FR3115108A1 - Determination of a quantity characterizing a medium by constrained tomography - Google Patents

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Aix Marseille Universite
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Abstract

Détermination d’une grandeur caractérisant un milieu par tomographie contrainte Procédé de caractérisation d’un milieu, utilisant un algorithme d'inversion, au moins une image tomographique dudit milieu préalablement acquise et au moins une donnée, dite de contrainte, représentative d’au moins une grandeur standard dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu, procédé dans lequel ledit algorithme d'inversion est utilisé pour extraire au moins une information de ladite au moins une image tomographique, et au moins une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu est déterminée à partir de ladite au moins une information extraite et en utilisant ledit algorithme d’inversion dont au moins un paramètre est modifié en fonction de ladite au moins une donnée de contrainte. Figure pour l’abrégé : Fig. 1Determination of a quantity characterizing a medium by constrained tomography Method for characterizing a medium, using an inversion algorithm, at least one tomographic image of said medium acquired beforehand and at least one datum, called stress, representative of at least a standard quantity of said medium or medium(s) similar to said medium, method in which said inversion algorithm is used to extract at least one piece of information from said at least one tomographic image, and at least one characteristic quantity of at least one property of said medium is determined from said at least one item of information extracted and by using said inversion algorithm of which at least one parameter is modified as a function of said at least one constraint datum. Figure for abstract: Fig. 1

Description

Détermination d’une grandeur caractérisant un milieu par tomographie contrainteDetermination of a quantity characterizing a medium by constrained tomography

La présente invention concerne les procédés et systèmes pour la caractérisation d’un milieu sous test.The present invention relates to methods and systems for the characterization of a medium under test.

La tomographie est une technique d’imagerie par micro-ondes utilisée dans de nombreux domaines dont l’imagerie médicale, la géophysique et la mécanique des matériaux. Cette technique permet de reconstruire le volume d’un objet à partir d’une série de mesures effectuées depuis l’extérieur de cet objet, notamment à l’aide de capteurs, et reconstruisant certaines propriétés de l’intérieur de l’objet.Tomography is a microwave imaging technique used in many fields including medical imaging, geophysics and mechanics of materials. This technique makes it possible to reconstruct the volume of an object from a series of measurements taken from the outside of this object, in particular using sensors, and reconstructing certain properties of the interior of the object.

De manière connue, les tomographes sont composés d’éléments rayonnants servant à éclairer le domaine sous test et d'un ou plusieurs éléments récepteurs capables de capter le champ diffusé par le domaine sous test. Étant donné que les micro-ondes peuvent pénétrer à l'intérieur des matériaux diélectriques, des informations concernant la structure interne de l’objet testé peuvent être récupérées à partir des données mesurées en champ diffusé.In a known manner, tomographs are composed of radiating elements used to illuminate the domain under test and of one or more receiving elements capable of capturing the field diffused by the domain under test. Since microwaves can penetrate inside dielectric materials, information regarding the internal structure of the tested object can be retrieved from the measured scattered field data.

Les éléments rayonnants peuvent être des antennes et le champ diffusé peut être capté par ces antennes commandées par une carte de commutation commandée par ordinateur connectée à un analyseur de réseau vectoriel (VNA).The radiating elements can be antennas and the scattered field can be picked up by these antennas controlled by a computer-controlled switching board connected to a vector network analyzer (VNA).

Les données acquises sont ensuite traitées avec un algorithme d'inversion ou de reconstruction dont le but final est de récupérer une carte spatiale des propriétés diélectriques de l’intérieur de l’objet, telles que la permittivité diélectrique ou la conductivité électrique.The acquired data is then processed with an inversion or reconstruction algorithm whose final goal is to recover a spatial map of the dielectric properties of the interior of the object, such as the dielectric permittivity or the electrical conductivity.

Il existe différents algorithmes d’inversion qui peuvent être classés en deux catégories :There are different inversion algorithms that can be classified into two categories:

  • les algorithmes analytiques, basés sur une représentation continue du problème par formule mathématique, par exemple la transformée de Radon. Souvent simples et rapides, ils ne prennent généralement pas en compte la nature statistique de la mesure; etanalytical algorithms, based on a continuous representation of the problem by mathematical formula, for example the Radon transform. Often simple and quick, they generally do not take into account the statistical nature of the measurement; And
  • les algorithmes algébriques, basés sur une représentation discrète, souvent matricielle, du problème. Plutôt plus élaborés, ils permettent l'utilisation d'un modèle direct obtenu par simulation numérique et utilisent une modélisation statistique de la mesure pour inverser le problème grâce à des méthodes probabilistes, à partir de critères tels que le maximum de vraisemblance ou le maximum a posteriori et selon des méthodes itératives telles que l'algorithme espérance-maximisation.algebraic algorithms, based on a discrete, often matrix, representation of the problem. Rather more elaborate, they allow the use of a direct model obtained by numerical simulation and use statistical modeling of the measurement to reverse the problem using probabilistic methods, based on criteria such as maximum likelihood or maximum a a posteriori and according to iterative methods such as the expectation-maximization algorithm.

Des exemples de tomographes et d’algorithmes d’inversion sont décrits dans les articlesIEEE 2018 « Design and Experimental Test of a Microwave System for Quantitative Biomedical Imaging »,Springer 2017 « A numerical study concerning brain stroke detection by microwave imaging systems »etJournal of Imaging 2018 « A Tomograph Prototype for Quantitative Microwave Imaging : Preliminary Experimental Results».Examples of tomographs and inversion algorithms are described in the articles IEEE 2018 "Design and Experimental Test of a Microwave System for Quantitative Biomedical Imaging" , Springer 2017 "A numerical study concerning brain stroke detection by microwave imaging systems" and Journal of Imaging 2018 “A Tomograph Prototype for Quantitative Microwave Imaging: Preliminary Experimental Results ”.

