https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/21021/Ingenierias_2020_Ano_23_No_89_Octubre-Diciembre.pdf 26cf7d8b8f33f56af8404a8f334aa0b1 PDF Text Text �89 Contenido Octubre-Diciembre de 2020, Año XXIII, No. 89 3 Editorial: La equidad como uno de los factores de la logística José Luis Cantú Mata 6 Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado Emmanuel Bretón Jiménez, Edwin Javier Melgar Urbina, Miguel Ángel Hernández Rivera, Margarita Loredo Cancino, Nancy Elizabeth Dávila Guzmán 14 An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators Jorge Morales, Francisco Ramírez Cruz, Francisco Eugenio López Guerrero 28 Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos Carolyn L. Bayer, Geoffrey P. Luke, Stanislav Y. Emelianov 42 O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia José Antonio De la O Serna 62 Colaboradores 64 Información para colaboradores 65 Código de ética Suplemento en línea “30 años de Nucleoelectricidad en México” Editores: Max Salvador Hernández, Roberto Carlos Lopez Solis Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Año XXIII, No. 89 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XXIII N° 89, octubre- diciembre 2020. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, Nuevo León, México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2020. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66455. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2020 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector Dr. Santos Guzmán López Secretario General Mtra. Emilia Edith Vásquez Farías Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Arnulfo Treviño Cubero Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Dr. Jesús G. Puente Córdova Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Año XXIII, No. 89 �Editorial: La equidad como uno de los factores de la logística José Luis Cantú Mata Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica jose.cantumt@uanl.edu.mx La administración de la cadena de suministro considera la integración entre los negocios y las Tecnologías de Información y Comunicaciones (TIC) con mayor colaboración entre empresas que son parte de una oferta dada, para generar estrategias diseñadas para tener un mejor posicionamiento, eficiencia operativa y reducir sus tiempos de respuesta. Las funciones en la cadena de suministro requieren de procesos administrativos que vinculan la producción y el comercio con los clientes, con prácticas habituales de mercadotecnia, compras y logística para satisfacer al cliente. En este contexto, el área de Logística y Cadena de Suministro satisface la necesidad de trasladar los bienes, inventario, del productor al cliente, cumpliendo con diferentes condiciones de tiempo, lugar y costo para las entregas, acordes a la naturaleza del bien que se suministra. Las actividades productivas y comerciales se han vuelto de carácter mundial, por lo que no es extraño que las estrategias surgidas de la logística consideren acciones en el ámbito internacional. Un ejemplo reciente de la importancia de la logística se puede apreciar a través de los retos generados por la emergencia sanitaria del COVID-19 y la forma en que a pesar de las restricciones de paso de las diferentes fronteras, no sólo internacionales, sino regionales en ciertos paises, se mantuvo la operación de uno de los elementos más importantes de la cadena de suministro: el transporte. La importancia del transporte de bienes hizo que se le declarara como una actividad esencial sin más que el seguimiento de ciertos protocolos para continuarla, pero como se ha podido ver, eso no es suficiente porque la demanda de las dosis de la vacuna no sigue estándares tradicionales aplicables a la distribución de otros bienes. La producción de dosis no cubre la demanda, además de que hay grupos vulnerables que la requieren con mayor urgencia por lo que es difícil determinar cómo debe ser distribuida para maximizar el beneficio de la vacunación. También se debe considerar que se trata de un problema mundial, pero eso no significa que la distribución óptima en una región, o en un conjunto de regiones, sea lo mejor para todo el conjunto. El tiempo es uno de los problemas más graves en una operación logística de este tipo, pero no hace que otro aspectos, como el costo, desaparezcan del interés de los organismos empresariales, incluyendo los gobiernos. Para los paises que no están produciendo las dosis se trata en principio de una compra en el extranjero, es decir que debe ser importada y luego ponerla en cierto Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Año XXIII, No. 89 � �Editorial: La equidad como uno de los factores de la logítica / José Luis Cantú Mata lugar a disposición para satisfacer la demanda. Aunque ésta es una operación de apariencia sencilla en términos de logística, si se toma en cuenta que se trata de una demanda que incluye aspectos que afectan a la equidad, ya que no hay producción suficiente para satisfacer la demanda que además no es uniforme, pues existen grupos que la requieren más que otros. En condiciones de abundancia los problemas se reducirían al transporte, con el debido manejo en cuanto a tiempo y seguridad. Pero ya que no es el caso, entonces se formulan diferentes criterios sobre cómo debería distribuirse. En la República Mexicana la geografía no es un problema ya que se puede llegar a prácticamente cualquier población, entonces el criterio podría ser que los grupos vulnerables vayan primero, pero cómo se define eso, puede ser en atención a la edad, a las comorbilidades, a las posibilidades de interacción con otras personas como en las poblaciones grandes, a quienes utilizan el transporte público, a quienes atienden pacientes con COVID, a quienes atienden pacientes en cualquier forma: camilleros, choferes de ambulancia, guardias, administrativos, intendentes, y todas los especialistas médicos en los hospitales. Éstas son unos cuantos factores para definir y el diseño de la logística para la distribución bien hecha debe tomarlos en cuenta en busca de obtener la distribución más equitativa y que maximice su beneficio. Aunque se recurriera a la estrategia simplista del azar en un sorteo como una manera para evadir el trabajo serio, es imposible vacunar a todos los que la dosis alcancen al mismo tiempo, ya que aun disponiendo de ellas para su aplicación también se deberá organizar otra logística para distribuirlas. Así que por más que se evite favorecer o desfavorecer a alguien en atención a sus atributos y necesidades, y por más equitativo que se quiera ser, siempre habrá alguien que estará en primer lugar para obtener su dosis contra el COVID19. La supervivencia de los más aptos en cualquier término, ha demostrado a lo largo de la historia que la equidad no es algo natural, surge del desarrollo consciente de la sociedad que le ha dado valor, en el fondo a favor de su preservación sobre la de los individuos de manera que se piensa que los aspectos discriminatorios o de inequidad no deberían de existir. Se establece entonces que todos los seres humanos, la población, deben ser tratados por los demás, no sólo por los gobiernos u organizaciones, sino entre ellos mismos, equitativamente sin importar las creencias, costumbres o preferencias con respecto a su raza, género, nivel socioeconómico, entre otros. Sin embargo, se requiere de una correcta administración y planeación para que las decisiones que se toman por las estrategias derivadas de la logística que están orientadas a brindar una satisfacción óptima sean comprendidas, aceptadas o al menos toleradas por aquellos que no se encontrarán en los primeros lugares y que se consideran excluidos por una discriminación, según su percepción, injustificada. Para estos grupos no importa si la estrategia diseñada es correcta y se sentirán discrimandos, ya que los criterios que se hace la población en general están basados en sentimientos y conjeturas populares, si se hiciera una encuesta, aun una diseñada correctamente que evitara el sesgo y tuviera una escala de valoración objetiva, las respuestas serían variadas según quienes � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Año XXIII, No. 89 �Editorial: La equidad como uno de los factores de la logística / José Luis Cantú Mata las proporcionaran. Es altamente probable que aun aquellos que presuman de equidad se pondrían al frente. En ocasiones les resulta tan complejo que terminan aceptando que el azar de un sorteo es la mejor estrategia. Entonces, si la logística para la distribución es un reto, mucho más reto será lograrlo con equidad y que sea percibido así. Mientras no se comprenda claramente la diferencia entre igualdad y equidad, siempre habrá detalles que por pequeños que parezcan serán interpretados como abuso, falta de equidad, y en el mejor de los casos, incompetencia de quienes diseñan las estrategias que buscan favorecer la equidad. Los problemas logísticos no están limitados a satisfacer demandas simplemente ubicando los inventarios con seguridad en cierto lugar y tiempo, poniendo mayor atención al abastecimiento de provisiones sin considerar la forma en que se abastecen lugares cotidianos cono los pequeños comercios, los centros comerciales o las tiendas departamentales, de manera que la logística pasa desapercibida para la sociedad. Como un ejemplo del logro del diseño de la logística y cadena de suministro en el cumplimiento de las necesidades de la sociedad ante la emergencia sanitaria, en que los hábitos de compra se modificaron para evitar su propio desabasto ocasionando que ésta área tuviera un mayor esfuerzo para el respectivo abastecimiento. Un ejemplo es que, al principio de la emergencia sanitaria, la sociedad, quien tuvo acceso a la mercancía, se abasteció de desinfectante en aerosol y gel antibacterial llegando a la situación del desabasto en puntos de venta que motivó que se restringiera la venta mientras se rediseñaba la logística de distribución junto con un cambio radical en la sociedad que llevó a un mayor control, orden y atención a la existencia de productos que son necesarios para su supervivencia y artículos de necesidad básica e higiene. Las condiciones que se mencionan para la vacunación masiva contra el COVID-19 no son exclusivas para este proceso, ya que se encuentran prácticamente en todos los casos en que los aspectos sociales juegan algún papel que obliga a establecer jerarquías. Lo que si es extensivo y obligatorio para todos los casos en que se efectúe el diseño de alguna logística, se haga con método, de manera, sin intentos de improvisación o implementación de ideas que de momento pueden sonar geniales, pero que no contemplan aspectos sociales además de los tradicionales de lugar, tiempo y costo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Año XXIII, No. 89 � �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado Emmanuel Bretón JiménezA, Edwin Javier Melgar UrbinaB, Miguel Ángel Hernández RiveraA, Margarita Loredo CancinoB, Nancy Elizabeth Dávila Guzmán*B Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, Cunduacán, México. Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ingeniería Química nancy.davilagz@uanl.edu.mx A B RESUMEN Se investigó la remoción del colorante ácido violeta 7 mediante carbón activado en un sistema de adsorción en lote. Se estudiaron los efectos de parámetros experimentales en la capacidad de adsorción, tales como la masa del adsorbente y el pH. Las mejores condiciones experimentales para la adsorción de ácido violeta 7 fueron a pH natural del colorante (pH 6) y 100 mg de adsorbente al obtener una capacidad de adsorción de 102 mg/g. La cinética de adsorción fue descrita por el modelo de Pseudo-Segundo orden que está basado en un mecanismo de quimisorción. PALABRAS CLAVE Adsorción; carbón activado; cinética; remoción de colorante. ABSTRACT The removal of the acid violet dye 7 by activated carbon was investigated in a batch adsorption system. The effects of experimental parameters on the adsorption capacity, such as the mass of the adsorbent and the pH were studied. The best experimental conditions for the adsorption of acid violet 7 were at the natural pH of the dye (pH 6) and 100 mg of adsorbent achieving an adsorption capacity of 102 mg/g. The adsorption kinetics followed the Pseudo-Second order model which is based on a quimisorption mechanism. KEYWORDS Adsorption; activated carbon; kinetics; dye removal. INTRODUCCIÓN El rápido crecimiento demográfico y desarrollo económico de la sociedad humana incrementan las actividades industriales y agrícolas, haciendo un uso acelerado de agua en todo el mundo. Se prevé que en el año 2050 la población mundial alcance 9,800 millones de habitantes que podrían llegar a usar hasta un 55% más de agua para satisfacer las necesidades básicas en todo el mundo.1 Los recursos hídricos han sido explotados de manera descontrolada por industrias tales como la textil, la papelera, la farmacéutica, la alimentaria y la cosmética, � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado / Emmanuel Bretón Jiménez, et al. siendo el color la primera evidencia de la contaminación generada.2 Alrededor de 800,000 toneladas de tintes se producen anualmente en el mundo y el 60-70 % son colorantes. Esto genera un gran impacto ambiental que contaminan las masas de agua con facilidad, repercutiendo en la salud humana, en las tierras de cultivo y en la actividad acuícola.3 Los colorantes azoicos son compuestos que tienen el grupo azo cromóforo (R1–N=N–R2) en sus estructuras moleculares. Estos grupos funcionales dificultan la biodegradación de los mismos y se estima que entre el 10 y 15% de estos compuestos se pierde y se incorpora en el efluente industrial, los cuales deberían ser eliminados antes de ser descargados a las masas de agua, debido a su alta toxicidad y contaminación provocada en los ecosistemas.4 El colorante ácido violeta 7 (AV7) es muy importante en la industria textil y uno de los mayores contribuyentes de la contaminación,5 este colorante está formado por grupos aromáticos complejos y sulfónicos que lo hacen altamente genotóxico comparado con otros colorantes azoicos. Los colorantes azoicos afectan a la salud humana, y al medio ambiente. En los últimos años, algunos científicos han tratado de resolver esta problemática. Entre los diversos métodos de eliminación comúnmente utilizados destacan la adsorción, foto-degradación y decoloración microbiológica, entre otros.6 En general, la adsorción de colorantes de la industria textil sobre materiales sólidos como el carbón activado (CA) resulta eficiente gracias a la relativa simplicidad del sistema y a las propiedades del carbón activado, como elevada área superficial, estabilidad química y alta capacidad de adsorción.7 El CA ha sido utilizado en la purificación del aire, remoción de colorantes y contaminantes farmacéuticos, entre otros.8 Por lo tanto, en esta investigación se evaluó la capacidad del CA para la remoción del contaminante AV7, a través del estudio de equilibrio y cinético del proceso de adsorción. MATERIALES Y MÉTODOS Reactivos y materiales El carbón activado utilizado fue de origen mineral, con tamaño de partícula de 500-700 µm (Clarimex). El ácido violeta 7 fue provisto por Sigma-Aldrich en forma de polvo, tiene un peso molecular de 566.47 g/mol y su fórmula química es C20H16N4Na2O9S2. Preparación del adsorbato Una solución patrón de ácido violeta 7 de 50 mg/L se preparó añadiendo 0.05 g de ácido violeta 7 sólido en un matraz volumétrico de 0.025 L con agua desionizada, agitándose hasta obtener una solución homogénea color violeta. Análisis de concentración del adsorbato. La concentración del adsorbato fue cuantificada en un espectrofotómetro (Genesis 10S UV/Vis) utilizando una curva de calibración. Los estándares del AV7 fueron preparados a partir de la solución patrón para obtener concentraciones de 1 mg/L, 2 mg/L, 5 mg/L, 10 mg/L y 25 mg/L Posteriormente, se registró la absorbancia de