INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1

Imágenes Ultrasónicas con Transductor Piezoeléctrico de Película
Gruesa

Gwirc, S. (i); Rigotti, J. (ii); Federico, A. (i);Acquaticci, F. (i)

(i)INTI-Electrónica e Informática
(ii)Pasante Universidad de La Matanza
Introducción
El desarrollo tecnológico en la manufactura de
transductores de ultrasonido, como en este caso
particular los PZT de película gruesa
desarrollados en el Centro de Electrónica e
Informática, permite adquirir imágenes del
cuerpo humano con bastante resolución, lo que
es muy apreciado en medicina, específicamente
en diagnóstico por imágenes. Sin embargo, el
uso de estos transductores puede ir mas allá del
campo de la salud, encontrando aplicaciones en
el estudio de otros materiales empleados en la
industria. El objetivo de este trabajo es, en
primera instancia, desarrollar un sistema que
permita reproducir la estructura interna de un
material a través de imágenes virtuales bi-
dimensionales utilizando ultrasonido, pero
también demostrar y calibrar la capacidad de los
transductores de película gruesa desarrollados
en el laboratorio para reproducir imágenes de
estructuras internas de distintos materiales.

Descripción Experimental
Mediante un transductor de ultrasonido de
película gruesa, acoplado a un sistema mecánico
de barrido que le permite recorrer una franja de
la muestra que se desea visualizar, podemos
tomar muestras de cada punto de la superficie
del material con una resolución de hasta 300µm.
Esta información es luego procesada en forma
digital y se genera una imagen que reproduce la
estructura interna del material bajo estudio.
Debido a que el programa debe realizar
funciones de control, procesamiento matemático
de la señal y generación de la imagen se decidió
emplear para este cometido un programa con el
que se puedan implementar todas estas
funciones en forma eficiente y en relativamente
poco tiempo como “Matlab”.

El sistema está compuesto básicamente por:
— Mesa de movimiento X-Y de alta precisión.
— Placa conversora A/D de 12 bits de 50MS/s
conectada al Bus PCI de una PC.
— Generador de pulsos para excitar el
transductor.
— Acondicionador y filtro de pulsos de alta
tensión para la placa conversora.
— Transductor de Ultrasonido.
— Software que controla el barrido mecánico y
la digitalización, adquiriendo las muestras,
procesándolas y generando las imágenes.

El programa de aplicación es el encargado de
controlar el posicionamiento de la mesa X-Y (ver
Fig. 2) de modo que el transductor pueda
recorrer toda la superficie del material bajo
ensayo. Una vez que el transductor queda
posicionado, el controlador genera un pulso que
dispara al generador de pulsos excitando al
transductor, el cual transforma los pulsos
eléctricos en ondas mecánicas de 4 MHz
aproximadamente. Estas ondas de ultrasonido
viajan a través del material hasta que se
produzca un cambio en la densidad acústica que
ocasiona la reflexión de la onda, regresando
nuevamente al transductor. Entonces este
transformará la reflexión en pulsos eléctricos,
los cuales son llevados a través del
acondicionador, que adapta los niveles eléctricos
para que la señal pueda ser digitalizada en la
placa A/D. Finalmente la señal muestreada es
almacenada en una variable y luego procesada
para determinar la distancia recorrida por la
onda. Repitiendo este proceso a lo largo de la
superficie del material, podemos observar una
sección del interior del mismo y reproducirlo
mediante una imagen bi-dimensional.

Diagrama de Bloques:
Para una mejor comprensión del sistema, nos
referimos al siguiente diagrama de bloques, en
el se pueden observar los elementos que lo
constituyen y sus interconexiones:

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Transductor
Ultrasonido
Material bajo
ensayo
Mesa X-Y

Principio de Funcionamiento: La mesa
X-Y posee una superficie móvil capaz de
desplazarse en dos direcciones gracias a su
sistema mecánico manejado por dos
motores paso a paso; la base, que es fija,
forma parte del resto de la estructura.
Sobre la superficie de la mesa se coloca el
material que se desea ensayar.
Por otro lado tenemos el transductor de
ultrasonido, el cual se sujeta a la
estructura anterior mediante un sistema
mecánico, dejándole solo un grado de
libertad en sentido vertical para poder
ajustarlo sobre la superficie del material.
Mediante el sistema de posicionamiento
que controla la mesa ubicamos el
transductor sobre un punto del material, a
partir del cual se realizará el barrido
mecánico para obtener una muestra de
cada punto (Fig. 3).
Limitado por la máxima resolución de la mesa, la
distancia entre puntos consecutivos debe ser
mayor o igual a 300 micrones, magnitud que se
define en el programa de aplicación. El controlador
de los motores (Velmex NF-90) genera una
secuencia de pulsos para excitar cada motor paso
a paso, a partir de las instrucciones recibidas por el
puerto serie de una computadora. De esta manera,
una vez posicionado el transductor e indicado al
programa el área que se desea ensayar, el
controlador recibe las instrucciones, encargándose
por si solo del barrido mecánico.
Una vez que el transductor queda
debidamente posicionado, el controlador
envía un pulso de +5V al amplificador, el
cual excitará al transductor transformando
los pulsos eléctricos en ondas mecánicas
de ultrasonido. Estas ondas viajan a través
del material hasta que encuentran una

