Applied Instrumentation - Student works 2020-2021 academic year - UPCommons

Series in instrumentation technology and applications

 Applied
 Instrumentation
 Student works

 2020-2021 academic year
 Editors: Trinitat Pradell
 José E. García
 Oscar Casas

ÍNDICE

Prólogo 1
Trabajos 4

Técnicas de diagnóstico por imagen médica activa: PET-TAC 4
P. Gómez, M. Hérault, X. Povill, R. Pujadas, D. Quiles

Ultrasons 3D per a la visualització no invasiva del cos humà 9
J. Elipe, J. Estany, S. Morales, M. Planasdemunt, P. Sindreu

El estrés en las plantas: ¿qué es y cómo se mide? 14
A. Scoles, C. Villalonga, G. Sionis, L. Cuevas, M. Gili

Telemetric or wearable systems to measure biopotentials in animals 19
K. Ballerini, A. Barbecho, O. Gelabert, L. Gómez, J. Serra

Powerless and Wireless Sensors for the Internet of Things 24
A. Galván, J. Hernanz, B. Ramis, L. San Martín, A. Seguí

Rover Environmental Monitoring Station 28
P. Boira, M. Oriol, I. Pereira, A. Puiggròs, S. Torres

Sistemas de monitorización de especies y ambientes marinos 32
P. De Ramon, S. Iniesta, A. Sánchez, B. Soria. A. Zubiaur

Sistema de control automàtic i aplicacions en l'agricultura 38
J. Sanz, M. de Miguel, A. Oriol

 i

“Si bien nunca es seguro afirmar que el futuro de la ciencia
 física no tiene maravillas por descubrir aún más sorprendentes
 que las del pasado, parece probable que la mayoría de los
 grandes principios subyacentes han sido ya firmemente
 establecidos y que los avances hay que buscarlos
 principalmente en la aplicación rigurosa de estos principios a
 todos los fenómenos que están bajo nuestra atención”

 Robert S. Mulliken (Físico y químico. 1896-1986)

Prólogo
En momentos difíciles, la instrumentación electrónica da un paso al frente para situarse como
pilar imprescindible en la búsqueda de soluciones óptimas. Sólo hay que pensar en toda la
instrumentación presente en las unidades de curas intensivas de los hospitales,
lamentablemente tan presente en el día a día del último año. Pero esos equipos son el resultado
de un trabajo de muchos años, inicialmente centrado en el mundo industrial. Hasta la década
de 1980, la medición industrial de magnitudes no eléctricas estaba algo restringida y la medición
se centraba en gran medida en la electrónica analógica y los instrumentos de laboratorio de
sobremesa. Durante los últimos 30 años, se ha producido un importante desarrollo de los
medios de medición de magnitudes no eléctricas mediante el uso de la electrónica, tanto para
las aplicaciones existentes como para las nuevas. También se ha producido un cambio hacia
sistemas de medición en proceso, in situ, en línea y para pruebas automáticas. Los convertidores
analógico-digitales de altas prestaciones han permitido generalizar este proceso de
digitalización. Pero, además, cada una de las partes funcionales del sistema de medición ha
avanzado gracias al uso de nuevas tecnologías, aunque las ciencias básicas y las metodologías
fundamentales de medición se han mantenido en gran medida. La microelectrónica, los
microordenadores y el almacenamiento digital fiable y de gran capacidad han permitido la
inteligencia de los sistemas de medición, la miniaturización y el funcionamiento de bajo
consumo. La explosión de nuevas tecnologías de sensado ha sido en gran parte el resultado del
desarrollo y la utilización de materiales físicos, químicos y ahora biológicos. La óptica se ha unido
a la electrónica para que las propiedades aislantes del vidrio y el fotón complementen las
propiedades del cobre conductor y el electrón. Los instrumentos portátiles, los enlaces Ethernet
y del sistema de posicionamiento global (GPS) y las redes de detección distribuida e inalámbrica
están ampliando los lugares desde los que se pueden obtener resultados de medición. La fusión
de datos digitales y el procesamiento de señales, el registro de datos digitales y la grabación de
datos y el diagnóstico de señales digitales están ampliando las formas de ver, mantener y utilizar
las señales eléctricas de medición.

 1

Pero el futuro de la instrumentación no sólo está ligado a los desarrollos físicos y electrónicos,
muy importantes, sino también a la creatividad de los ingenieros actuales y futuros.

Este libro recoge los trabajos realizados por los alumnos de Ingeniería Física de la Universitat
Politècnica de Catalunya dentro de la asignatura de Instrumentación en el curso académico
2020-21, y presentan el uso de modernas técnicas instrumentales en muy diferentes ámbitos de
aplicación. Van desde la instrumentación para supervisar plantas, hasta los sistemas de medida
embarcados en los rovers que caracterizan planetas como Marte. Esperamos que su lectura sea
una motivación que permita, en un futuro no muy lejano, el desarrollo por alguno de vosotros
de alguna técnica instrumental que supere el estado del arte presentado en este libro.

 Barcelona, Junio de 2021

 Trinitat Pradell
 José E. García
 Oscar Casas
 Profesores de la asignatura de Instrumentación

 2

3

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

 Técnicas de diagnóstico por imagen médica activa: PET-TAC

 P. Gómez, M. Hérault, X. Povill, R. Pujadas, D. Quiles
 Instrumentació. Grau en Enginyeria Física. Universitat Politècnica de Catalunya.
 Campus Nord, 08034 Barcelona

 Una de las claves en el tratamiento de enfermedades es el diagnóstico de las mismas. Es por eso que el
 desarrollo de procedimientos que permiten tomar imágenes de áreas específicas del interior del cuerpo
 humano sin necesidad de intervención física (como el PET y el TAC) son de gran ayuda frente a métodos
 invasivos (biopsia, endoscopia). En este trabajo se analiza la evolución y características de los primeros.

