrido dij/c. Esta señal se expresa como sigue:
rjk ( t ) = Z r = ih i j k ( t - ^ ) (3)
La señal S'k(t) correspondiente al punto P y a la serie k de disparos, para el conjunto de transductores ultrasónicos de recepción 3a, es la suma de las señales de conformación de haces de todos los receptores:
s '* ( t) = i7 =1r-* ( t) (4)
Si P es un punto material de la superficie 21, entonces, la señal S será un pulso corto y de máxima amplitud ya que todos los pulsos calculados para todos los receptores tendrán el mismo retardo. De lo contrario, la señal estará más dispersa en el tiempo y será de menor amplitud.
Este procedimiento permite en una primera aproximación determinar la topografía de la superficie 21, por tanto, una imagen (generalmente poco precisa) de la superficie 21.
Para un mismo punto P de la superficie, las sucesivas señales S'k(t) correspondientes a las diferentes etapas de medición k permiten determinar, con gran precisión, el desplazamiento 5 del punto P entre dos series sucesivas de disparos k y k+1, en el transcurso de al menos una etapa de determinación de movimiento.
En todas las formas de realización de la invención, las etapas de determinación de movimiento se pueden realizar a medida que se realizan las etapas de medición. Por supuesto, este cálculo también se puede realizar de manera diferida.
Si el punto P se ha movido entre t y t+dt de una distancia 5 normal a la superficie 21, entonces la nueva señal S'k+1(t) será un pulso desplazado en el tiempo (contado con respecto al disparo de las ondas incidentes) con respecto a S'k(t) de dt = 25 cos0 , con las notaciones ya definidas anteriormente.
El desplazamiento temporal dt da el desplazamiento de la superficie 21 en el punto P:
5 = dt.c /(2 cos0 ) (5).
Se puede volver fácilmente a la velocidad normal de la superficie: V = 5 /A t, donde A t es el intervalo de tiempo entre las series de disparos k y k+1.
Como en el método 1, se puede determinar de manera equivalente el desplazamiento y la velocidad de la superficie 21 utilizando el desfase 9 entre las señales S'k(t) y S'k+1 (t).
El método 2 es muy preciso y puede permitir mediciones del movimiento de una superficie de amplitud muy por debajo de la longitud de onda. Entonces se podrá implementar una interpolación parabólica o de orden superior para calcular el desplazamiento temporal a la fracción cercana al período de muestreo de las señales acústicas.
Método 3
En este tercer método, la red de transductores de emisión 2 puede ser del tipo de abertura multiplicada o constar de una cavidad de mezcla 4.
Las ondas emitidas se reflejan en la superficie 21 y son recogidas por los N transductores ultrasónicos de recepción 3a. Se considerará que el recorrido de las ondas desde la superficie 21 hasta los receptores es directo sin ninguna reflexión.
Este método 3 consta al menos de una etapa de calibración (preliminar, y que puede repetirse a intervalos regulares para recalibrar) donde se determinan las respuestas a los pulsos hij(t) entre los transductores ultrasónicos de emisión TEi y los transductores ultrasónicos de recepción TRj. Después de una transformada de Fourier, estas respuestas a los pulsos se denotan Hij (se omite el pulso angular w para simplificar los cálculos). Esta etapa preliminar eventualmente puede realizarse haciendo que cada transductor ultrasónico de emisión TEi emita sucesivamente un
pulso, como en el método 2 anterior.
A esta etapa preliminar le siguen varias etapas de medición sucesivas, indexadas con un índice k. Durante cada etapa de medición k, se hace que la onda incidente se enfoque sucesivamente en los diferentes puntos P de la superficie 21, puntos P que se han determinado, por ejemplo, en el transcurso de la etapa preliminar.
Estos enfoques sucesivos se realizan como sigue.
Siguiendo el procedimiento de inversión temporal y utilizando el principio de reciprocidad, haciendo que el emisor i emita la respuesta a los pulsos temporalmente invertida (por lo tanto, en el dominio de la frecuencia, Hij*, donde el exponente * designa el complejo conjugado) se debería obtener la siguiente respuesta: Rij = Hij* = | Hj |2. La respuesta Rij es real y corresponde a un pulso centrado en el origen de los tiempos. De acuerdo con esta constatación es, por lo tanto, posible enviar un pulso a cualquiera de los receptores j con cierto retardo simplemente emitiendo la respuesta al pulso invertida temporalmente y retardada.
De hecho, es posible emitir cualquier frente de onda hacia todos los receptores desde un solo emisor i. Este frente de onda se describe simplemente por un retardo de llegada denotado Tj al receptor j. Para ello, basta con combinar las señales antes de que sean reemitidas por el transductor ultrasónico de emisión TEi:
* = 'Z , U Hh e~i / T l (6),
donde Ei es la señal emitida por el transductor ultrasónico de emisión TEi, en el dominio de la frecuencia.
