ES2594808B1 - Procedimiento de obtención de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de torsión - Google Patents

Procedimiento de obtención de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de torsión Download PDF

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Abstract

Procedimiento de obtención de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de torsión.#La presente invención se refiere a un procedimiento o modo de operación, en adelante que, utilizando de un dispositivo capaz de emitir y recibir ondas sónicas y/o ultrasónicas de torsión, permite obtener datos relativos a la consistencia o elasticidad de medios sólidos cuasi-incompresibles, preferentemente tejidos biológicos o quasifluidos, a partir de la separación de parámetros no lineales.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de obtencion de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de torsion
SECTOR DE LA TECNICA
La presente invencion se enmarca en el campo del analisis de materiales, en particular entre los procedimientos de analisis que emplean el procesado de senal.
Concretamente, la invencion esta relacionada con los procedimientos que permiten obtener datos relacionados con la elasticidad de materiales.
ESTADO DE LA TECNICA
Las ondas de torsion son una distribucion espacial de ondas transversales que se propagan a lo largo de un eje en las que se produce un movimiento de partlculas a lo largo de una circunferencia con centro en dicho eje, de forma que la amplitud del movimiento en el plano de generacion es proporcional a la distancia al eje dentro del diametro del transductor.
Estas ondas se propagan a traves de medios solidos y semisolidos, pero no a traves de llquidos perfectos, por lo que la medicion de la velocidad del sonido en este tipo de medios puede ser de gran utilidad para estudiar sus caracterlsticas estructurales.
Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determ inado tipo de energla de entrada, en otra de diferente a la salida. Entre estos dispositivos se encuentran los transductores electromecanicos, que transform an energla electrica en mecanica en forma de desplazamientos acoplados elasticamente con tensiones, de forma bidireccional.
Los transductores ultrasonicos emiten y reciben ondas sonicas y/o ultrasonicas permitiendo, a partir de mecanica de solidos, identificar cambios de consistencia en tejidos que podrfan indicar la presencia de tumores, cuantificar cambios mecanicos o ffsicos en el tejido puede anticipar ciertas patologfas antes que otras tecnicas de diagnosis. Ademas el modo de operacion del sensor de torsion para la obtencion de parametros no lineales describe y desglosa en terminos ffsicos dando un valor relacionado con el modo en el que se deforman las fibras y la matriz en la que estan embebidas.
Los materiales cuasi-compresibles (tejidos blandos y geles), cuyo coeficiente de Poisson es aproximadamente 0.5, tienen la dificultad de que el modulo de compresibilidad y el modulo de cizalla son diferentes. En estos materiales se propagan tipos de ondas P y S, con magnitudes diferentes, y se generan ondas P espurias que predominan y enmascaran a las ondas S, no permitiendo a los dispositivos comerciales leer las ondas S, que son las que proporcionan informacion sobre el modulo de cizalla. En el caso de ser utilizado el modo de operacion como como diagnostico diferenciando tejido sano y tejido patologico a nivel de fibras tisulares y sus matrices de soporte no presenta efectos ionizantes como otros medios de diagnostico tales como los rayos X.
La propagacion de las ondas de torsion viene correlacionada mediante las ecuaciones de propagacion de ondas elasticas con el modulo de cizalla, mientras que las longitudinales, con el modulo de compresibilidad. En tejidos blandos, los parametros de no linealidad varfa en varios ordenes de magnitud, con lo que, utilizando transductores ultrasonicos basados en ondas de torsion no lineales, puede conseguirse una sensibilidad muy superior a la obtenida con transductores ultrasonicos basados en ondas P y S.
Hasta la invencion del dispositivo, no son conocidos generadores de ondas a torsion no lineales, pero el origen de dispositivos para la obtencion de parametros no lineales a partir de ondas P y S es la tesis de Muir 2009 One-Sided Ultrasonic Determination of Third Order Elastic
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Constants using Angle-Beam Acoustoelasticity Measurements. La principal limitacion de esta tecnica es que los transductores de ondas P se propagan en angulo para que por conversion de modos se genere una onda S cuyos parametros no lineales se analizan. Trasladar este metodo al campo de tejidos y quasifluidos es sumamente complicado y es casi imposible extrapolarlo a ensayos in-vivo. Hasta el momento solo se ha estudiado en metales o materiales homogeneos.
