Crean una lente acústica tridimensional con posibles aplicaciones médicas

Investigadores de la Universidad de Cádiz (UCA), de la Universidad de Valencia (UV) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han desarrollado una novedosa metodología para construir lentes acústicas tridimensionales con simetría axial que podrían tener aplicaciones médicas especialmente en la cirugía no incisiva, en la investigación biomédica con ultrasonidos, en el desarrollo de ecografía de alta precisión, en fisioterapia o en otros campos de interés como la divulgación científica o la lucha contra la contaminación acústica. Métodos de inteligencia artificial inspirados en la evolución biológica son la clave de esta invención patentada.

Es importante tener en cuenta que las lentes acústicas convencionales basadas en el diseño en dos dimensiones bajo la suposición de que su construcción se realizará con cilindros de longitud infinita poseen una potencia reducida tanto por la inexactitud del propio modelo (!no se pueden construir cilindros infinitos!) como por la focalización no en un punto, sino en una línea infinita paralela a los cilindros que la componen y que pasa por el foco.

Por el contrario, las lentes tridimensionales se basan en la dispersión del sonido por anillos, que distribuidos de manera adecuada, permiten que el foco se localice en un punto único del espacio sobre el eje de simetría. Así “el hecho de convertir una lente de dos dimensiones en una de tres dimensiones hace que la intensidad obtenida en el foco sea mucho mayor”, como explica el profesor Dr. Pedro L. Galindo, quien dirige esta investigación en la UCA y responsable del grupo TIC-145, "Sistemas Inteligentes de Computación".

Para entender mejor esta invención hay que señalar que el nuevo método de obtención de lentes acústicas para focalizar el sonido permite regular no solo el número y tamaño de los anillos concéntricos que se utilizan para su diseño, sino su distribución espacial. La disposición correcta de los anillos se calcula en un espacio mediante técnicas de optimización utilizando algoritmos genéticos, es decir, un método de optimización basado en un modelo de supervivencia del más apto. Este procedimiento, desarrollado por el Dr. Lorenzo Sanchís, investigador del CSIC, y perfeccionado por el grupo TIC-145 para su ejecución en paralelo en el clúster (que tiene una capacidad de 3,8 billones de operaciones por segundo) de la Universidad de Cádiz, permite la exploración efectiva de un amplio espacio de diseño, y por tanto, de una mejora en el funcionamiento final de las lentes así obtenidas.

Solución con múltipes ventajas

La invención propone un solución con múltiples ventajas respecto a anteriores tecnologías, especialmente en lo que se refiere a la eficiencia y a la posibilidad de controlar la situación del foco (enfocar) variando la frecuencia. Un aspecto muy interesante e imprescindible para el desarrollo de esta técnica ha sido la colaboración de grupos especialistas en distintas áreas ciéntíficas (ciencia de los materiales, física, computación intensiva e inteligencia artificial) pertenecientes a distintas instituciones para dar una solución integral a un problema complejo.

Este estudio ha podido ser comprobado experimentalmente en la Unidad de Materiales y Dispositivos Optoelectrónicos (del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Valencia y Unidad Asociada al CSIC), donde se ha construido un prototipo de un tamaño aproximado de 2 m. de altura formado por anillos concéntricos de aluminio capaces de amplificar 13 dB un haz sonoro incidente de 2200 Hz., donde se ha comprobado que "efectivamente la lente acústica tridimensional funciona fiel a la teoría”, en palabras del Dr. Pedro L. Galindo. De hecho, es posible apreciar la amplificación sonora en el foco simplemente situando (con precaución) el oído en dicha posición. Esta característica permite una comprobación intuitiva del fenómeno de focalización acústica adecuada para su exposición al público en recintos destinados a la divulgación científica.

Aunque las pruebas se han llevado a cabo con un dispositivo a gran escala trabajando con ondas de sonido en la banda audible, si la emisión se hiciera con ultrasonidos, el tamaño de la lente se podría reducir enormemente, como señala el profesor de la UCA. Los ultrasonidos son ondas sonoras no audibles por el oído humano y muy utilizadas en medicina (y en ciencia de los materiales) para, por ejemplo, visualizar de forma no invasiva el interior del cuerpo humano (y de materiales). “Nosotros hemos desarrollado la técnica necesaria para encontrar una configuración de anillos que, dependiendo de la frecuencia cambie la posición del foco. Esto nos permite que el dispositivo sea estructuralmente siempre el mismo”, comenta el responsable del grupo TIC-145. Así, por ejemplo, se podría usar esta lente acústica tridimensional para romper cálculos en el riñón, ya que “modificando la frecuencia del dispositivo, es posible controlar la posición del punto de potencia máxima, es decir, enfocar en profundidad en el organismo, optimizando la precisión del proceso de destrucción de los cálculos sin dañar el tejido circundante”.

Igualmente, este tipo de lentes podría permitir el desarrollo de un escalpelo no invasivo que podría dirigirse hacia tejidos cancerosos ubicados a diferente profundidad en el cuerpo y destruirlos o utilizarse para la obtención de imágenes tridimensionales por ecografía.

Control y/o eliminación del ruido ambiental

Por otro lado, el hecho de que esta invención no sólo se limita a los ultrasonidos, sino que también tiene validez en el rango audible, permite la utilización de las lentes acústicas en el control y/o eliminación del ruido ambiental así como ofrecer un modo no destructivo de comprobar y analizar el interior de objetos no transparentes como puentes, cascos de buques y alas de aviones, en busca de grietas u otros defectos.

Así las cosas, desde la UCA esperamos poder dar el siguiente paso cuanto antes, ya que “nos gustaría poder hacer un prototipo a escala reducida, aunque esto ya debe hacerse de la mano de una empresa”.