cada estándar a una longitud de onda de 510 nm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 � �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado / Emmanuel Bretón Jiménez, et al. Experimentos de cinética de adsorción La cinética de adsorción de AV7 sobre CA fue obtenida añadiendo una masa definida de CA a un matraz Erlenmeyer de capacidad nominal de 250 mL, la cual fue puesta en contacto con 100 mL de AV7 a una concentración inicial de 50 mg/L. La mezcla se mantuvo en agitación constante a 200 rpm y a temperatura ambiente (25 ºC) durante un tiempo de contacto de 6 h (para asegurar alcanzar el equilibrio). Se tomaron alícuotas de 1 mL de la solución a diferentes tiempos (5, 10, 20, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 240, y 360 min) para su posterior análisis mediante espectrofotometría UV-Vis. La cantidad de colorante adsorbido en cualquier tiempo, q (mg/g), se calculó por medio del siguiente balance de masa: (1) Donde Co y C son las concentraciones iniciales y a cualquier tiempo de AV7 (mg/L), respectivamente; V es el volumen de la solución (L) y m es la masa del adsorbente (g). El porcentaje de remoción del adsorbente en el equilibrio fue calculado mediante la siguiente (ecuación 2): (2) Donde Ce es la concentración de AV7 en el equilibrio (mg/L). Efecto de la masa del adsorbente La cantidad empleada del adsorbente CA es un parámetro muy importante en el estudio de adsorción ya que determina la capacidad del adsorbente para tratar una solución coloreada de una concentración inicial dada. Para el estudio del efecto de la masa del adsorbente se realizaron experimentos con tres niveles (100, 200 y 300 mg) al pH natural del colorante; a una concentración inicial de 50 mg/L de AV7 (tabla I). Es importante mencionar que el pH no fue controlado durante los experimentos de adsorción. Efecto del pH sobre la capacidad de adsorción El pH de la solución es un parámetro muy importante en el proceso de adsorción ya que puede afectar la interacción de los grupos funcionales superficiales del adsorbato y el adsorbente, además, las propiedades del CA y de los colorantes podrán indicar si la adsorción es favorable en disoluciones ácidas o básicas.9 El efecto del pH sobre la capacidad de adsorción se evaluó en tres niveles de pH (3, 5 y 7), a una concentración inicial de 50 mg/L de AV7 (tabla II). El pH fue controlado durante el proceso de adsorción, mediante la adición de alícuotas de HNO3 y NaOH al 0.1 N según el caso. Tabla I. Condiciones experimentales para evaluar el efecto de la masa de CA sobre la capacidad de adsorción AV7. � Experimentos CA-100 CA-200 CA-300 pH inicial 6 6 6 Masa CA (mg) 100 200 300 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado / Emmanuel Bretón Jiménez, et al. Modelación matemática de la cinética de adsorción Los modelos de Pseudo-Primer orden y Pseudo-Segundo orden fueron empleados para la modelación matemática de las cinéticas de adsorción de AV7 en carbón activado. El modelo de Pseudo-Primer orden supone que la velocidad de adsorción con respecto al tiempo es proporcional a la diferencia entre la capacidad de adsorción en el equilibrio (qe) y la cantidad adsorbida en un tiempo determinado (qt), tal como se muestra en la (ecuación 3). (3) Al integrar la Ec. 3 en q(0)=0 y q(t)=qt se obtiene la Ec. 4: (4) Por otro lado, el modelo de Pseudo-Segundo orden supone que el paso limitante de la velocidad corresponde a la etapa de quimisorción, tal como se muestra en la Ec. 5: (5) Integrando en q(0)=0 y q(t)=qt se obtiene la Ec. 6: Tabla II. Condiciones experimentales para evaluar el efecto del pH sobre la capacidad de adsorción de AV7. Experimentos CA-3 CA-5 CA-7 pH 3 5 7 Masa CA (mg) 100 100 100 (6) Los parámetros de los modelos cinéticos fueron obtenidos mediante la minimización de la suma de los errores al cuadrado (Ec. 7) utilizando la herramienta Solver® de Microsoft Excel. Por otra parte, el coeficiente de determinación (R2) fue calculado con la (Ec. 8). (7) (8) Donde son la capacidad de adsorción calculada con el modelo cinético, la capacidad de adsorción experimental, y el promedio de la capacidad de adsorción experimental, respectivamente, en mg/g, n es el número de datos experimentales y k es el número de los parámetros del modelo. RESULTADOS Y DISCUSION Efecto de la masa sobre la capacidad de adsorción Se evaluó la capacidad de adsorción de AV7 en CA a diferentes masas de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 � �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado / Emmanuel Bretón Jiménez, et al. adsorbente (figura 1). Los resultados muestran que conforme la cantidad de masa aumenta de 100 a 300 mg de CA, la capacidad de adsorción disminuye de 102 a 33.8 mg/g. Por otra parte, con el incremento de la masa de CA se observó un menor tiempo para alcanzar el equilibrio al pasar de 240 a 180 min para el experimento con CA-100 y CA-300, respectivamente. Estos resultados pueden ser atribuidos a que conforme se incrementa la cantidad de adsorbente se aumenta la cantidad de sitios de adsorción con lo que se favorece la velocidad de adsorción de AV7. Fig. 1. Efecto de la masa sobre la cinética de adsorción. Condiciones: pH (6) natural del colorante, 25ºC, Co=50 mg/L. Por otra parte, el porcentaje de remoción de AV7 aumentó de 79.3% a 91.6% para un incremento de la masa de adsorbente de 100 a 300 mg (figura 2). En conclusión, los sitios de adsorción disponibles para la remoción de AV7 dependen de la cantidad de adsorbente añadida a la solución.10 Fig. 2. Efecto de la dosis de masa de adsorbente en el porcentaje de remoción. 10 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado / Emmanuel Bretón Jiménez, et al. Efecto del pH sobre la capacidad de adsorción En la figura 3, muestra como disminuye la capacidad de adsorción del CA cuando se aumenta el pH de la solución. A pH 5 se obtuvo la mayor capacidad de adsorción (86.6 mg/g) mientras que a pH 7 la capacidad de adsorción fue 61.4 mg/g. A pH ácidos (3 a 5) la concentración de iones hidrógeno (H+) aumenta, cargándose positivamente la superficie del CA, situación que facilita las atracciones electrostáticas con las moléculas del colorante AV7 de condición aniónica. Se ha demostrado que a un pH ácido es posible que se formen centros electrofílicos en el CA que pueden generar atracciones de naturaleza electrostática con adsorbatos aniónicos.11 Fig. 3. Efecto del pH sobre la cinética de adsorción de AV7. Condiciones: pH (3,5,7) controlado durante todo el experimento y pH (6) sin control, 25°C, Co de 50 mg/L y 100 mg de CA. Modelación matemática de la cinética de adsorción Los datos de cinética de adsorción fueron ajustados a los modelos de Pseudoprimer orden y Pseudo-segundo orden (figura 4). Se encontró que el modelo de Pseudo-segundo orden es el modelo que mejor predice la cinética de adsorción de AV7 en CA, considerando la magnitud del error obtenido. De acuerdo al modelo de Pseudo-segundo orden, el proceso de adsorción está controlado por un mecanismo de quimisorción. Los parámetros de los modelos cinéticos obtenidos se encuentran reportados en la tabla III. Tabla III. Parámetros cinéticos de los modelos de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden en la adsorción de AV7 sobre CA. Pseudo-Primer orden K1 (min ) 0.072 -1 R 0.891 2 SEC 1656.12 Pseudo-Segundo orden K2 (g mg min ) 0.001 R2 0.958 SEC 434.53 -1 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 -1 11 �Remoción del colorante AV7 presente en solución acuosa mediante carbón activado / Emmanuel Bretón Jiménez, et al. Fig. 4. Comparación de los modelos cinéticos de adsorción de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden para la remoción de AV7 con CA a 25ºC. CONCLUSIONES Se investigó el potencial del CA comercial como material adsorbente en la remoción de AV7 en soluciones acuosas. Se estudiaron los efectos de parámetros tales como masa del adsorbente, pH natural del colorante (6) y pH (3, 5 y 7). La mayor capacidad de adsorción fue obtenida en el experimento CA-100 con una masa de 100 mg de CA con un valor de 102 mg/g a pH natural del colorante (6). La cinética de adsorción fue descrita por el modelo de Pseudo-segundo orden, el cual está basado en un mecanismo de quimisorción. Por lo tanto, este estudio demuestra que el adsorbente CA de origen comercial puede ser una alternativa eficiente para la remoción de colorantes azoicos en tratamientos terciarios de aguas residuales, además, la capacidad de adsorción aumentó al utilizar un pH natural (6), al no requerir la adición de más reactivos a la solución se puede reducir el costo de operación. REFERENCIAS 1. Chen, L., Huang, K., Zhou, J., Duan, H. F., Zhang, J., Wang, D., & Qiu, H. (2020). Multiple-risk assessment of water supply, hydropower and environment nexus in the water resources system. Journal of Cleaner Production, 268, 122057. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122057. 2. Hincapié Mejía, G., Cardona Cuervo, S., & Ríos, L. A. (2018). Absorption thermodynamic study of azoic dye with by means of a lignocellulosic waste in aqueous medium. Ingeniería y Desarrollo, 36(1), 97–118. https://doi. org/10.14482/inde.36.1.10941. 3. 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Recientemente, con el desarrollo de la fabricación aditiva de materiales blandos elásticos, surgen nuevas oportunidades de diseño para estos llamados robots blandos. Sin embargo, aún no se logra la robustez que se requiere para los entornos de producción. Este documento presenta un enfoque de diseño de un actuador neumático blando de tres ejes fabricado de forma totalmente aditiva. Para su uso en sistemas de manipuladores robóticos blandos flexibles, se presentan pautas de diseño, un proceso de impresión 3D directo con materiales elásticos y un sistema de control de regulación de presión semiautomatizado PLC de bajo nivel. Para validar el diseño propuesto, el actuador se fabrica y prueba para la fuerza de contacto máxima, la reacción de movimiento de flexión y su respuesta de señal. PALABRAS CLAVE Materiales blandos, fabricación aditiva, robots blandos, sistema de control. ABSTRACT With the introduction of collaborative robots in production environments, the harm to workers by using traditional robots with rigid links is inherent. A new generation of robots made from flexible soft materials that decreases collision danger by self-deforming actions has been proposed as a promising solution for the human-robot collaboration environments. Recently, by the development of additive manufacture of elastic soft materials, new design opportunities arise for these so-called soft robots. However, robustness that is required for production environments is still not achieved. This paper presents a design approach of a fully additively manufactured three-axis soft pneumatic actuator. For its use in flexible soft robotic manipulator systems, design guidelines, a direct 3D printing process with elastic materials and a low-level PLC semi-automated pressure 14 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. regulation control system are presented. To validate the proposed design, the actuator is manufactured and tested for maximum contact force, bending motion reaction and its signal response. KEYWORDS Soft materials, additive manufacture, soft robots, control system. INTRODUCCIÓN In human-robot collaboration environments, where the proximity between human and robot potentially rises a harmful and non-safe working environment. In the case of robot-assisted assembly processes the idea of having a robot operating beside a worker difficult. With the introduction of cobots in the last years, this human-robot collaboration is still not well accepted for workers that claim not feeling safe working together with a robot in the vicinity. The use of soft material robots that can operate in the vicinity without being a threat for the user provide a promising perspective of future shop floor collaboration. Since1 pneumatic-driven flexible actuators have been started to be described and their application in certain robotic mechanism. With the increased and fast emerging development of additive manufacturing technologies, it has been proved that, design and fabrication of complex geometrical structures is possible nowadays.2 A more universal way of application is achieved with soft robots because these soft materials, often elastomers, allow them to flexibly adapt to their working environment in terms of conventionally inaccessible work environments (e.g. under sea).3 Even more, soft robotic grippers can cling to various shapes and, thus, handle a broader range of applications, as in4 were a soft manipulator has been introduced as surgical manipulator. Furthermore, inherently soft, and flexible materials, such as silicon-based polymers, are now available for additive manufacturing. In industrial and production environments, rigid robots are very well stablished due the robustness and strength capabilities that even small cobots models, can handle several kilograms of payload. In practical robotic applications, the use of end attached tools play a significant role in the mass and speed along a desired motion direction.5 Payload is usually a requirement for production processes that cannot be neglected or replaced with the use of soft rubber-like materials. Adding mass to these so called, soft actuators raises the gravitational load, which for in a multi-body soft manipulator configuration, results in larger joint tor-ques and have a big influence in the required energy in order to maintain its deformed position. For pneumatically operated actuators and as investigated in,6,7,8,9,10 generated blocked force is still very low for a pneumatically actuated net-work, usually for a single PneuNet, values are in the 3 N surroundings. For AM soft materials, forces are usually lower than what casted materials can offer. Recent studies as in11 analyzes lifting and twisting forces for handling different objects. However, the lack of material testing standards for AM soft polymers and material models rises the challenges of how-to bring AM soft robots to a performance level to functionally compete with classical rigid robots. Recent works as in,12 offer a perspective on mechanical properties and characteristics for different types of elastomers used in soft robotics applications. Nevertheless, durability of available materials represents yet an unanswered question. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 15 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Fig. 1. Conceptual design of a fully additively manufactured soft robotic arm manipulator. In this work, a three-axis additively manufactured soft silicon-based body segment for a soft manipulator is presented. In order to overcome classic fabrication challenges as presented in,9 a uni-body fully additively manufactured segment of a multi-body smart manipulator is investigated. Besides the design challenges inherent to AM, the maximum displacement that the element can achieve, as the maximum force and momentum are measured and analyzed in this work. The aim of this paper is to design and characterize a single fully 3D printed soft silicon actuator. Starting from a conceptual sketch for a multi-body flexible manipulator as seen in figure 1, this work presents a new design approach of a unibody element that can be easily manufactured and assembled to form a more complex soft robot arm manipulator. Together with an automated PID low level control and a semi-automated PLC system, the actuator is tested for different pressure set points and the resultant force for each case is also measured. Based on previous works, 13,14 we have discussed the advantages and disadvantages of the additive manufacture of soft actuators using silicon-based materials, that together with a new design perspective, targeted for a fully AM fabrication we investigate how fabrication challenges and controllability issues can be handled for the introduction of such actuators as reliable products in production processes. Due to the problems associated with fabrication and assembly of soft material actuators and robots, we focus on the development of a single fully 3D printed actuator as one element of a manipulator body. Drawing from previous experiences and expertise in additive manufacture of soft materials as in,13,14 and in comparison with typical manufactured actuators where shapes and features, due to the complexity of casting, is limited, as presented in8 see (figure 2a), we present an innovative three axis design for a unibody soft actuator (see figure 2b). 