Il y a eu ces dernières années un intérêt croissant pour l'utilisation des tomographes dans des applications biomédicales, à la fois pour la thérapie et pour le diagnostic.In recent years there has been a growing interest in the use of tomographs in biomedical applications, both for therapy and for diagnosis.

En particulier, pour le suivi de paramètres cibles délicats comme la glycémie, l’approche tomographique présente l’avantage d’être une solution non-invasive, qui est une alternative intéressante aux solutions invasives qui peuvent être contraignantes et douloureuses, et impliquer un risque non négligeable d’infections et d’allergies.In particular, for the monitoring of delicate target parameters such as blood sugar, the tomographic approach has the advantage of being a non-invasive solution, which is an interesting alternative to invasive solutions which can be restrictive and painful, and involve a risk. significant infections and allergies.

Cependant, l’image obtenue par tomographie classique n’est pas suffisante pour obtenir des informations précises sur le paramètre cible permettant la caractérisation du milieu sous test.However, the image obtained by conventional tomography is not sufficient to obtain precise information on the target parameter allowing the characterization of the medium under test.

Il existe un besoin pour perfectionner encore les méthodes de caractérisation d’un milieu utilisant une technique tomographique, notamment en vue de caractériser avec précision une grandeur caractéristique du milieu sous test.There is a need to further improve the methods for characterizing a medium using a tomographic technique, in particular with a view to accurately characterizing a characteristic quantity of the medium under test.

L’invention vise à répondre à cet objectif et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, grâce à un procédé de caractérisation d’un milieu, utilisant un algorithme d'inversion, au moins une image tomographique dudit milieu préalablement acquise et au moins une donnée, dite de contrainte, représentative d’au moins une grandeur standard dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu,The invention aims to meet this objective and it achieves this, according to one of its aspects, thanks to a method for characterizing a medium, using an inversion algorithm, at least one tomographic image of said medium previously acquired and at least one datum, called constraint, representative of at least one standard quantity of said medium or medium(s) similar to said medium,

procédé dans lequel ledit algorithme d'inversion est utilisé pour extraire au moins une information de ladite au moins une image tomographique, etmethod in which said inversion algorithm is used to extract at least one piece of information from said at least one tomographic image, and

au moins une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu est déterminée à partir de ladite au moins une information extraite et en utilisant ledit algorithme d’inversion dont au moins un paramètre est modifié en fonction de ladite au moins une donnée de contrainte.at least one characteristic quantity of at least one property of said medium is determined from said at least one item of information extracted and by using said inversion algorithm of which at least one parameter is modified as a function of said at least one constraint datum.

Ledit au moins un paramètre de l’algorithme d'inversion peut être remplacé par ladite au moins une donnée de contrainte.Said at least one parameter of the inversion algorithm can be replaced by said at least one constraint datum.

L’algorithme d’inversion est ainsi avantageusement contraint par la ou les données de contrainte pour converger vers la détermination de la grandeur caractéristique souhaitée.The inversion algorithm is thus advantageously constrained by the constraint data or data to converge towards the determination of the desired characteristic quantity.

La grandeur caractéristique peut être une grandeur électromagnétique, telle que la permittivité diélectrique ou la perméabilité magnétique, ou un paramètre physiologique tel que la glycémie.The characteristic quantity can be an electromagnetic quantity, such as the dielectric permittivity or the magnetic permeability, or a physiological parameter such as blood sugar.

Les données de contrainte, appelées également «données a priori», sont les grandeurs caractérisant le milieu dans des conditions standard, servant à orienter l’algorithme vers la détermination de la grandeur caractéristique, et dont les valeurs sont inférieures à des seuils prédéterminés.The constraint data, also called “ a priori data ”, are the quantities characterizing the medium under standard conditions, serving to direct the algorithm towards the determination of the characteristic quantity, and whose values are lower than predetermined thresholds.

Dans le cas de la glycémie, on peut inclure les seuils de teneur en glucose sanguin pathologiques, et ainsi fournir une variation de cette donnée. Pour un sujet sain, le seuil peut être de 1gr/litre. Le seuil de 0.8gr/litre caractérise l’hypoglycémie, et 1.2 gr/litre correspond à l’hyperglycémie. Les variations de la grandeur diélectrique sont de l’ordre de 1 à 10%, offrant une mesure fine.In the case of glycaemia, it is possible to include pathological blood glucose content thresholds, and thus provide a variation of this data. For a healthy subject, the threshold may be 1 g/litre. The threshold of 0.8 g/litre characterizes hypoglycemia, and 1.2 g/litre corresponds to hyperglycemia. The variations of the dielectric quantity are of the order of 1 to 10%, offering a fine measurement.

Grâce à l’invention, l’algorithme utilisé est renforcé par les données dites de contrainte, permettant ainsi d’alimenter une base de données évolutive et d’accroître la vitesse de convergence des calculs, augmentant la précision de détermination de ladite grandeur caractéristique.Thanks to the invention, the algorithm used is reinforced by the so-called constraint data, thus making it possible to supply a scalable database and to increase the speed of convergence of the calculations, increasing the precision of determination of the said characteristic quantity.

