Grupo de Ingeniería Fotónica de la UC, Junio 2014.

 

El trabajo premiado incluyó solo los resultados de I+D+i del citado grupo en cuatro grandes líneas de trabajo durante lo que va de siglo XXI cuyo resumen ejecutivo se refleja a continuación:
A) Monitorización de procesos de soldadura.
B) Detección y discriminación de tejidos cancerígenos y cardiovasculares.
C) Monitorización y control de materiales y procesos mediante termografía infrarroja.
D) Monitorización de estructuras mediante fibra óptica.

Se ha demostrado que un análisis apropiado de la emisión óptica en un rango espectral específico, seguido de un post-procesado mediante algoritmos adecuados, puede relacionarse con la aparición de defectos y que, mediante velocidades apropiadas de procesado, se pueden desarrollar para cada proceso de soldadura de cada material sistemas sensores capaces de trabajar en cuasi-tiempo real.

El conocimiento y técnica adquiridos se diseminó habiendo pasado a formar parte del estado del arte ampliamente reconocido por la comunidad científica internacional. Asimismo, se transfirió al sector productivo a través de investigaciones industriales que han culminado en desarrollos de sistemas de monitorización integrales de procesos de soldadura para sectores industriales tan diversos como la industria de componentes nucleares, ENSA, en Cantabria; del sector aeronáutico, ITP (País Vasco) y de la automoción GESTAMP (Cataluña). A todas ellas se las entregó llave en mano equipos totalmente desarrollados por el GIF. Además debe ser mencionado que la transferencia del conocimiento y técnica generado y que se genera se ha garantizado, adicionalmente, creando la empresa SADIQ Engineering como spin-off del GIF.

La línea segunda se ha centrado en investigar y desarrollar técnicas sin contacto, no invasivas, automatizadas y de tiempo real aptas para la detección y discriminación de tejidos cancerígenos con un mayor aseguramiento en la delimitación de los márgenes quirúrgicos. Con ello, se pretende contribuir a dotar a los quirófanos de nuevas instrumentaciones médicas, inocuas para el paciente, que ofrezcan al cirujano imágenes y metrologías con la resolución y precisión suficientes, en vivo, que le ayuden a mejorar la eficacia en la extirpación de tumores. Se demostró que iluminando el tejido del órgano objeto de estudio con luz blanca se obtienen espectros de la dispersión (scattering) lineal reflejada que contienen informaciones relevantes sobre el estado de los mismos, lo que se utilizó como hipótesis de partida. Ello, utilizando radiaciones de luz no ionizantes que no dañan al paciente, sin inocularle sustancia alguna, y sin requerir estudio alguno de biocompatibilidad previo.

Figura 2. Detección y discriminación de tejidos cancerígenos

Tras demostrar y entender que las respuestas espectrales de los tejidos se modifican en función de su estado, se desarrollaron diferentes técnicas para estimar la presencia o no de tumor. Las medidas espectrales se ajustaron con modelos empíricos de esparcimiento y, de ello, se extrajeron los parámetros ópticos del tejido tales como la amplitud de la luz dispersada, la potencia de la dispersión y la fracción de saturación de oxígeno en la hemoglobina que se utilizaron como datos de entrada en los algoritmos de clasificación que se desarrollaron. Tras contrastar las imágenes y delimitaciones obtenidas con los mapas medidos por el patólogo en el laboratorio, se demostró que esta técnica “de identificación supervisada” ofrece excelentes resultados y por ello, antes de iniciar la diseminación de resultados se presentó una solicitud de patente en USA que se ha extendido a una patente mundial. Asimismo, los resultados más relevantes se han publicado en revistas internacionales reconocidas y de alto impacto.

Es de resaltar que esta investigación se ha efectuado trabajando en estrecha cooperación con el “Optics in Medicine Laboratory of the Thayer School of Engineering at Dartmouth College” en Hanover (Estados Unidos) dirigido por el Prof. Dr. Brian W. Pogue.

Se ha trabajado, además, en la identificación ciega, que además de no requerir entrenamiento con muestras conocidas de diferentes pacientes, se obtienen mejores detecciones de tumor en cáncer de pecho (96% sensibilidad y 95% especificidad).

Esta línea de investigación sigue activa y, en colaboración con investigadores del Hospital Marqués de Valdecilla, el GIF la está aplicando en el campo cardiovascular para la identificación del riesgo de aparición de aneurismas de aorta cuando se analiza la pared arterial mediante tomografía de coherencia óptica. Se han conseguido sensibilidades del 91% y especificidad del 86% cuando se analizan de forma óptica paredes aórticas in vitro.

El estudio de la distribución espacial de la temperatura superficial mediante tratamiento con algoritmos y procesados de imagen apropiados y relacionándolos con los mecanismos de transferencia de calor en sólidos permite, potencialmente, obtener información tridimensional de los mismos y, por tanto, habilita la detección de defectos superficiales e internos en sólidos. Potencialmente, puede usarse como método de ensayo e inspección no destructivo permitiendo extraer información del estado de su estructura o su comportamiento interno.

Las actividades en esta línea han dado lugar a: i) Pre-procesados, procesados y post-procesados avanzados de secuencias de imagen térmica para ensayos no destructivos; ii) desarrollos, adaptaciones e implementaciones de algoritmos de procesado de imagen térmica en plataformas de procesado hardware; iii) investigación y desarrollo para la aplicación de las técnicas de imagen térmica en la inspección de soldaduras en tiempo real; iv) ínvestigación y desarrollo para la aplicación de las técnicas de imagen térmica para control de calidad en líneas de producción; v) desarrollo de cámaras termográficas inteligentes.

En el marco de convenios financiados, esta tecnología se ha investigado para su aplicación en una amplia gama de sectores entre los que se destacan la edificación (APIA XXI, la medición de confort y eficiencia térmica), el textil (Textil Santanderina), el de componentes nucleares (ENSA), el de componentes de radiofrecuencia (ACORDE, -comportamiento térmico de amplificadores), en el control de procesos de fabricación (EIKA, Setelsa), en la detección de contaminantes ambientales en suelos (PITK), entre otros.

Es de mencionar que el amplio conocimiento y técnica generados en esta línea además de contribuir a definir nuevas normativas, educar a nuevo profesionales ha concluido en varias tesis doctorales y ha sido difundido en revistas internacionales reconocidas de la especialidad. Es muy resaltable que, además, para explotarlo comercialmente se creó la empresa de base tecnológica EMPIRIC (spin-off del GIF) centrada en el diseño y fabricación de cámaras inteligentes y su integración en procesos industriales y que, recibió el premio Joven Empresa Innovadora 2012.

La Cuarta línea se centra en investigar, desarrollar e innovar en transductores puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos de fibra óptica, así como en técnicas de interrogación de los mismos que se adapten a los requerimientos de las estructuras específicas de los diversos sectores de aplicación en los que se incide. Como hipótesis de partida se consideró que el estado de una variable física o química puede modificar, en el transductor de fibra óptica, alguna de las propiedades de la luz1  que, recogida a través del canal óptico, se detecta, decodifica y es recuperado (el estado de la variable) fielmente en el dominio eléctrico. En base a ello se desarrollaron innumerables sensores de fibra óptica para monitorizar y medir parámetros físicos (elongación, temperatura presión,..) y químicos (corrosión, ..)

Figura 4. Monitorización de la integridad estructural mediante sensores de fibra óptica