 Palabras clave: PET, TAC, imagen médica, tomografía, positrones, radiofármacos

 (MGH), desarrollaron un dispositivo consistente en dos
 I. INTRODUCCIÓN detectores de yoduro de sodio que se colocaban a ambos
 lados de la cabeza para así derivar la distribución (2
 La diagnosis por imagen médica es el conjunto de dimensional, por el momento) del 74As que se había
técnicas para crear imágenes digitalizadas del cuerpo inyectado en el paciente para localizar posibles tumores
humano con propósitos médicos. Abarca una gran variedad cerebrales [4].
de procedimientos en mayor o menor medida invasivos. En 1961, Rankowitz et al. [5] desarrollaron un sistema de
Esta revisión se centra en el PET (Positron Emision 32 detectores rodeando la cabeza que Anger implementó
Tomography) y el TAC (Tomografía Axial Computeri- consiguiendo una resolución de localización del par
zada). Esta área de la medicina, basada en la detección de electrón-positrón aniquilado de 9mm [6]. El equipo del
la radiación causada por la interacción de radiofármacos MGH dirigido por Brownell desarrolló a finales de la
con el interior del cuerpo humano, ha estado en continua década una cámara de positrones que reducía costes y
evolución desde mediados del siglo XX. Las mejoras aumentaba la resolución espacial gracias a un sistema de
técnicas y avances, tanto en la instrumentación como en el codificación más eficaz [7].
desarrollo de nuevas sustancias químicas, han permitido
aumentar la sensibilidad y reducir los costes de los
dispositivos con los que se llevan a cabo. A continuación se
analiza su historia, principio físico, componentes, aplica-
ciones y se profundiza en el proceso de reconstrucción de
las imágenes que son finalmente usadas como base para
evaluar médicamente al paciente.

 II. HISTORIA
 La idea de usar isótopos radiactivos como trazadores en
el estudio de procesos químicos fue desarrollada
inicialmente por el premio Nobel de química George de
Hevesy [1]. La capacidad de detección de pequeñas masas
moleculares de dichos trazadores (sensibilidad de la
tomografía) depende de dos factores: la actividad del
radiofármaco y la resolución a la hora de localizar el par
electrón-positrón que se aniquila dando lugar al par de
fotones que son detectados. Las investigaciones en
radioquímica han permitido sintetizar compuestos como el FIG. 1. Evolución de los escáneres PET y PET/CT a lo
18
 FDG que maximizan la cantidad de sustancia inyectada largo de la historia: de izqda.. a dcha., de arriba a abajo,
que es detectada. Se exponen a continuación los avances en prototipos de Brownell [4]; de Rankowitz [5]; cámara de
los métodos de detección en la PET que han permitido positrones del MGH [2]; ECATII [10]; PRT-1 (modelo y
aumentar la sensibilidad en un factor de 40 desde que el fotografía) [2]; ECAT EXACT3D [2]; escáner PET móvil;
primer dispositivo salió a la luz en 1953. [2] Siemens Biograph mCT [2]; EXPLORER [23]
 En ese año, basándose en trabajos previos de Wrenn et al.
[3], Brownell y Sweet, del Massachussets General Hospital

 4

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

 Por esas mismas fechas, Hounsfield [8] conseguía llevar • β + : Propia de los núcleos atómicos inestables con
a la práctica la Tomografía Axial Computerizada, rotando
un tubo de rayos X alrededor del paciente para evaluar las exceso de protones. Un protón se descompone en un
atenuaciones de la radiación al atravesar los tejidos del neutrón junto a un positrón y un neutrino:
mismo. Por esta invención se llevó el Premio Nobel de p + → n + e+ +ν e
Medicina en 1979 junto a Cormack, quien sentó las bases Como bien indica su nombre, el PET se basa en el uso de
teóricas de dicha técnica [9]. positrones. Por tanto, emplea núcleos inestables capaces de
 El interés comercial por estas técnicas impulsó en los generar una desintegración Beta positiva.
siguientes años diseños de prototipos que mejoraban Esos positrones tienen una vida corta (~1mm) [2] donde
continuamente las prestaciones. En la búsqueda de van perdiendo energía hasta que chocan con otro electrón.
minimizar el ruido debido a dispersión, se desarrolló el Ambos se aniquilan produciendo dos rayos gamma de
ECAT II [10], ampliamente utilizado en centros de 511keV de misma dirección y sentido contrario debido al
investigación de todo el mundo, que empleaba una principio de conservación de energía y momento.
distribución hexagonal de los detectores que permitía la Finalmente, un sistema de detectores envolvente registra
obtención de imágenes en un plano transaxial. El número los diferentes rayos gamma. El sistema de detección está
de planos transaxiales que se podían analizar basado en una serie de anillos compuestos de un orden
simultáneamente aumentó a 5 gracias al uso de un nuevo matricial de cristales de centelleo junto a fotomul-
diseño de detectores de germanato de bismuto (BGO). [11] tiplicadores. Cuando un rayo gamma pasa por un cristal,
 Los primeros escáneres PET comerciales que salieron al excita electrones provocando un impulso eléctrico.
mercado usaban anillos de detectores separados por finas Ahora bien, no todos los fotones detectados serán fuentes
láminas de tungsteno (conocidas como septa), que pese a fiables para la imagen. Como los rayos gammas
reducir el tiempo necesario para obtener imágenes, tenían provenientes de los núcleos tienen la misma dirección y
poca sensibilidad. En los 80 y los 90, se probaron distintas sentido opuesto, sólo serán buenas las detecciones de pares
alternativas sin septa, desde el PRT-1 (de bajo coste) hasta de fotones en un mismo instante (5~10ns). Uniendo sus
el desarrollo del ECAT EXACT3D (con una resolución de posiciones podemos saber la recta sobre la que se encuentra
4 mm). [2] el punto de origen. Repitiendo este proceso con detecciones
 Toda esta evolución llegó a un punto álgido cuando se diferentes, podemos encontrar los puntos más activos de
consiguió unir las técnicas de PET y TAC en un mismo emisión con la superposición de las diferentes rectas.
aparato: el escáner PET/CT, invento del año 2000 según la
revista TIME [12]. A lo largo de los últimos años, se han
ido desarrollando prototipos para órganos en específico del
cuerpo y se han ido implementando técnicas para conseguir
imágenes de cuerpo entero.