Tambien se conocen tecnicas como las descritas en [Cristian Pantea, Curtis F Osterhoudt, and Dipen N Sinha. Determination of acoustical nonlinear parameter p of water using the finite amplitude method. Ultrasonics, 53(5): 1012-1019, 2013] o [Pham Chi Vinh and Jose Merodio. On acoustoelasticity and the elastic constants of soft biological tissues. Journal of Mechanics of Materials and Structures, 8(5):359-367, 2013] utiles para obtener parametros de medir no linealidad acustica en agua mediante mezcla de ondas y medir no linealidad en tejido mediante DAET Acustoelasticidad dinamica en tejido respectivamente. Estas tecnicas no son faciles de extrapolar como metodo de diagnostico debido a la dificultad experimental y a que nunca se han separado con anterioridad los parametros no lineales depend iendo de su origen ffsico y biologico.
Es por tanto necesario un procedimiento para la obtencion de datos sobre la elasticidad o consistencia de materiales que permita diferenciar entre la parte volumetrica (relacionada con las deformaciones debido a esfuerzos de traccion y compresion) y la parte desviadora (relacionada con las deformaciones debido a esfuerzos de cizalla) de la muestra estudiada. OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion hace referencia a un procedimiento o modo de operacion, en adelante “procedimiento de la invencion” que, utilizando de un dispositivo capaz de emitir y recibir ondas sonicas y/o ultrasonicas de torsion, permite obtener datos relativos a la consistencia o elasticidad de medios solidos cuasi-incompresibles (con coeficiente de Poisson cercano a 0.5), preferentemente tejidos biologicos o quasifluidos, a partir de la separacion de parametros no lineales.
En particular, el procedimiento de la invencion permite identificar los cambios de consistencia o elasticidad de la muestra analizada en funcion del comportamiento del modulo de cizalla de la misma, a traves del analisis de las ondas de torsion propagadas a traves del material y recibidas por el dispositivo de la invencion.
El procedimiento de la invencion emplea un procedimiento de generacion y medida de ultrasonidos mediante el uso no convencional de ondas de corte y/o superficie en lugar de ondas longitudinales, ya que son varios ordenes de magnitud mas sensibles a las variaciones de la microestructura del material relevante, estrechamente relacionadas con los parametros no lineales del material.
Con el procedimiento de la invencion se mejora la tecnica actual, haciendo posible diferenciar entre la parte volumetrica (relacionada con las deformaciones debido a esfuerzos de traccion y compresion) y la parte desviadora (relacionada con las deformaciones debido a esfuerzos de cizalla) de la muestra estudiada para poder determ inar sus caracterlsticas de elasticidad o consistencia.
La utilizacion de ondas sonicas o ultrasonicas no lineales como magnitud ffsica presenta otras ventajas fundamentales. En primer lugar, es una onda mecanica controlable y por lo tanto mas sensible a las propiedades mecanicas que cualquier otra medida indirecta. En segundo lugar, la onda se genera en un regimen de baja energla, que es mas sensible a las variaciones en la los parametros no lineales de tejidos que las generadas a alta energla.
Tambien es objeto de la invencion un sistema, en adelante “sistema de la invencion”, que comprende los medios necesarios para llevar a cabo el procedimiento de la invencion.
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Otro objeto de la invencion es un program a de ordenador que comprende instrucciones para hacer que un ordenador lleve a cabo el procedimiento de la invencion. Tambien son objeto de la invencion es un medio de almacenamiento legible por un ordenador que comprende instrucciones de programa capaces de hacer que un ordenador lleve a cabo el procedimiento de la invencion y una senal transmisible que comprende instrucciones de programa capaces de hacer que un ordenador lleve a cabo el procedimiento de la invencion.
A modo de ejemplo, empleando el procedimiento de la invencion se pueden obtener parametros utiles para identificar, a partir de mecanica de solidos, cambios en los de parametros no lineales que definen cambios el comportamiento y estado de los materiales que se manifiestan a traves cambios en sus parametros elasticos, que a su vez gobiernan la propagacion de ondas que los atraviesan.
