El sonido es el resultado de la vibración de un cuerpo que produce ondas que se propagan por un medio material a través de compresiones y dilataciones (rarefacción) periódicas de este, las cuales puede captar el oído humano siempre y cuando se encuentren entre las frecuencias que es capaz de percibir.
Por su parte, el ultrasonido es una clase de onda mecánica longitudinal cuya frecuencia de vibración es mayor a los 20 mil ciclos por segundo o 20 Kilohercios (kHz) y con una frecuencia que supera la del sonido audible por el humano.
Desde el punto de vista de su potencial aplicación en diversos campos, ofrece ciertas ventajas: puede ser dirigido como un haz, cumple las leyes de reflexión y refracción y puede ser reflejado por objetos de pequeño tamaño.
Sin embargo, también tiene limitaciones: se propaga muy poco a través de medios gaseosos y la cantidad de energía acústica reflejada depende de las desigualdades acústicas del medio.
Aplicaciones
Este tipo de ondas se usa en diferentes áreas, siendo la más común la medicina en su rama diagnóstica y terapéutica, principalmente, así como en la industria. Los equipos de ultrasonido se emplean, por ejemplo, para detectar objetos o medir distancias.
Así, las aplicaciones tecnológicas del ultrasonido son numerosas: medición de distancias, espesores, control de procesos y calidad en la industria, evaluación no invasiva en medicina, detección de defectos en hormigón y en soldaduras, sondeo del lecho marítimo y control de cardúmenes en biología marina, reconocimiento de objetos, localización de piezas arqueológicas, ensayos no destructivos en metales y simulación de procesos son algunas.
El ultrasonido también ofrece una valiosa herramienta pedagógica en la enseñanza de las leyes físicas de las ondas, en las áreas de robótica, inteligencia y sistemas expertos y control de vibración en estructuras civiles. En la mayoría de estas aplicaciones subyace un área con abundante terreno fértil y en pleno desarrollo, el Procesamiento Digital de Señales Ultrasónicas (PDSU), que suministra técnicas que facilitan el estudio y la implementación de algoritmos que desempeñan un rol fundamental en cuanto a la interpretación correcta de las señales e imágenes obtenidas.
Nuevos desarrollos
Expertos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España (CSIC), en colaboración con la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), desarrollaron un nuevo sistema ultrasónico no invasivo para la industria alimentaria que permite analizar la textura de productos derivados de cereales, como galletas, pan y pasta, entre otros muchos, sin tocarlos y en tiempo real.
Su uso permitiría clasificar productos o rechazarlos si se alejan del estándar de calidad óptimo o adaptar los procesos de elaboración cuando se identifica que las propiedades del alimento no son correctas.
La medición consiste en generar una onda ultrasónica que viaja a través del aire, penetra en el alimento, se propaga en su interior y, de nuevo a través del aire, se recoge en el receptor para su análisis. “Con este sistema es posible evaluar y conocer las propiedades de calidad del alimento de forma instantánea en la línea de producción, sin tocarlo en ningún momento. Sería como hacer una ecografía del producto, pero sin contacto con el sensor”, explica José V. García-Pérez, investigador del departamento de Tecnología de los Alimentos de la UPV.
Por su lado, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) crearon un parche adhesivo del tamaño de un sello que se adhiere a la piel y es capaz de proporcionar imágenes continuas de los órganos durante 48 horas. El adhesivo de dos centímetros cuadrados y tres milímetros de grosor, que contrasta en tamaño con los equipos tradicionales, puede producir imágenes en directo de los principales vasos sanguíneos y órganos más profundos, como el corazón, los pulmones y el estómago.
El prototipo actual requiere conectar los adhesivos a instrumentos que traducen las ondas sonoras reflejadas en imágenes, por lo que se trabaja para que funcionen de forma inalámbrica. De lograrlo, estos podrían convertirse en productos de imagen portátiles que los pacientes podrían llevar a casa desde la consulta del médico.
Además están en desarrollo algoritmos de software con base en Inteligencia Artificial (IA) que puedan interpretar y diagnosticar mejor las imágenes. El objetivo es que los parches adheridos al cuerpo se comuniquen con un smartphone donde los algoritmos de IA analizarían las imágenes bajo demanda facilitando el control de diversos órganos internos, la progresión de los tumores o el desarrollo de fetos en el útero.
Si bien la impresión 3D se usa desde hace tiempo en hospitales para crear implantes o fabricar estructuras anatómicas para después colocarlas mediante intervenciones complejas, esto podría cambiar con el uso de ondas ultrasónicas que podrían formar el implante dentro del cuerpo, sin dolor ni cicatrices.
Investigadores de la Universidad Concordia de Canadá trabajan en un sistema para “imprimir” piezas en 3D usando ondas de ultrasonido como las de las ecografías.
Un nuevo método por ultrasonidos llamado Impresión Directa de Sonido (o DSP) facilita dar forma a los polímeros a través de moldes o dentro de los músculos y la piel. Estas ondas actúan para transformar un material líquido en sólido dentro de una cavidad, evitando tener que realizar operaciones invasivas.
Las ondas de ultrasonido provocan una presión fluctuante dentro de las pequeñas burbujas del polímero líquido, lo que se traduce en reacciones químicas que sirven para transformar la resina líquida en sólido o semisólido, dependiendo de la necesidad de cada implante. La pieza toma forma píxel a píxel cuando el transductor de ultrasonido se mueve siguiendo una ruta predeterminada. El resultado sería más individualizado, controlado con la frecuencia de las ondas y la viscosidad del material.
Características del ultrasonido
Frecuencia La determina la fuente emisora del sonido y el medio que atraviesa. En medicina, con fines de diagnóstico, se emplean frecuencias entre dos y 30 MHz.
Velocidad de propagación Varía en función de la densidad y la compresibilidad del material.
Interacción con la materia Se realiza mediante estimulación de moléculas que transmiten energía entre ellas al interactuar.
Longitud de onda Al atravesar un tejido sucede la reflexión de haces ultrasónicos hacia un transductor, llamado “eco”.
Impedancia acústica Provee evidencia de la identidad de diferentes materias o tejidos que atraviesan de un medio a otro. Esto da lugar a una interfase entre estos materiales.
Ángulo de incidencia La intensidad con la que el haz de ultrasonido se refleja dependerá del ángulo.
Atenuación Pérdida de energía que experimenta un haz de ultrasonido al atravesar un medio, como consecuencia de su absorción, reflexión, refracción y/o difusión.
Frecuencia de repetición de pulsos Número de pulsos que ocurren en un segundo. Se mide en hertzios (Hz).