De préférence, plusieurs images préalablement acquises sont utilisées pour former une séquence d’information comprenant également la ou les données de contrainte, notamment par concaténation, ladite séquence d’information étant utilisée pour la détermination de ladite au moins une grandeur caractéristique, la séquence d’information étant notamment obtenue par un apprentissage« deep learning ». Les séquences d’information obtenues peuvent être enregistrées dans une base de données au fur et à mesure des acquisitions, ladite base de données étant utilisée dans la mise en œuvre du procédé selon l’invention.Preferably, several previously acquired images are used to form an information sequence also comprising the stress data or data, in particular by concatenation, said information sequence being used for determining said at least one characteristic quantity, the sequence of information being obtained in particular by deep learning . The information sequences obtained can be recorded in a database as acquisitions are made, said database being used in the implementation of the method according to the invention.

Algorithme d’inversionInversion algorithm

Tout algorithme d’inversion du type algorithme du gradient ou algorithme de Gauss-Newton peut être utilisé pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Des exemples sont donnés dans les publicationsElsevier 2019 « Microwave tomographic imaging of cerebrovascular accidents by using high-performance computing »etIEEE 2018 « Examination of the Sensitivity Matrix During the Iterative Reconstruction Process for Microwave Tomography ». Un autre exemple d’algorithme d’inversion est celui décrit dans la publicationIEEE 2018 « Design and Experimental Test of a Microwave System for Quantitative Biomedical Imaging », à la section III. Un exemple de contrainte pouvant être appliquée à cet algorithme est de donner des valeurs extrêmes à la permittivité. Autrement dit, il est possible de contraindre la permittivité à ne varier que dans un intervalle bien défini, en fonction de la grandeur caractéristique cible. Par ailleurs, le principe de base de l’algorithme d’inversion décrit dans l’article IEEE 2020« An Algorithm to Image Individual Phase Fractions of Multiphase Flows Using Electrical Capacitance Tomography »est la minimisation d’une fonction coût conventionnelle.Any inversion algorithm of the gradient algorithm or Gauss-Newton algorithm type can be used to implement the method according to the invention. Examples are given in the publications Elsevier 2019 “Microwave tomographic imaging of cerebrovascular accidents by using high-performance computing” and IEEE 2018 “Examination of the Sensitivity Matrix During the Iterative Reconstruction Process for Microwave Tomography” . Another example of an inversion algorithm is the one described in the IEEE 2018 publication "Design and Experimental Test of a Microwave System for Quantitative Biomedical Imaging" , in section III. An example of a constraint that can be applied to this algorithm is to give extreme values to the permittivity. In other words, it is possible to constrain the permittivity to vary only within a well-defined interval, as a function of the target characteristic quantity. Furthermore, the basic principle of the inversion algorithm described in the IEEE 2020 article “An Algorithm to Image Individual Phase Fractions of Multiphase Flows Using Electrical Capacitance Tomography is the minimization of a conventional cost function.

Grandeurs et données de contrainteStress quantities and data

La ou les grandeurs standard du milieu peuvent être des cartographies ou des images dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu, ou des valeurs expérimentales associées à ladite au moins une propriété du milieu ou de milieu(x) similaire(s).The standard quantity(s) of the medium may be maps or images of said medium or of medium(s) similar to said medium, or experimental values associated with said at least one property of the medium or of medium(s) similar( s).

La propriété du milieu peut être une grandeur physico-chimique choisie parmi la concentration, la température, la pression, la viscosité, la vitesse du flux d’un liquide traversant le milieu.The property of the medium can be a physico-chemical quantity chosen from concentration, temperature, pressure, viscosity, flow velocity of a liquid passing through the medium.

La ou les informations issues des images tomographiques peuvent être des grandeurs caractérisant le milieu sous test, à l’instant de l’acquisition de l’image.The information or information from the tomographic images may be quantities characterizing the medium under test, at the time of acquisition of the image.

Dans un mode de réalisation préféré, la grandeur caractéristique est un paramètre physiologique, en particulier la glycémie. Dans ce cas, au moins une information issue de l’image de la section d’un bras et la ou les données de contrainte représentatives de grandeurs diélectriques de tissu(s) sain(s) peuvent être utilisées pour déterminer une valeur de glycémie, l’algorithme d’inversion étant contraint par la ou les données de contrainte pour converger vers la mesure de ladite glycémie. Cela permet de détecter les variations de la glycémie et de diagnostiquer d’une façon précise une hypoglycémie ou une hyperglycémie.In a preferred embodiment, the characteristic quantity is a physiological parameter, in particular blood sugar. In this case, at least one item of information from the image of the section of an arm and the stress data representative of dielectric quantities of healthy tissue(s) can be used to determine a blood sugar value, the inversion algorithm being constrained by the constraint data or data to converge towards the measurement of said blood glucose level. This makes it possible to detect variations in blood sugar and to accurately diagnose hypoglycemia or hyperglycemia.

La grandeur caractéristique peut être le taux de lactate dans le sang. Des capteurs micro-ondes pour une mesure non-invasive du taux de lactate dans le sang sont décrits dans la publicationIEEE 201 7 « Non-Invasive Measurement of Blood Lactate in Humans using Microwave Sensors » The characteristic quantity may be the level of lactate in the blood. Microwave sensors for non-invasive measurement of blood lactate levels are described in IEEE publication 201 7 Non-Invasive Measurement of Blood Lactate in Humans using Microwave Sensors

Comme le lactate est produit lors d’un effort musculaire intense lorsque l’apport en oxygène aux tissus musculaires devient insuffisant, il peut en résulter des conditions d’hypoxie tissulaire.As lactate is produced during intense muscular effort when the oxygen supply to the muscle tissues becomes insufficient, tissue hypoxia conditions can result.