 III. PRINCIPIOS FÍSICOS DEL PET.
 COMPONENTES
 A diferencia de otros métodos de tomografía como el FIG. 2. De izqda. a dcha., ejemplos de detección errónea
TAC, el escáner PET se caracteriza porque la emisión de por fotones dispersados, detección correcta y detección
radiación que utiliza para tomar imágenes se encuentra errónea por coincidencia de eventos. [24]
dentro del objeto a analizar en lugar del exterior.
 Para poder producir esta radiación interior, se introducen No obstante, hay que tener en cuenta dos posibles fuentes
una serie de isótopos radiactivos de corta vida dentro del de error. En primer lugar, los fotones pueden chocar con los
sujeto (normalmente en una sustancia puente). Una vez electrones del medio a través del efecto Compton. En ese
dentro del cuerpo, estos núcleos inestables se transforman caso, su trayectoria se vería desviada y el origen no estaría
mediante desintegración Beta (fuerza nuclear débil). sobre la recta que une las detecciones. Para solucionar este
 Existen dos tipos de desintegraciones, la positiva y la problema, se descartan los fotones por debajo de un mínimo
negativa. Las dos consisten en alteraciones de núcleos energético. En segundo lugar, puede haber detecciones
atómicos inestables. erróneas por coincidencia de 4 fotones diferentes o más.
• β − : Dado un núcleo atómico inestable con un exceso Este error es más difícil de eliminar y se intenta estimar
 de neutrones, uno de estos neutrones se convierte en un estadísticamente.
 En último lugar, otro efecto importante a considerar es la
 protón dando lugar a un electrón y un antineutrino:
 atenuación de los fotones debido a la interacción con el
 n → p + + e− +ν e medio. Esto puede provocar que las imágenes queden
 difuminadas e imprecisas. La solución se encuentra en las
 pruebas TAC.

 5

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

 IV. PRINCIPIOS FÍSICOS DEL TAC. tasas de consumo de glucosa, como el cerebro, el riñón y
 COMPONENTES las células cancerígenas [15], que son las áreas que
 aparecen destacadas en la imagen obtenida por el
 Para mejorar la falta de precisión en el escáner PET se instrumento.
suele hacer simultáneamente a esta una tomografía axial El uso de 18FDG para realizar un escáner PET se ha
computarizada (TAC). Como se ha comentado antes, el convertido en el principal procedimiento clínico para la
escáner PET se sustenta en la radiación de isótopos detección y evaluación de la respuesta al tratamiento del
radiactivos del interior del paciente, lo que permite generar cáncer, aunque más recientemente se han producido
un mapa de las vías metabólicas que están activas en los avances significativos al usar biomarcadores de cánceres
tejidos o las células [13]. Por otro lado, mediante la específicos. Un ejemplo de esto, es la introducción de
tomografía computarizada se obtienen imágenes anticuerpos, que al tardar más en incorporarse a los tejidos
tridimensionales o bidimensionales (de secciones internas) tumorales hacen necesario el uso de radionucleidos con
de los tejidos y órganos. La superposición de los dos tipos vida media más larga, como el 89Zr, con una vida media de
de escáneres permite una mayor precisión en la capacidad 78,4h [2]. El único inconveniente del PET, es que sólo nos
de diagnosis, ya que permite situar y visualizar con mayor permite conocer la ubicación de los tumores, pero no su
exactitud todos los componentes de interés. tamaño; por eso, como se ha indicado anteriormente, se
 La superposición de imágenes PET-TAC muestra la suele combinar con una prueba TAC.
posición de las vías metabólicas con referencia a los Las aplicaciones de esta técnica también se extienden a
órganos y tejidos, por lo que resulta beneficioso la toma los campos de la neurología y la cardiología. La técnica
conjunta de datos en vez de hacer las pruebas PET permite estudiar enfermedades neurodegenerativas
individualmente. Por esa razón, el sistema de TAC suele como el Alzheimer o el Parkinson, mediante el estudio del
estar integrado junto al escáner PET. Para hacer la flujo sanguíneo cerebral y su metabolismo [2]. De igual
tomografía computarizada el paciente se sitúa estirado en manera, se han llevado a cabo estudios para ver si la
una plancha motorizada que lo mueve a través de una Tomografía por Emisión de Positrones puede aportar
apertura circular donde se encuentra el equipo [14]. Una información diagnóstica en los casos en que la Resonancia
vez el paciente está dentro de la apertura, un sistema Magnética no es capaz de localizar de forma precisa la zona
compuesto por una fuente de rayos-X y un detector gira cerebral responsable de las crisis epilépticas. Estas
alrededor de él. En cada giro la fuente produce una fina investigaciones han concluido que se trata de una técnica
capa de rayos en forma de abanico que pasan por una útil en la valoración prequirúrgica de estos pacientes [17].
sección del paciente y llegan al detector, lo que permite En cardiología, se usa para diagnosticar enfermedades
obtener una imagen en dos dimensiones de esa sección. cardíacas estudiando el flujo sanguíneo del miocardio,
 Como el sistema fuente-detector va girando, se obtienen permitiendo así poder detectar enfermedades coronarias
imágenes con diferentes ángulos, lo que permite reconstruir [16]. Para eso se hace una inyección intravenosa de algún
posteriormente con ordenador una imagen con volumen y trazador radioactivo. La ventaja de la detección más
profundidad de esa sección en particular. El proceso se específica de estas enfermedades es que se puede someter a
repite por distintas láminas y se unen los resultados de las los pacientes a técnicas más precisas, como la
secciones para obtener una imagen tridimensional de los revascularización miocárdica, y así evitar un trasplante de
tejidos y órganos de la sección. Los sistemas de tomografía corazón.
computarizada más modernos ya no toman imágenes de
secciones individuales para hacer la posterior unión de VI. RECONSTRUCCIÓN DE IMAGEN
secciones, sino que el sistema fuente-detector gira de forma
helicoidal alrededor del paciente, lo que permite obtener Como se ha visto antes, un escáner PET detecta los pares
imágenes tridimensionales de mayor calidad y lograr una de fotones emitidos en direcciones opuestas durante la
mayor rapidez, reduciendo la radiación recibida por el desintegración del positrón. Ahora bien, para obtener una
paciente. imagen del paciente, es necesario saber en qué punto de la
 recta que los une se desintegró el positrón.
 V. APLICACIONES Una de las primeras propuestas (ya en los primeros
 prototipos de los años 60) es el método TOF (time of flight).
 Actualmente, la principal aplicación del PET es en el Éste se basa en utilizar la diferencia entre los tiempos de
campo de la oncología. Normalmente, como radiofármaco llegada de los dos fotones para calcular su posición de
se usa 18FDG. Es seleccionado porque se trata de un origen. El problema de este enfoque es que para una
análogo de la glucosa, y una vez administrado al paciente, resolución de tiempo típica de 600ps, la incertidumbre en la
es transportado con el mismo mecanismo que ésta. Sin posición puede llegar a los 9cm [18]. Así pues, la mayoría
embargo, una vez absorbido por la célula, no es de escáneres modernos sólo utilizan el TOF como una
metabolizado, y por tanto se acumula. Esta absorción, se medida accesoria para eliminar el ruido, y reconstruyen la
produce principalmente por aquellas células con elevadas imagen a partir de la intersección de las señales detectadas.

