ITEFI

16 Sep, 2019 | I+D+i, I+D+i Septiembre 2019 ABC

Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información (CSIC) – Serrano 144. Madrid

I+D+i en el CSIC sobre Sistemas y Tecnologías Ultrasónicas (STU)

 

Antonio Ramos

Responsable del grupo Sistemas y Tecnologías Ultrasónicas Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información (ITEFI), CSIC

 

El leonés Antonio Ramos lleva 47 años involucrado en la I+D+i del CSIC, y en los últimos 37 creando nuevas aplicaciones ultrasónicas (US) para la sociedad y la industria, en ámbitos donde está en juego la vida humana. Ha volcado en ello buena parte de su investigación previa como doctor en Ciencias Físicas sobre Sistemas (Electrónicos, Computacionales, Autómatas, Industriales, y de Control Automático). Desde 2010 dirige el Grupo STU, y antes fue Jefe del Dpto. “Señales, Sistemas y Tecnologías US” del CSIC. Es fundador de la Red Internacional CYTED sobre I+D para Diagnóstico médico precoz no invasivo.

Tantos años trabajando en I+D+i, debe ser un experto en el tema. 

Bueno, soy vocacional y curioso. Mira, algo se aprende con el tiempo dentro de las parcelas que cultivas. Y lo que sí he constatado, personalmente, es el efecto multiplicativo de una formación propia multi/trans-disciplinar para lograr un enfoque global y profundo en cada nuevo desafío. Es entre fronteras de especialidades complementarias (en mi caso: Física, Ingeniería electrónica, Teoría de Sistemas y de la Información, Automática, Biomedicina y Tecnología Industrial), dónde suelen surgir las novedades y logros científicos con interés para la sociedad. Pero ello requiere tiempo, esfuerzo, constancia y formar equipos de I+D reales, con varios investigadores seniors colaborando de forma intensa y estable. Opción ya en desuso, por desgracia, pues la moda en financiación prima micro-grupos: competir en lugar de multiplicar esfuerzos como hacíamos antes. Es importante cooperar con otros grupos y empresas, incluso de otros países, especialmente los iberoamericanos, más próximos lexi-culturalmente. Metodológicamente, planteo cada nuevo Sistema en un sentido físico-matemático y cibernético (N. Wiener), integrando: Modelización, Simulación numérica, Predicción, Optimización dinámica, Procesamiento tempo-espectral, Control Adaptativo, Funciones de Transferencia, etc.

 

¿En qué está trabajando su grupo actualmente?

En idear, diseñar y desarrollar nuevos sistemas ultrasónico-electrónico-procesadores con aplicaciones diversas. Por ejemplo, para lograr alta Seguridad y Diagnósticos clínicos e industriales precoces, en situaciones con gran riesgo potencial, como son: el transporte con alta velocidad, el cáncer y problemas cardiovasculares. Para ello, las líneas de investigación incluyen, por un lado, el Análisis y Modelización de la Física involucrada: (radiación y propagación de haces US especiales; difracción acústica en aperturas complejas bajo régimen pulsado; modelos no-lineales; métodos computacionales para simulación y diseño; análisis de propiedades en tejidos y medios anisótropos; detección e imagen US de alta resolución). Por otro lado, diseñamos nuevos Sistemas y Tecnologías para lograr: detecciones no invasivas de parámetros físicos con muy alta precisión (micro-flujometría, termometría, micrometría y elastometría); e innovar en formación ultra-rápida de imagen multi-modal (tomografía; composición ultrasónica biplanar, multiangular y circular).

 

¿Cómo repercutirá esto en la vida de los ciudadanos?

Lo que investigamos y diseñamos en laboratorios se aplica en la vida real a través de la Prevención de accidentes en aviones o en trenes AVE, por fallas en alas o en vías (Evaluación No Destructiva: END) y del Diagnóstico Médico Precoz, para el control intra-operatorio de by-passes coronarios; y pronto, en Detección precoz no invasiva de cáncer y obstrucciones en arterias.

 

Ya…

Sí, te entiendo, ya sé que en I+D todo el mundo dice que detecta el cáncer… Pero para que te hagas una idea, daré datos precisos sobre 3 resultados prácticos y novedosos que hemos obtenido.

 

Por favor …

– La clave en detección temprana de los accidentes arteriales reside en mejorar drásticamente la resolución para estimar el espesor dinámico de la pared arterial, que con la imagen US clásica es de centenas de micras, y que nuestro método logra bajar a la media micra. Ello se ha comprobado por simulación computacional y en arterias ex-vivo. Su aplicación clínica requiere algún nuevo esfuerzo.

– En control intra-operatorio de by-passes, la novedad es una detección US por tiempo de tránsito, estrictamente simultánea desde 2 transductores US, que ya validé en quirófano. Se logró mayor precisión (20 µL/s) que la actual (patente TTFM Transonic). Tenemos prototipos de laboratorio en el CSIC y en otros países, con resultados muy precisos y de un coste final de aplicación mucho menor.