Por tanto, es posible sintetizar, en particular, un frente de onda esférico que llega al nivel de los transductores ultrasónicos de recepción TRj, procedente de un centro de divergencia constituido por un punto P en la superficie 21. Dicho de otra manera, se puede enfocar la onda ultrasónica incidente en el punto P en la superficie 21.
Esta síntesis del frente de onda también se ve reforzada cuando todos los transductores ultrasónicos de emisión TEi emiten las señales necesarias para la síntesis del mismo frente de onda. En notación matricial, las señales emitidas por todos los transductores ultrasónicos de emisión TEi se pueden expresar de la siguiente forma:
Al nivel de los transductores ultrasónicos de recepción TRj, las señales recibidas son:
R i = Y ^ í EiHii (8)
Es posible combinar todas las señales recibidas por los distintos transductores ultrasónicos de recepción TRj después del enfoque en el punto P de la superficie 21, realizando una conformación de haz en recepción (beamforming) gracias a la compensación de los retardos de las señales recibidas antes de su suma:
Sk = I ¡Ij = 1 Ri e+j / TJ = [e+i/Tl e+i/T6... e+i/T«]R = TR (10) El índice k designa la etapa de medición, es decir, una sucesión de disparos de ondas incidentes enfocadas sucesivamente en los distintos puntos P considerados de la superficie 21.
En notación matricial, el enfoque en el punto P en emisión y la conformación de haz en recepción se resume en la siguiente señal única:
Sk = TR = THE = TH HT*TT* (11)
El exponente T* indica que la matriz es una matriz transpuesta conjugada.
La señal Sk representa principalmente la información recogida en el punto P.
Cuando este punto se mueve entre la etapa de medición k y la etapa de medición k+1, De esto resulta un desfase 9 entre Sk y Sk+1.
Este desfase 9 permite volver al desplazamiento 5 de la superficie 21 en el punto P con la fórmula (2) mencionada anteriormente, o a la velocidad de desplazamiento V como se ha explicado en el método 1, en el transcurso de al menos una etapa de determinación de movimiento.
Cabe destacar que los cálculos anteriores del tercer método también podrían realizarse en el dominio del tiempo en lugar de en el dominio de la frecuencia. A la inversa, los cálculos de los métodos 1 y 2 eventualmente también podrían realizarse en el dominio de la frecuencia.
En los diferentes métodos considerados, dependiendo de las aplicaciones, los valores de 5 y V podrían ser valores proporcionales a las fórmulas mencionadas anteriormente.
Variante
La conformación de haces en recepción eventualmente se puede realizar con un mezclador, como se explica en los siguientes documentos:
- Nicolas Quieffin, Stefan Catheline, Ros Kiri Ing y Mathias Fink, ''Acoustic source localization model using inskull reverberation and time reversal", Applied Physics Letters vol. 90, 063902 (2007);
- N. Etaix, M. Fink y R. K. Ing, "Acoustic imaging device with one transducer", J. Acoust. Soc. Am. 131 (5), páginas. EL395-EL399, 2012;
- N. Etaix, J. Dubois, M. Fink y R. K. Ing, "Increasing the modal density in plates for mono-element focusing in air", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 134 (2), páginas. 1049-1054, 2013.
Las figuras 6 y 7 muestran un ejemplo de cartografía de las velocidades de desplazamiento y de los desplazamientos medidos por el procedimiento según la invención en la superficie 21 de la parte inferior del esternón de un cuerpo humano, que vibra por los latidos del corazón. Las figuras 8 y 9 muestran la evolución en el tiempo de las velocidades de desplazamiento y de los desplazamientos medidos por el procedimiento según la invención en la misma superficie sólida 21.
Por tanto, la invención es particularmente útil para analizar los movimientos de las superficies del cuerpo humano, en particular, para el estudio de los movimientos respiratorios o del sistema cardiovascular.
La invención es particularmente ventajosa sobre todo para el estudio de la ventilación pulmonar, ya que permite volver a las variaciones de volumen de los pulmones y por lo tanto a los flujos de aire inspirado/espirado sin molestar al sujeto, a diferencia de los procedimientos que implican, por ejemplo, una boquilla o una mascarilla facial.
La invención también permite supervisar automáticamente la respiración de un paciente, por ejemplo, en reanimación, que se esté despertando de la anestesia, en la sala de espera de emergencias, o bien para bebés de riesgo, etc. Fuera del campo médico, la invención también puede permitir, por ejemplo, la detección precoz de una persona que se esté durmiendo, detectar una situación estresante para una persona, etc.