A traves del analisis de estos cambios en los parametros elasticos, se puede la presencia y tipologla de tumores y cualquier trastorno que se manifiesten en forma de cambios en dichos parametros elasticos.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Representacion de la medida sobre una superficie de tejido, en este caso el propio dedo del operador. En la parte superior esta la senal recibida en el dominio del tiempo y la ventana temporal seleccionada, indicada con trazo discontinuo. En la parte inferior muestra el espectro de frecuencia de la senal seleccionada mediante transformada de Fourier, donde se cuantifican los valores de fundamental (valor para la frecuencia de excitacion) y armonicos (multiplos de la anterior).
Figura 2.- Representacion de un sistema que permite llevar a cabo el procedimiento de la invencion.
Figura 3.- Representacion esquematica del dispositivo emisor y receptor de ondas de torsion en el que (1) representa el elemento de contacto, (2) el actuador electromagnetico, (4a) y (4b) los anillos anterior y posterior, (5) los elementos piezoelectricos, (7) la carcasa que contiene todos los elementos, (8) el elemento atenuador y (e’) el eje del receptor y el emisor.
Figura 4.- Representacion de la medida de un material de tipo quasifluido, en este caso silicona. La senal se obtenida esta situada en la parte superior junto con la ventana temporal seleccionada, indicada con trazo discontinuo. En la parte inferior del grafico se muestra el espectro de frecuencias de los armonicos fundamental y segundo, imprescindibles para el calculo del parametro de no linealidad acustico clasico.
Figura 5.- Representacion de la medida de un tejido, en este caso tejido conectivo. La senal se obtenida y la ventana temporal seleccionada, indicada con trazo discontinuo. estan situadas en la parte superior y en la parte inferior del grafico el espectro de frecuencias de los armonicos fundamental y segundo imprescindibles para el calculo del parametro de no linealidad acustico clasico.
Figura 6.- Representacion de la medida de un tejido, en este caso tejido blando de hfgado de pollo, empleando una energla de excitacion de 10 V. La senal se obtenida y la ventana temporal seleccionada, indicada con trazo discontinuo, estan situada en la parte superior y en la parte inferior del grafico el espectro de frecuencias de los armonicos fundamental y segundo imprescindibles para el calculo del parametro de no linealidad acustico clasico.
EXPLICACION DE LA INVENCION
Definiciones:
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A lo largo de la presente invencion, se entendera por “tren de ondas” a un conjunto de dos o mas ciclos de ondas senoidales iguales. Es decir, para emitir un tren de ondas se emitiran dos o mas ciclos de la misma onda senoidal.
Por “selection de una ventana temporal” de una onda determinada por > o}, se
define la seleccion de un intervalo del dominio temporal de la onda cuya imagen o
funcion de onda, /([tctj) comprenda uno o mas ciclos completos.
A lo largo de la presente descripcion entenderemos como “especimen” al material o muestra de material, preferentemente tejido, cultivo tisular o cultivo celular, por el que se hacen pasar las ondas emitidas por el transductor para conocer sus caracterlsticas estructurales (parametros elasticos, viscoelasticos, de geometrla microestructural, porosa, o modelos de disipacion energetica, entre otros).
Se entendera como “actuador electromecanico” a un dispositivo capaz de transformar energla electrica en un movimiento, particularmente un movimiento de rotacion. En una realizacion particular, adecuada para esta invencion, el actuador electromecanico es estimulado con una senal electrica generada por un generador de pulsos electricos y es capaz de transformar esa senal en una fraccion de giro minima, que servira para generar la onda que se analiza posteriormente. Un ejemplo de este tipo de actuadores puede consistir en un motor electromagnetico.
Se entendera por “senal electrica’’ a una magnitud electrica cuyo valor depende del tiempo. A los efectos de la presente invencion, se consideraran las magnitudes constantes como casos particulares de senales electricas.
Notacion decimal: En este documento se utiliza el slmbolo “.” como separador decimal. Procedimiento de la invencion
El primer objeto de la presente invencion es un procedimiento (“procedimiento de la invention’) para la obtencion de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de torsion que comprende los siguientes pasos:
- Emision de un tren de ondas de torsion sobre un especimen.
- Seleccion de una ventana temporal de la onda recibida, procedente de la reflexion sobre el especimen.
- Calculo de la transformada de Fourier de la funcion onda determ inada por la seleccion de ventana temporal anterior.
- Extraccion de las amplitudes del armonico fundamental, a, y al menos uno de los armonicos desegundo orden, ib, u orden superior.
