Técnicas de apertura sintética multielemento en arrays dispersos bidimensionales para la obtención de imagen ultrasónica en tiempo real

La importancia de la imagen 3D ultrasónica viene determinada por la capacidad que tiene esta técnica de ofrecer imagen volumétrica del interior de cuerpos opacos. Su uso es muy valorado en aplicaciones diagnósticas tanto para medicina como para la industria (Evaluación No Destructiva). La calidad que pueden ofrecen estos sistemas es muy alta y esta ligada al tamaño de su apertura y a la densidad de sensores dentro de las misma. Para el caso de las aperturas matriciales, que es el tipo de distribución imperante por disponer de un modelo de análisis formal muy compacto y estructurado,

la densidad mínima es de cuatro elementos por longitud de onda cuadrada de superficie. Lo que en aperturas grandes, aptas para imagen de alta resolución, puede significar decenas de miles de elementos. En este sentido, la labor investigadora en este campo se centra en dos aspectos: por un lado en reducir la complejidad de este tipo de sistemas, cuyo alto coste compromete fuertemente la capacidad de penetración social así como limita su rango de aplicaciones; y por otro lado en desarrollar nuevas técnicas de análisis de datos que exploten la alta redundancia que esta red de sensores ofrece para mejorar la calidad de la imagen.

El interés de este proyecto se basa en desarrollar soluciones que permitan reducir la complejidad y el volumen de los sistemas de imagen 3D, y para ello se analiza la implementación de técnicas de apertura sintética (AS) basadas en aperturas no matriciales. Las técnicas de AS se basan en capturar de forma independiente las señales de cada par de emisor-receptor, y a partir del análisis del peso de cada señal en la imagen permiten establecer un compromiso entre calidad, velocidad de imagen y el volumen de recursos necesarios. Las distribuciones circulares o espirales debido a su bajo índice de solapamiento permiten niveles de dispersión mucho mayores con una densidad de elementos menor que los arrays matriciales. Pero a pesar de esta ventaja, carecen de un marco teórico que permita su análisis de cara a la optimización del compromiso a tres banda que la AS ofrece.

En este proyecto ha desarrollado un marco teórico para estudiar el proceso de conformación de haz en aperturas no matriciales. Este resultado permite analizar como se organiza la redundancia en estas aperturas y construir herramientas para la búsqueda de soluciones óptimas para el diseño de sistemas de apertura sintética. Manteniendo las características esenciales de la apertura, los objetivos de diseño han sido: reducción del número de señales implicadas en el proceso de conformación de imagen, la reducción del número de disparos y la reducción de los canales de recepción.

Objetivos

• Generación de nuevas herramientas para la evaluación no destructiva.
• Acelerar el proceso de generación de imagen en sistemas de imagen volumétrica para alcanzar el tiempo real.
• Reducción de recursos en sistemas de imagen volumétrica.
• Desarrollar un sistema de imagen ultrasónica para imagen volumétrica.

Publicaciones

• D. Romero; O. Martínez-Graullera; C. J. Martín; Luis G. Ullate. Técnicas GPGPU para acelerar el modelado de sistemas ultrasónicos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial. 2012. vol 9 pp. 282 – 289. 2012. http://dx.doi.org/10.1016/j.riai.2012.05.002

• D. Romero; O. Martínez-Graullera; C. J. Martín; M.Pérez; Luis G. Ullate. Paralelización de los procesos de conformación de haz para imagen ultrasónica con técnicas GPGPU. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial. 2012. vol 9 pp. 144 – 151. 2012. doi:10.1016/j.riai.2012.02.002

• Julio Adamowski; Oscar Martínez Graullera; Cláudio Kitano; Ricardo Higuti; Vander Teixeira Prado. Lamb mode diversity imaging for non-destructive testing of plate-like structures. NDT&E International. 59, pp. 86 - 95. http://dx.doi.org/10.1016/j.ndteint.2013.06.001