Dans ce cas, au moins une information issue de l’image de la section d’un bras et la ou les données de contrainte représentatives de grandeurs diélectriques de tissu(s) sain(s) peuvent être utilisées pour déterminer une valeur de lactate, l’algorithme d’inversion étant contraint par la ou les données de contrainte pour converger vers la mesure dudit taux de lactate dans le sang. Cela permet de détecter les variations du lactate et de diagnostiquer d’une façon précise une éventuelle hypoxie tissulaire.In this case, at least one piece of information from the image of the section of an arm and the stress data representative of dielectric quantities of healthy tissue(s) can be used to determine a lactate value, the inversion algorithm being constrained by the at least one constraint data to converge towards the measurement of said blood lactate level. This makes it possible to detect variations in lactate and to accurately diagnose possible tissue hypoxia.

Dans un autre mode de réalisation préféré, la grandeur caractéristique est le taux d’un produit polluant dans un milieu d’extraction, notamment un liquide, un objet ou un sol. Dans ce cas, ladite au moins une donnée de contrainte est une grandeur diélectrique ou la valeur d’une propriété du milieu d’extraction ou de milieu(x) similaire(s), telle que la température, la pression, ou la vitesse du flux. Cela permet de détecter des variations liées potentiellement à la présence du produit polluant dans le liquide, afin de diagnostiquer un mélange de biocarburants.In another preferred embodiment, the characteristic quantity is the rate of a polluting product in an extraction medium, in particular a liquid, an object or a soil. In this case, said at least one constraint datum is a dielectric quantity or the value of a property of the extraction medium or of similar medium(s), such as the temperature, the pressure, or the speed of the flow. This makes it possible to detect variations potentially linked to the presence of the polluting product in the liquid, in order to diagnose a mixture of biofuels.

Le produit polluant peut être l’eau et le milieu d’extraction un hydrocarbure, notamment dans un tuyau.The polluting product can be water and the extraction medium a hydrocarbon, in particular in a pipe.

SystèmeSystem

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système de caractérisation d’un milieu sous test, pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, le système comportant :Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a system for characterizing a medium under test, for the implementation of the method according to the invention, the system comprising:

  • un réseau de capteurs tomographiques connectés au milieu sous test,a network of tomographic sensors connected to the medium under test,
  • un boîtier de commutation relié aux capteurs, eta switch box connected to the sensors, and
  • une unité de traitement comprenant un circuit intégré configuré pour exécuter un algorithme d’inversion, pour extraire au moins une information de ladite au moins une image tomographique par le biais dudit algorithme d'inversion, et pour déterminer une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu à partir de ladite au moins une information extraite et en utilisant ledit algorithme d’inversion dont au moins un paramètre est modifié en fonction d’au moins une donnée, dite de contrainte, représentative d’au moins une grandeur standard dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu.a processing unit comprising an integrated circuit configured to execute an inversion algorithm, to extract at least one piece of information from said at least one tomographic image by means of said inversion algorithm, and to determine a characteristic quantity of at least one property of said medium from said at least one item of information extracted and using said inversion algorithm of which at least one parameter is modified as a function of at least one datum, called constraint, representative of at least one standard quantity of said medium or medium(s) similar to said medium.

Le système de capteurs selon l’invention est entièrement non invasif, simple à utiliser et fournit des données cibles plus précises et plus fiables.The sensor system according to the invention is completely non-invasive, simple to use and provides more precise and reliable target data.

Le circuit intégré est de préférence configuré pour exécuter un algorithme d’inversion, la ou les données de contrainte étant utilisées comme paramètres dudit algorithme d'inversion pour le traitement de la ou desdites informations.The integrated circuit is preferably configured to execute an inversion algorithm, the constraint data(s) being used as parameters of said inversion algorithm for the processing of said information(s).

De préférence, les capteurs sont des transducteurs électromagnétiques, notamment des antennes à champ très proche.Preferably, the sensors are electromagnetic transducers, in particular very near field antennas.

Les transducteurs peuvent comporter au moins un transmetteur et au moins un récepteur.The transducers may include at least one transmitter and at least one receiver.

Par exemple, si N est le nombre total de transducteurs, n d’entre eux sont dédiés à la transmission, avec 0 < n < N et (n-1) sont dédiés à la réception.For example, if N is the total number of transducers, n of them are dedicated to transmit, with 0 < n < N and (n-1) are dedicated to receive.

Les N transducteurs peuvent fonctionner à l’émission et/ou à la réception. Lorsque l’un d’entre eux est choisi pour l’émission, les (N-1) autres sont en mode récepteur. Ensuite, un deuxième est choisi pour l’émission et le reste sont récepteurs, et ainsi de suite selon une permutation circulaire du rôle des N transducteurs.The N transducers can operate on transmission and/or on reception. When one of them is chosen for transmission, the other (N-1) are in receiver mode. Then, a second is chosen for transmission and the rest are receivers, and so on according to a circular permutation of the role of the N transducers.

De préférence, le boîtier de commutation comporte des commutateurs assurant qu’un même transducteur peut être tantôt transmetteur tantôt récepteur.Preferably, the switch box comprises switches ensuring that the same transducer can be sometimes transmitter sometimes receiver.

L’unité de traitement est préférentiellement configurée pour créer une séquence d’information formée par les images provenant du réseau de capteurs et la ou les données de contrainte, ladite séquence d’information étant utilisée pour la détermination de ladite grandeur caractéristique d’au moins une propriété du milieu.The processing unit is preferably configured to create an information sequence formed by the images coming from the network of sensors and the stress data or data, said information sequence being used for determining said characteristic quantity of at least a property of the medium.