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TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

 Esta reconstrucción de la imagen se puede realizar de VII. FUTURO
manera determinista, usando la transformada inversa de
Radon, o con técnicas estocásticas, a partir de métodos Como hemos visto, las técnicas de diagnóstico por
iterativos. En la práctica se acostumbra a preferir el enfoque imagen activa médica han mejorado ostensiblemente a lo
estocástico, pues los modelos deterministas acostumbran a largo del último medio siglo. Como comparación de la
producir más ruido y a distorsionar la imagen con artefactos evolución del campo de la tomografía médica, el ECATII
lineales [19]. (1976) tenía 66 detectores y una sensibilidad del 0.16%. Un
 El método estocástico más utilizado es el EM escáner PET/CT actual (Siemens Biograph mCT) tiene
(Expectation Maximization), propuesto por primera por 32448 detectores y una sensibilidad del 6.4%, lo que
Shepp y Vardi [20]. Este método parte de una estimación a supone un aumento en un factor de 40. En los próximos
priori de la imagen y, en cada iteración, calcula cuál sería la años, está previsto que salga al mercado EXPLORER [23],
señal detectada a partir de esa imagen, la compara con la el primer escáner PET/CT de cuerpo entero, cuya
señal real, y actualiza la estimación de la imagen a partir de sensibilidad supondrá un aumento hasta en un factor de 400
la diferencia entre las dos señales. Se puede demostrar que con respecto a los dispositivos actuales, ya que su campo de
este método converge al estimador de máxima visión es mucho mayor (2m vs 25 cm), y con una
verosimilitud (MLE), que es asintóticamente insesgado y resolución de 4mm.
eficiente (alcanza la cota de varianza de Cramer-Rao). El
problema del MLE es que su varianza acostumbra a ser VIII. CONCLUSIONES
muy alta (y esto se traduce en ruido en la imagen
 El PET-TAC es una técnica muy útil que sirve para
reconstruida). Para resolverlo, se pasa la imagen por un
 estudiar patologías muy diversas y así conseguir una
filtro de paso bajo o se para el proceso iterativo al cabo de
 detección más precoz y precisa para un tratamiento más
20-50 iteraciones (ya que el proceso iterativo reconstruye
 específico, sin necesidad de recurrir a métodos invasivos
primero los componentes de baja frecuencia de la imagen).
 potencialmente perjudiciales para el paciente. Los avances
[19]
 científicos que se van produciendo favorecen que esté en
 Existe una mejora de este método llamada OSEM
 continuo desarrollo y mejora.
(Ordered Subsets Expectation Maximization) en el que se
 La interdisciplinariedad está muy presente en este campo:
particiona el espacio de proyección en varios trozos y se
 son necesarias aportaciones tanto de los campos de la física,
aplica el algoritmo iterativo en cada uno de ellos de manera
 la química, la medicina y la biología, como de las
separada [21]. No está garantizado que este método
 matemáticas y la ingeniería. Las mejoras de los
converja al MLE, pero en la práctica su velocidad de
 instrumentos, con técnicas innovadoras que permiten
convergencia es mucho más alta, al precio de un ligero
 incrementar su resolución y eficacia, son claves para poder
incremento de la varianza [19]. También se han propuesto
 implementar los nuevos descubrimientos.
métodos Bayesianos, en los que se utilizan escáneres
 Todo esto, junto con la reciente incorporación de técnicas
previos del paciente como información a priori, pero no se
 de procesamiento de datos a gran escala, permite
emplean habitualmente en la práctica clínica, por el reto
 vislumbrar un futuro donde estos aparatos aumenten sus
que supone establecer una prior adecuada para cada
 prestaciones (y por ende la cantidad de personas a las que
paciente [19].
 sirva de ayuda) de forma exponencial.
 En los últimos años se han comenzado a utilizar técnicas
de aprendizaje automático para procesar las imágenes
resultantes y eliminar parte del ruido. Además, IX. AGRADECIMIENTOS
recientemente se ha propuesto el uso de redes neuronales Queremos agradecer a los profesores de la asignatura de
convolucionales en el esquema iterativo de reconstrucción instrumentación Jaime Óscar Casas y Trinitat Pradell por su
[22]. Es de esperar que este tipo de técnicas ganen disponibilidad y entusiasmo a la hora de resolvernos las
importancia a lo largo de los próximos años y empiecen a dudas que nos han surgido a lo largo del proyecto.
utilizarse en la práctica clínica.
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TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