16 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Fig. 2. a) Typical design [7] in conventionally molded fabrication setup (upper parts) and b) chances for AM fabricated actuators (lower parts). In this paper, we intend to demonstrate the possibility to fully 3D print a soft actuator, that can be later used to build a fully 3D printed soft robotic manipulator. An easy-to-build approach and a reliable air pressure supply signal is the key to reduce the fabrication,15 and control,16,17 complexity that until now, soft robots present.18 Traditionally soft robots manufactured by casting, which is usually a long process that, due to fabrication of molds, and the process itself of pouring and curing tend to be time consuming. Molds are already 3D printed,19,20 in order to achieve the com-plex geometry forms, that are required for such soft robots. However, the stepwise nature of this classical fabrication method,21,8 the material waste and post processing effort that compared in an almost not need of post processing or material waste, as it 3D printing, makes it a unique product manufacture solution at low volumes in a cost-effective way.22 Therefore, additive manufacture has the potential to scale better. Furthermore, 3D printing allows integrating geometrical features in parts to improve functionality. In contrast to classical methods, the main disadvantage of AM yet is the lack of mechanical performance, as known from the conventional silicone-based polymer compounds. As described in,23 the type of material has a direct influence on the shape, dimensions, durability, applications and costs of printed parts. Despite problems with durable integrity, the easy manufacture of soft material components for the application in production engineering is advancing. Our study, therefore, evaluates the reliability of the materials used, its motion response and its operational force in a robotic force sensing test as in,24 using automated PID regulated air pressure signals. OBJECTIVES This work is focused on if and how a direct AM process can be applied for the fabrication of soft material bio inspired manipulators. We present an easy-to-build uni-body design approach for a modular, multi-body manipulator. In this context, AM enables substitution of several components by integration of their respective functionality. The differential design and construction as well as elaborate Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 17 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. assembly steps of conventional manufacturing processes is hence avoided. We investigate how a design for AM affects the challenges related to this fabrication process and if such actuators can perform in production process environments. A prototype of a module is built and tested for maximum forces generated and the reaction of automated control signals. A two-element manipulator prototype is investigated for its motion response. MATERIALS AND METHODS The material “agilus30” white from the manufacturer Stratasys was used in this work for fabrication of the soft robotic unit. The mechanical material parameters, as given by Stratasys in,20 and are summarized in table I. Table I. OEM mechanical parameters. Parameter Unit white black Tensile strength [MPa] 2.1 – 2.6 2.4 – 3.1 Failure elongation [%] 180 – 230 220 – 270 Density [g/cm3] 1.14 – 1.15 1.14 – 1.15 Shore A hardness - 30 – 40 30 – 35 Design for additive manufacture Machine developers have been introducing in recent years soft, elastic materials. Such materials arise the challenges even more on how to design functional and reliable components. For designers, who lack design guidelines, standards and manufacture norms are already challenges,25 these new materials came with a set of valuable mechanical properties, as is high elasticity and deformation levels. As has been seen in,26,13 there are some design requirements that for this work are considering: • Full removal of internal support materials • Unibody design • Easy and fast fabrication • Lightweight and minimum material usage • Easy to assembly • Expected maximum force F >= 10N Figure 3 displays the final design of the actuator. Based on our own previous experience,11 for design and additively manufacture soft actuator form the PneuNet type a three-chambers unibody design is proposed. Each of the internal chambers as is shown in figure 3d is interconnected trough a main channel where, when air fulfill the volume, these tend to expand the chamber with a uniaxial total directional bending motion. Fabrication process Due to the advantages of direct 3D printing technologies, as is the development of new materials, a single two-steps fabrication process was required. Fabrication process presented on this work was made using a Stratasys PolyJet Connex 18 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Fig. 3. a) front view of the final actuator design, b) isometric view, c) cut-view of the internal air inlets as is finally assembled, d) cut-view internal chamber and channel. 3 series. Removal of support material is conducted in our laboratory using a potassium hydroxide solution as a solver. Fully removal of support material is still an issue for the deepest internal pneumatic chambers, however, machine manufacturers now offering chemical solutions to react and remove such supports improves significantly the cleaning process. In figure 4, the resulted component is shown. Fig. 4. Final product overview. Support materials are already being removed for a total mass m = 190gr and a total length l = 108mm. Bending forces The three-axis AM actuator’s design essentially resembles a tube with three PneuNets, longitudinally attached under an angle 120 degree towards each other. In order to predict the component’s elastic behavior, the structural stiffness needs to be considered. Figure 5 shows the schematic cut view with relevant dimensions of the soft robotic unit. Mechanically, the component’s PneuNets are integrated in a way, so that they do not significantly contribute to stiffness, which, overall, is determined by the centric tube feature. In order to derive the force, which is generated by the actuator, elastic bending stiffness of a tube needs to be considered. (1) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 19 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Fig. 5. Mechanical representation of the soft robotic component, explaining coordinates and labels. under consideration of the inertia I (2) As a first approach, the elastic modulus E can be expressed as tensile strength over fracture elongation, knowing, that the used material would reveal significant non-linearity in its elastic characteristic (visco- or hyperelastic). For PneuNets, Polygerinos et al.3 have suggested the following expression to calculate force response ΔF resulting from inner pneumatic excitation ΔPi (3) with the width- (c) justified lever LW = l/c. The variable Ma (bending moment) takes the PneuNets pressurized dimensions into account and allows to carefully study the sensitivity towards changes in design. (4) Because of the triangular chamber shape of the presented PneuNets, as seen in figure 5, height b is justified by two thirds and d is calculated as average gap over height. Experimental setup The behavior of the soft robotic actuator is studied under its inflation by air pressure. For the evaluation of force, it initially rests hanging from a flange mount with its tip, opposite to the excited PneuNet pointing against a force sensor. A DELTA F/T transducer force-momentum sensor, with a resolution of CTL = 1/8 and NET F/T = 1/16 on Fz is employed to evaluate the force, that is generated by the actuator. 20 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Fig. 6. FESTO Motion Terminal, with an 8-valve configuration for up to 16 parallel pneumatic outputs. In order to supply and control pressure that for soft actuators a FESTO Motion Terminal (VTEM),27 is used (see figure 6). Implementation of a fully automated PLC environment allowed us to concentrate in our own control system signal development without the problematic that piezo actuated valves and magnetic flow valves present. Our experimental setup can be seen in figure 7. The force sensor attached to a UR5 lightweight robot helps to easily modify the contact distance of the unpressurized and pressurized states of the actuator as in.24 For this work, only displacement and motion in one plane where captured, in future works, a threedimensional motion trajectory capture is planned. Fig. 7. Front view of the experimental setup. The actuator rest in an unpressurized state position. The importance of this experimental setup is, to acquire enough information about if an additively manufactured actuator can provide a load force enough to be implemented in a multi-body soft robot configuration. Most commonly, soft actuators are characterized by terms of their deformation against pressurization, but as presented by,19 only a few newtons of force are obtained (1 – 4N). For this work, a minimum expected load of 10N is expected in order to carry on further experiments on an increased payload. Results and discussions The physical experiments of pressurizing the soft robotic actuator with a ramp signal, deliver its static response. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 21 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Bending force and momentum The force signal of the actuator was evaluated with a step width of 100 mbar. In figure 8a, a force over pressure plot is presented with inflation until rupture during the last experiment. The actuators force over pressure response shows a linear increasing trend up to 1 bar internal pressure, as predicted by the model developed in eqns. 3 and 4. Deviations from the prediction are suspected to result the fact that the piezo valves used for this work does not react up to a minimum of 100mbar pressure, that explain the offset in the origin of the diagram. It was also found, that the PneuNets mechanical model shows high sensitivity against dimensioning the height parameter b. The “model 1” represent the ideal bending force mathematically calculated in comparison with the model from.19 Two tests were performed to corroborate the measured force. Results show in “Test1” and “Test2”, see figure 8, how force values remain almost identical trough the test. The “Model” line represents an adjusted linear model of the expected ideal. In our case, during the first 130 mbar of pressurization in which the pressure controller does not react yet and due to the distance of 1mm in between the force sensor attached to the robot, force cannot be measured in the interval from 0 to 130 mbar. Pressure levels going over 1 bar were starting to produce some damage on the outside walls of the actuator, meaning, that internal cracks were already propagated trough the walls of the chamber. At the point of 1.1 bar, fissures caused by extreme elongation on the zones where the networks are connected showed up as seen in figure 8b. Fig. 8. a) Comparison to model at 1100 mbar pressurized state (rupture point), b) optical evaluation of the actuator begore rupture at a force state of 1100 mbar. 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Because the presented new triangular actuator design strongly diverges from the plain rod design presented in,19,28 it is still unclear which dimensioning of height to use for optimized results. The angled chambers need to be paired respect to, because this PneuNet design reasonably will generate most force at the base of the network. The height factorized by 2/3 is thus chosen for a) its geometrical explanation with respect to the triangular PneuNet shape and b) the observed match of model’s incline to the plots of the experiments. It can be noticed, that a quasi-linear relationship occurs in between pressure and force, with nearly 1N increment each 100 mbar (see figure 9). Despite this, a supply pressure over 1 bar caused damages up to rupture on the actuator, this said, there still no chance to provide a reliable safety factor. Design parameters such as already mentioned height need to be optimized for a better expected reliabiltiy. Fig. 9. 1 mm stepwise variation of computed chamber height illustrates the sensitivity of the mechanic model for statically pressurized PneuNets. Motion response Control of soft robots and actuators is mostly difficult due lack of good models that describe or represent their behavior. The complexity of such systems, has been hardly studied in recent works, such as in29 and.30 For this case, FESTO piezo pilot-controlled valves27 combined with model based proportional pressure regulation functions (i.e. ramps) are coupled with our soft actuator. The system is capable to supply up to 16 parallel air pressure continuous and cyclic signals (see figure 6) with a range of discrepancy in between the 25 mbar on each output. The linearity error for our system varies in between the 60-100 mbar and a maximum hysteresis of 25 mbar. In contrast, for small air volumes, the PID controller has a response sensitivity of 80 mbar. Therefore, the controller is activated not before a setpoint of 100 mbar, as it can be seen in figure 10, otherwise, the port is exhausted. Pressure sensors are directly integrated on the valves, with the model-based proportional pressure regulation, any pressure drops caused by a change in the pressure in the tubing or chambers, is calculated and compensated. Due to lack of material models and well-known problems on controlling such complex systems, this work is focused on the pure pressure regulation and control. It can be seen in figure 10 that a pressure stabilization time varies within the set point value. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 23 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. Fig. 10. ramp signal up to 600 mbar. The signal was given with a 5 s increment time, 20 s pressurized state and 5 s depressurization time. For higher pressure target points, the controller tends to regulate the pressure faster than for small volumes (<130mbar). In figure 10, for a target point of 600 mbar it took approximately 8 s for the controller to equilibrate the signal. In contrast to our comparison model taken from,19 and due the limitations of piezo valves, the possibility to control such small air volumes is difficult. Two-Element motion test One of the challenges of multi-body soft manipulators is to couple each element. We design a quick-change coupling system to increase the assembly and testing agility of our manipulator system. This work presents only a bending motion overview of two independent actuators interconnected to create a two-element fully additively manufactured soft robot manipulator. As presented in figure 11, it can be seen how the bending behaviour of one independent element is affected when adding more elements to the manipulator. Fig. 11. Deformation coordinates in mm for one plane at a 400 mbar pressure input. (a) one actuator, no pressure input; (b) one actuator, pressurized state; (c) two actuator and quick exchange coupling system, pressurized state. 