Por último, fuera del campo médico, la invención también puede permitir detectar objetos fijados sobre la piel y ocultos por telas. Al excitar al sujeto y más particularmente la zona observada, el movimiento de la superficie de la piel se verá alterado por el objeto u objetos ocultos y podrá observarse mediante el dispositivo reivindicado en este documento.
Claims (22)
1. Procedimiento para detectar movimientos de una superficie (21) que refleja ondas ultrasónicas, que comprende varias etapas de medición sucesivas en el transcurso de cada una de las cuales se emite al menos una onda ultrasónica incidente en el aire hacia la superficie (21) con un dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas y se captan señales reflejadas representativas de al menos una onda ultrasónica reflejada en el aire por dicha superficie (21) a partir de dicha al menos una onda ultrasónica incidente, caracterizado por que en el transcurso de cada etapa de medición:
- se miden los movimientos de una pluralidad de puntos de medición (P) que pertenecen al menos a dicha superficie iluminando cada punto de medición (P) con dicha al menos una onda ultrasónica incidente en múltiples ángulos de incidencia,
- se captan las señales reflejadas con una red de transductores de recepción (3) que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de recepción (3a) y se determina una señal de conformación de haz para cada punto de medición (P), mediante la conformación de un haz al menos en recepción a partir de dichas señales reflejadas,
y por que además consta de al menos una etapa de determinación de movimiento en el transcurso de la cual se determinan dichos movimientos de la superficie (21) en el punto de medición (P) considerado determinando al menos un retardo o un desfase entre dos señales de conformación de haz para ese punto de medición (P).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde en el transcurso de cada etapa de medición, se ilumina cada punto de medición (P) de la superficie (21) con dicha al menos una onda incidente a unos ángulos de incidencia que se extienden sobre un intervalo de ángulos de incidencia de al menos 20 grados.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde en el transcurso de cada etapa de medición, se miden los movimientos sustancialmente en cualquier punto de la superficie (21) sobre un área superior a 10 cm2.
4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas y la red de transductores de recepción (3) son bidimensionales.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en donde la red de transductores de emisión (2) presenta una abertura (OEy , OEz , OE'y , OE'z ) al menos igual a una abertura (ORy , ORz ) del dispositivo de recepción (3) de ondas ultrasónicas en dos direcciones sustancialmente perpendiculares.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en donde la abertura (OEy , OEz , OE'y , OE'z ) de la red de transductores de emisión (2) es al menos igual a tres veces la abertura (ORY', ORZ) del dispositivo de recepción (3) de ondas ultrasónicas, al menos en una de las direcciones.
7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en donde la abertura (OEy , OEz , OE'y , OE'z ) del dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas es al menos igual a 20 cm en cada dirección.
8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas comprende una red de transductores de emisión (2) que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de emisión (2a).
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en donde los transductores ultrasónicos de emisión (2a) están distribuidos en varios grupos y en el transcurso de dicha etapa de medición, se hace que una misma señal sea emitida simultáneamente por los transductores ultrasónicos de emisión (2a) que pertenecen a un mismo grupo.
10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas comprende al menos un transductor ultrasónico de emisión (2a) dispuesto para emitir en una cavidad de mezcla (4) configurada para provocar múltiples reflexiones de dicha al menos una onda ultrasónica incidente antes de enviarla hacia la superficie (21).
11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las ondas ultrasónicas tienen una frecuencia inferior a 100 kHz.
12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las ondas ultrasónicas se emiten a una cadencia superior a 500 disparos por segundo.
13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, se calcula al menos en diferentes puntos (P) de la superficie (21) una señal de conformación de haz Sk en recepción en dicho punto (P), y en el transcurso de la etapa de determinación de movimiento, se determina el movimiento de cada punto (P) de la superficie (21) determinando un retardo o un desfase entre las señales de conformación de haz Sk en recepción en dicho punto (P), para dos valores de k diferentes.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en donde en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, el
dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas emite una onda ultrasónica incidente no enfocada hacia la superficie (21).
15. Procedimiento según la reivindicación 13, en donde en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas emite sucesivamente ondas ultrasónicas incidentes enfocadas hacia los diferentes puntos (P) de la superficie (21) y la señal de conformación de haz Sk en recepción en dicho punto (P) se determina a partir de las señales reflejadas correspondientes a la onda ultrasónica incidente enfocada en dicho punto (P).
16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en donde la señal de conformación de haz en recepción Sr se determina con la fórmula:
donde:
- rj es la señal captada por el transductor ultrasónico de recepción (3a) de índice j,
- t es el tiempo,
- dj es una distancia entre el punto P y el transductor ultrasónico de recepción (3a) de índice j,
- c es la celeridad de la onda ultrasónica en el aire.
17. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas comprende una red de transductores de emisión (2) que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de emisión (2a), y en donde
en el transcurso de cada etapa de medición de índice k, se miden las respectivas respuestas a los pulsos entre cada transductor ultrasónico de emisión (2a) y cada transductor ultrasónico de recepción (3a), luego se calcula al menos en diferentes puntos (P) de la superficie (21) una señal de conformación de haz S'k en emisión y recepción en dicho punto (P), y en el transcurso de cada etapa de determinación de movimiento, se determina un movimiento de cada punto (P) de la superficie (21) determinando un retardo o un desfase entre las señales del haz S'k en emisión y recepción en dicho punto (P), para dos valores de k diferentes.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en donde cada señal de conformación de haz en emisión y recepción en dicho punto (P) se determina con la fórmula:
S'fc(t) = 'LNj= í 'LIt= íh ijk ( t - ^ f ) , donde:
- i es un índice comprendido entre 1 y M que designa un transductor ultrasónico de emisión (2a),
- j es un índice comprendido entre 1 y N que designa un transductor ultrasónico de recepción (3a),
- hijk es la respuesta a los pulsos entre el transductor ultrasónico de emisión (2a) de índice i y el transductor ultrasónico de recepción (3a) de índice j,
- t es el tiempo,
- d ij es una distancia recorrida por una onda ultrasónica desde el transductor ultrasónico de emisión (2a) de índice i hasta el transductor ultrasónico de recepción (3a) de índice j que se refleja en el punto (P) considerado de la superficie (21),
- c es la celeridad de las ondas ultrasónicas en el aire.
19. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde en el transcurso de al menos algunas etapas de medición, se determina una señal de conformación de haz para cada punto de medición (P) de una zona de observación predeterminada y se determinan los puntos de medición (P) pertenecientes a la superficie (21) como aquellos que maximizan la señal de conformación de haz.
20. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde en el transcurso de la etapa de determinación de movimiento, se determina un retardo dt entre las señales de conformación de haz correspondientes a dos etapas de medición en el mismo punto de medición (P) y se determina:
- un desplazamiento 5 en el punto de medición (P) que es proporcional a dt.c
- y/o una velocidad en el punto de medición (P) que es proporcional a dt.c/At,
donde c es la celeridad de las ondas ultrasónicas en el aire y At es un intervalo de tiempo entre dichas dos
etapas de medición.
21. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en donde en el transcurso de la etapa de determinación de movimiento, se determina un desfase 9 entre las señales de conformación de haz correspondientes a dos etapas de medición en el mismo punto de medición (P) y se determina:
- un desplazamiento 5 en el punto de medición (P) que es proporcional a c.^/(2.n.f)
- y/o una velocidad en el punto de medición (P) que es proporcional a c.^/(2.n.f)/At,
donde c es la celeridad de las ondas ultrasónicas en el aire, f es la frecuencia de las ondas ultrasónicas y At es un intervalo de tiempo entre dichas dos etapas de medición.
22. Dispositivo para detectar movimientos de una superficie (21) que refleja ondas ultrasónicas, que comprende: un dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas, un dispositivo de recepción (3) de ondas ultrasónicas, un dispositivo de control (5) que controla el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas y que recibe las señales captadas por el dispositivo de recepción (3) de ondas ultrasónicas, en donde
el dispositivo de control (5) está configurado para realizar varias etapas de medición sucesivas en el transcurso de cada una de las cuales el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas emite al menos una onda ultrasónica incidente en el aire hacia la superficie (21) y el dispositivo de recepción (3) de ondas ultrasónicas capta las señales reflejadas representativas de al menos una onda ultrasónica reflejada en el aire por dicha superficie (21) a partir de dicha al menos una onda ultrasónica incidente, el dispositivo de recepción (3) de ondas ultrasónicas es una red de transductores de recepción (3) que comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos de recepción (3a), estando el dispositivo caracterizado por que el dispositivo de emisión (2) de ondas ultrasónicas está configurado para iluminar una pluralidad de puntos de medición (P) que pertenecen al menos a dicha superficie (21) mediante dicha al menos una onda ultrasónica incidente en una multitud de ángulos de incidencia,
por que el dispositivo de control (5) está configurado para, en el transcurso de cada etapa de medición, determinar una señal de conformación de haz para cada punto de medición (P), mediante la conformación de un haz al menos en recepción a partir de dichas señales reflejadas,
y por que el dispositivo de control (5) está configurado para determinar dichos movimientos de la superficie (21) en el punto de medición (P) considerado determinando al menos un retardo o un desfase entre dos señales de conformación de haz para este punto de medición (P).
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