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Ultrasons 3D per a la visualització no invasiva del cos humà

 Jon Elipe, Jaume Estany, Sebastian Morales, Martí Planasdemunt, Pau Sindreu

 Instrumentació. Grau en Enginyeria Física. Universitat Politècnica de Catalunya.
 Campus Nord, 08034 Barcelona

 Els ultrasons són ones sonores útils per a l’obtenció d’imatges de l’interior del cos humà de forma no
 invasiva. L’objectiu de l’article és introduir, resseguir i entendre la recent implementació d’aquesta
 tecnologia per a l’obtenció d’imatges tridimensionals. També es fa referència a les aplicacions, noves
 tècniques i possibilitats que ofereix en l’actualitat.

Paraules clau: ultrasò, piezoelèctric, reflexió, imatge, bombolles d’hidrogen.

 I. INTRODUCCIÓ aleatòriament, els quals són ordenats quan se’ls aplica una
 diferència de potencial, causant així una deformació
L’obtenció d’imatges de l’interior del cos humà és un mecànica en el cristall. Aquesta deformació formarà un
element indispensable en la medicina moderna, ja que ens front de pressió que donarà lloc a zones de compressió i
permet, entre d’altres, detectar malalties i irregularitats, i rarefacció (disminució de densitat) a mesura que l'ona es
visualitzar el fetus durant l’embaràs. La tècnica dels propaga per el medi.
ultrasons, juga, per tant, un paper molt important, ja que a
 II.II. Fenòmens de transport
través de la transmissió d’energia sonora d’alta freqüència,
s’aconsegueixen tots aquests objectius, sense la necessitat A mesura que l’ona ultrasònica viatja pel medi es pot trobar
d’exposar-se a radiació ionitzant. Com que les imatges amb substàncies o teixits amb diferent impedància acústica,
d’ultrasons en 3D són capturades en temps real, es pot és a dir, amb més o menys resistència al pas d’energia dels
veure el moviment dels òrgans interns i de la sang, i gràcies ultrasons: Z=ρ·v
a l’avenç en la microelectrònica que es troba darrere Com més gran és aquesta impedància menys energia
d’aquesta tècnica, els sistemes que poden ser estudiats són travessa. Altrament, les ones poden ser reflectides,
cada cop més i més complexes. (scattered) o atenuades.

 II. PRINCIPIS FÍSICS ● Reflexió: quan d’ultrasò es troba un material o un
Com bé sabem, el so viatja com ones longitudinals en les teixit amb diferent impedància acústica, una part
quals les oscil·lacions es produeixen en la mateixa direcció de la seva energia serà reflectida cap al transductor
a la que es propaga, cadascuna de les quals està d’ultrasons. Hi ha una màxima reflectància en les
caracteritzada per una amplitud, freqüència, longitud d’ona interferències on trobem una diferencia
i un període. El què diferencia els ultrasons de la resta és significativa entre les impedàncies, hi haurà una
que estan formades per ones de so amb una freqüència reflexió gairebé completa. Aquestes àrees de gran
superior a 20 kHz, indetectable per l’oïda humana. Fins i tot reflectància apareixen en les imatges com línies o
poden arribar a ser 15MHz en diagnosis mèdica. taques blanques i s'anomenen reflectors especulars
 com pot ser els ossos.
 ● Dispersió: es produeix quan una ona sonora
II.I. Generació d’ultrasons: d’ultrasó colpeja una estructura amb una
Els ultrasons poden ser generats per cristalls piezoelèctrics. impedància acústica heterogènia i menor a la
Aquest materials contenen dipols elèctrics orientats longitud d’ona de l’ona incident. Aquestes

