A digital twin-driven framework for FMC-TFM ultrasonic imaging through fluid-solid interfaces: simulation, delay law computation, synthetic image reconstruction and FWHM-based evaluation (2025)
- Authors:
- Autor USP: RABELO, ALEXANDRE - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PMR
- Subjects: IMAGEM; ULTRASSOM; ULTRASSONOGRAFIA
- Language: Inglês
- Abstract: Este trabalho apresenta uma estrutura de simulação orientada por gêmeo digital para inspeção ultrassônica com arranjos de fase através de interfaces planas fluido–sólido, integrando as técnicas de Captura da Matriz Completa (FMC) e o Método de Focalização Total (TFM). O objetivo principal foi estabelecer um ambiente computacional reprodutível para modelar a propagação de ondas, calcular leis de atraso baseadas na lei de Snell e avaliar quantitativamente os limites de resolução de imagem. A metodologia envolveu a implementação de uma arquitetura modular em Python baseada na teoria de sistemas lineares de Schmerr, incorporando traçado de raios analítico para meios multicamadas e um conjunto de avaliação comparativa para sete estimadores de Largura à Meia Altura (FWHM). Experimentos numéricos foram conduzidos em diversas configurações de arranjos, esquemas de apodização e modos de onda (longitudinal e cisalhante) para investigar o impacto da discretização espacial e da quantização de atrasos. Os resultados validaram a ”Hipótese de Fidelidade do Gêmeo Digital”, confirmando que a estrutura replica com precisão fenômenos físicos como refração, conversão de modo e o deslocamento focal induzido por difração. Especificamente, testes de verificação de alta resolução alcançaram erros de FWHM tão baixos quanto (0,1%) em relação ao limite teórico de difração. Um achado crítico foi a identificação de um fenômeno de ”colapso focal” em cenários de alto contraste de velocidade (ondas cisalhantes água-aço), onde a zona de interferência construtiva é fisicamente comprimida contra a interface, tornando a focalização profunda impossível, independentemente da precisão do atraso. Além disso, a análise quantificou o compromisso entre a nitidez do lóbulo principal e a supressão dos lóbulos laterais sob diferentes janelas deapodização, demonstrando que estimadores de FWHM baseados em definição (especificamente NEMA e Interpolação Linear) oferecem robustez superior em reconstruções TFM ruidosas, enquanto métricas estatísticas falharam devido à integração dos lóbulos laterais de difração. Esta pesquisa contribui com uma ferramenta rigorosa para o projeto e otimização de sistemas de arranjos de fase, permitindo o desacoplamento de artefatos numéricos dos limites físicos fundamentais na imagem ultrassônica.
- Imprenta:
- Data da defesa: 17.11.2025
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ABNT
RABELO, Alexandre. A digital twin-driven framework for FMC-TFM ultrasonic imaging through fluid-solid interfaces: simulation, delay law computation, synthetic image reconstruction and FWHM-based evaluation. 2025. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2025. . Acesso em: 11 abr. 2026. -
APA
Rabelo, A. (2025). A digital twin-driven framework for FMC-TFM ultrasonic imaging through fluid-solid interfaces: simulation, delay law computation, synthetic image reconstruction and FWHM-based evaluation (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Paulo. -
NLM
Rabelo A. A digital twin-driven framework for FMC-TFM ultrasonic imaging through fluid-solid interfaces: simulation, delay law computation, synthetic image reconstruction and FWHM-based evaluation. 2025 ;[citado 2026 abr. 11 ] -
Vancouver
Rabelo A. A digital twin-driven framework for FMC-TFM ultrasonic imaging through fluid-solid interfaces: simulation, delay law computation, synthetic image reconstruction and FWHM-based evaluation. 2025 ;[citado 2026 abr. 11 ]
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