- Calculo de uno o mas parametros de no linealidad a partir de las amplitudes extraldas de los armonicos.
A modo ilustrativo, en la Figura 1 se puede observar una representacion de la medida sobre dedo del operador. En la parte superior se muestra esta la senal recibida, tras la emision de un tren de ondas de torsion, en el dominio del tiempo, convertida a unidades de presion acustica (kPa) y la ventana temporal seleccionada, indicada con trazo discontinuo, que recoge un dominio temporal correspondiente a 5 ciclos de la senal. En la parte inferior se muestra el espectro de frecuencia de la senal seleccionada mediante transformada de Fourier, donde se cuantifican los valores de fundamental (valor para la frecuencia de excitacion) y armonicos (multiplos de la anterior) en unidades de presion acustica.
Los parametros de no linealidad, como la no linealidad constitutiva ft, o o parametros de no linealidad mecanica clasicos como las TOECs (del ingles “third order elastic constants”, o constantes elasticas de tercer orden) u otros, son parametros relacionados con la elasticidad
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de los materiales y sirven, por ejemplo, de marcador para diagnostico de procesos y patologlas en tejidos blandos.
El procedimiento de la invencion emplea ondas de torsion no lineales a varias frecuencias, cuya velocidad de propagacion depende directamente del modulo de cizalla, principal indicador de consistencia de tejidos blandos. La utilizacion de ondas de torsion ofrece mayor sensibilidad en la deteccion de irregularidades en la consistencia de los tejidos y tiene la ventaja de eliminar practicamente en su totalidad ondas de compresion que contaminan la senal por sus complejos modos de propagacion.
La principal ventaja que ofrece el procedimiento de la invencion es la obtencion de parametros de no linealidad, que permiten caracterizar los materiales utilizando parametros de no linealidad constitutiva y/o mecanica, cuya resolucion es de entre tres y seis ordenes superior a los parametros clasicos lineales, ofreciendo una vision a nivel microestructural de la aparicion de patologlas o cambios de estado en su histologia, en el caso de tejidos, o de microarquitectura, en el caso de materiales inertes, lo que se traduce en una deteccion precisa y temprana de cambios relevantes potencialmente patologicos en el material.
A continuacion se describen con mas detalle cada una de las caracterlsticas del procedimiento de la invencion y distintas alternativas que dan lugar a realizaciones particulares de dicho procedimiento:
Emision de un tren de ondas de torsion sobre un especimen
En una realizacion particular, el tren de ondas emitido consta de entre 2 y 80 ciclos, preferentemente entre 3 y 10 ciclos.
Preferentemente, la energla de excitacion empleada para generar el tren de ondas, en terminos de amplitud maxima de la anterior senoidal, esta comprendida entre 0.1V y 20V, preferentemente entre 2 y 10V, y la frecuencia de la excitacion senoidal esta en el rango entre 100Hz y 100kHz, preferentemente entre 500Hz y 5kHz,
Obtener esta energla de excitacion a la hora de generar ondas de torsion no es sencillo, por lo que, de forma preferente, se emplea un dispositivo emisor de ondas de torsion que comprende un actuador electromecanico como se describira mas adelante.
Seleccion de la ventana temporal
La seleccion de una ventana temporal de la onda recibida, procedente de la reflexion sobre el especimen, debe ocupar un numero entero de ciclos para evitar que su transformada de Fourier contenga artefactos, entendiendo como “artefacto” a aquellas energias significativas a frecuencias diferentes a la fundamental de excitacion y sus multiplos o armonicos. Preferentemente si C es el numero total de ciclos que presenta la onda reflejada, se selecciona una ventana temporal consistente en el dominio con una longitud asociada a un numero natural c, c < c, de ciclos de la onda, comenzando en un instante de la fraccion transitoria del primer ciclo. De forma particular, en la mitad del primer ciclo.
La determinacion del instante en el que comienza la ventana temporal responde a heuristicas determinadas por el tipo de material a analizar. No obstante, en otra realizacion mas particular, la ventana temporal comienza en un instante de la fraccion transitoria del primer ciclo y asociado un numero de ciclos comprendido entre C -2 y C, donde C es el numero total de ciclos que presenta la onda reflejada. Es decir, la ventana temporal comienza en un instante posterior al comienzo de los ciclos de onda recibidos y esta asociada un numero de ciclos comprendido entre c-2 y c, donde c es el numero total de ciclos que presenta la onda reflejada, excluyendo las componentes significativamente transitorias.