24 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �An agile multi-body additively manufactured soft actuator for soft manipulators / Jorge Morales, et al. This change in motion, will seriously affect the soft robotic manipulator dynamic characteristics. Such motion influences could translate into higher air pressurization levels in a multi-body configuration to achieve similar bending angles of independent actuators. Such input parameters need to be considered during the design phase in order to avoid a component failure due to inflation levels. In future works, these changes will be further investigated. Conclusions and future work In this work we have presented a design approach for AM that show how a typical stepwise casting process for silicon materials can be avoided. Which lead to an easy-to manufacture product. The additive manufactured actuator was designed in consideration to being additively manufactured and actuated with a set of three internal PneuNet type chambers and channels. The results showed that is possible to get a significant amount of tip force (11N) in a quasicontrolled environment. Considering that the actuator force can be increased while pressurizing more than one chamber, as not performed in this work yet, we will analyze how the simultaneous multi-axis behaves in the space and how the use of sequential signal inputs can achieve predefined primitive motions in order to implement basic pick & place operations in zones difficult to reach (i.e., automotive cockpit cabling). It was also demonstrated that to use this actuator altogether as a fully AM manipulator, the load force needs to be still incremented. A set of design parameters as the PneuNet height and length will be further investigated. Also, the use of a more robust actuator as the first element of our manipulator can help to increase the overall stiffness and increase maximum payload. The actuator has a mass of only 190 gr, while in a full multi-body configuration is planned to weight around 800 gr, while typically robotic arms e.g., a Universal Robot UR3 has a mass of 11.2 kg. This can imply that the harm that classical robots represent for workers in production environments can considerably be reduced using soft materials. Furthermore, more complex control methods will be investigated for an independent signal response of each chamber through the whole manipulator and a soft AM gripper. Dynamic behaviour for a multi-element soft manipulator needs to be further investigated and evaluated in a 3D spatial configuration. REFERENCES 1. K. Suzumori, “Development of Flexible Microactuator and Its Applications to Robotic M.” . 2. C. Schumacher, B. Bickel, J. Rys, S. Marschner, C. Daraio, and M. 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PALABRAS CLAVE Sociedad Americana de Acústica, sonar, detección submarina. ABSTRACT This paper presents some of the highlights about research and development of sub-aquatic acoustics, as well as it gives recognition to the members of the Acoustical Society of America (ASA), who contributed with their work along the Second World War. The results of such work have turned into scientific and engineering achievements, which are published in literature about acoustics. KEYWORDS Acoustic Society of America, sonar, submarine detection. Introducción La imagen fotoacústica tiene el potencial de proporcionar el diagnóstico no invasivo de numerosas enfermedades frecuentes, en tiempo real, debido a la capacidad única de la tecnología para visualizar cambios moleculares profundos dentro del tejido vivo con resolución espacial comparable al ultrasonido. La imagen fotoacústica es una técnica de imagen híbrida que combina la capacidad de contraste y la sensibilidad espectral de la imagen óptica con la resolución y la capacidad de penetración en el tejido del ultrasonido. Durante el proceso de obtención de imágenes fotoacústicas, los materiales absorben la energía de la luz y convierten la luz en calor mediante la relajación no radiativa. Cuando los materiales se calientan, se expanden en tamaño debido a sus propiedades termoelásticas, que generan una onda de presión. Estas ondas pueden propagarse a través del entorno circundante para ser detectadas en la superficie. Este efecto es familiar para cualquiera que haya experimentado una tormenta de verano, un 28 Traducción al español con la colaboración de Leonardo Treviño Arrambide y Daniela Alejandra Gutiérrez Dimas. Departamento de Ingeniería Biomédica Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación C Departamento de Ingeniería Biomédica y Computación Universidad de Texas en Austin Austin, Texas 78712 carolynb@tulane.edu A “Photoacoustic imaging for medical diagnostics. Vol. 8, Issue 4, 2012. ”. https://acousticstoday.org/photoacoustic-imaging-for-medical-diagnostics-carolyn-l-bayer/ Reproduced with permission from Acoustics Today (www.acousticstoday.org). Copyright 2012, Acoustical Society of America. Carolyn L. BayerA, Geoffrey P. LukeB, Stanislav Y. EmelianovC Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. rayo calienta rápidamente el aire, resultando en que éste se expande y genera un trueno audible. En general, el calentamiento induce la expansión del material (por ejemplo el efecto termoacústico) podría ser causado por muchas formas de transferencia de energía, pero el término “fotoacústica” especifica la conversión de luz en calor, resultando en la generación de ondas sonoras características. El efecto fotoacústico fue descubierto por primera vez por Alexander Graham Bell en 1880.1 A partir de sus experimentos dedujo que una luz brillante intermitente podría calentar ópticamente materiales absorbentes, causando la expansión del material de una manera que genere ondas vibratorias audibles. Bell demostró que las fibras más oscuras producen sonidos más fuertes que las fibras más claras, un principio que es consistente con la relación fotoacústica general en uso hoy en día, la amplitud de la señal fotoacústica generada es proporcional a la cantidad de luz absorbida. Bell también mostró, al separar la luz blanca con un prisma, ciertas combinaciones de color de la luz y las fibras podrían generar un sonido más fuerte. Hoy la imagen fotoacústica de longitudes de onda múltiples utiliza este mismo principio, cambiando la longitud de onda de la luz y correlacionando la amplitud de la respuesta fotoacústica con los espectros de absorción de los materiales que se están fotografiando. Una aplicación moderna del efecto fotoacústico es la generación de imágenes médicas de cromóforos biológicos típicamente presentes en el tejido, que pueden absorber la energía de la luz resultando en la generación de transitorios fotoacústicos. Las ondas de presión fotoacústica pueden ser recibidas por transductores de ultrasonido en la superficie externa del tejido, haciendo que la imagen fotoacústica sea un método de imagen médica no invasivo y no ionizante capaz de resolución similar al ultrasonido, a una profundidad de tejido significativa. Las imágenes médicas fotoacústicas se propusieron por primera vez a mediados de la década de 1990, 2,3 y los reportes iniciales sobre el uso del efecto fotoacústico para imágenes de animales vivos se publicaron nueve años después. Hoy existen muchas demostraciones in vivo de imágenes fotoacústicas de aplicaciones biomédicas relevantes para el diagnóstico médico, incluyendo cáncer,5,6 función vascular cerebral,7-9 y cardiovasculares,10 e ingeniería de soporte de tejido, 11,12 impulsando avances traslacionales en imagen clínica fotoacústica.13 Mientras que los métodos de imagen médica existentes, incluyendo el ultrasonido, son capaces de producir imágenes de lo que está debajo de la piel, la mayoría de ellos proporcionan contraste entre las características anatómicas dentro del tejido. Por ejemplo, la diferencia en la impedancia acústica entre el tejido blando y un tumor proporcionan contraste dentro de una imagen de ultrasonido. Aunque la anatomía es crítica para entender la imagen, en muchas enfermedades la anatomía por sí sola no se puede utilizar para dar un diagnóstico determinado de manera concluyente. En cambio, las propiedades fisiológicas y bioquímicas del sistema influyen en la progresión de la enfermedad y, por tanto, en el pronóstico del paciente. Se requieren capacidades de imagen funcional para proporcionar información fisiológica, mientras que la información bioquímica puede ser proporcionada por imágenes moleculares. En comparación con el ultrasonido, la imagen fotoacústica proporciona capacidades mejoradas para la imagen funcional y molecular. Por ejemplo, la saturación de oxígeno en la sangre, una importante propiedad funcional relevante para muchos procesos de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 29 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. enfermedad, puede evaluarse mediante fotoacústica.7 La imagen fotoacústica también puede proporcionar información molecular mediante el uso de una sonda o un trazador, que puede ser utilizada para generar el contraste necesario para producir una imagen.14 Debido al potencial para realizar imágenes funcionales y moleculares in vivo no invasivas en tiempo real, la imagen fotoacústica se está aplicando cada vez más como método clínico y preclínico destinado a mejorar el diagnóstico médico. ANTECEDENTES En un sistema de imagen fotoacústica contemporáneo, se utiliza un láser pulsado de nanosegundos para generar ondas de presión transitoria, que son recibidas por un transductor de ultrasonido y procesada para formar imágenes de tejido biológico (figura 1). En una configuración típica, el pulso de luz emitido por el láser va acompañado de una señal de disparo enviada al hardware del sistema de imagen, coordinando Fig. 1. Instrumentación y componentes principales de procesamiento que comprenden un sistema combinado de ultrasonido y fotoacústica. La señal fotoacústica, generada por la absorción óptica de energía láser por la muestra, se recibe por un transductor de ultrasonido, formada y procesada para formar una imagen fotoacústica. El transductor emite el ultrasonido, adecuadamente formado por haces, y el ultrasonido reflejado es recibido, formado por rayos y procesado para formar la imagen de ultrasonido. la adquisición de la señal fotoacústica. Después de la emisión del pulso láser, las señales fotoacústicas generadas por los absorbentes ópticos dentro del campo de visión son recogidas por el transductor (figura 2). Al igual que con el ultrasonido, el momento en que se recibe la señal fotoacústica está relacionado con la profundidad del objeto absorbente dentro de la muestra por la velocidad del sonido en el tejido. Los sistemas multimodales, combinando ultrasonido y fotoacústica, aplican un retardo de tiempo (τPA) después de la señal de disparo láser, como se muestra en la figura 2, después del cual la señal de ultrasonido es transmitida y recibida para ser procesada utilizando técnicas usuales. Debido a las similitudes en el hardware del sistema y el diseño de procesamiento entre la imagen fotoacústica 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. Fig. 2. Generación de señales fotoacústicas y ultrasónicas. (a) El pulso láser es dispersado y absorbido por la muestra. (b) La absorción que conduce al calentamiento genera una onda de presión transitoria que es recibida por el transductor. (c) Después de un retraso, τPA, el ultrasonido se transmite y recibe durante el período de tiempo 2• τPA. y la ecografía, un sistema de ultrasonido existente puede ser modificado para adquirir señales fotoacústicas sin más esfuerzo que mediante la adición de una fuente de luz pulsada, realizando modificaciones menores de hardware para programar adecuadamente las señales transmitidas y recibidas, y modificar la interfaz de usuario del software y los métodos de procesamiento de señales. Varias compañías están comercializando sistemas fotoacústicos integrados para imágenes de animales pequeños, mostrados en la figura 3, y es probable que pronto entren más en el mercado (dato de 2012). Estos sistemas se dividen en dos categorías diseñadas para utilizar un escáner de ultrasonido lineal traducible con el formado del haz de retardo y suma, o un conjunto fijo de transductores con reconstrucción de imágenes de tomografía computarizada. Los sistemas de escaneo fotoacústico lineal producen una visión bidimensional (2D) de una sola proyección, y luego se escanean en una tercera dimensión, un método de imagen volumétrica análogo a los sistemas de ultrasonido clínicos no invasivos de uso común, donde se barre manualmente a lo largo de la superficie del tejido con un arreglo de transductores. Los sistemas tomográficos utilizan una serie de transductores, a menudo colocados en un anillo alrededor del objeto que se está fotografiando, y luego usan algoritmos de reconstrucción para reproducir la imagen. Visual Sonics Inc. comercializa el Vevo LAZR (Figura 3a), que utiliza su pequeña plataforma de ultrasonido animal de alta resolución (Vevo 2100) en combinación con un láser pulsado nanosegundo sintonizable. Cuando la imagen de cuerpo entero es una prioridad, el sistema de tomografía optoacoustica multiespectral (Figura 3b), producido por iThera Medical, guía el haz láser para iluminar un anillo de luz alrededor del animal que está siendo fotografiado, y luego se mueve en la tercera dimensión para adquirir imágenes volumétricas. 15 El Nexus 128 (Figura 3c), producido por Endra, proporciona un sistema fotoacústico tomográfico alternativo. Todos estos sistemas consisten en una fuente de láser sintonizable que proporciona luz infrarroja cercana (NIR) aproximadamente entre 680 y 970 nm. La elección de un sistema de exploración Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 31 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. Fig. 3. Sistemas de imagen fotoacústica preclínica disponibles en el mercado. o tomografía depende en gran medida de la aplicación. El usuario debe considerar la resolución alcanzable, que depende de la frecuencia central y el ancho de banda del transductor, el formador del haz o algoritmos de reconstrucción implementada, y también la sensibilidad alcanzable, que está influenciado por la fluencia de la luz y la distribución entregada dentro del tejido. Un sistema de escaneo por ultrasonido generalmente será más flexible, acomodando una variedad de tipos de animales, y potencialmente proporcionando múltiples matrices de transductores optimizados para diferentes profundidades de escaneo. Un sistema de imagen fotoacústica basado en una plataforma de escáner de ultrasonido proporciona técnicas adicionales de imagen funcional (como el modo Doppler de ultrasonido) para proporcionar información anatómica y funcional. En contraste, los sistemas tomográficos son capaces de adquirir datos volumétricos en un tiempo más corto, y tienen menos ruido en forma de mota fotoacústica debido a la distribución espacial del anillo transductor. Sin embargo, las aplicaciones clínicas de un sistema de tomografía fotoacústica serán limitadas, con una notable excepción; la imagen tomográfica fotoacústica del tejido mamario.16 Mientras que los absorbentes ópticos que se encuentran de forma natural en el cuerpo, como la hemoglobina, los lípidos y la melanina, pueden utilizarse para generar imágenes ópticas, el uso de agentes de contraste de imagen de tamaño nanométrico permiten que la imagen fotoacústica se vuelvan verdaderamente “molecular” en el metodo de imagen in vivo.17,18 El contraste fotoacústico puede mejorarse mediante el uso de fragmentos moleculares o nanopartículas sintetizadas químicamente. Las nanopartículas inorgánicas son de especial interés, debido a su flexibilidad con respecto a la forma, tamaño y química de la superficie. Estas características se pueden optimizar para mejorar la entrega de las nanopartículas al tejido de interés, como los tumores cancerosos.19 Si la superficie de nanopartículas es modificada mediante la adición de un medio capaz de ser dirigido, estos agentes se vuelven agentes de imagen molecular, dado que las nanopartículas blanco deberían retenerse preferentemente dentro de la región del tejido que expresa el objetivo. Además, las nanopartículas metálicas de oro o plata, hay varios ejemplos, que se muestran en la figura 4, tienen resonancia de plasmón superficial, lo que significa que los electrones de valencia de los átomos oscilan colectivamente a una frecuencia característica. 