– Y cuando hablo de detección precoz de cáncer, es que con pulsos US se pueden estudiar gradientes térmicos dentro de los tejidos de una forma no invasiva (sin agujas termopares que diseminan las células cancerígenas y disparan el proceso tumoral), y lograr una resolución de 0,1 ºC. Y a diferencia de las técnicas ópticas que solo analizan la superficie, nuestro método SERHH permitiría predecir térmicamente la ubicación y profundidad de los preparativos vasculares de un tumor futuro.

 

Pero no solo se centran en la medicina, ¿verdad?

Efectivamente, también investigamos en Control de Calidad industrial con pulsos US, especialmente en transporte, aumentando la seguridad del viajero. Por ejemplo: lograr imagen ultrasónica clara de defectos críticos, dentro de aceros atenuantes y dispersivos en los cruzamientos de Vías del AVE; validar Flaps de Aterrizaje en Alas del Boeing 777, verificando para EADS y Eurocopter la adherencia entre matrices internas de “nomex” en nido de abeja (cartón + barniz), y sus laminados externos de fibra de carbono CFRP, algo que resulta vital para asegurar una buena resistencia ante impactos durante  el aterrizaje (Prevención Precoz de accidentes aéreos).

Y también innovamos en Electrónica de Conmutación Multicanal de Alta Tensión, con patentes en varios países, para la END en Plantas Nucleares (Loviisa) y en Fabricación de Aceros, lo que permitió competir a dos empresas españolas, al dividirse por 16-32 el coste de la electrónica necesaria.

 

¿Hacia dónde se dirige el grupo?

Dependemos de la financiación y, desde 2000, tuvimos alta capacidad de captación de recursos. Por ejemplo, solo en 2014-2016: más de 2.2 millones € mediante 18 Proyectos de los Planes Nacionales de I+D en España, México y Uruguay , la Unión Europea, CSIC, CYTED, AECID y 10 Contratos con Empresas y Organismos de I+D. Y disponemos de importante instrumentación especializada en nuestros laboratorios, que supera los 4 millones €, y otra buena parte de diseño propio. Pero, hoy quedamos solo el 35% de los integrantes del grupo en 2013, a causa de jubilaciones no repuestas y la escasez de fondos para personal.

Algunos Objetivos Científico-técnicos concretos del grupo, a medio plazo, son avanzar en:

– Estimar nuevas propiedades internas en diversos materiales y tejidos biológicos con US

– Desarrollar tecnologías novedosas para imagen US en aplicaciones médicas e industriales

– Localizar puntos internos en tejidos, precursores de tumores mediante detección térmica US

– Diagnóstico US espectral de alteraciones micrométricas y elásticas ezn paredes arteriales

– Control US de calidad: END en estructuras estratégicas y transporte

 

¿Y su camino personal? 

Lo primero, tratar de seguir gozando de la vida junto a mi entorno. Y, ya en I+D: poder medir, de forma no invasiva, espesores en otras membranas tisulares, con resolución mejor que 1 micra

(10-6 m) y elasticidades con precisión < 0,1%, 1 ó 2 órdenes de magnitud mejores que lo hoy día alcanzable. Y en diagnóstico precoz de cáncer, localizar mini-gradientes térmicos. Sería muy valioso en los ámbitos cardiovascular y oncológico.

Y querría ampliar y difundir mi Teoría Binodal para Síntesis óptima de Autómatas digitales (1973-1982). Sus definiciones, teoremas y expresiones booleanas se aplican aún en automatización industrial 43 años después. Pero no tuve tiempo para una difusión más extensa de la misma; me lo impidió el tener que generar 45 proyectos trianuales y 25 contratos de I + D + Transferencia; escribir 235 artículos, 30 capítulos, 5 libros, 19 patentes, más 160 informes; hacer 260 presentaciones en congresos, cursos, seminarios y conferencias. Y el dirigir doctorados.

 

Aplicaciones novedosas en la I+D dirigidas por A. Ramos

Para Diagnóstico médico precoz

Procedimiento de Espectroscopia ultrasónica con Ultra-alta Resolución en armónicos resonantes altos (SERHH) para Detección Precoz de Cáncer y Accidentes Cardiovasculares

Dinámica ultrasónica del espesor de una pared arterial medida no invasivamente con nuestro método SERHH (Financiado por el Proyecto europeo de cooperación doctoral: C.E.-ALFA-II-0486-FC-FA-FCD-FI)

– En diagnóstico cardiovascular precoz, hemos adaptado nuestro método SERHH para medición muy precisa (0,1 %) de espesores y elasticidades en pared arterial de carótidas, y así detectar alteraciones arteriales en fases tempranas, precursoras de accidentes vasculares: infartos, aneurismas, ictus…

– En diagnóstico tumoral precoz se logrará la detección precisa y no invasiva de pequeños gradientes térmicos internos, con resolución de 0,07 ºC, asociados a la neo-vascularización local (zonas de ≈ 1-2 mm), lo que antecede en varios años a la aparición de un tumor maligno en hígado o mama.