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De forma general, cuando mayor sea la seleccion de la ventana temporal, es decir, cuanto mayor sea el numero de ciclos asociados al dominio seleccionado, mayor sera la resolucion con la que se puede analizar la senal registrada.
Calculo de los parametros de no linealidad
Con el uso del procedimiento de la invencion es posible estudiar el comportamiento y estado del tejido en funcion tanto de parametros de no linealidad constitutiva clasica (analizando las relaciones que existen entre el armonico fundamental y los armonicos de orden mayor o igual a dos) como/?, o<?, o parametros de no linealidad mecanica clasicos como las TOECs (del ingles “third order elastic constants”, o constantes elasticas de tercer orden) u otros.
En una realizacion particular, una vez calculada la transformada de Fourier sobre la ventana temporal seleccionada y extrafdas las amplitudes de los armonicos, los parametros de elasticidad o no linealidad constitutiva, se pueden calcular mediante la formula:
o =
Donde x es la distancia mas corta entre emisor y receptor, y n es el orden del armonico analizado.
Repeticion del procedimiento para minimizar el ruido.
En otra realizacion particular, los parametros de elasticidad del especimen se obtienen repitiendo r veces, siendo r > 2 , el procedimiento de la invencion empleando trenes de ondas identicos con una separacion temporal T > 0 entre la emision de cada tren de ondas y calculando la media de los parametros de no linealidad calculados.
De forma preferente, la separacion temporal, r, es mayor o igual a 5 veces la duracion del tren de ondas emitido.
Con este promedio de reduce el ruido de forma considerable, mientras que la separacion temporal evita el sobrecalentamiento del emisor.
Dispositivos adecuados para llevar a cabo el procedimiento
De forma preferente, las ondas de torsion emitidas deben tener una magnitud de senal magnitud de senal elevada, preferentemente superior a 2mV, mas preferentemente superior o igual a 5mV, por lo que el tren de ondas se emitira con un dispositivo emisor de ondas sonicas y ultrasonicas de torsion que comprende un generador de senales electricas conectado a un actuador electromecanico que a su vez esta unido al elemento de contacto, de forma que cuando el actuador recibe senales electricas, induce un movimiento de rotacion al elemento de contacto y este, al entrar en contacto con el especimen, induce una onda de torsion que atraviesa dicho especimen.
Como generador de senales electricas se puede emplear cualquier circuito electronico que digital ice las senales electricas a las frecuencias deseadas. Otro ejemplo de generador de senales electricas puede ser un osciloscopio, ya que permite emitir una senal electrica con un voltaje variable a lo largo de un tiempo determinado.
En una realizacion preferente, la senal electrica empleada para estimular el actuador electromecanico es una senal oscilatoria, mas preferentemente una senal sinusoidal y aun mas preferentemente una senal senoidal, en los ciclos reivindicados en "duty cycle” o ciclo de trabajo entre 1% y 20% preferiblemente 5% para evitar el sobrecalentamiento del dispositivo.
De forma preferente, el actuador electromecanico que comprende el emisor esta recubierto por una jaula de Faraday que elimina el ruido electronico. Concretamente, el actuador
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electromecanico esta envuelto con un recubrimiento conductor que actua como una jaula de Faraday.
Sistema de la Invencion
Tambien es objeto de la invencion un sistema que comprende los medios necesarios para llevar a cabo el procedimiento de la invencion.
En particular, el sistema comprende medios para la emision de ondas de torsion, medios para la recepcion de ondas de torsion y un procesador adecuado ejecutar instrucciones que permitan llevar a cabo el procedimiento de la invencion.
De forma mas particular, el sistema (Figura 2) comprende un dispositivo emisor que esta conectado, a traves de un amplificador, a un generador de ondas controlado por un ordenador mediante un conversor analogico/digital; y un dispositivo receptor de ondas de torsion que envfa la senal recibida a un conversor analogico/digital, el cual envfa una senal digital al ordenador que la procesa de acuerdo con el procedimiento de la invencion.
Implementacion del procedimiento de la invencion
Un cuarto objeto de la invencion es un program a de ordenador que comprende instrucciones para hacer que un ordenador, conectado a los medios que conform an el sistema de la invencion, lleve a cabo el procedimiento de la invencion.