32 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. Fig. 4. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de nanopartículas metálicas plasmónicas que se han utilizado para la obtención de imágenes fotoacústicas in vivo. (a) Nanoesferas de oro; b) Nanoplacas de plata; c) Nanovarillas de oro recubiertas de sílice. Barras de escala = 100 nm. Cuando la luz incidente está en la misma frecuencia que la resonancia de plasma de superficie, esa luz es absorbida muy eficientemente y convertida en calor, haciendo de las nanopartículas metálicas excelentes agentes de contraste para la imagen fotoacústica. Las nanopartículas que se dirigen molecularmente se pueden arreglar para su entrega a tejidos particulares en función del tamaño, la forma y las propiedades de la superficie, mientras que la alta absorción óptica de nanopartículas metálicas genera una fuerte señal fotoacústica y proporciona un alto contraste con el tejido circundante. Mediante el uso de nanopartículas metálicas, también podemos ajustar sus propiedades de absorción óptica para aprovechar la “ventana óptica de tejido”. Dentro de esta región de longitud de onda, entre aproximadamente 600 nm a 1300 nm, la absorción óptica del tejido nativo es relativamente baja, por lo que la luz puede penetrar más profundamente en el tejido, permitiendo la adquisición de imágenes fotoacústicas a profundidades de tejido significativamente mayores. Mediante imágenes en longitudes de onda que no son altamente absorbidas en los tejidos, el efecto fotoacústico puede utilizarse para generar imágenes moleculares de alta resolución in vivo a una profundidad de tejido significativa. Sigue habiendo dudas sobre la seguridad de las nanopartículas metálicas para su uso en el cuerpo humano.20,21 De hecho, todavía se desconoce mucho sobre su toxicidad a corto y a largo plazo, pero muchos grupos están estudiando estos efectos,21 y tres estudios clínicos de metodologías basadas en nanopartículas de oro para el tratamiento del cáncer están en marcha o se han completado.22 Además, la obtención de imágenes fotoacústicas podría contribuir a mejorar la comprensión de los mecanismos de biodistribución y aclaramiento que afectan a la toxicidad de las nanopartículas. Diagnóstico de imágenes fotoacústicas En nuestros estudios, la información anatómica, funcional y molecular se adquirió utilizando una combinación de ultrasonido y de imágenes multilongitud de onda de ratones in vivo portadores de tumores cancerosos. Todos los métodos siguen protocolos aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Texas en Austin. Primero, desarrollamos un pequeño modelo animal de cáncer de mama que consistía en dos tumores establecidos a partir de líneas celulares de cáncer de mama humano con expresión de biomarcador de células diferenciales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 33 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. Para este pequeño modelo animal, iniciamos tumores dentro de la almohadilla de grasa mamaria usando inyecciones de células cancerosas BT-474, que sobreexpresan el receptor celular HER2, y células cancerosas MDA-MB-231, que sobre-expresan la integrina αvβ3, presente en la superficie celular de las células epiteliales de neovasculatura. Las nanovarillas de oro fueron elegidas como el agente de contraste molecular ya que, además de ser altamente absorbente, ópticamente, debido a los efectos de resonancia de plasma de superficie, sus espectros de absorción óptica pueden sintonizarse cambiando su relación de aspecto.23 Sintonizando nanovarillas para tener diferentes longitudes de onda de absorción óptica de pico, es posible distinguir entre múltiples agentes de contraste nanovarilla a través de imágenes fotoacústicas de longitudes de onda múltiples.24 Recubrimos las nanovarillas con sílice amorfa, lo que mejora la estabilidad térmica de la nanovarilla de oro 25 y la eficiencia de generación de señales fotoacústicas.26 Sílice-nanovarillas recubiertas con dos relaciones de aspecto diferentes fueron modificados químicamente para fijar anticuerpos de orientación, lo que permite que la nanopartícula sea absorbida preferentemente por las células tumorales.24 Los agentes de contraste se inyectaron en el torrente sanguíneo de un ratón que hacía crecer los tumores. Los agentes de contraste inyectados se distribuyen a través del sistema circulatorio, y se infiltran a través de los tejidos del ratón, incluyendo los tumores cancerosos. La región tumoral del ratón fue fotografiada usando un escáner de ultrasonido animal pequeño de alta frecuencia Vevo 2100 (Visualsonics Inc.), integrado con un láser pulsado nanosegundo Spectraphysics Quantaray Pro Nd:YAG con un oscilador paramétrico óptico GWU Premiscan (OPO) para sintonizar la longitud de onda de la luz. Se utilizó un haz de fibra óptica para entregar la luz láser a ambos lados de un conjunto de transductores lineales. El sistema se utilizó para entregar entre 10-20 mJ/cm2 de luz en un rango de longitudes de onda de 680-930 nm. Un transductor de ultrasonido de 21 MHz (MS250, Visualsonics Inc.) recogió las señales fotoacústicas en cada longitud de onda, seguido de la transmisión de ultrasonido y la recepción del ultrasonido reflejado por el mismo transductor, dando lugar a imágenes de ultrasonidos y fotoacústicas registradas conjuntamente. Se utilizó un motor de paso lineal para traducir la construcción del transductor y del haz de fibra, en pasos de 150 µm, para adquirir imágenes fotoacústicas y de ultrasonido en la tercera dimensión, promediando cuatro señales fotoacústicas en cada paso. El ultrasonido tridimensional (3D) y las imágenes fotoacústicas fueron capturadas en un volumen que rodeaba los dos tumores dentro de la almohadilla de grasa mamaria del ratón. La amplitud de la señal fotoacústica recibida depende de la longitud de onda de la luz láser utilizada para iluminar la muestra. Esta dependencia puede ser sin mezclar en los espectros de absorción individuales de los absorbentes dentro del tejido oxyhemoglobina, deoxihemoglobina, nanopartículas 1 y nanopartículas 2. Se utilizó un método lineal de error espectral mínimo cuadrado en el que se suponía que cada voxel contenía una combinación de los cuatro absorbentes ópticos.27 En este método, la señal fotoacústica inicial, situado en una posición dentro de la imagen, depende de la concentración de los absorbentes en la región, la fluencia láser, y el parámetro Grüneisen.28 Los espectros de absorción óptica de hemoglobina se obtuvieron de la literatura29 y los espectros de nanopartículas se midieron utilizando UV-Espectroscopia de Vis (lector de 34 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. microplacas Synergy HT, Biotek Instruments, Inc.). Si el problema espectral separa está sobreentrenado, que se logra adquiriendo datos fotoacústicos en más longitudes de onda que el número de absorbedores presentes en el tejido, entonces se puede obtener una estimación de error cuadrado medio mínimo para las concentraciones del absorbente. Las concentraciones estimadas de desoxihemoglobina, oxihemoglobina, nanopartículas 1 y nanopartículas 2 se muestran usando colormaps azul, rojo, verde y violeta, respectivamente. Para separación espectral, los datos fueron promediados en voxels de tamaño 500 µm 200 µm 300 µm. Las imágenes de los absorbedores ópticos fueron superpuestas en imágenes de ultrasonido en escala de grises para visualizar la anatomía en la región. Se generaron imágenes anatómicas 3D de alta resolución de la región tumoral mediante el procesamiento de las señales de ultrasonido recibidas por el sistema integrado de ultrasonido y de imagen fotoacústica (figura 5). En la figura 5a, una imagen 3D de una sola longitud de onda de imagen fotoacústica, superpuesta en la imagen de ultrasonido, muestra claramente la anatomía dentro de la región de imágenes del ratón, incluyendo la vasculatura (en color, proporcionada por la imagen fotoacústica), y la capa de piel y el fémur dentro de la pierna (en escala de grises, proporcionada por la imagen de ultrasonido).En nuestro modelo de ratón podemos identificar las regiones tumorales mediante la localización de dos regiones hipoecoicas bajo la piel, como se muestra en la ecografía 2D en la figura 5b. De la señal fotoacústica (figuras 5c y 5d), está claro que hay absorbentes de luz dentro de la piel, absorción de luz de la vasculatura que rodea los tumores, y de los propios tumores. Si bien tanto el ultrasonido como las imágenes fotoacústicas indican la presencia de tumores, las imágenes anatómicas por sí solas no proporcionan información suficiente para diagnosticar la malignidad, ya que la precisión del ultrasonido en la distinción de tumores benignos y malignos es insuficiente.30 Fig. 5. Imágenes anatómicas fotoacústicas y ecográficas in vivo. (a) Superposición 3D de imágenes fotoacústicas y de ultrasonido de la parte superior de la pierna/ región abdominal. La caja azul muestra el plano de imagen 2D de (b-d). (b) Imagen ecográfica que muestra dos tumores hipoecoicos. (c) Imagen fotoacústica, adquirida utilizando una longitud de onda láser de 850 nm. (d) Superposición de imágenes fotoacústicas y ultrasónicas. Barras de escala = 2 mm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 35 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. Mientras que el ultrasonido in vivo y las imágenes fotoacústicas de longitud de onda única en la figura 5 proporcionan información anatómica de alta resolución, se desconoce la composición celular del tumor, y por lo tanto somos incapaces, en esta etapa de la imagen, para identificar las características funcionales o la expresión molecular celular, que podría ayudar en la identificación de un tumor benigno canceroso. Las imágenes fotoacústicas funcionales, por ejemplo la saturación de oxígeno en la sangre del tumor, podrían proporcionar criterios adicionales para evaluar la función tumoral. Adquirimos información funcional mediante la detección de señales fotoacústicas en múltiples longitudes de onda láser y la destrucción espectral de las señales como se describe anteriormente. Para la obtención de imágenes funcionales del modelo animal descrito anteriormente, adquirimos señales fotoacústicas generadas por luz láser entre 680-850 nm. Como se muestra en la figura 6, podemos observar la saturación de oxígeno de la sangre dentro del tejido normal y dentro de las regiones tumorales. Las concentraciones estimadas de desoxihemoglobina y oxihemoglobina se muestran usando una escala de color que va desde azul (0% saturación de oxígeno) a rojo (100% saturación de oxígeno). La imagen 3D que se muestra en la figura 6a indica la distinción del flujo venuo del flujo arterial dentro de la vasculatura del tejido de la imagen. Mientras que el estudio de la vasculatura tiene relevancia para algunos nichos de diagnósticos médicos, más significativamente, podemos utilizar la información funcional proporcionada por la imagen fotoacústica multilongitud de onda para estudiar la saturación de oxígeno en la sangre del tumor. Fig. 6. Imagen funcional in vivo de la saturación de oxígeno en sangre. (a) Superposición 3D de porcentaje de saturación de oxígeno en sangre, determinada a partir de la destrucción espectral de la señal fotoacústica multilongitud de onda, y la imagen de ultrasonido. El volumen es de 23 mm (ancho) x 6 mm (alto) x 7 mm (dirección escaneada). (b) 2D rebanada del porcentaje de saturación de oxígeno en sangre y la señal de ultrasonido. La flecha negra indica una región hipóxica dentro de un tumor. Barras de escala = 2mm. 36 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. Los tumores malignos hipóxicos tienen un pronóstico peor, lo que hace que la saturación de oxígeno en la sangre sea útil para la evaluación del tratamiento y la respuesta terapéutica.31 Como se muestra en la figura 6b, hay una región hipóxica dentro del núcleo del tumor fotografiado. Esta menor saturación de oxígeno es probable debido a la alta actividad metabólica de las células ubicadas dentro de esa región, lo que lleva a una entrega insuficiente de oxígeno dentro del tumor. La imagen fotoacústica funcional de la saturación de oxígeno en sangre podría utilizarse para estudiar la respuesta del tumor al tratamiento terapéutico, no invasivo, en tiempo real y durante largos períodos de crecimiento tumoral. Por último, podemos seguir procesando las imágenes fotoacústicas para ver la señal que se correlaciona con los espectros de absorción óptica de los agentes de contraste inyectados. En los estudios que se muestran aquí, hemos utilizado nanovarillas de oro recubiertas de sílice, pero es importante señalar que una gran variedad de agentes de contraste se pueden utilizar con éxito para la imagen fotoacústica molecular; 32 imágenes fotoacústicas in vivo con contraste mejorado se ha demostrado con el azul de metileno de color aprobado por la FDA,33 con nanoesferas de oro,27 o con nanoplacas de plata.34 Como se muestra en la figura 7, dentro de nuestro modelo de ratón, las regiones de acumulación de nanopartículas corresponden a las regiones tumorales identificadas con la ecografía y la imagen fotoacústica funcional de la saturación de oxígeno en sangre. Con el tiempo, hay un aumento en la señal atribuida a los agentes de contraste de nanopartículas dentro de la región tumoral (figuras 7b y 7c). La acumulación de nanopartículas podría deberse a dos efectos. Se sabe que los tumores tienen vasculatura con fugas, lo que permite una mayor entrega de partículas de tamaño nano a través del efecto mejorado de permeabilidad y retención. Además, las nanopartículas inyectadas fueron bioconyugadas a anticuerpos específicos para receptores celulares sobre expresados sobre tipos celulares utilizados para iniciar los tumores, por lo que es probable que el objetivo activo mejore la retención de las nanopartículas específicas dentro de la región tumoral. Este ejemplo demuestra cómo el uso de nanopartículas puede proporcionar información molecular sobre la expresión celular del tumor. Fig. 7. Imagen molecular in vivo de la acumulación de agentes de contraste dentro de un tumor dirigido. La señal fotoacústica de longitudes de onda múltiples se mezcló en dos componentes correspondientes a dos agentes de contraste diferentes, nanopartículas 1 (NP1) y nanopartículas 2 (NP2). (a) Superposición 2D de imagen de ultrasonido, distribución de NP1 y NP2 antes de la inyección del agente de contraste, mostrando una señal fotoacústica de fondo mínima. La acumulación de NP1 y NP2 dentro del tumor se muestra (b) 8 horas y (c) 24 horas después de la inyección intravenosa. Barras de escala = 1 mm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 37 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. De esta manera, la fotoacústica combina los beneficios de la resolución óptica de alto contraste de las sondas de interacción luminosa, con las capacidades de profundidad de imagen del ultrasonido. Conclusiones La fortaleza de la imagen fotoacústica está en su capacidad hacer imagenes de cambios funcionales y moleculares, a una profundidad de tejido significativa, en animales vivos. Los investigadores acaban de empezar a explotar las técnicas de imagen fotoacústica para emprender nuevos descubrimientos de las características funcionales y moleculares del cáncer, las enfermedades cardiovasculares y las enfermedades neurológicas. Concebimos la imagen fotoacústica como una herramienta crítica en el diagnóstico médico y la terapia guiada por imágenes en el futuro. Mientras que la mayoría