Analysis of acoustic reflections for the detection of obstructions in liquid-filled tubes

Abstract

Detection and estimation of obstructions located in liquid-filled tubes is a major concern that ranges from oil industries to medical applications. In the medical devices field, the obstruction detection and estimation could be used in catheters, infusion pumps, etc. Acoustic reflections produced by obstructions of different type, size and positions along water-filled tubes made of PVC, copper and vinyl were analyzed, in order to extract their acoustic signatures that identifies each obstruction along the water-filled tubes. The acoustic propagation becomes complex since the tubes are water-filled, resulting in many propagation modes traveling at different velocities, which are frequency dependent. To overcome the complex reflection analysis, the reflections envelope and spectrogram time-axis projection features were extracted and stored in a database for each obstruction type, size and position. The extracted features of unknown obstructions reflection were compared with the features database using the Euclidean distance formula to estimate the obstruction type, size and position. For the water-filled PVC tube, the obstruction position was estimated with an accuracy of 78.8% and error of 0.93 ± 0.59cm (mean ± STD) using the signal envelope. The obstruction size was estimated with 74.4% of accuracy with an error of - 1.78 ± 3.98%, and the obstruction type with an accuracy of 71.5% using the time-axis projection. For the water-filled copper tube, the obstruction position was estimated with an accuracy of 85.3% and error of 0.19 ± 2.04cm, the obstruction size with accuracy of 93.0% and error of -0.10 ± 3.44%, and the obstruction type with accuracy of 99.2%, all using the signal envelope. In the water-filled vinyl tube, the obstruction position was estimated with an accuracy of 85.2% and error of 0.02 ± 0.86cm, the obstruction size with accuracy of 90.3% and error of -0.22 ± 3.71%, and the obstruction type with accuracy of 99.1%, all using the signal envelope.

La detección y estimación de obstrucciones localizadas en tubos llenos de líquido es una gran preocupación que cubre desde las industrias de petróleo hasta aplicaciones médicas. En el área de la medicina la detección y estimación de obstrucciones se podría utilizar, por ejemplo, en catéteres, bombas de infusión, etc. Reflexiones acústicas producidas por obstrucciones de diferentes materiales, tamaño y posición a lo largo de tubos de PVC, cobre y vinil llenos de agua fueron analizadas, con el fin de extraer su huella acústica que identifica cada una de las obstrucciones a lo largo de los tubos. La propagación acústica en tubos llenos de agua se vuelve compleja, ya que hay diferentes modos de propagación viajando a distintas velocidades las cuales son dependientes de frecuencia. Dado a la complejidad de las reflexiones se extrajo y almacenó la proyección del eje de tiempo del espectrograma y la envoltura para cada tipo de obstrucción, tamaño y posición en cada tubo. Estas características se extrajeron de reflexiones causadas por obstrucciones desconocidas para ser comparadas usando la fórmula de distancia Euclidiana con la base de datos anteriormente creada, y así poder estimar el tipo de obstrucción, su tamaño y posición. La estimación de posición en el tubo lleno de agua de PVC se logró con una exactitud de 78.8% y un error de 0.93 ± 0.59cm (promedio ± SD) usando la envoltura de la señal. La estimación de tamaño se obtuvo con una exactitud de 74.4% y un error de -1.78 ± 3.98% (promedio ± SD), y la estimación de tipo de obstrucción con una exactitud de 71.5% usando la proyección del eje de tiempo. En el tubo de cobre la estimación de posición de las obstrucción se logró con una exactitud de 85.3% y un error de 0.19 ± 2.04cm, el tamaño con una exactitud de 93.0% y un error de -0.10 ± 3.44%, y el tipo con una exactitud de 99.2%, todos usando la envoltura de la señal. Para el tubo de vinil la estimación de posición de las obstrucción se logró con una exactitud de 85.2% y un error de 0.02 ± 0.86cm, el tamaño con una exactitud de 90.3% y un error de -0.22 ± 3.71%, y el tipo con una exactitud de 99.1%, todos usando la envoltura de la señal.