[FPI2019] Autoenfoque en Imagen Ultrasónica Tridimensional

La imagen ultrasónica es la técnica de diagnóstico más extendida en medicina (ecografía) y una de las herramientas más utilizadas para la evaluación no destructiva de materiales y componentes. En el sector industrial, se utiliza para encontrar defectos de fabricación o en servicio de forma rápida y no invasiva.

Un buen ejemplo de la importancia de esta técnica es el sector aeronáutico, donde el 100% de los componentes estructurales deben ser inspeccionados antes de entrar en servicio. Existe, por tanto, una importante demanda de nuevos sistemas de inspección, más rápidos, precisos y fiables.

El desarrollo de sistemas ultrasónicos involucra diversas disciplinas: física (propagación de ondas), transductores, procesamiento de señal, electrónica, robótica y software. Es un campo exigente y atractivo, tanto a nivel académico como empresarial, con una gran variedad de aplicaciones: medicina, aeronáutica, automoción, industria naval, ferrocarril, generación de energía, industria alimentaria, etc.

EL PROYECTO

Con este proyecto buscamos responder la siguiente pregunta: ¿Es posible desarrollar sistemas de imagen ultrasónica tridimensional auto-enfocada?

A diferencia de la imagen óptica donde el auto-enfoque es una técnica convencional, obtener una imagen ultrasónica enfocada no es trivial. Un transductor ultrasónico está formado por centenares de pequeños elementos, para los que hay que conocer con precisión el tiempo de vuelo del sonido a cada píxel de la imagen (leyes focales). Para ello hace falta conocer las características del medio (geometría, velocidad de propagación, etc.) y en la mayoría de los casos industriales son necesarios cálculos iterativos complejos.

Siguiendo con el ejemplo aeronáutico: Un robot recorre a gran velocidad el ala de un avión portando un transductor ultrasónico con el que generar imágenes de su interior. Para conseguir una imagen enfocada hay que conocer con precisión la geometría de la pieza en cada momento y la posición exacta del transductor, lo cual, en grandes componentes con tolerancias de fabricación, no es posible. La alternativa es que sea el propio sistema de ultrasonidos quien detecte la geometría de la pieza, calcule las leyes focales y reprograme la electrónica de adquisición (auto-enfoque), todo ello en tiempo real y a una tasa elevada para no limitar la velocidad del robot.

Nuestro grupo ha resuelto este problema para imagen 2D, combinando algoritmos que simplifican el cálculo de los retardos con una electrónica de altas prestaciones [1-7], pero no es suficiente. La industria demanda sistemas automáticos de imagen ultrasónica tridimensional (3D) que se adapten a la geometría de la pieza en todas las direcciones, y ese es el objetivo del proyecto: Generar una tecnología de imagen ultrasónica 3D auto-enfocada en tiempo real para aplicaciones industriales.

METODOLOGÍA

1. Investigar en nuevos métodos y algoritmos para imagen ultrasónica 3D. Se trata de generalizar los resultados anteriores del grupo para imagen 2D e investigar en nuevas formas de generar imagen 3D que permitan el enfoque automático en tiempo real.

2. Validar los algoritmos desarrollados mediante experimentos con piezas de referencia y componentes reales.

3. Implementar los métodos de imagen desarrollados en un hardware dedicado para operar en tiempo real, que servirá como demostrador para la transferencia a la industria de los resultados del proyecto.

NUESTRO GRUPO

El Grupo de Sistemas y Tecnologías Ultrasónicas (GSTU) del CSIC está formado en la actualidad por 8 investigadores, un equipo multi-disciplinar con experiencia en diversas disciplinas relacionadas con los ultrasonidos: física de propagación de ondas, materiales y transductores, métodos de formación de imagen, electrónica analógica y digital, software y procesamiento de señal y mecánica y robótica.

De 2000 a 2018, el GSTU se financió con 60 Proyectos y 77 contratos, y generó 30 patentes y 300 artículos (170, en 2008-12) en revistas SCI y libros con ISBN. El grupo transfiere activamente tecnologías y resultados a la industria y creó 2 empresas spin-off (EBT). En los últimos 10 años ha dirigido 7 tesis de doctorado y 3 tesis de maestría.

EL CONTRATO

Las ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores tienen como objetivo principal incrementar la cantidad y la calidad de los nuevos doctores, a través de la realización de sus tesis doctorales en el marco de los mejores proyectos de investigación de grupos de investigación con solvencia científica y académica pertenecientes a universidades, organismos públicos de investigación y otros centros de investigación.

Cada ayuda tiene una duración de cuatro años y se instrumenta a través de la modalidad contractual de contrato predoctoral. Asimismo, en el marco de estas ayudas se incluye una dotación adicional que financia, por un lado, la realización de estancias por parte del personal investigador en formación, en centros de I+D diferentes a los que estén adscritos, con el fin de que dicho personal pueda realizar actividades beneficiosas para mejorar su formación e impulsar el desarrollo de su tesis y, por otro lado, los gastos de matrícula derivados de las enseñanzas de doctorado.
REFERENCIAS

[1] J. F. Cruza; J. Camacho; R. Mateos; C. Fritsch. A new beamforming method and hardware architecture for real time two way dynamic depth focusing. Ultrasonics. 99, Elsevier, 07/2019, JCR Q1.
[2] J. Brizuela; J. Camacho; G. Cosarinsky; J.M. Iriarte; J.F. Cruza. Improving elevation resolution in phased-array inspections for NDT. NDT & E International. 101, pp. 1 - 16. Elsevier, 10/2018, JCR Q1.
[3] J.F. Cruza; J. Camacho. Total focusing method with virtual sources in the presence of unknown geometry interfaces. IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 63 - 10, pp. 1581 - 1592. IEEE, 07/2016. JCR Q1.
[4] J. Camacho; J.F. Cruza. Auto-focused Virtual Source Imaging with arbitrarily shaped interfaces. IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 62 - 11, pp. 1944 - 1956. JCR Q1.
[5] J.F. Cruza; J. Camacho; J. M. Moreno; C. Fritsch. Ultrafast hardware-based focal law calculator for automatic focusing. Ndt & e International. 74, pp. 1 - 7. 09/2015. JCR Q1.
[6] J. Camacho; J.F. Cruza; J. Brizuela; C. Fritsch. AUTOMATIC DYNAMIC DEPTH FOCUSING FOR NDT. IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 61 - 4, pp. 673 - 684, 01/2014, JCR Q1.
[7] J.F. Cruza; J. Camacho; L. Serrano-Iribarnegaray; C. Fritsch. NEW METHOD FOR REAL-TIME DYNAMIC FOCUSING THROUGH INTERFACES. IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 60 - 4, pp. 739 - 751, 4/2013, JCR Q2.