de las aplicaciones de imagen funcional fotoacústica hasta ahora han utilizado fuentes de contraste que están presentes naturalmente, también es posible introducir agentes de contraste de activación bioquímica para la imagen funcional. Por ejemplo, existen muchos pigmentos que cambian su espectro de absorción óptica en base al pH, o en presencia de una enzima. Al añadir un agente de contraste activable, podemos utilizar el cambio en la intensidad de la señal fotoacústica de longitudes de onda múltiples para proporcionar información cuantitativa sobre el entorno bioquímico dentro de los tejidos, y monitorear los cambios en este entorno. Mientras que este artículo se centra en la imagen, también es de notar que existe una sinergia natural entre la imagen fotoacústica y la terapia. Por ejemplo, la terapia térmica se puede lograr mediante el uso de una fuente de luz continua para calentar los absorbedores ópticos utilizados para el contraste fotoacústico, a una temperatura que puede conducir a la destrucción de las células y el tejido circundante.35 Adicionalmente, Los agentes de contraste fotoacústicos multimodales pueden diseñarse para proporcionar la entrega de moléculas terapéuticas activadas por láser, por ejemplo, utilizando un recubrimiento de polímero sensible a la temperatura,36 o utilizando el calor para liberar terapias covalentes.37 La imagen fotoacústica no está exenta de limitaciones. Al igual que el ultrasonido, la resolución estará limitada físicamente por la relación inversa entre la profundidad de la imagen y la frecuencia del ultrasonido a medida que la frecuencia aumenta, la resolución también aumenta, sin embargo la atenuación de la señal es mayor en frecuencias más altas, lo que lleva a limitaciones en la profundidad de la imagen. La sensibilidad se ve afectada por la dispersión de la luz dentro del tejido, sin embargo nuevas técnicas para maximizar la señal al ruido, incluyendo agentes de contraste mejorados, y variando las características de la luz láser, pueden ayudar a minimizar la señal de fondo. Otras limitaciones incluyen que el tiempo requerido para escanear el lograr una alta resolución lateral depende de un haz estrecho, lo que significa que el transductor receptor (en sistemas de escaneo) o el objeto que está siendo fotografiado (en sistemas tomográficos) debe ser escaneado en una tercera dimensión para ampliar el campo de visión. Esta limitación de tiempo limita la resolución temporal de la información funcional y molecular que puede obtenerse a la escala de tiempo de minutos. Actualmente, sólo existen en el mercado sistemas preclínicos de obtención de imágenes fotoacústicas, pero la información funcional y molecular adicional disponible a través de esta modalidad de obtención de 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Imágenes fotoacústicas para diagnósticos médicos / Carolyn L. Bayer, et al. imágenes significará su creciente uso en estudios preclínicos, proporcionar los antecedentes de investigación necesarios para las adaptaciones clínicas. REFERENCIAS 1. 1. A. G. Bell, “On the production and reproduction of sound by light,” Am. J. Sci. 20, 305-324 (1880). 2. R. A. Kruger “Photoacoustic ultrasound,” Med. Phys. 21, 127- 131 (1994). 3. A. A. Oraevsky, S. L. Jacques, R. O. Esenaliev, and F. K. Tittel “Time-resolved optoacoustic imaging in layered biological tissues,” OSA Proc.Advances in Optical Imaging and Photon Migration 21, 161-165 (1994). 4. X. Wang, Y. Pang, G. Ku, X. Xie, G. Stoica, and L. V. 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AGRADECIMIENTOS Los autores reconocen el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) en las subvenciones F32CA159913 (C.L. Bayer), y F31CA168168 (G.P. Luke). Agradecemos a Juili Kevlar por proporcionar las imágenes TEM de nanovara de oro recubierta de sílice, y al Dr. Kimberly Homan por proporcionar las imágenes TEM de placa de plata. También agradecemos a Shailja Tewari de Visualsonics, Christian Wiest de iThera Medical, y a Richard Moss de Endra Life Sciences por proporcionar las imágenes compiladas en la figura 3. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 41 �PHOTOACOUSTIC IMAGING FOR MEDICAL DIAGNOSTICS Carolyn L. Bayer Department of Biomedical Engineering, The University of Texas at Austin Austin, Texas 78712 Geoffrey P. Luke Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Texas at Austin Austin, Texas 78712 Stanislav Y. Emelianov Departments of Biomedical and Electrical and Computer Engineering, The University of Texas at Austin Austin, Texas 78712 materials being imaged. Introduction “Because of the potential A modern application of the phohotoacoustic imaging has the toacoustic effect is the generation of potential to provide real-time, to perform real-time, medical images of biological chronon-invasive diagnosis of numermophores typically present in tissue, ous prevalent diseases, due to the technon-invasive in vivo which can absorb light energy resulting nology’s unique ability to visualize in the generation of photoacoustic tranmolecular changes deep within living functional and molecular sients. The photoacoustic pressure tissue with spatial resolution comparawaves can be received by ultrasound ble to ultrasound. Photoacoustic imagimaging, photoacoustic transducers at the external surface of the ing is a hybrid imaging technique that combines the contrast capabilities and imaging is increasingly being tissue, making photoacoustic imaging a non-invasive, non-ionizing medical spectral sensitivities of optical imaging with the resolution and tissue penetraapplied as both a clinical and imaging method capable of resolution similar to ultrasound, at significant tistion capabilities of ultrasound. During sue depth. Photoacoustic medical imagthe photoacoustic imaging process, preclinical method aimed ing was first proposed in the midmaterials absorb light energy, and con1990s,2,3 and initial reports of using the vert the light to heat via non-radiative at improving medical photoacoustic effect to image live anirelaxation. When materials heat, they mals were published nine years later.4 expand in size due to their thermoelasdiagnostics.” Today, many in vivo demonstrations of tic properties, which generates a presphotoacoustic imaging of biomedical applications relevant to sure wave. These pressure waves can propagate through the medical diagnostics exist, including cancer,5,6 brain vasculasurrounding environment to be detected at the surface. This ture and function,7-9 cardiovascular,10 and tissue engineering effect is familiar to everyone who has experienced a sumscaffolds,11,12 prompting translational advances in clinical mer thunderstorm—lightning rapidly heats the air, resultphotoacoustic imaging.13 ing in the air expanding and generating audible thunder. In While existing medical imaging methods, including general, the heating which induces the expansion of the ultrasound, are capable of producing remarkable images of material (e.g., the thermoacoustic effect) could be caused by what lies beneath our skin, most of these imaging methods many forms of energy transfer, but the term “photoaprovide contrast between anatomical features within tissue— coustic” specifies the conversion of light into heat, resulting for example, the difference in acoustic impedance between in the generation of characteristic sound waves. soft tissue and a tumor provide contrast within an ultrasound The photoacoustic effect was first discovered by image. Though the anatomy is critical to understanding the Alexander Graham Bell in 1880.1 His experiments deduced image, in many diseases the anatomy alone cannot be used to that an intermittent bright light could heat optically absorbindicate a particular diagnosis conclusively. Instead, the ing materials, causing expansion of the material in a way that physiological and biochemical properties of the system influgenerated audible vibrational waves. Bell demonstrated that ence the disease progression, and therefore the prognosis of darker fibers produced louder sounds than lighter fibers, a the patient. Functional imaging capabilities are required to principle which is consistent with the general photoacoustic provide physiological information, while biochemical inforrelationship in use today—the amplitude of the generated mation can be provided by molecular imaging. In compariphotoacoustic signal is proportional to the amount of son to ultrasound, photoacoustic imaging provides improved absorbed light. Bell also showed, by separating white light capabilities for functional and molecular imaging. For examwith a prism, certain color combinations of light and fibers ple, the blood oxygen saturation, an important functional could generate a louder sound. Today, multiwavelength phoproperty relevant to many disease processes, can be assessed toacoustic imaging uses this same principle, changing the using photoacoustics.7 Photoacoustic imaging can also prowavelength of the light and correlating the amplitude of the vide molecular information through the use of a probe or photoacoustic response to the absorption spectra of the P Photoacoustic Imaging for Medical Diagnostics 15 �Fig. 1. Instrumentation and major processing components comprising a combined ultrasound and photoacoustic imaging system. Photoacoustic signal, generated by the optical absorption of laser energy by the sample, is received by an ultrasound transducer, beamformed and processed to form an photoacoustic image. Ultrasound, appropriately beamformed, is emitted by the transducer, and reflected ultrasound is received, beamformed and processed to form the ultrasound image. tracer, which can be used to generate the needed contrast to produce an image.14 Because of the potential to perform realtime, non-invasive in vivo functional and molecular imaging, photoacoustic imaging is increasingly being applied as both a clinical and preclinical method aimed at improving medical diagnostics. Background In a contemporary photoacoustic imaging system, a nanosecond pulsed laser is used to generate transient pressure waves, which are received by an ultrasound transducer and processed to form images of biological tissue (Fig. 1). In a typical set-up, the pulse of light emitted by the laser is accompanied by a trigger signal sent to the imaging system hardware, coordinating the acquisition of the photoacoustic signal. After the laser pulse is emitted, the photoacoustic signals generated by the optical absorbers within the field of view are collected by the transducer (Fig 2). As with ultrasound, the time at which the photoacoustic signal is received is related to the depth of the absorbing object within the sample by the speed of sound in tissue. Multimodal systems, combining ultrasound and photoacoustic imaging, apply a time delay (τPA) after the laser trigger signal, as shown in Fig. 2, after which the ultrasound signal is transmitted and received to be processed using customary techniques. Due to the similarities in system hardware and processing design between photoacoustic and ultrasound imaging, an existing ultrasound system can be modified to acquire photoacoustic signals with nominal effort by adding a pulsed light source, making minor hard- Fig. 2. Photoacoustic and ultrasound signal generation. (a) The laser pulse is scattered and absorbed by the sample. (b) Absorption which leads to heating generates a transient pressure wave which is received by the transducer. (c) After a delay, τPA, ultrasound is transmitted and received over the time period 2· τPA. 16 Acoustics Today, October 2012 �Fig. 3. Commercially available preclinical photoacoustic imaging systems. ware modifications to appropriately time the transmitted and received signals, and by modifying the software user interface and signal processing methods. Several companies are marketing integrated photoacoustic systems for small animal imaging, shown in Fig. 3, and it is likely that more will soon enter the market. These systems fall into two categories—designed to use either a translatable linear ultrasound scanner with delay-and-sum beamforming, or a fixed array of transducers with computed tomography image reconstruction. Linear photoacoustic scanning systems produce a two-dimensional (2D) view of a single projection, and are then scanned in a third dimension – a volumetric imaging method analogous to commonly used non-invasive clinical ultr asound systems, where a transducer array is manually scanned along the tissue surface. Tomographic systems use an array of transducers, often positioned in a ring around the object being imaged, and then use reconstruction algorithms to reproduce the imaged slice. Visual Sonics Inc. markets the Vevo LAZR (Fig. 3a), which uses their high resolution small animal ultrasound imaging platform (Vevo 2100) in combination with a tunable nanosecond pulsed laser. When whole body imaging is a priority, the multispectral optoacoustic tomography (MSOT) system (Fig. 3b), produced by iThera Medical, guides the laser beam to illuminate a ring of light around the animal being imaged, and then moves in the third dimension to acquire volumetric images. 15 The Nexus 128 (Fig. 3c), produced by Endra, provides an alternative tomographic photoacoustic system. All of these systems consist of a tunable laser source providing near infrared (NIR) light approximately between 680 to 970 nm. The choice of a scanning or tomographic system depends greatly upon the application. The user must consider the achievable resolution, which is dependent upon the center frequency and bandwidth of the transducer, the beamforming or reconstruction algorithms implemented, and also the achievable sensitivity, which is influenced by the light fluence and distribution delivered within the tissue. An ultrasound scanning system will generally be most flexible, accommodating a variety of animal types, and potentially providing multiple transducer arrays optimized for differ- ent scanning depths. A photoacoustic imaging system based up on an ultrasound scanner platform provides additional functional imaging techniques (such as ultrasound Doppler mode) to provide anatomical and functional information. In contrast, tomographic systems are capable of acquiring volumetric data in a shorter period of time, and have less noise in the form of photoacoustic speckle due to the spatial distribution of the transducer ring. However, clinical applications of a photoacoustic tomography system will be limited, with a notable exception being the photoacoustic tomographic imaging of breast tissue. 16 The Walter Munk Award Awarded in Recognition of Distinguished Research in Oceanography Related to Sound and the Sea C a ll f o r N o m in a t i o n s The Walter Munk Award is granted jointly by The Oceanography Society, the Office of Naval Research, and the Office of the Oceanographer of the Navy. Recipients are selected based on their: t� 4JHOJmDBOU�PSJHJOBM�DPOUSJCVUJPOT�UP�UIF�VOEFSTUBOEJOH�PG�QIZTJcal ocean processes related to sound in the sea t� 4JHOJmDBOU�PSJHJOBM�DPOUSJCVUJPOT�UP�UIF�BQQMJDBUJPO�PG�BDPVTUJD�� methods to that understanding t� 0VUTUBOEJOH�TFSWJDF�UIBU�GPTUFST�SFTFBSDI�JO�PDFBO�TDJFODF�BOE� instrumentation contributing to the above For more information and nomination instructions, please visit: www.tos.org/awards_honors/munk_award.html Nomination deadline is March 31, 2013. THE OCEA CEANOGRAPHY ANOGRAPHY SOC OCIETY IETY The Oceanography Society, PP..O O . Box 1931, Rockville, MD 20849-1931, USA Telephone: 301/251-7708, Fax: 301/251-7709; E-mail: info@tos.org; Web site: www.tos.org Photoacoustic Imaging for Medical Diagnostics 17 �Diagnostic While optical photoacoustic absorbers naturally imaging found within the In our studies, body, such as anatomical, funchemoglobin, lipids, tional, and molecuand melanin, can lar information was be used to generate acquired using a photoacoustic combination of images, the use of ultrasound and nano-sized imagFig. 