Imagen ultrasónica por coherencia de fase

Abstract

La imagen ultrasónica se utiliza habitualmente en el ámbito médico (ecografía) y, más recientemente, en el industrial (Evaluación No Destructiva, END), como una potente herramienta para el diagnóstico. Una imagen ultrasónica clásica representa la amplitud de los ecos producidos por los cambios de impedancia acústica en el material, y por tanto, contiene información sobre la estructura interna del medio inspeccionado. Su mayor desarrollo se ha producido en los últimos 30 años desde la introducción del array formado por un gran número N de elementos transductores de pequeño tamaño que, controlados individualmente en emisión y recepción, permiten modificar las características del haz. El proceso por el cual se combinan las señales emitidas y recibidas por los elementos del array se denomina conformación del haz. Los conformadores convencionales, denominados de retardo y suma, se basan en retrasar las señales emitidas y recibidas para compensar las diferencias en los tiempos de vuelo desde cada elemento del array al foco. Modificando electrónicamente los retardos de focalización, y en consecuencia la posición del foco, se pueden obtener imágenes de alta resolución, a una tasa elevada y sin necesidad de mover el transductor. La calidad de las imágenes obtenidas está determinada por múltiples factores, entre los que destacan: la resolución, el contraste, el rango dinámico, la ausencia de artefactos y la relación señal/ruido. En los últimos años se han propuesto diversas técnicas para mejorar la calidad de las imágenes tratando de superar las limitaciones impuestas por la metodología convencional de retardo y suma. La mayor parte de estas aportaciones se dirigen a mejorar alguno de los factores que determinan la calidad de la imagen aunque, en ciertos casos, también mejoran o empeoran otros. En esta Tesis Doctoral se introduce una nueva modalidad de imagen ultrasónica denominada Imagen por Coherencia de Fase. Se pretende mejorar simultáneamente la resolución, contraste, rango dinámico y relación señal/ruido de los conformadores convencionales, con la supresión de indicaciones de artefactos, lóbulos laterales y de rejilla. El aspecto diferencial del método propuesto radica en que, la fase instantánea de los datos de apertura se utiliza explícitamente para generar una imagen de coherencia, que se forma a partir de estadísticos de dispersión. Analizando la disparidad de las fases de los datos de apertura se obtiene, en cada punto de la imagen, un factor de coherencia con un valor entre 0 y 1 que representa el grado de pertenencia de las señales a ecos procedentes del foco. La imagen de coherencia puede ser utilizada directamente como una nueva modalidad. Su interpretación es diferente a la de una imagen convencional, dado que no representa la reflectividad de las regiones insonificadas. En cambio, en aquellos puntos en los que la imagen de coherencia sea próxima a la unidad, puede considerarse la existencia de un reflector con un alto grado de confianza, independientemente de su reflectividad. En aquellas otras regiones en las que la imagen de coherencia presente valores próximos a cero, es más probable que las señales recibidas sean debidas a lóbulos laterales, de rejilla, reverberaciones o ruido. De este modo, se puede realizar una conformación adaptativa ponderando la imagen convencional con la imagen de coherencia. La primera, proporciona indicaciones que representan la reflectividad del medio, y la segunda las filtra manteniendo únicamente las que, con un elevado grado de confianza, representan reflectores reales. La aplicación de esta metodología resulta en una mejora global en la calidad de la imagen. En la memoria de esta Tesis Doctoral se establecen las bases de la nueva modalidad de Imagen por coherencia de fase. Mediante el análisis en onda continua se desarrollan las expresiones matemáticas que describen el patrón de radiación resultante de la aplicación de los factores de coherencia, y que permiten predecir la mejora en la calidad de las imágenes. El análisis en onda pulsada se aborda mediante simulación numérica, con el objetivo de verificar los resultados obtenidos en onda continua y establecer las limitaciones de la nueva técnica en situaciones reales de aplicación. La validación experimental del método se llevó a cabo mediante probetas diseñadas para evaluar la mejora de cada uno de los factores que afectan la calidad de imagen, en particular, la resolución, el contraste y los artefactos generados por los lóbulos de rejilla, los lóbulos laterales y las reverberaciones. Además, se utilizó una probeta símil de tejido biológico para evaluar la mejora en imágenes médicas, y una probeta de acero austenítico para demostrar la capacidad de reducir el ruido estructural. Finalmente, se proponen diversas arquitecturas para la realización, en tiempo real, de la nueva técnica de formación de imagen. Se analizan los requerimientos para la implementación de los distintos factores de coherencia propuestos y se demuestra la viabilidad de su realización sobre dispositivos de lógica programable.