La invencion abarca programas de ordenador que pueden estar en forma de codigo fuente, de codigo objeto o en un codigo intermedio entre codigo fuente y codigo objeto, tal como en forma parcialmente compilada, o en cualquier otra forma adecuada para usar en la implementacion de los procesos de acuerdo con la invencion. En particular, los programas de ordenador tambien abarcan aplicaciones en la nube que implementen el procedimiento de la invencion.
Estos programas pueden estar dispuestos sobre o dentro de un soporte apto para su lectura, en adelante, "medio portador” o "portador”. El medio portador puede ser cualquier entidad o dispositivo capaz de portar el programa. Cuando el programa va incorporado en una senal que puede ser transportada directamente por un cable u otro dispositivo o medio, el medio portador puede estar constituido por dicho cable u otro dispositivo o medio. Como variante, el medio portador podrfa ser un circuito integrado en el que va incluido el programa, estando el circuito integrado adaptado para ejecutar, o para ser utilizado en la ejecucion de, los procesos correspondientes.
A modo de ejemplo, los programas podrfan estar incorporados en un medio de almacenamiento, como una memoria ROM, una memoria CD ROM o una memoria ROM de semiconductor, una memoria USB, o un soporte de grabacion magnetica, por ejemplo, un disco flexible o un disco duro. Alternativamente, los programas podrfan estar soportados en una senal portadora transmisible. Por ejemplo, podrfa tratarse de una senal electrica u optica que podrfa transportarse a traves de cable electrico u optico, por radio o por cualesquiera otros medios.
En este sentido, otro objeto de la invencion es un medio de almacenamiento legible por un ordenador que comprende instrucciones de programa capaces de hacer que un ordenador lleve a cabo el procedimiento de la invencion.
Finalmente, un ultimo objeto de la invencion se refiere a una senal transmisible que comprende instrucciones de programa capaces de hacer que un ordenador lleve a cabo el procedimiento de la invencion.
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MODO DE REALIZACION
Se propone, de forma no excluyente, la realizacion del procedimiento de la inve para obtencion de datos sobre la elasticidad de distintos materiales, entre ellos tejidos.
Para llevar a cabo el procedimiento de la invencion se ha utilizado un sistema (Figura 2) consistente en un dispositivo para la emision y recepcion de ondas de torsion controlado por un ordenador que ejecuta instrucciones para llevar a cabo el procedimiento.
Concretamente, el emisor de esta conectado, a traves de un amplificador, a un generador de ondas controlado por el ordenador mediante un conversor analogico/digital. Por su parte, el receptor envfa la serial recibida al conversor analogico/digital y es recibida por el ordenador que procesa la serial recibida de acuerdo con el procedimiento de la invencion.
A su vez, el dispositivo para la emision y recepcion de ondas de torsion (Figura 3) comprende:
• Un elemento de contacto (1) fabricado en PLA, con forma troncoconica, cuya base mayor entra en contacto con el especimen y su base menor esta fijada al eje del actuador electromecanico.
• Un actuador electromecanico (2) consistente en un motor miniaturizado de 4 mm de diametro, fijado al extremo posterior (base menor) del elemento de contacto.
• Un osciloscopio conectado al actuador electromecanico de forma que transmite una serial electrica que el actuador transforma en movimiento de rotacion que el elemento de contacto convierte en onda de corte al entrar en contacto con el especimen.
• Una lamina de aluminio, dispuesta formando un recubrimiento del actuador electromecanico y de sus elementos conductores, y conectado al cable de negativos del actuador electromecanico, de forma que actua como jaula de Faraday.
• Un receptor form ado por:
o Un primer anillo (4a) fabricado en material plastico, preferentemente PLA de 17 mm de diametro exterior, 13 mm de diametro interior y 5mm de espesor.
o Un segundo anillo (4b) fabricado en material plastico preferentemente PLA de 17 mm de diametro exterior, 13 mm de diametro interior y 5 mm de espesor, colocado de manera paralela al primer anillo.
o Un recubrimiento conductor situado en las caras interiores de cada anillo, de forma que esta en contacto con los electrodos y que funciona como electrodo
o 4 elementos piezoelectricos (5) fabricados de ceramica piezoelectrica PZT-4 o PZT-5, con dimensiones 1.5x15x2.5 mm, fijados a los anillos. Estos elementos piezoelectricos estan polarizados en la direccion circunferencial, en paralelo a los anillos, mientras que electrodos estan ubicados en la union entre los elementos piezoelectricos y la cara interior de los anillos.