4. Transmission electron microscopy images of plasmonic metallic nanoparticles which have been used for multiwavelength ing contrast agents in vivo photoacoustic imaging. (a) Gold nanospheres; (b) Silver nanoplates; (c) Gold nanorods coated with photoacoustic allows photoacoustic silica. Scale bars = 100 nm. imaging of in vivo imaging to become mice bearing cancerous tumors. All methods follow protocols a truly “molecular” in vivo imaging method.17,18 approved by the Institutional Animal Care and Use Photoacoustic contrast can be enhanced by the use of Committee at the University of Texas at Austin. First, we molecular dyes or chemically synthesized nanoparticles. developed a small animal model of breast cancer which conInorganic nanoparticles are of particular interest, due to sisted of two tumors established from human breast cancer their flexibility with respect to shape, size, and surface cell lines with differential cell biomarker expression. For this chemistry. These characteristics can be optimized for small animal model, we initiated tumors within the mammaenhanced delivery of the nanoparticles to the tissue of ry fat pad using injections of BT-474 cancer cells, which overinterest, such as cancerous tumors.19 If the nanoparticle surexpress the cellular receptor HER2, and MDA-MB-231 cancer face is modified by the addition of a targeting moiety, these cells, which over-express αvβ3 integrin, present on the cell surcontrast agents become molecular imaging agents, since the face of epithelial cells of neovasculature. Gold nanorods were targeted nanoparticles should be preferentially retained chosen as the molecular contrast agent since, in addition to within the tissue region expressing the target. In addition, being highly optically absorbing due to surface plasmon resometallic nanoparticles of gold or silver, several examples of nance effects, their optical absorption spectra can be tuned by which are shown in Fig. 4, have surface plasmon resonance, changing their aspect ratio.23 By tuning nanorods to have difmeaning that the valence electrons of the atoms collectiveferent peak optical absorption wavelengths, it is possible to ly oscillate at a characteristic frequency. When the incident distinguish between multiple nanorod contrast agents light is at the same frequency as the surface plasmon resothrough multiwavelength photoacoustic imaging.24 We coated nance, that light is very efficiently absorbed and converted the nanorods with amorphous silica, which improves the gold into heat, making metallic nanoparticles excellent contrast nanorod thermal stability25 and the photoacoustic signal genagents for photoacoustic imaging. Nanoparticles which are eration efficiency.26 Silica-coated nanorods with two different molecularly targeted can be customized for delivery to paraspect ratios were chemically modified to attach targeting ticular tissues based on size, shape, and surface properties, antibodies, allowing the nanoparticle to be preferentially while the high optical absorption of metallic nanoparticles uptaken by tumor cells over-expressing the targeted cellular generates a strong photoacoustic signal and provides high receptor.24 The contrast agents were injected into the bloodcontrast with the surrounding tissue. By using metallic stream of a mouse growing the tumors. The injected contrast nanoparticles, we can also tune their optical absorption agents distributed through the circulatory system, and infilproperties to take advantage of the “tissue optical window”. trated through the tissues of the mouse, including the cancerWithin this wavelength region, between approximately 600 ous tumors. nm to 1300 nm, the native tissue optical absorption is relaThe tumor region of the mouse was imaged using a Vevo tively low, and therefore light can penetrate deeper into tis2100 high frequency small animal ultrasound scanner sue, allowing for acquisition of photoacoustic images at sig(VisualSonics Inc.), integrated with a SpectraPhysics nificantly greater tissue depths. By imaging at wavelengths QuantaRay Pro Nd:YAG nanosecond pulsed laser with a which are not highly absorbed in tissues, the photoacoustic GWU PremiScan optical parametric oscillator (OPO) to tune effect can be used to generate high resolution molecular the light wavelength. A fiber optic bundle was used to deliver images in vivo at significant tissue depth. Questions remain the laser light on either side of a linear transducer array. The regarding the safety of metallic nanoparticles for use in the system was used to deliver between 10-20 mJ/cm2 of light over human body.20,21 Indeed, there is much that is still a range of wavelengths from 680-930 nm. A 21-MHz ultraunknown about both their short-term and long-term toxsound transducer (MS250, VisualSonics Inc.) collected the icity, but many groups are studying these effects,21 and photoacoustic signals at each wavelength, followed by the three clinical studies of gold nanoparticle-based methodtransmission of ultrasound and the receiving of the reflected ologies for treatment of cancer are underway or have been ultrasound by the same transducer, resulting in co-registered completed.22 Additionally, photoacoustic imaging could ultrasonic and photoacoustic images. A linear stepper motor play a role in improving the understanding of the biodiswas used to translate the transducer and fiber bundle contribution and clearance mechanisms affecting the toxicity struct, in steps of 150 µm, to acquire photoacoustic and ultraof nanoparticles. 18 Acoustics Today, October 2012 �Fig. 5. In vivo anatomical photoacoustic and ultrasound images. (a) 3D overlay of photoacoustic and ultrasound images of the upper leg/abdominal region. Blue box shows the 2D imaging plane of (b-d). (b) Ultrasound image showing two hypoechoic tumors. (c) Photoacoustic image, acquired using a laser wavelength of 850 nm. (d) Overlay of photoacoustic and ultrasound images. Scale bars = 2 mm. sound images in the third dimension, averaging four photoacoustic signals at each step. Three-dimensional (3D) ultrasound and photoacoustic images were captured in a volume surrounding the two tumors within the mammary fat pad of the mouse. The amplitude of the photoacoustic signal received is dependent upon the wavelength of the laser light used to illuminate the sample. This dependence can be unmixed into the individual absorption spectra of the absorbers within the tissue—oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, nanoparticle 1 and nanoparticle 2. We used a linear least squared error spectral unmixing method where each voxel was assumed to contain a combination of the four optical absorbers.27 In this method, the initial photoacoustic signal, located at a position within the image, depends on the concentration of the absorbers in the region, the laser fluence, and the Grüneisen parameter.28 The optical absorption spectra of hemoglobin were obtained from the literature29 and the nanoparticle spectra were measured using UV-Vis spectroscopy (Synergy HT microplate reader, Biotek Instruments, Inc.). If the spectral unmixing problem is overconstrained, which is achieved by acquiring photoacoustic data at more Fig. 6. In vivo functional imaging of blood oxygen saturation. (a) 3D overlay of percent blood oxygen saturation, determined from spectral unmixing of the multiwavlength photoacoustic signal, and the ultrasound image. Volume is 23 mm (wide) x 6 mm (tall) x 7 mm (scanned direction). (b) 2D slice of the percent blood oxygen saturation and ultrasound signal. Black arrow indicates a hypoxic region within a tumor. Scale bars = 2mm. Photoacoustic Imaging for Medical Diagnostics 19 �wavelengths than the number of absorbers present in the tissue, then a minimum mean squared error estimate can be obtained for the absorber concentrations. The estimated concentrations of deoxyhemoglobin, oxyhemoglobin, nanoparticle 1, and nanoparticle 2 are displayed using blue, red, green, and violet colormaps, respectively. For spectral unmixing, the data was averaged into voxels of size 500 µm 200 µm 300 µm. The images of the optical absorbers were overlaid on co-registered ultrasound grayscale images to visualize the anatomy in the region. High resolution 3D anatomical images of the tumor region were generated by processing the ultrasound signals received by the integrated ultrasound and photoacoustic imaging system (Fig. 5). In Fig. 5a, a 3D image of a single wavelength photoacoustic image, overlaid on the ultrasound image, clearly shows the anatomy within the imaged region of the mouse, including the vasculature (in color, provided by the photoacoustic image), and the layer of skin and the femur within the leg (in greyscale, provided by the ultrasound image). In our mouse model we can identify the tumor regions by locating two hypoechoic regions under the skin, as shown in the 2D ultrasound slice in Figure 5b. From the photoacoustic signal (Fig. 5c and 5d), it is clear that there are light absorbers within the skin, light absorption from vasculature surrounding the tumors, and from the tumors themselves. While both ultrasound and photoacoustic images indicate the presence of tumors, the anatomical images alone do not provide sufficient information to diagnose malignancy, since the accuracy of ultrasound in the distinction of benign and malignant tumors is insufficient.30 While the in vivo ultrasound and single wavelength photoacoustic images in Fig. 5 provide high resolution anatomical information, the cellular composition of the tumor is unknown, and thus we are unable, at this stage of imaging, to identify functional characteristics or the cellular molecular expression, which might aid in the identification of a benign versus cancerous tumor. Functional photoacoustic images, for example of the blood oxygen saturation of the tumor, could provide additional criteria to assess tumor function. We acquired functional information by detecting photoacoustic signals at multiple laser wavelengths and spectrally unmixing the signals as described above. For functional imaging of the animal model described above, we acquired photoacoustic signals generated by laser light between 680-850 nm. As shown in Figure 6, we can observe the oxygen saturation of the blood within the “normal” tissue and within the tumor regions. The estimated concentrations of deoxyhemoglobin and oxyhemoglobin are shown using a color scale ranging from blue (0% oxygen saturation) to red (100% oxygen saturation). The 3D image shown in Figure 6a indicates distinction of venuous flow from arterial flow within vasculature of the imaged tissue. While the study of vasculature has relevance to some niches of medical diagnostics, more significantly, we can use the functional information provided by the multiwavelength photoacoustic imaging to study the tumor blood oxygen saturation. Hypoxic malignant tumors have a worse prognosis, making the blood oxygen saturation useful for the assessment of therapy and therapy response.31 As shown in Fig. 6b, there is a hypoxic region within the core of the imaged tumor. This lower oxygen saturation is likely due to the high metabolic activity of the cells located within that region, leading to insufficient oxygen delivery within the tumor. Functional photoacoustic imaging of the blood oxygen saturation could be used to study the response of the tumor to therapeutic treatment, non-invasively, in real-time, and over long time periods of tumor growth. Finally, we can further process the photoacoustic images to view the signal which correlates to the optical absorption spectra of the injected contrast agents. In the studies shown here, we have used silica-coated gold nanorods, but it important to note that a large variety of contrast agents can be successfully used for molecular photoacoustic imaging;32 in vivo photoacoustic imaging with enhanced contrast has been demonstrated with the FDAapproved dye methylene blue, 33 with gold nanospheres,27 or with silver nanoplates.34 As shown in Fig. 7, within our mouse model, regions of nanoparticle accumulation correspond to the tumor regions identified with the ultrasound imaging and the functional photoacoustic imaging of the blood oxygen saturation. Over time, there is an increase in the signal attributed to the nanoparticle contrast agents within the tumor region (Fig. 7b, c). The accumulation of nanoparticles could be due to two effects. It is known that tumors have “leaky” vasculature, enabling the increased delivery of nano-sized particles through the enhanced per- Fig. 7. In vivo molecular imaging of contrast agent accumulation within a targeted tumor. The multiwavelength photoacoustic signal was unmixed into two components corresponding to two different contrast agents, nanoparticle 1 (NP1) and nanoparticle 2 (NP2). (a) 2D overlay of ultrasound image, distribution of NP1 and NP2 before the injection of the contrast agent, showing minimal background photoacoustic signal. Accumulation of NP1 and NP2 within the tumor is shown (b) 8 hours and (c) 24 hours after intravenous injection. Scale bars = 1 mm. 20 Acoustics Today, October 2012 �meability and retention effect. Additionally, the injected nanoparticles were bioconjugated to antibodies specific for cell receptors over-expressed on cell types used to initiate the tumors, thus it is likely that the active targeting improves the retention of the specific nanoparticles within the tumor region. This example demonstrates how the use of nanoparticles can provide molecular information about the cellular expression of the tumor. In this way, photoacoustics combines the benefits of high-contrast optical resolution of targetable light-interacting probes, with the imaging depth capabilities of ultrasound. Conclusions The strength of photoacoustic imaging is in its ability to image functional and molecular changes, at significant tissue depth, in living animals. Researchers have just begun to exploit photoacoustic imaging techniques to enable new discoveries of the functional and molecular characteristics of cancer, cardiovascular disease, and neurological diseases. We envision photoacoustic imaging becoming a critical tool in medical diagnostics and image-guided therapeutics in the future. While most photoacoustic functional imaging applications thus far have used contrast sources which are naturally present, it is also possible to introduce biochemically triggered contrast agents for functional imaging. For example, many dyes exist which change their optical absorption spectra based on pH, or in the presence of an enzyme. By adding an activatable contrast agent, we can use the change in the multiwavelength photoacoustic signal intensity to provide quantitative information about the biochemical environment within tissues, and monitor changes in this environment. While this article focuses on imaging, it is also of note that a natural synergy exists between photoacoustic imaging and therapy. For example, thermal therapy can be achieved by using a continuous light source to heat the optical absorbers used for photoacoustic contrast, to a temperature which can lead to the destruction of the cells and surrounding tissue.35 Additionally, multimodal photoacoustic contrast agents can be designed to provide laser-activated delivery of therapeutic molecules, such as by using a temperatureresponsive polymer coating,36 or by using the heat to release covalently-linked therapeutics.37 Photoacoustic imaging is not without limitations. Like ultrasound, the resolution will be physically limited by the inverse relationship between the imaging depth and the frequency of the ultrasound—as the frequency increases, resolution also increases, however the signal attenuation is greater at higher frequencies, leading to limitations in imaging depth. Sensitivity is impacted by the scattering of light within tissue, however new techniques to maximize the signal to noise, including improved contrast agents, and varying the laser light characteristics, can help to minimize background signal. Other limitations include the time required to scan—achieving high lateral resolution is dependent upon a narrow beam, which means that the receiving transducer (in scanning systems) or object being imaged (in tomographic systems) must be scanned in a third dimension to widen the field of view. This time limitation does limit the temporal res- olution of the functional and molecular information which can be obtained to the timescale of minutes. Currently, only preclinical photoacoustic imaging systems are available commercially, but the additional functional and molecular information available through this imaging modality will mean its increasing use in preclinical studies, providing the needed research background necessary for clinical adaptations.AT Acknowledgements The authors acknowledge support from the National Institutes of Health (NIH) under grants F32CA159913 (C.L. Bayer), and F31CA168168 (G.P. Luke). We thank Juili Kevlar for providing the silica-coated gold nanorod TEM images, and Dr. Kimberly Homan for providing the silver plate TEM images. We also thank Shailja Tewari of VisualSonics, Christian Wiest of iThera Medical, and Richard Moss of Endra Life Sciences for providing the pictures compiled in Fig. 3. References 1 2 3 A. G. Bell, “On the production and reproduction of sound by light,” Am. J. Sci. 20, 305-324 (1880). R. A. Kruger “Photoacoustic ultrasound,” Med. Phys. 21, 127131 (1994). A. A. Oraevsky, S. L. Jacques, R. O. Esenaliev, and F. K. Tittel “Time-resolved optoacoustic imaging in layered biological tissues,” OSA Proc.Advances in Optical Imaging and Photon TUNE INTO ZERO’s SOUND SOLUTIONS ZERO is a world-wide leader in high-performance acoustical control for doors, windows and walls. Nobody does sound control better — we use advanced technology and testing to master the challenges of creating an effective barrier and preventing gaps in that barrier for the life of the assembly. Our systems are rated for use in sound studios and recording facilities, music halls, etc — up to 55 STC. Let us help you close the door on noise — contact us for a copy of our 20 page Sound Control brochure, and our 72 page Product Catalog, or visit our website. 