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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-22072016-152411
Documento
Autor
Nome completo
Timóteo Francisco de Oliveira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Adamowski, Julio Cezar (Presidente)
Alvarez, Nicolás Leonardo Pérez
Eiras, José Antonio
Krüger, Marco Antonio von
Nan, Pai Chi
Título em português
Transdutores de ultrassom multielementos lineares flexíveis com sensor de curvatura para superfícies curvas.
Palavras-chave em português
Imagens de ultrassom
Sensor
Transdutores de ultrassom
Ultrassonografia
Resumo em português
Os equipamentos de imagens por ultrassom com varredura eletrônica usam transdutores que não se moldam à superfície a ser examinada, pois são rígidos. Há transdutores com curvaturas fixas para aplicações específicas. Em aplicações médicas, esse não é um problema na maioria dos casos, pois os tecidos do corpo humano tomam a forma da face do transdutor. Isso não ocorre quando há estruturas ósseas próximas às camadas externas de tecidos moles. Nas aplicações industriais as superfícies são sólidas e, portanto, não se ajustam à superfície do transdutor, sendo necessário uma camada variável de acoplamento acústico. A possibilidade de uso de um transdutor flexível exige que sua curvatura seja conhecida para o direcionamento correto do feixe acústico usado na formação de imagens. Assim sendo, um transdutor multielemento flexível apresentaria a vantagem de poder ser acoplado na superfície curva diretamente, tanto em aplicações médicas quanto industriais. Os transdutores flexíveis relatados na literatura científica não são compactos e dispõe de complicados sistemas de sensoriamento usados na determinação de curvaturas, além de demandar por sofisticados sistemas de aquisição e processamento dos sinais. Este trabalho propõe o desenvolvimento de transdutores multielementos flexíveis compactos para serem acoplados diretamente em superfícies curvas de peças mecânicas ou do corpo humano. Neste trabalho os sensores de curvatura responsáveis pela medição da curvatura foram desenvolvidos segundo os princípios básicos de extensômetria e resistência dos materiais para serem embebidos nas camadas do transdutor flexível de ultrassom. No desenvolvimento, foram fabricadas quatro versões de transdutores, com frequências de 1 e 2,25MHz. Todos os materiais usados na fabricação dos protótipos foram especificados segundo suas propriedades mecânicas e acústicas. Os protótipos fabricados foram caracterizados tendo sido medidas a largura de banda de cada elemento do transdutor, o comprimento e a duração dos pulsos, e uma medida da resolução axial. Para o protótipo de 2,25MHz, uma medida estimada da resolução lateral foi feita pela simulação do campo acústico, considerando o transdutor curvado em uma superfície cilíndrica. Para se testar o desempenho dos protótipos, foram realizados diferentes testes de formação de imagem. A versão de transdutor flexível de 1MHz e sem sensor de curvatura foi curvado sobre um cilindro e imerso em um tanque com água para a realização de testes de formação de imagem usado na detecção de objetos e obstáculos. Para as versões de transdutores médicos com sensor de curvatura, construiu-se duas versões de phantom simulando uma interface óssea cortical densa dentro de um tecido mole humano. O phantom usado para testar o protótipo de 2,25MHz foi concebido por uma amostra de tíbia bovina fraturada embebida dentro de um material com propriedades acústicas muito próximas a da água. Os testes de imagem foram realizados com o transdutor de 2,25MHz curvado sobre a superfície cilíndrica do phantom. As imagens de ultrassom das regiões fraturadas do osso foram detectadas, e uma comparação entre as técnicas de varredura setorial e STA usadas na obtenção das imagens foram feitas. Mostrou-se que é possível fabricar, de uma forma simples, transdutores multielementos flexíveis mais compactos e dotados de sensor de curvatura, e sem a necessidade de se usar tecnologias sofisticadas e caras ou de se valer de sistemas complexos de formação e processamento de sinais. As imagens obtidas pelos protótipos mostraram que os protótipos podem ser usados em diferentes aplicações NDT na indústria. Em especial, o protótipo de 2,25MHz mostrou ainda que tem potencial no uso médico para a obtenção de imagens de fraturas em contornos ósseos mais densos.
Título em inglês
Flexible linear array transducer with curvature sensor for curved surfaces.
Palavras-chave em inglês
Curvature sensor
Ultrasound imaging
Ultrasound transducers
Resumo em inglês
Ultrasound image equipment with electronic scanning considers that transducers cannot take the shape of the surface to be examined because they are rigid. There are transducers with fixed curvatures for specific applications. In medical applications, this is not a serious problem in most cases, since the face of the transducer can be coupled to the soft tissues of the body. This does not occur when there are bone structures close to the external layers of soft tissue. In industrial applications, the surfaces are solid and therefore do not fit to the transducer surface, where a variable layer of acoustic coupling is necessary. The possibility of using a flexible transducer requires its curvature to be known in order to the correct the direction of the acoustic beam which will be used in imaging applications. Thus, a flexible array transducer would have the advantage of being directly coupled to the curved surface in medical and in industrial applications. Flexible ultrasound transducers reported in the scientific literature are not compact, having complex sensing systems used to determine curvature; furthermore, they require sophisticated signal acquisition and processing systems. The development of flexible compact ultrasound linear array transducers to be coupled directly onto curved surfaces of mechanical parts as well of the human body is proposed here. The bend sensors responsible for measuring the curvature were developed according to the basic principles of strain gauge in extensometry and strength of materials to be embedded in the layers of the flexible ultrasound transducer. During this development, four versions of transducers were manufactured, with frequencies of 1 and 2.25MHz. All the materials used in the prototypes manufacturing were selected based on their mechanical and acoustic properties. The manufactured prototypes were characterized in terms of measured parameters, such as the bandwidth of each transducer element, the length and duration of the pulses, and a measure of axial resolution. For the 2.25MHz prototype, the value of the lateral resolution was estimated by simulating the acoustic field considering the transducer curved over a cylindrical surface. In order to test the transducer prototypes, different ultrasound imaging tests were conducted. The 1MHz flexible transducer version without curvature sensor was bent over a cylinder and immersed in a water tank for performing image formation tests used to detect objects and obstacles. For the medical transducers version with curvature sensor, two versions of phantoms were constructed simulating a dense cortical bone interface located inside the soft human tissue. The phantom applied to test the 2.25 MHz prototype consists of a fractured sample of bovine tibia which was embedded within a material having acoustic properties very close to that of the water. Ultrasound imaging tests were performed with the 2.25MHz transducer curved over the cylindrical surface of the phantom. The regions of the fractured bone were detected in the ultrasound images, and a comparison between the STA and sector scanning techniques used for obtaining the images was made. The study showed that it is possible to manufacture flexible and more compact array transducers provided with curvature sensor, without the need of using sophisticated and expensive technologies or taking advantage of complex formation and signal processing systems. The images obtained by the prototypes showed that they can be employed in different NDT applications in the industry. Particularly, the 2.25MHz prototype also showed its potential for medical imaging fractures in dense bone contours.
 
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Data de Publicação
2016-07-25
 
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