• Vander Teixeira Prado; Ricardo Tokio Higuti; Cláudio Kitano; Óscar Martínez-Graullera. Instantaneous Phase Threshold for Reflector Detection in Ultrasonic Images. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 - 7, pp. 1204 - 1215. IEEE, 01/07/2014. DOI : 10.1109/TUFFC.2014.3019

• Carlos J. Martín-Arguedas; David Romero-Laorden; Oscar Martínez-Graullera; Manuel Pérez-López; Luis Gómez-Ullate. An ultrasonic imaging system based on a new SAFT approach and a GPU beamformer. IEEE Trans on UFFC. Volume: 59 , Issue: 7 pp. 1402 – 1412. 2012. DOI: 10.1109/TUFFC.2012.2341

• Carlos J. Martín-Arguedas; Oscar Martínez-Graullera; David Romero-Laorden; Manuel Pérez-López; Luis Gómez-Ullate. Method and architecture to accelerate multi-element synthetic aperture imaging. Digital Signal Processing. Elsevier. 23, pp. 1288 - 1295. 2013. ISSN: 1051-2004. doi:10.1016/j.dsp.2013.02.014

• Sparse Arrays and Image Compounding Techniques for Non-Destructive Testing Using Guided Acoustic Waves. Vander Teixeira Prado · Ricardo Tokio Higuti · Cláudio Kitano · Óscar Martínez-Graullera . 2013 J Control Autom Electr Syst . DOI 10.1007/s40313-013-0029-y