De préférence, le réseau de capteurs est attaché à un support périphérique autour d’une partie du corps, notamment un brassard autour du bras, un bracelet autour du poignet ou une ceinture autour de l’abdomen, que l’utilisateur porte pour surveiller les variations d’un paramètre physiologique de son corps, notamment la glycémie.Preferably, the array of sensors is attached to a peripheral support around a part of the body, in particular an armband around the arm, a bracelet around the wrist or a belt around the abdomen, which the user wears to monitor the variations in a physiological parameter of his body, in particular blood sugar.

Ce brassard a l’avantage d’être confortable à porter et ne nécessite aucune invasion du corps.This armband has the advantage of being comfortable to wear and does not require any invasion of the body.

Dans le cas de la détermination du taux d’un produit polluant dans un milieu d’extraction, en particulier dans un fluide à l’intérieur d’un tuyau, le réseau de capteurs est positionné sur la périphérie interne ou externe du tuyau.In the case of determining the rate of a polluting product in an extraction medium, in particular in a fluid inside a pipe, the network of sensors is positioned on the internal or external periphery of the pipe.

L’unité de traitement peut être configurée pour utiliser des algorithmes dits de d’apprentissage ou de «deep learning», notamment par le biais de réseau(x) de neurones, notamment à convolutions, et/ou de classifieurs, notamment de type séparateur à vaste marge (SVM), de type Softamx ou RBF à noyau gaussien.The processing unit can be configured to use so-called learning or “ deep learning ” algorithms, in particular by means of neural network(s), in particular convolutional, and/or classifiers, in particular of the separator type wide-margin (SVM), Softamx type or RBF with Gaussian kernel.

Produit programProgram product me d’ordinateurcomputer

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un produit programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, de caractérisation d’un milieu, utilisant un algorithme d'inversion, au moins une image tomographique dudit milieu préalablement acquise et au moins une donnée, dite de contrainte, représentative d’au moins une grandeur standard dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu,Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a computer program product for implementing the method according to the invention, for characterizing a medium, using an inversion algorithm, at least one tomographic image of said medium previously acquired and at least one datum, called stress, representative of at least one standard quantity of said medium or of medium(s) similar to said medium,

le produit programme d’ordinateur comportant un support et enregistrées sur ce support des instructions lisibles par un processeur pour que, lorsqu’exécutées, ledit algorithme d'inversion est utilisé pour extraire au moins une information de ladite au moins une image tomographique, et au moins une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu est déterminée à partir de ladite au moins une information extraite et en utilisant ledit algorithme d’inversion dont au moins un paramètre est modifié en fonction de ladite au moins une donnée de contrainte.the computer program product comprising a medium and recorded on this medium processor-readable instructions so that, when executed, said inversion algorithm is used to extract at least one piece of information from said at least one tomographic image, and at least at least one characteristic quantity of at least one property of said medium is determined from said at least one item of information extracted and by using said inversion algorithm of which at least one parameter is modified as a function of said at least one constraint datum.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :The invention may be better understood on reading the detailed description which follows, non-limiting examples of its implementation, and on examining the appended drawing, in which:

la est un schéma bloc illustrant le principe du procédé selon l’invention, there is a block diagram illustrating the principle of the method according to the invention,

la représente de façon schématique un exemple de système de caractérisation d’un milieu sous test selon l’invention, there schematically represents an example of a system for characterizing a medium under test according to the invention,

la illustre schématiquement une vue en perspective latérale d’un milieu sous test homogène, there schematically illustrates a side perspective view of a homogeneous medium under test,

la représente une vue de dessus du milieu sous test de la , there represents a top view of the medium under test of the ,

la illustre schématiquement une vue en perspective latérale d’un milieu sous test non homogène, et there schematically illustrates a side perspective view of an inhomogeneous medium under test, and

la représente une vue de dessus du milieu sous test de la . there represents a top view of the medium under test of the .

Description détailléedetailed description

La illustre un schéma bloc expliquant le principe du procédé selon l’invention.There illustrates a block diagram explaining the principle of the method according to the invention.

Un algorithme d’inversion sous contrainte, utilisé dans la méthode de tomographie du milieu sous test, reçoit en entrée des données de contrainte modifiant les paramètres dudit algorithme, ainsi qu’une image tomographique préalablement acquise dudit milieu.A stress inversion algorithm, used in the tomography method of the medium under test, receives as input stress data modifying the parameters of said algorithm, as well as a previously acquired tomographic image of said medium.

Cette image peut être acquise soit par le même algorithme d’inversion utilisé de manière classique sans aucune contrainte, ou alors par un autre algorithme d’inversion. L’image et les données de contrainte constituent deux contraintes orientant l’algorithme d’inversion vers la détermination d’une grandeur caractéristique cible.This image can be acquired either by the same inversion algorithm used conventionally without any constraint, or by another inversion algorithm. The image and the constraint data constitute two constraints directing the inversion algorithm towards the determination of a target characteristic quantity.

ExempleExample 11

On a représenté schématiquement à la un exemple de système de caractérisation d’un milieu sous test selon l’invention pour la détermination de la glycémie.Schematically represented in an example of a system for characterizing a medium under test according to the invention for determining blood sugar.

