El Instituto IMDEA Materiales ha desarrollado un método de imagen acústica que supera las limitaciones fundamentales de tecnologías como la ecografía por ultrasonidos.
El sistema es capaz de reconstruir una imagen completa y precisa utilizando un único sensor fijo que captura una sola señal en un único instante, eliminando la necesidad de complejas matrices multisensor o de largos tiempos de escaneo.
Las técnicas convencionales de imagen acústica requieren, bien una sonda equipada con múltiples transductores (una matriz de sensores) que captan simultáneamente señales desde distintas posiciones, o bien un único sensor que debe desplazarse o realizar mediciones repetidas a lo largo del tiempo.
«Los enfoques tradicionales implican una complejidad significativa, mayores costes y equipos de gran tamaño», explica el investigador principal de IMDEA Materiales, el Dr. Johan Christensen. «Este nuevo método resuelve esa disyuntiva codificando toda la información espacial de un objeto en el espectro de frecuencias de una única onda sonora».
Tal y como se describe en una nueva publicación en la revista Advanced Functional Materials, el sistema funciona emitiendo un único pulso ultrasónico de banda ancha sobre un objeto. Las ondas dispersadas, que contienen información sobre la forma del objeto, atraviesan posteriormente un «medio desordenado» de bajo coste.
En los experimentos, este material consistía en una lámina de agar con pequeñas esferas de acero distribuidas aleatoriamente, que actúa como un codificador físico.
Debido a su estructura aleatoria, cada componente de frecuencia de la onda sonora sigue una trayectoria ligeramente diferente, generando una «huella espectral» única y compleja que es capturada por un único sensor.
Aunque esta huella espectral resulta ininteligible para un observador humano, contiene toda la información necesaria para reconstruir la imagen.
El equipo utilizó una red neuronal de inteligencia artificial entrenada para actuar como decodificador. Una vez entrenada, la IA puede interpretar la señal recibida y reconstruir una imagen del objeto original en apenas unas decenas de microsegundos.
Durante las pruebas, el sistema reconstruyó con éxito imágenes de dígitos manuscritos grabados sobre placas metálicas con una alta fidelidad, alcanzando índices de similitud estructural de hasta el 98,7 % respecto a los originales.
«En lugar de requerir una costosa matriz de sensores, este material codifica toda la información espacial en el dominio de la frecuencia, que una IA puede interpretar de forma instantánea. Esto reduce drásticamente la complejidad y el coste del hardware de imagen», afirma el Prof. Christensen.
Esta tecnología abre la puerta al desarrollo de dispositivos de imagen acústica ultracompactos, de bajo coste y capaces de operar en tiempo real.
Sus aplicaciones potenciales son muy amplias, desde el diagnóstico médico, permitiendo visualizar órganos en movimiento, como un corazón latiendo, mediante equipos mucho más sencillos, hasta la inspección no destructiva de materiales en la industria o la detección de objetos bajo el agua.
El equipo de investigación destaca que el mecanismo es universal y podría extenderse tanto a la obtención de imágenes tridimensionales como a otros tipos de ondas.
Este trabajo es el resultado de una colaboración internacional entre la Universidad de Nankín, la Universidad Forestal de Nankín y la Universidad Politécnica de Wuhan, en China, y el Instituto IMDEA Materiales.