Congresos

• D. Romero-Laorden; O. Martínez- Graullera; C.J. Martín-Arguedas; M. Pérez-López; L. Gómez-Ullate. Técnicas GPGPU para acelerar el modelado de sistemas acústicos. 42nd Spanish National Congress on Acoustics - Iberian Encounter on Acoustics. ISSN: 2173-6634
• J. Villazón-Terrazas, A. Ibáñez, David Romero-Laorden, M. Parrilla. A FAST ACOUSTIC FIELD SIMULATOR. 43nd Spanish National Congress on Acoustics - VII Iberian Encounter on Acoustics - VIII Iberoamerican Acoustics Congress. ISSN: 2173-6634
• J. Villazón-Terrazas, A. Ibáñez, David Romero-Laorden, M. Parrilla. Ultrasonic array desing for a 3D imaging. 43nd Spanish National Congress on Acoustics - VII Iberian Encounter on Acoustics - VIII Iberoamerican Acoustics Congress. ISSN: 2173-6634
• C.J. Martín‐Arguedas, D. Romero‐Laorden, O. Martínez‐Graullera, M. Pérez‐López, L. Gómez‐Ullate. Estrategias de apertura sintética basadas en el coarray para la generación de imagen ultrasónica. 12 Congreso Nacional de END. “Actas del 12 Congreso Español de Ensayos No Destructivos". pp. 541 - 550. ISBN 978-84-8363-704-3
• C.J. Martín-Arguedas, O. Martínez-Graullera, D. Romero-Laorden, M.Pérez-López, L. Gómez-Ullate. Improvement of synthetic aperture techniques by means of the coarray analysis. International Congress on Ultrasonics. 2011. AIP Conf. Proc. 1433, 189 (2012); http://dx.doi.org/10.1063/1.3703168
• Oscar Martínez-Graullera; David Romero-Laorden; Javier Villazón Terrazas; Jordi Glez-Llinas. Synthetic aperture imaging techniques for 2D spiral sparse arrays. 43nd Spanish National Congress on Acoustics - VII Iberian Encounter on Acoustics - VIII Iberoamerican Acoustics Congress. ISSN: 2173-6634
• D. Romero-Laorden; O. Martínez- Graullera; C.J. Martín-Arguedas; Pérez-López;L. Gómez-Ullate. Paralelización de los procesos SAFT de conformación de haz mediante GPGPU. 42nd Spanish National Congress on Acoustics - Iberian Encounter on Acoustics. ISSN: 2173-6634
• D. Romero-Laorden, O.Martínez-Graullera, C.J.Martín-Arguedas, M.Pérez, L.G.Ullate. Paralelización de los procesos de conformación de haz para la implementación del total focusing. 12 Congreso Nacional de END. "Actas del 12 Congreso Español de Ensayos No Destructivos". pp. 531 - 540. ISBN 978-84-8363-704-3
• Oscar Martínez-Graullera, David Romero-Laorden, Carlos J. Martín-Arguedas, Alberto Ibañez, Luis G. Ullate. A New Beamforming Process Based on the Phase Dispersion Analysis. International Congress on Ultrasonics. 2011. AIP Conf. Proc. 1433, 185 (2012); http://dx.doi.org/10.1063/1.3703167
• O. Martínez-Graullera; D. Romero-Laorden; Alberto Ibañez; L. Gómez-Ullate.A new beamformer based on phase dispersion to improve 2D sparse array response. 7th Sensor Array and Multichannel Signal Processing workshop. Hoboken, EEUU.
• DOI: 10.1109/SAM.2012.6250532
• D. Romero-Laorden; O. Martínez-Graullera; A. Ibáñez; and L. Gómez-Ullate. Beamforming method based on phase dispersion Fourier analysis to improve dynamic range in SAFT images. UCIP 2012 International Symposium on Ultrasound in the Control of Industrial Processes. Madrid, Spain. doi:10.1088/1757-899X/42/1/012009
• Vander Texieira Prado; Ricardo Tokio Higuti; Claudio Kitano; Oscar Martínez-Graullera; Juilio Cezar Adamowski. Technique to combine images produced by different propagation modes of guided waves for damage detection and contrast imporvement in plate-like structures 2012 IEEE Ultrasonic Symposium Dresden, Germany. DOI: 10.1109/ULTSYM.2012.0360
• Vander Teixeira Prado; Ricardo Tokio Higuti; Claudio Kitano; silvio Cesar García Granja; Oscar Martínez Graullera. The use of instantaneous phase for improving saft images. 2013 International Congress on Ultrasonics (ICU 2013) City: Singapore, Malaysia. ISBN: 978-981-07-5938-4
• Oscar Martínez Graullera; Caludio Kitano; Ricardo Tokio Higuti; Vander Prado. The use of instantaneous phase for improving sparse arrays images 2013 IEEE Ultrasonic Symposium City: Prague, Czech Republic. DOI: 10.1109/ULTSYM.2013.0250
• D. Romero-laorden, O. Martínez-Graullera; C.J. Martín-Arguedas; Montserrat Parrilla-Romero. Application of Golay codes to improve SNR in coarray based synthetic aperture imaging systems. 7th Sensor Array and Multichannel Signal Processing workshop. Hoboken, EEUU.
• DOI: 10.1109/SAM.2012.6250501
• David Romero-Laorden; Javier Villazón-Terrazas; Jordi Glez-Llinas; Oscar Martínez-Graullera. Integration of Golay pulse compression in a Synthetic Aperture Imaging System based on a minimum redundancy coarray. 43nd Spanish National Congress on Acoustics - VII Iberian Encounter on Acoustics - VIII Iberoamerican Acoustics Congress. ISSN: 2173-6634
• Martínez-Graullera, Oscar; Alberto Ibáñez; Javier Villazón-Terrazas; David Romero-Laorden; Montserrat Parrilla; Luis G. Ullate. Diseño e implementación de un sistema de imagen ultrasónica 3D. 44 Congreso español de acústica. Iberian Meeting On Acoustics. EAA European Symposium On Environmental Acoustics And Noise Mapping City: Valladolid, Castile and León, Spain. ISSN: 2340-7441

Capítulo de libro

David Romero; Javier Villazón; Oscar Martínez-Graullera; Alberto Ibañez. Strategies for hardware reduction on the design of portable ultrasound imaging systems. Advancements and breakthroughs in ultrasound imaging. pp. 243 - 268. Intech. G.P.P. Gunarathne, 2013.

Tesis doctorales

Vander Teixeira Prado. Directores: Ricardo Tokio Higuti, Oscar Martinez-Graullera. Título: Ultrasonic non-destructive testing of plate-like structures using piezoelectric array transducers. Organismo: Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Campus de Ilha Solteira (Brasil)