Le système 1 comporte un brassard 3 que l’utilisateur porte autour du bras 4, un boîtier de commutation 5 et une unité de traitement 7.
Le brassard 3 comporte un réseau de capteurs tomographiques 2 pour réaliser l’image tomographique de la section du bras 4.
The system 1 comprises an armband 3 that the user wears around the arm 4, a switch box 5 and a processing unit 7.
Armband 3 comprises a network of tomographic sensors 2 to produce the tomographic image of the section of arm 4.

Dans cet exemple, les capteurs 2 sont des transducteurs électromagnétiques, tels que des antennes à champ très proche.In this example, the sensors 2 are electromagnetic transducers, such as very near field antennas.

Ces transducteurs peuvent être des transmetteurs et/ou récepteurs. Le boîtier de commutation 5 auquel sont reliés les capteurs 2 comporte des commutateurs assurant qu’un même transducteur peut être tantôt transmetteur tantôt récepteur.These transducers can be transmitters and/or receivers. The switching box 5 to which the sensors 2 are connected comprises switches ensuring that the same transducer can be sometimes transmitter sometimes receiver.

En outre, les phases de chaque alimentation de chaque transducteur peuvent être adaptées.In addition, the phases of each power supply of each transducer can be adapted.

Un tel transducteur peut comporter une antenne dipôle constituée de deux feuilles de métal séparées par un espace d'alimentation.Such a transducer may include a dipole antenna consisting of two sheets of metal separated by a feed space.

L’unité de traitement 7 est configurée pour créer une séquence d’information formée par les images provenant du réseau de capteurs 2, et des données de contrainte qui peuvent être enregistrées dans une mémoire, non représentée sur la figure, reliée à l’unité de traitement. La séquence d’information est alors utilisée pour modifier les paramètres de l’algorithme d’inversion en vue de la détermination de la glycémie.The processing unit 7 is configured to create an information sequence formed by the images originating from the network of sensors 2, and constraint data which can be recorded in a memory, not shown in the figure, connected to the unit treatment. The information sequence is then used to modify the parameters of the inversion algorithm for blood glucose determination.

L’unité de traitement 7 est de préférence connectée à un ordinateur 9 ayant un écran 8 où les résultats des calculs peuvent être affichés, notamment sous forme de graphe(s).The processing unit 7 is preferably connected to a computer 9 having a screen 8 where the results of the calculations can be displayed, in particular in the form of graph(s).

Pour que le système de capteurs tomographiques fonctionne dans un environnement réel, autour du bras d'un patient dans l’exemple considéré, il doit être équipé d’un circuit intégré, non représenté, pour la génération et la gestion du signal en transmission et en réception. Ce circuit est avantageusement conçu de manière simplifiée autour d'une architecture similaire à celle d'un analyseur de réseau vectoriel miniaturisé et autonome.For the tomographic sensor system to operate in a real environment, around the arm of a patient in the example considered, it must be equipped with an integrated circuit, not shown, for the generation and management of the signal in transmission and in reception. This circuit is advantageously designed in a simplified manner around an architecture similar to that of a miniaturized and autonomous vector network analyzer.

Exemple 2Example 2

Les figures 3a et 3b illustrent schématiquement un milieu sous test homogène, modélisé par un cylindre circulaire de révolution, pouvant être déformé suivant les cas de figure d’application, et pourvu de six antennes sur sa périphérie. La zone sous test 20 à l’intérieur du cylindre est homogène, c’est-à-dire qu’elle est constituée d’un seul matériau. Ce matériau peut être simple ou sous forme de mélange de matériaux miscibles (par exemple de l’eau mélangée à certains alcools comme de l'éthanol) ou inhomogènes (par exemple huile et eau).Figures 3a and 3b schematically illustrate a homogeneous medium under test, modeled by a circular cylinder of revolution, which can be deformed according to the application scenarios, and provided with six antennas on its periphery. The zone under test 20 inside the cylinder is homogeneous, that is to say that it consists of a single material. This material can be simple or in the form of a mixture of miscible materials (for example water mixed with certain alcohols such as ethanol) or inhomogeneous (for example oil and water).

Les signaux mis en œuvre sont des signaux électromagnétiques avec des fréquences comprises entre quelques MHz et quelques GHz.The signals used are electromagnetic signals with frequencies between a few MHz and a few GHz.

Dans cet exemple, les valeurs cibles à déterminer sont des variations de grandeurs électromagnétiques de la zone sous test. Les données de contrainte sont les propriétés des matériaux initiaux ou des vitesses de déplacement de fluide. Un exemple de variation cible d’intérêt est l’apparition dans la zone sous test homogène d’une variation de concentration du mélange initial ou l’apparition d’un matériau extérieur, tel qu’un polluant, dans le matériau initial.In this example, the target values to be determined are variations of electromagnetic quantities of the area under test. Stress data are the properties of the initial materials or fluid displacement velocities. An example of target variation of interest is the appearance in the homogeneous test area of a concentration variation of the initial mixture or the appearance of an external material, such as a pollutant, in the initial material.

Exemple 3Example 3

Les figures 4a et 4b, similaires aux figures 3a et 3b, représentent un milieu sous test hétérogène, dans lequel la zone sous test à l’intérieur du cylindre comprend des matériaux différents. Ceci est modélisé par deux cylindres différents se trouvant à l’intérieur du cylindre initial de façon à avoir trois zones distinctes 21, 22, 23, avec par conséquent trois valeurs différentes de grandeurs diélectriques.Figures 4a and 4b, similar to Figures 3a and 3b, represent a heterogeneous medium under test, in which the area under test inside the cylinder comprises different materials. This is modeled by two different cylinders located inside the initial cylinder so as to have three distinct zones 21, 22, 23, with consequently three different values of dielectric quantities.