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substàncies que causen dispersió són per exemple comparació amb com han estat emesos implica un canvi en
 glòbuls vermells i petites irregularitats superficials la freqüència de l’ona.
 dels òrgans. Quan les ones xoquen aquestes
 substàncies, les ones s’escampen en múltiples En el cas d’interès, s’aprofita l’efecte doppler per deduir la
 direccions, el resultat és que els ecos dispersos velocitat de la sang (principalment glòbuls vermells)
 amb intensitat més petita interaccionen entre ells i respecte el sensor piezoelèctric.
 poden formar interferència constructiva i El camí que segueix l’ona consta de dues etapes: la primera,
 destructiva. Aquestes ones disperses donen en què l’emissor és el sensor piezoelèctric i el receptor és la
 l’aspecte gris granulat d’òrgans. sang i la segona en què, després de la reflexió de l’ona,
 ● Refracció: es produeix quan l’ona d’ultrasò l’emissor és la sang i el receptor és el sensor piezoelèctric.
 travessa la interfície entre dos medis i l’ultrasò és Mitjançant la relació:
 desviat de la seva direcció inicial, seguint la llei de
 Snell.
 ● Atenuació: procés en el qual les ones d’ultrasons
 disminueixen tant en amplitud com en longitud
 on Fd és el canvi de freqüència per efecte Doppler,
 d’ona en passar pels teixits del cos. L'atenuació de
 les ones d'ultrasons es produeix principalment a Ft és la freqüència original de l’ona emesa,
 mesura que l'energia mecànica de l'ona sonora es v és la velocitat del reg sanguini,
 converteix en calor i és absorbida pels teixits i θ és l’angle que formen la velocitat del reg
 també per la dispersió. sanguini amb el feix d’ones sonores i
 Les longituds d'ona d'alta freqüència s'atenuen a c és la velocitat de les ones sonores en el teixit,
 una distància més curta en comparació amb les es poden arribar a conèixer les característiques de la
 longituds d'ona de baixa freqüència. Per tant, per velocitat del reg sanguini en base a analitzar el canvi de
 obtenir imatges de teixits més profunds són freqüències per efecte Doppler.
 necessàries longituds d’ona de freqüència més
 baixa. No obstant això, longituds d'ona de
 II.IV. Modes d’imatges
 freqüència més alta produeixen una imatge de
 II.IV.I. Mode A
 resolució molt més alta. Per tant, a la imatge
 El més bàsic i antic (gairebé obsolet). Un únic sensor envia
 d’estructures més profundes mitjançant els
 un pols d’ona al medi. Com a conseqüència, es genera una
 ultrasons de freqüència inferior hi haurà un
 imatge unidimensional d’una sèrie de pics verticals a
 sacrifici en la qualitat de la imatge.
 mesura que les ones reflexades per les superfícies dels
 diferents teixits arriben al sensor. Aquests pics estan situats
II.III. Efecte Doppler. al llarg de l’eix x en funció de la profunditat a què es trobi
Aquest fenomen consisteix en el canvi de freqüència d’una el teixit i la seva alçada indiquen la intensitat de l’ona
ona com a resultat del moviment relatiu entre l’emissor i el reflexada. La distància entre teixits pot ser calculada
receptor d’aquesta. Per tal d’entendre l’origen del fenomen dividint la velocitat de l’ona en el teixit per la meitat del
cal estudiar la situació en què un emissor produeix una ona temps que transcorre entre pic i pic.
sonora durant un cert temps. A mesura que l’ona viatja per
l’espai, els fronts d’ona s’expandiran en forma d’esferes
concèntriques a l’emissor. Si el receptor es troba estàtic
respecte l’emissor, percebrà que els fronts d’ona arriben
igual d’espaiats (amb la mateixa longitud d’ona o
freqüència) que com han estat generats. En canvi, si
existeix un moviment relatiu entre emissor i receptor,
aquest últim percep els fronts d’ona més espaiats (emissor i
 Fig.II.IV.I.I. Imatge obtinguda amb el mode A. Extret de
receptor s’allunyen l’un respecte l’altre) o menys espaiats
 [2]
(emissor i receptor s’apropen). El fet que al receptor li
arribin els fronts d’ona més o menys espaiats en
 2

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II.IV.II. Mode B els elements (i,j) de la matriu. Per tal d’evitar solapaments
Consisteix en una imatge bidimensional de l’àrea entre fronts d’ona, cadascun d’ells és separat una constant
escanejada per una matriu de diversos sensors de temps τk.
piezoelèctrics. L’amplitud i distància entre pics de la imatge
obtinguda pel mode A és traduïda a punts de diferent La senyal rebuda a la tornada conté ecos barrejats dels
brillantor en el mode B. Els eixos vertical i horitzontal diferents fronts d’ona emesos. Aquesta senyal és
representen distàncies, mentre que la intensitat del color en descodificada sumant els ecos de les successives recepcions
l’escala de grisos indiquen la intensitat de l’ona detectada, involucrant-hi les anomenades matrius de Hadamard. La
tal que les zones reflectides corresponen a àrees on les ones suma permet la reconstrucció artificial dels ecos de
són altament reflectides i les negres a àrees on no s’hi cadascuna de les ones planes inclinades.
reflecteixen..
 Considerant que cadascun dels M transductors de la matriu
En aquest mode s’implementa la tècnica basada en l’efecte rep una senyal, i sabent que la quantitat M acostuma a ser
Doppler. A partir de la informació rebuda en el canvi de molt gran (una matriu típica és de 60x60), hi ha una
freqüències, un mapa de colors se superposa sobre la quantitat enorme d’elements treballant a la vegada. Si cada
imatge obtinguda per mode B. D’acord amb la barra de transductor està connectat a un cable, els requeriments de
colors situada en la part superior esquerra de la figura construcció i les dimensions són grans i cars. S’acostuma,
II.IV.II.I., els colors vermellosos representen les velocitats a doncs, a treballar en fases: la matriu general es divideix en
què el reg sanguini s’acosta al sensor, i els colors blavosos submatrius i, llavors, es va alternant l’activació i
indiquen les velocitats a què s’allunya. desactivació del funcionament d’aquestes.

 Fig. II.IV.II.I.
 Imatge obtinguda
 amb el mode B.
 Extret [2].

 Fig. II.V.III.I Matriu de transductors i fronts d’ona
 consecutius. Extret de [4].
II.IV.III Imatges 3D

L’obtenció d’imatges 3D és un camp d’investigació i Fig. II.IV.III.II.
disseny actiu i divers. Existeixen 4 mètodes de treball: Imatge
matrius de transductor 2D, sondes mecàniques 3D, obtinguda amb
localitzadors mecànics i ‘freehand’ scanners. A continuació tècnica
exposem el mètode de la matriu de transductor, que és el ultrasons 3D.
més utilitzat actualment degut a la seva rapidesa en Extret de [4].
l’obtenció d’imatges i comoditat d’ús (poc moviment
mecànic). Es basa en els fonaments del que ja coneixem
pels modes d’imatges anteriors.