Y en el que la union de los elementos piezoelectricos y de cableado a los electrodos
se realiza con resina de plata conductora.
• Una carcasa (7) adaptada al dispositivo de diagnostico, fabricada en PLA que asegura la funcionalidad del dispositivo con sus correspondientes elementos atenuadores (8) y manteniendo la disposicion relativa entre el emisor y el receptor de forma que sus ejes de rotacion (e’) coincidan y la parte anterior del elemento de contacto y la parte exterior del disco anterior permanezcan en el mismo piano.
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Por motivos higienicos, el dispositivo se recubre con una membrana de latex adaptada a la forma del dispositivo. El uso del latex garantiza la disipacion de la onda que viaja a traves de ella con una involucion adaptada entre el emisor y el receptor.
Empleando el dispositivo anterior se ha analizado la elasticidad de una muestra de silicona, una muestra de tejido conectivo y una muestra de tejido de hfgado de pollo, ejecutando, mediante instrucciones interpretadas por el ordenador, el procedimiento de la invencion con las siguientes caracterfsticas:
- A traves del emisor, se emite un tren de ondas generadas con energlas de 5 V y 10V, y una frecuencia de 800 Hz, sobre el especimen.
- Se captura la onda reflejada con el receptor y se selecciona una ventana temporal de la senal recibida (figuras 3, 4 y 5) que recoge la fraccion temporal de la forma de onda cuando es cfclica, en el sentido de que los componentes transitorios son despreciables.
- Se calcula la transform ada de Fourier para convertir la funcion seleccionada en la ventana temporal al dominio de la frecuencia
- Se cuantifica la amplitud del segundo armonico (b), asf como del fundamental (a), y se calcula la no linealidad constitutiva, jS, mediante la formula P = /(~^~), donde
x es la distancia mas corta entre emisor y receptor, en este caso 2.3mm, y n es el orden del armonico analizado, en este caso, 2.
El procedimiento de la invencion se llevo a cabo emitiendo ondas de torsion a distintas energlas sobre muestras de silicona (Figura 4), tejido conectivo (Figura 5) e hfgado de pollo (Figura 6).
El tren de ondas empleado fue una onda senoidal repetida 6 ciclos que se emitio con una energfa de excitacion de 5 y 10 V, y con una frecuencia de la excitacion senoidal de 800 Hz.
La seleccion de la ventana temporal se realizo comenzando en la mitad (50%) del primer ciclo, y se seleccion el dominio asociado a 5 ciclos de la onda recibida (c=5).
El procedimiento se repitio cfclicamente 50 veces (r=50)con una separacion temporal, T, de 80 milisegundos durante la cual la excitacion fue nula (0V) con objeto de realizar el promediado de las 50 medidas y asf reducir el ruido.
Los resultados obtenidos tras el ensayo se muestran en la Tabla 1.
Tipo de muestra
Energla (V) Frecuencia (Hz) P (kg/m3) Cs (m/s) Z P (KPa) £T
Silicona
5 800 1100 13.2 13200 0.16 -400 ± 3
Tejido conectivo
5 800 1000 90 90000 8.1 -8000 ± 0
Tejido de higado
5 800 1000 4 4000 0.016 -88 ± 20
Silicona
10 800 1100 13.2 13200 0.16 -400 ± 3
Tejido conectivo
10 800 1000 90 90000 8.1 -8000 ± 0
Tejido de higado
10 800 1000 4 4000 0.016 -88 ± 20
Tabla 1.- Resultados obtenidos con la aplicacion del procedimiento sobre distintas muestras. La energfa de la onda emitida es funcion del voltaje (V) con el que se excita el emisor, la frecuencia (Hz) es la frecuencia de la onda emitida, p es la densidad de cada uno de los 5 materiales, Cs es la velocidad de propagacion de las ondas S dentro de cada uno de los materiales, Z es el coeficiente de transmision de ondas S de cada material, p es el modulo de cizalla de los distintos materiales y es el coeficiente de no linealidad ultrasonica clasica de primer orden transversal obtenido tras la realizacion del procedimiento de la invencion.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Procedimiento para la obtencion de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de torsion que comprende los siguientes pasos:
    - Emision de un tren de ondas sonicas o ultrasonicas de torsion sobre un especimen.