Nuevo sistema para Microflujometría Cardíaca TTFM de Alta Resolución en quirófano durante los implantes para by-passes coronarios, diseñado en el CSIC

Consigue alta resolución: de 20 micro-litros/sg, en medir la permeabilidad vascular intra-operatoria a través de los by-passes (implantes de safena y mamaria) en paralelo con la coronaria infartada. Mide micro-flujos para asegurar > 12-15 ml/min, umbral que marca la posibilidad de supervivencia. El conocimiento de esos flujos, en quirófanos de Cardio-Centro (Hospital H. Ameijeiras, Havana), redujo (a la cuarta parte) la mortalidad asociada a estas operaciones de re-vascularización.

Prueba “In Vivo” en un Bioterio sobre Aorta abdominal de un conejo. CCE CINVESTAV

Prueba ”In Vivo” sobre Aorta de conejo

Medición de flujo en un bypass hecho con tramo de safena en el quirófano de CardioCentro – La Habana – Agosto 2011

3 Implantes para Bypass de coronaria

Validación en Quirófano del 1er prototipo. Cardio Centro ( Hospital H. Ameijeiras. Havana)

Medición US intra-operatoria de flujo TTFM (en bioterio y quirófano) con muy alta resolución (Proyecto CYTED-P506PIC0295: Development of ultrasonic & computer systems to cardiovascular diagnosis)

Para Diagnóstico industrial predictivo

Nuevo sistema para imagen ultrasónica de defectos críticos en infraestructuras de alta seguridad con materiales altamente atenuantes y dispersivos (IMAAD). Cruzamientos de vías para trenes AVE

Detecciones: radiológica (a la derecha, arriba), y abajo 4 ultrasónicas donde se aprecia mucho más claramente un defecto. Proyecto del Plan Nacional INNPACTO – IPT-020000-2010-4 (Tecnalia R&D – CSIC – Amufer SA, Amurrio).

Scanning de pulsos de alta tensión en END de Plantas Nucleares y Aceros (Patente mundial) (Divide por 16 / 32 el coste de la electrónica necesaria)

END de Generadores de vapor en una Planta Nuclear de Finlandia (Scanning de excitaciones AT sobre 16 canales – TECNATOM S.A)

Scanning de pulsos de Alta Tensión

END “on line” durante la fabricación de aceros laminados (Scanning con DMUX de AT sobre 64 canales – ENSIDESA S.A.)

Contribución del grupo a la investigación ultrasónica en España

La investigación sobre ultrasonidos se inicia, en España, en los años 70, en el CSIC (J.A. Gallego con el Grupo US de Potencia: E. Riera, L. Gaete, G. Corral, F. Montoya, F.R. Montero), sobre radiación de potencia en fluidos con placas y su aplicación en la aglomeración acústica de aerosoles (doctorado de E. Riera). Desde 1982, se incorporan investigadores sobre Sistemas de Electrónica Industrial y de la Información (A. Ramos 1982 y J.L. San Emeterio 1985, del Instituto de Automática Industrial, IAI-CSIC, y P.T. Sanz). Así se creó la Línea de I+D Imagen y Detección Ultrasónicas en el CSIC con una orientación inicial de tipo industrial, y ya hubo colaboraciones desde IAI en proyectos y con la tesis doctoral de L. G-Ullate. En los años 90, la línea se fortaleció con más físicos del CSIC (T. Gómez, I. González, L. Elvira), y la colaboración con equipos americanos (México, L. Leija; Cuba, E. Moreno; Uruguay, C. Negreira; Brasil, W. Coelho) más orientados a la Ingeniería Biomédica y formados en Europa. Y en 2013 se incorporaron al grupo C. Fritsch y L. G-Ullate, colegas de A. Ramos en IAI 1972-1982. Todo ello dio más empuje a los desarrollos para empresas y a las redes de cooperación. Así se consiguieron importantes resultados en colaboración. Por ejemplo, solo desde el 2000 al 2018, se generaron: 60 Proyectos, 77 contratos, 30 patentes explotadas y unos 300 artículos indexados en revistas y libros con ISBN. Y finalmente se crearon 2 empresas de base tecnológica (Dasel S.L. y Pusonics S.L.) en la temática. “Los post-grados y redes multinacionales de I+D permiten, hoy día, seguir extendiendo nuestros resultados en otros países, a pesar de que la financiación nacional para personal está bajo mínimos. Y ello posibilita la cooperación Europa-América en muchas tesis doctorales y en libros de referencia”, explica Antonio Ramos. Para ello, coordina la Red Cyted Ditecrod (2018-2022) Nuevas vías no-invasivas de diagnostico temprano en enfermedades crónicas y degenerativas: 13 grupos de I+D, hospitales y empresas en 8 países (40 doctores). Pero ello no ha sido fácil, “de hecho, es el resultado de haber emprendido desde 1998, 25 Proyectos de I+D en común con 6 de los hoy día socios de esta Red”.

AGRADECIMIENTOS

– A: CSIC, CYTED, Unión Europea y P.N. de I+D español, por las financiaciones de Proyectos y Redes.

– A: I. Bazán, P.T. Sanz, A. Ruiz, E. Riera, H. Calas, J. G-Vegas, L. Castellanos, M. Vázquez, y L. Diez, por su valiosa ayuda y lealtad.

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