Una senyal consta de N fronts d’ona consecutius. Aquesta
és generada per una matriu de sensors similar a la del mode
B. Quan aquesta matriu de sensors transmet una senyal, N
fronts d’ona plans inclinats N angles diferents són
transmesos gairebé simultàniament al medi. Cadascuna
d’aquestes ones és generada enviant una senyal Sij(t) a tots
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III. IMPLEMENTACIÓ ELECTRÒNICA gran diferència d’impedància acústica entre els gasos i els
El sistema d’ultrasons consisteix bàsicament en un disseny líquids, de tal forma que una microbombolla de gas pot
de la transmissió i recepció del senyal de tal manera que el reduir de manera significant l’amplitud de les ones de so.
resultat posterior en la imatge sigui correcte. Per obtenir-ho, La idea que utilitza aquest tipus de sensor es crear un patró
és essencial la sincronització dels circuits transmissor i amb microbombolles d'hidrogen i projectar una ona plana
receptors, que s’aconsegueix mitjançant un rellotge d’ultrasons contra aquest (amb la mateixa amplitud a tots
sincronitzador. El procés de transmissió consisteix en pols els punts del pla), resultant amb una nova distribució de les
d’alt voltatge, que un cop arriben al piezoelèctric es amplituds i amb la deformació del front d’ona. Per mostrar
converteixen en ones sonores. Generalment, és el mateix la precisió del patró i el camp de pressió al pla sobre el que
piezoelèctric el que actua com a receptor de les ones volem aplicar els ultrasons, aquests es fan passar per un
provinents del medis estudiats i ho converteix en senyal conjunt de partícules (polímer PDMS), que es distribueixen
elèctrica; hem d’implementar un T/R Switch que sobre una película de plàstic.
s’encarregui de desactivar el circuit receptor quan arribin el
pulsos d’alt voltatge. Per a generar la distribució de les bombolles s’utilitza un
Poden aparèixer petites discrepàncies en la sincronització, chip CMOS, compost per una matriu de 100x100 electrodes
causades pel soroll de fase, interferències d’or de mida 70x70 µm en contacte directe amb aigua i que
electromagnètiques,etc. que resultin en errors en la es poden sotmetre a una diferència de tensió de 5V si el
visualització del medi; per reduir-les al màxim, la font mapping ho requereix, de
d’alimentació es connecta a un rellotge d’entre forma que generen les
100kHz-1MHz, que ajuda a reduir les discrepàncies del microbombolles
canvi T/R.. d'hidrogen. La mida de
 les bombolles és
També ens cal implementar un sistema d’amplificadors de proporcional al temps
senyal: com que la senyal, a mesura que avança pel cos, d’electròlisi, i si aquest és
s’atenua (perd energia), el senyal reflectit a zones molt molt llarg, les bombolles
profundes serà generalment dèbil i tindrà menys intensitat d’electrodes adjacents
un cop arribi al transductor que el senyal reflectit a zones poden ajuntar-se.
properes a la superfície. Per tant, és molt important
amplificar adequadament cada senyal abans d’arribar al Fig III.I. Esquema del
ADC. A les reflexions en zones superficials , per tant, no modulador espacial
cal aplicar-li’s cap guany, i en canvi, a les reflexions de les d’ultrasò [5]
zones més distants es pot arribar a aplicar un factor de
guany de 100. S’acostumen a utilitzar un LNA (‘low-noise
amplifier’, altament lineal amb guany i impedància
programable), i un VGA (‘variable gain amplifier’).

Com es forma la imatge? Bé, per a cada punt del medi
escanejat, cal mesurar dos elements: el temps que triga
l’eco a tornar al transductor des que s’ha transmès, i la seva
intensitat quan és rebut. Amb aquestes dues
característiques, un programa adjudica a cada píxel de la
imatge una il·luminació adequada. Fig III.II. Array de bombolles d’hidrogen, creixen a
 mesura que augmenta el temps d’electròlisi [5]
Millora amb bombolles d'hidrogen:
L’Institut Max Planck de Sistemes Intel·ligents, en El principal desavantatge és el temps que es triga per
col·laboració amb la Universitat de Stuttgart van presentar realitzar tot el procés: es triguen uns 12s per escriure el
el passat 2020 un modulador d’ultrasons espacials. En mapping de bombolles, i uns altres 15 per inicialitzar el
aquests, es modula l’amplitud dels ultrasons aprofitant la transductor i generar els ultrasons. Les bombolles
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s’eliminen mecànicament amb una película de plàstic i el aplicar una sèrie d’estímuls a l’animal, com per exemple
sensor queda llest per tornar a ser utilitzat. encendre un llum led, i mirar a l’interior del cervell per
 veure si hi havia algun canvi. El resultat era que s’activava
IV. APLICACIONS I ÀREES D’ÚS una part del cervell. Aquest estudi va demostrar que
Tal i com s’ha vist, l’ús dels ultrasons 3-D és una forma no ultrasons en 3D i en temps real es podia utilitzar per
invasiva d’obtenir representacions en 3 dimensions de entendre la dinàmica del cervell d’un rosegador.
l’interior del cos humà. En els darrers anys els equips de
recerca han fet grans esforços per desenvolupar el sistema V. CONCLUSIÓ
en 3D, ja que, en el 2D, que ja existia des de feia anys, els
metges havien de representar un volum, en dues Les imatges 3D obtingudes per ultrasò són un exemple més
dimensions. d’aplicació de la ciència en la tecnologia. En aquesta
Un exemple d’aplicació és com a substitut del direcció, l’article il·lustra la transició de l’aprofitament
fonendoscopi. Aquest aparell s’utilitza des de fa més de dos d’un principi físic en el disseny d’un dispositiu útil. Els
segles per a escoltar els sons interns del cos humà. ultrasons són una tecnologia basada en l’emissió,
Consisteix en un aparell d’ultrasons 3D de petites propagació i recepció d’ones sonores concretes i en el
dimensions, que es connecta al telèfon mòbil, i el doctor pot processament de la informació generada (ecos reflectits) en
analitzar, en temps real, l’interior del pacient de forma aquest procés. S’ha donat una visió general del
ràpida. Un fabricant n’és l’empresa Butterfly Network. A funcionament d’aquesta tecnologia (basada en els sensors
banda de mostrar en pantalla els òrgans i teixits desitjats, piezoelèctrics) així com també d’alguna tècnica addicional
també calcula el volum dels òrgans del pacient, i pot (bombolles d’hidrogen) de millora i d’aplicació. Amb tot,
mostrar els fluxos hemodinàmics. Aquesta eina molt es tracta d’una eina molt útil en camps com la medicina
probablement deixarà el fonendoscopi obsolet en uns anys. d’on, a partir d’un únic principi, s’estan desenvolupant
Una altra aplicació és per estudiar el cervell. De moment se dispositius capaços d’obtenir resultats cada vegada més
n’han fet proves en rates. El procediment emprat va ser prometedors.