Une image ou des images de la zone sous test sont acquises et des valeurs standard connues de grandeurs électromagnétiques des matériaux sont combinées aux images acquises pour contraindre l’algorithme d’inversion. La ou les valeurs cibles à déterminer sont, dans cet exemple, les valeurs des grandeurs électromagnétiques variables au cours du temps.An image or images of the area under test are acquired and known standard values of electromagnetic quantities of materials are combined with the acquired images to constrain the inversion algorithm. The target value(s) to be determined are, in this example, the values of the electromagnetic quantities that vary over time.

À l’état initial, tous les matériaux des trois zones 21, 22, 23 présentent des grandeurs électromagnétiques initiales dites standard, qui constituent les données de contrainte, et qui sont mémorisées pour être utilisées dans le procédé de caractérisation du milieu sous test selon l’invention. Dans le temps, l’un des trois, ou plusieurs de ces matériaux présentent des évolutions de grandeurs électromagnétiques. Le procédé selon l’invention permet de détecter les variations en tenant compte des donnés de contrainte, et de ou des images de la section transversale du milieu sous test.In the initial state, all the materials of the three zones 21, 22, 23 have initial so-called standard electromagnetic quantities, which constitute the stress data, and which are stored to be used in the method for characterizing the environment under test according to the 'invention. Over time, one of the three, or more of these materials show changes in electromagnetic magnitudes. The method according to the invention makes it possible to detect the variations by taking into account the stress data, and image(s) of the cross section of the medium under test.

L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus.The invention is not limited to the embodiments described above.

D’autres données de contrainte peuvent être utilisées, ainsi que d’autres algorithmes et/ou d'autres systèmes antennaires.Other constraint data can be used, as well as other algorithms and/or other antenna systems.

L’invention s’applique de manière générale à la caractérisation et au diagnostic de mélanges liquides et/ou visqueux.The invention applies generally to the characterization and diagnosis of liquid and/or viscous mixtures.

Claims (22)