    - Seleccion de una ventana temporal de la onda recibida, procedente de la reflexion sobre el especimen.
    - Calculo de la Transformada de Fourier de la funcion onda determinada por la seleccion de ventana temporal anterior.
    - Extraccion de las amplitudes del armonico fundamental, a, y de al menos uno de los armonicos desegundo orden, fr, u orden superior.
    - Calculo de uno o mas parametros de no linealidad a partir de las amplitudes extraldas de los armonicos.
  2. 2. - Procedimiento segun reivindicacion anterior caracterizado por que el tren de ondas emitido consta de entre 2 y 80 ciclos, preferentemente entre 3 y 10 ciclos.
  3. 3. - Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que las ondas de torsion emitidas tienen una magnitud de senal magnitud de senal superior a 2mV, mas preferentemente superior o igual a 5mV.
  4. 4. - Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la energla de excitacion empleada para generar el tren de ondas, en terminos de amplitud maxima de la anterior senoidal, esta comprendida entre 0.1V y 20V, preferentemente entre 2 y 10 V.
  5. 5. - Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la frecuencia de la excitacion senoidal esta en el rango entre 100Hz y 100kHz, preferentemente entre 500 Hz y 5kHz,
  6. 6. - Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la ventana temporal comienza en un instante posterior al comienzo de los ciclos de onda recibidos y esta asociada un numero de ciclos comprendido entre c -2 y c, donde c es el numero total de ciclos que presenta la onda reflejada, excluyendo las componentes significativamente transitorias.
  7. 7. - Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que una vez calculada la transformada de Fourier sobre la ventana temporal seleccionada y extraldas las amplitudes del armonico fundamental, a, y de al menos uno de los armonicos de segundo orden, fr, u orden superior, los parametros de elasticidad o no linealidad constitutiva, se calculan mediante la formula:
    o k -
    Donde x es la distancia mas corta entre emisor y receptor, y n es el orden del armonico analizado.
  8. 8. - Procedimiento para obtener parametros de elasticidad de un especimen que repite al menos dos veces el procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores empleando trenes de ondas identicos con una separacion temporal, T > 0, entre la emision de cada tren de ondas y calculando la media de los parametros de no linealidad calculados.
  9. 9. - Procedimiento segun reivindicacion anterior caracterizado porque la separacion temporal, T, es mayor o igual a 5 veces la duracion del tren de ondas emitido.
  10. 10. - Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el tren de ondas se emite con un dispositivo emisor de ondas sonicas y/o ultrasonicas de torsion que comprende un generador de senales electricas conectado a un actuador electromecanico que a su vez esta unido al elemento de contacto, de forma que cuando el actuador recibe
    5 senales electricas, induce un movimiento de rotacion al elemento de contacto y este, al entrar en contacto con el especimen, induce una onda de torsion que atraviesa dicho especimen.
  11. 11. - Procedimiento segun reivindicacion anterior caracterizado porque la senal electrica empleada para estimular el actuador electromecanico es una senal en los ciclos reivindicados en "duty cycle” o ciclo de trabajo entre 1% y 20% preferiblemente 5%.
    10 12.- Sistema para la obtencion de datos sobre la elasticidad de materiales empleando ondas de
    torsion que comprende medios para la emision de ondas de torsion, medios para la recepcion de ondas de torsion y un procesador adecuado ejecutar instrucciones que permitan llevar a cabo el procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  12. 13.- Sistema segun reivindicacion anterior que comprende un dispositivo emisor que esta
    15 conectado, a traves de un amplificador, a un generador de ondas controlado por un ordenador mediante un conversor analogico/digital; y un dispositivo receptor de ondas de torsion que envla la senal recibida a un conversor analogico/digital, el cual envla una senal digital al ordenador que la procesa de acuerdo con el procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
    20 14.- Programa de ordenador que comprende instrucciones para hacer que un ordenador lleve a
    cabo el procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
  13. 15.- Medio de almacenamiento legible por un ordenador que comprende instrucciones de programa capaces de hacer que un ordenador lleve a cabo el procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
    25 16.- Senal transmisible que comprende instrucciones de programa capaces de hacer que un
    ordenador lleve a cabo el procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
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