Fig. 1: Diagrama en bloques del sistema de medición.

Fig. 2: Mesa de trabajo motorizada.

Fig. 3: Estructura mecánica de barrido.

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diferencia de densidades, produciendo una
reflexión, cambiando la dirección y
regresando nuevamente al transductor.
Entonces transformará la onda reflejada en
pulsos eléctricos, los cuales son llevados a
través de un acondicionador de señal, que
adaptará los niveles eléctricos para que la
muestra pueda ser digitalizada.
Resultados
La muestra es almacenada en una variable
y luego procesada para determinar la
distancia recorrida por la onda. Para ello,
contamos con una señal de sincronismo que
nos indica el instante en que la onda de
ultrasonido se generó. Luego, tomando el
tiempo hasta el primer máximo de la curva
o el de su envolvente, obtenemos el tiempo
empleado para recorrer dos veces la
distancia desde la superficie hasta el punto
donde se produjo la reflexión. Conociendo
la velocidad de propagación en el material,
podemos calcular la distancia recorrida.
Tomando la amplitud en cada punto de la
señal reflejada como parámetro de la
densidad acústica del medio, se asigna un
tono dentro de una escala de grises en
función de ella. Repitiendo este proceso a lo
largo de la superficie de todo el material,
podemos reproducir la estructura interior
de una sección del mismo mediante una
imagen bi-dimensional. En la Figura 4
podemos observar la forma de onda
generada por el transductor y reflejada en
un blanco plano.
El sistema se reealizó utilizando una mesa
X-Y, marca Velmex, modelo MAXY4009
comandada por dos motores paso a paso
unipolares que se encuentran adosados a la
misma. Los motores están conectados a un
equipo controlador de motores paso a paso
modelo: NF90, y este ultimo a una PC a
través de una conexión RS-232. De esta
manera el programa transfiere en algunas
líneas de código el patrón que debe seguir.
Las mediciones preliminares para conocer la
precisión y linealidad de la mesa dan que el
comportamiento óptimo se obtiene por
encima de los 200 pasos, equivalente a 300
µm, y en consecuencia para conseguir un
barrido mecánico parejo debemos tomar
muestras a esa distancia mínima.
La placa digitalizadora de dos canales de
entrada es marca Gage modelo Compu
Scope 1250, capaz de tomar muestras de
12 bits a una velocidad máxima de 50 MS/s
(Mega Samples por segundo). La misma
posee un conector tipo Bus PCI para su
conexión a una computadora, y en la parte
exterior posee 4 conectores tipo BNC los
cuales cumplen las siguientes funciones:
CH A: Terminal de medición para adquirir
datos a través del canal A.
CH B: Terminal de medición para adquirir
datos a través del canal B.
External TRIGGER: Admite la entrada de
una señal analógica/digital, para ser usada
como fuente de disparo (trigger) externo.
External CLOCK: Es usado como entrada
de reloj externa.
Al tener esta placa dos canales de entrada, se
agrega la posibilidad de realizar dos barridos en
paralelo utilizando transductores independientes.
Conclusiones
El sistema de barrido y adquisición responde bien a
los requerimientos necesarios para obtener
imágenes de ultrasonido, pero se deben realizar
más mediciones para lograr mejoras en la
resolución del barrido. Actualmente se realizan
ensayos para verificar su comportamiento en la
calidad de las imágenes obtenidas. Este sistema
también es útil para el ensayo de otros
transductores que requieran un sistema de
barrido. El mecanismo para comunicar la placa de
adquisición fue bastante dificultoso debido a la
falta de las herramientas que proporciona el
fabricante, pero el proceso desarrollado para la
comunicación es general y posibilita su uso con
otras placas similares.
Para mayor información contactarse con:
Sergio N. Gwirc – sng@inti.gov.ar


Fig. 4: Señal recibida en el transductor.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-6
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
T iempo (segundos)
A
m
pl
itu
d
n
o
rm
a
liz
a
da
A
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Pulso Transductor