Procédé de caractérisation d’un milieu, utilisant un algorithme d'inversion, au moins une image tomographique dudit milieu préalablement acquise et au moins une donnée, dite de contrainte, représentative d’au moins une grandeur standard dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu,
procédé dans lequel ledit algorithme d'inversion est utilisé pour extraire au moins une information de ladite au moins une image tomographique, et
au moins une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu est déterminée à partir de ladite au moins une information extraite et en utilisant ledit algorithme d’inversion dont au moins un paramètre est modifié en fonction de ladite au moins une donnée de contrainte.
Method for characterizing a medium, using an inversion algorithm, at least one tomographic image of said medium previously acquired and at least one datum, called stress, representative of at least one standard quantity of said medium or medium(s) similar to said environment,
method in which said inversion algorithm is used to extract at least one piece of information from said at least one tomographic image, and
at least one characteristic quantity of at least one property of said medium is determined from said at least one item of information extracted and by using said inversion algorithm of which at least one parameter is modified as a function of said at least one constraint datum.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit au moins un paramètre de l’algorithme d'inversion est remplacé par ladite au moins une donnée de contrainte.Method according to the preceding claim, in which said at least one parameter of the inversion algorithm is replaced by said at least one constraint datum. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel plusieurs images préalablement acquises sont utilisées pour former une séquence d’information comprenant également la ou les données de contrainte, notamment par concaténation, ladite séquence d’information étant utilisée pour la détermination de ladite au moins une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu, la séquence d’information étant notamment obtenue par un apprentissage« deep learning ».Method according to claim 1 or 2, in which several previously acquired images are used to form an information sequence also comprising the constraint data item(s), in particular by concatenation, said information sequence being used for determining said at least a magnitude characteristic of at least one property of said medium, the information sequence being in particular obtained by deep learning learning. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou les grandeurs standard du milieu sont des cartographies ou des images dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu, ou des valeurs expérimentales associées à ladite au moins une propriété du milieu ou de milieu(x) similaire(s).Method according to any one of the preceding claims, in which the standard quantity(s) of the medium are maps or images of said medium or of medium(s) similar to said medium, or experimental values associated with said at least one property of the medium or similar medium(s). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la propriété du milieu étant une grandeur physico-chimique choisie parmi la concentration, la température, la pression, la viscosité, la vitesse du flux d’un liquide traversant le milieu.Process according to any one of the preceding claims, in which the property of the medium being a physico-chemical quantity chosen from among the concentration, the temperature, the pressure, the viscosity, the speed of flow of a liquid passing through the medium. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grandeur caractéristique est une grandeur électromagnétique telle que la permittivité diélectrique ou la perméabilité magnétique.Method according to one of the preceding claims, in which the characteristic quantity is an electromagnetic quantity such as the dielectric permittivity or the magnetic permeability. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la grandeur caractéristique est un paramètre physiologique.Method according to any one of Claims 1 to 5, in which the characteristic quantity is a physiological parameter. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le paramètre physiologique est la glycémie.Process according to the preceding claim, in which the physiological parameter is blood sugar. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel au moins une information issue de l’image de la section d’un bras et la ou les données de contrainte représentatives de grandeurs diélectriques de tissu(s) sain(s) sont utilisées pour déterminer une valeur de glycémie, l’algorithme d’inversion étant contraint par la ou les données de contrainte pour converger vers la mesure de ladite glycémie.Method according to the preceding claim, in which at least one piece of information from the image of the section of an arm and the stress data representative of dielectric quantities of healthy tissue(s) are used to determine a value of blood sugar, the inversion algorithm being constrained by the constraint data or data to converge towards the measurement of said blood sugar. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le paramètre physiologique est le taux de lactate dans le sang.A method according to claim 7, wherein the physiological parameter is blood lactate level. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel au moins une information issue de l’image de la section d’un bras et la ou les données de contrainte représentatives de grandeurs diélectriques de tissu(s) sain(s) sont utilisées pour déterminer une valeur de lactate, l’algorithme d’inversion étant contraint par la ou les données de contrainte pour converger vers la mesure dudit taux de lactate dans le sang.Method according to the preceding claim, in which at least one piece of information from the image of the section of an arm and the stress data representative of dielectric quantities of healthy tissue(s) are used to determine a value of lactate, the inversion algorithm being constrained by the constraint data or data to converge towards the measurement of said level of lactate in the blood. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la grandeur caractéristique est le taux d’un produit polluant dans un milieu d’extraction, notamment un liquide, un objet ou un sol.Process according to any one of Claims 1 to 6, in which the characteristic quantity is the level of a polluting product in an extraction medium, in particular a liquid, an object or a soil. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ladite au moins une donnée de contrainte est une grandeur diélectrique ou la valeur d’une propriété du milieu d’extraction ou de milieu(x) similaire(s), telle que la température, la pression, ou la vitesse du flux.Method according to the preceding claim, in which the said at least one constraint datum is a dielectric quantity or the value of a property of the extraction medium or of similar medium(s), such as temperature, pressure, or flow velocity. Procédé selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le produit polluant est l’eau et le milieu d’extraction est un hydrocarbure, notamment dans un tuyau.Process according to Claim 12 or 13, in which the polluting product is water and the extraction medium is a hydrocarbon, in particular in a pipe. Système (1) de caractérisation d’un milieu sous test, pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le système comportant :
  • un réseau de capteurs tomographiques (2) connectés au milieu sous test,
  • un boîtier de commutation (5) relié aux capteurs (2), et
  • une unité de traitement comprenant un circuit intégré configuré pour exécuter un algorithme d’inversion, pour extraire au moins une information de ladite au moins une image tomographique par le biais dudit algorithme d'inversion, et pour déterminer une grandeur caractéristique d’au moins une propriété dudit milieu à partir de ladite au moins une information extraite et en utilisant ledit algorithme d’inversion dont au moins un paramètre est modifié en fonction d’au moins une donnée, dite de contrainte, représentative d’au moins une grandeur standard dudit milieu ou de milieu(x) similaire(s) audit milieu.
System (1) for characterizing a medium under test, for implementing the method according to any one of the preceding claims, the system comprising:
  • a network of tomographic sensors (2) connected to the medium under test,
  • a switch box (5) connected to the sensors (2), and
  • a processing unit comprising an integrated circuit configured to execute an inversion algorithm, to extract at least one piece of information from said at least one tomographic image by means of said inversion algorithm, and to determine a characteristic quantity of at least one property of said medium from said at least one item of information extracted and using said inversion algorithm of which at least one parameter is modified as a function of at least one datum, called constraint, representative of at least one standard quantity of said medium or medium(s) similar to said medium.
Système selon la revendication précédente, dans lequel le circuit intégré est configuré pour remplacer ledit au moins un paramètre de l’algorithme d'inversion par ladite au moins une donnée de contrainte.System according to the preceding claim, in which the integrated circuit is configured to replace the said at least one parameter of the inversion algorithm by the said at least one constraint datum. Système selon la revendication 15 ou 16, dans lequel les capteurs (2) sont des transducteurs électromagnétiques, notamment des antennes à champ très proche.System according to Claim 15 or 16, in which the sensors (2) are electromagnetic transducers, in particular very near-field antennas. Système selon la revendication précédente, dans lequel les transducteurs comportent des transmetteurs et/ou des récepteurs.System according to the preceding claim, in which the transducers comprise transmitters and/or receivers. Système selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, dans lequel le boîtier de commutation (5) comporte des commutateurs assurant qu’un même transducteur peut être tantôt transmetteur tantôt récepteur.System according to any one of Claims 15 to 18, in which the switching box (5) comprises switches ensuring that the same transducer can be sometimes a transmitter and sometimes a receiver. Système selon l'une quelconque des revendications 15 à 19, dans lequel l’unité de traitement (7) est configurée pour créer une séquence d’information formée par les images provenant du réseau de capteurs (2) et la ou les données de contrainte, ladite séquence d’information étant utilisée pour la détermination de ladite grandeur caractéristique d’au moins une propriété du milieu.System according to any one of Claims 15 to 19, in which the processing unit (7) is configured to create an information sequence formed by the images originating from the network of sensors (2) and the constraint data or data , said information sequence being used for determining said quantity characteristic of at least one property of the medium. Système selon l'une quelconque des revendications 15 à 20, dans lequel le réseau de capteurs est attaché à un support périphérique autour d’une partie du corps, notamment un brassard (3) épousant la forme du bras, que l’utilisateur porte pour surveiller les variations d’un paramètre physiologique de son corps.System according to any one of claims 15 to 20, in which the network of sensors is attached to a peripheral support around a part of the body, in particular an armband (3) conforming to the shape of the arm, which the user wears to monitor the variations of a physiological parameter of his body. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par un ordinateur pour mettre en œuvre des étapes du procédé tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 14, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.Computer program product comprising program code instructions recorded on a computer-readable medium for carrying out steps of the method as defined in any one of claims 1 to 14, when said program is executed on a computer .
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