 [5] Zhichao Ma, Kai Melde, Michael Schau et al. Spatial
 ultrasound modulation by digitally controlling
[1] Susannah J. Patey, James P. Corcoran. Physics of microbubble arrays.
 ultrasound. Anaesthesia & Intensive Care Medicine. https://www.nature.com/articles/s41467-020-18347-2.p
 Volume 22, Issue 1. 2021. Pages 58-63. ISSN df
 1472-0299.
 https://doi.org/10.1016/j.mpaic.2020.11.012. [6] Maurizio di Paolo Emilio. High Performance Design
 for Ultrasound Imaging. EE Times. 2019.
[2] Daquan Xu. Physics of Ultrasound. NYSORA. https://www.eetimes.com/high-performance-design-for
 https://www.nysora.com/foundations-of-regional-anest -ultrasound-imaging/#
 hesia/equipment/physics-of-ultrasound/.
 [7] Rabut, C., Correia, M., Finel, V. et al. 4D functional
[3] Qinghua Huang, Zhaozheng Zeng. A Review on ultrasound imaging of whole-brain activity in rodents.
 Real-Time 3D Ultrasound Imaging Technology. Nat Methods 16, 994–997 (2019).
 BioMed Research International. Vol. 2017, Article ID https://doi.org/10.1038/s41592-019-0572-y
 6027029, 20 pages, 2017.
 https://doi.org/10.1155/2017/6027029. [8] Richard Willingham. Portable ultrasound device could
 see doctors throw away their stethoscopes, surgeon
[4] Rabut, C., Correia, M., Finel, V. et al. 4D functional says. (2019).
 ultrasound imaging of whole-brain activity in https://www.abc.net.au/news/2019-10-27/throw-away-
 rodents. Nat Methods 16, 994–997 (2019). your-stethoscope-ultrasounds-go-mobile/11640654
 https://doi.org/10.1038/s41592-019-0572-y

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El estrés en las plantas: ¿qué es y cómo se mide?

Amanda Scoles García, Clara Villalonga Llauger, Giulia Sionis Ponte, Lara Cuevas Blanco, Marta Gili
 Esteva

 Instrumentación. Grado en Ingeniería Física. Universidad Politécnica de Cataluña.

 Campus Nord, 08034 Barcelona

 e-mail: amanda.scoles@estudiantat.upc.edu, clara.villalonga@estudiantat.upc.edu,
giulia.sionis@estudiantat.upc.edu, lara.cuevas@estudiantat.upc.edu, marta.gili@estudiantat.upc.edu

 Con este trabajo se ha pretendido estudiar cómo reaccionan las plantas frente al estrés y,
 con más detalle, su capacidad de emisión de sonidos para transmitir información sobre
 este estado. Esto se logra con un algoritmo de machine learning, clasificando las
 grabaciones resultantes de los sonidos que producen las plantas de tabaco y tomateras al
 ser sometidas a un estrés de sequía y de corte del tallo.

 I. INTRODUCCIÓN azúcar en su néctar. Si las plantas son capaces
 de emitir sonidos, estos podrían rápidamente
El reino vegetal supone un 80% de la vida en desencadenar efectos en los organismos
nuestro planeta y, a pesar de eso, falta mucho cercanos, ya sean plantas o animales.
por conocer sobre él. Se sabe que las plantas
producen fenómenos visuales, químicos y En este artículo, se hablará del reciente estudio
táctiles que las ayudan a relacionarse con su realizado por un grupo de investigadores de la
entorno: algunas lanzan semillas y se asfixian Universidad de Tel-Aviv, que consiste en
entre ellas, otras se defienden de sus examinar si las plantas emiten sonidos
depredadores creando cantidades extra de informativos a través del aire, que podrían
toxinas o secretan más néctar cuando necesitan servir de señales para su entorno. De hecho, se
polinizarse. De hecho, las plantas manifiestan demuestra que producen fenómenos auditivos
cambios significativos en su fenotipo como que son captables desde varios metros de
respuesta al estrés. Sin embargo, ya hace años distancia y que transportan información sobre
que los botánicos sospechan que las plantas el estado fisiológico de la planta.
tienen otra forma de comunicarse: el sonido.

Se conoce el uso de fenómenos auditivos
como la “cavitación”; algunas plantas, con el II. PROCEDIMIENTO DEL
estrés, crean, expanden y hacen explotar EXPERIMENTO
burbujas en su xilema, causando vibraciones
en el tejido que producen sonidos. Aún así, en Se medirá el número de sonidos que emiten las
estudios anteriores solo se han registrado en la plantas en diferentes estados, así como su
superficie de la planta. intensidad y frecuencia. Se expondrá a las
 plantas a dos fuentes de estrés diferentes: a
Por otro lado, se ha demostrado recientemente estrés por sequía (4-6 días) y estrés por corte
que las plantas responden a los sonidos, por del tallo (se estudiará la parte cortada
ejemplo, cambiando la expresión de genes desconectada de las raíces).
concretos o aumentando la concentración de

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