1-800-635-5335 / 718-585-3230 FAX 718-292-2243 zero@zerointernational.com www.zerointernational.com Photoacoustic Imaging for Medical Diagnostics 21 �4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 Migration 21, 161-165 (1994). X. Wang, Y. Pang, G. 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Her postdoctoral research uses multiwavelength photoacoustic imaging, in combination with biomolecularlytargeted nanoparticle contrast agents, to monitor the development of distinctive molecular signatures involved in tumor growth and response to treatment in vivo. Geoffrey Luke is a Ruth L. Kirschstein National Research Service Award (NRSA) Predoctoral Fellow in the Department of Electrical Engineering at The University of Texas at Austin. He received a B.S. in Computer Engineering and Mathematics and a M.S. in Electrical Engineering from the University of Wyoming, where he developed a sensor based on the visual system of the common housefly. His current research is focused on early cancer detection and characterization using molecular photoacoustic imaging. Stanislav Emelianov received B.S. and M.S. degrees in physics and acoustics in 1986 and 1989, respectively, and a Ph.D. degree in physics in 1993 from Moscow State University, Russia. In 2002, Dr. Emelianov moved to The University of Texas at Austin and formed the Ultrasound Imaging and Therapeutics Research Laboratory. Dr. Emelianov’s research interests are in the areas of medical imaging for therapeutics and diagnostic applications, ultrasound microscopy, elasticity imaging, photoacoustical imaging, cellular/molecular imaging, and functional imaging. Dr. Emelianov has published over 100 archival publications and over 12 book chapters. Throughout his career he has mentored and served on dissertation committees of more than 43 graduate students. Finally, Dr. Emelianov is an American Institute for Medical and Biological Engineering (AIMBE) fellow and is currently Vice President of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society. Photoacoustic Imaging for Medical Diagnostics 23 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia José Antonio De la O Serna Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica jose.delaosr.uanl.edu.mx RESUMEN Se presenta una nueva familia de splines y sus derivadas, las cuales provienen de los diferenciadores pasabajas de la Transformada Discreta Taylor-Fourier (DTFT). Se llaman O-splines porque sus segmentos están espaciados en tramos de un ciclo de la frecuencia fundamental. Con ellas se analizan señales oscilatorias de potencia. Para ilustrar su aplicación y su progresiva exactitud se aplican para estimar fasores de voltajes, y para separar modos electromecánicos de oscilación en un sistema de potencia real. Con ellas se disminuye la complejidad computacional de la DTFT, ya que se aplica solamente un subconjunto de filtros. Los parámetros estimados ofrecen información dinámica mucho más rica que los métodos tradicionales. En particular, brindan una representación de estados para cada componente oscilatoria, y detección de eventos modulados en frecuencia. Su rendimiento en estimación se evalúa con un nuevo error llamado Error Fasorial Total (Total Phasor Error). Se concluye que esta técnica multiresolución ofrece una serie de soluciones de gradual exactitud para la estimación fasorial y la separación de modos de oscilación. Este nuevo marco matemático fusiona el área de medición fasorial con la de análisis de modos de oscilación en sistemas eléctricos de potencia que tradicionalmente han estado separadas en ingeniería eléctrica. PALABRAS CLAVE Transformada Discreta Taylor Fourier, fasor dinámico, modos electromecánicos, detección de envolvente compleja, bancos de filtros, análisis multiresolución, armónicas oscilatorias, O-splines, espacio de fase, oscilaciones de potencia, estimación de sincrofasores, separación tiempo-frecuencia, error fasorial total. ABSTRACT A new family of splines and their derivatives is presented, which come from the low-pass differentiators of the Discrete Taylor-Fourier Transform (DTFT). They are called O-splines because their segments are spaced in steps of a cycle from the fundamental frequency. With them oscillatory power signals are analyzed. To illustrate their application and their progressive accuracy, they are applied to estimate voltage phasors, and to separate electromechanical modes of oscillation in a real power system. With them, the computational complexity of the DTFT is reduced, since only a subset of filters is applied. The estimated parameters offer much richer dynamic information than traditional methods. In particular, they provide a representation of states for 42 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. each oscillatory component, and detection of frequency modulated events. Its estimation performance is evaluated with a new error called Total Phasor Error. It is concluded that this multiresolution technique offers a series of solutions of gradual accuracy for the phasor estimation and the separation of oscillation modes. This new mathematical framework merges the area of ​​phasor measurement with that of analysis of modes of oscillation in electrical power systems that have traditionally been separated in electrical engineering. KEYWORDS Discrete Taylor Fourier Transform, dynamic phasor, electromechanical modes, complex envelope detection, filter banks, multiresolution analysis, oscillatory harmonics, O-splines, phase space, power oscillations, synchrophasor estimation, time-frequency separation, total phasor error. INTRODUCCIÓN La medición de señales oscilatorias de sistemas eléctricos de potencia es considerada en la literatura como dos problemas independientes. Por una parte, hay muchos estudios para implementar mejores algoritmos para medir sincrofasores de señales de voltaje y de corriente bajo oscilaciones para las unidades de medición fasorial (PMUs) instaladas en las redes inteligentes de área amplia. Por la otra, existe una abundante literatura dedicada a mejorar el análisis de modos electromecánicos de oscilaciones de potencia. Este artículo propone los O-splines de la Transformada Discreta Taylor Fourier para resolver estos dos importantes problemas. Ambos problemas tienen en común componentes de señal con energía espectral densa alrededor de ciertas frecuencias: de las frecuencias armónicas en el primer caso, y junto a las frecuencias de los modos de oscilación en el segundo. El problema básico de la transformada de Fourier (DFT) al tratar con componentes espectrales densas es que distorsiona tanto la amplitud como la fase. 1 La DFT trabaja con exactitud solo cuando las señales tienen componentes con amplitud, fase y frecuencia constantes. La transformada Taylor Fourier (DTFT) resuelve esta limitación sustituyendo cada coeficiente de Fourier constante por un polinomio de Taylor de orden K durante la duración temporal de la ventana de observación. Esto le permite capturar la envolvente compleja de cada componente. Subespacios más amplios se generan incluyendo términos de Taylor de más alto orden en cada componente armónica de la base de Fourier. 2 Dado que los polinomios de Taylor de más alto orden incluyen los de orden inferior, cada término de Taylor incluido en el modelo de señal hace que el subespacio crezca gradualmente desde el anterior. Por tanto, las extensiones de polinomios de Taylor generan una escalera de espacios con elementos que se aproximan cada vez más a la señal pasabanda ideal. Inician con el más burdo, definido por los coeficientes complejos de la DFT, en el cual residen las señales periódicas. Al agregar más y más términos de Taylor al modelo de señal, se generan subespacios más vastos, conteniendo los anteriores. Entonces, los subespacios DTFT ofrecen mejores aproximaciones a las señales oscilatorias, y por tanto brindan parámetros dinámicos con errores cada vez más pequeños. Consecuentemente, los estimados obtenidos con polinomios de grados superiores son siempre más precisos y exactos en señales oscilatorias que los obtenidos con grados inferiores. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 43 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. En este trabajo (cuya versión en inglés se encuentra en 3) se comparan los parámetros estimados con polinomios de Taylor de primer y tercer orden. Además, se demuestra que las respuestas impulsionales de los filtros DTFT son modulaciones a las frecuencias armónicas de las O-splines. Por tanto, nos concentramos en los diferenciadores pasabajas. Los O-splines son funciones definidas por segmentos polinomiales. En nuestro caso, cada ciclo es definido por un polinomio distinto. En el lado espectral, la extensión de Taylor ensancha y aplana el lóbulo principal de los filtros DTFT. Como resultado de esta relajación espectral, los filtros de la DTFT son más adecuados para medir armónicas oscilatorias, ya que no las distorsionan ni en amplitud ni en fase. En cuanto a la descomposición de la señal, la DTFT está dotada de un banco de filtros con ganancias de diferenciador ideal en su banda de paso, y con bandas de paro con ganancia nula en el resto de las armónicas. Por tanto, en cada frecuencia armónica, los filtros actúan como diferenciadores ideales, con rechazo perfecto del resto de las armónicas. Con respecto a la aplicación de estimación de sincrofasores, vale la pena mencionar que el estándar de sincrofasores 4 fue escrito bajo la fuerte influencia de estimador tradicional DFT de un ciclo. 5 Ahora el énfasis del estándar está puesto en el efecto del ruido en las estimaciones. 6 Pero se defiende persistentemente el filtro de Fourier a pesar de sus conocidas limitaciones en condiciones oscilatorias (la infiltración de la imagen de la frecuencia fundamental, y la pérdida debida a su ganancia en forma de concha). 7, 8 Por estas razones, después de reconocer la buena regulación en estado estable del estándar de sincrofasores del IEEE, el Consejo de Coordinación de Electricidad del Oeste (Western Electricity Coordinating Council (WECC)) 9 propuso mejorar los requisitos de rendimiento dinámico de los filtros usados en PMUs, a fin de garantizar mejores respuestas ante condiciones dinámicas, tales como vaivenes de potencia o armónicas cambiantes. Y propuso un filtro complejo de pasabanda adaptiva derivado de la teoría de bancos de filtros modulados exponencialmente, con respuestas impulsionales de 4 y 7 ciclos, y variaciones frecuenciales en el rango entre 40 a 80 Hz. Aquí se propone la serie de respuestas impulsionales de los diferenciadores pasabanda DTFT para observar la dinámica de señales oscilatorias. Las soluciones ofrecidas pueden graduarse para mejorar la precisión y exactitud de los estimados, empezando con el filtro más burdo (DFT), y terminando con mucho mejores representaciones óptimas para las aplicaciones de protecciones (clase P) y de mediciones (clase M). Por otra parte, la identificación de modos electromecánicos en oscilaciones de potencia ha sido estudiada por muchos investigadores a través de las siguientes aproximaciones: 10 análisis lineal de oscilaciones atenuadas ringdown, 11, 12 análisis de modos, 13 y análisis no lineal. 14, 15 Estos métodos (Prony, Yule Walker, and Hilbert Wang) consideran los modos de oscilación como componentes de banda ancha localizados en cualquier parte del espectro, mientras que la DTFT 16 particiona la frecuencia en un conjunto de intervalos disjuntos desde los cuales la envolvente compleja de cada modo de oscilación es observada a través de una descomposición de Taylor. Ofrece separación tiempo-frecuencia en modos de frecuencia fluctuante, y una parametrización en 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. espacio de fase para las dinámicas de cada modo. Por supuesto, la frecuencia central de los filtros DTFT debe sintonizarse con la frecuencia media central de cada modo. 17 El ejemplo analizado en la sección de resultados ilustra la nueva parametrización ofrecida por el análisis DTFT. En este trabajo nos proponemos desarrollar un marco teórico que mejore la estimación de sincrofasores en corrientes y voltajes, así como la la separación de modos de oscilación en oscilaciones de potencia, motivados por la hipótesis de multiresolución, según la cuál a los O-splines de más alto grado les corresponde un error de aproximación mucho más pequeño, y en consecuencia estimaciones paramétricas más completas y de mejor calidad. En lo que sigue, el modelo de señal en subespacios Taylor Fourier se presenta en la sección de metodología, con las respuestas impulsionales de los filtros, y sus respuestas en frecuencia. Esto se hace para los diferenciadores pasabanda de primer y tercer orden. En la sección de resultados se muestran los fasores dinámicos de la DTFT estimados punto a punto con polinomios de Taylor de primer y tercer orden y obtenidos de las señales de voltaje durante una oscilación. Las estimaciones de amplitud, fase y frecuencia se ilustran para mostrar cómo mejora la exactitud de las estimaciones. Finalmente, en la sección de resultados, la DTFT es usada para separar los modos electromecánicos de la oscilación de potencia. El análisis ilustra los estimados de amplitud y fase de los primeros dos modos, junto con sus primeras derivadas. Concluye que ambas aplicaciones de los O-splines enriquecen la representación paramétrica de estos eventos dinámicamente complejos. Metodología Utilizada Se utiliza el método conocido como multiresolución, que consiste en definir una escalera de subsepacios 18 para aproximar con más y más precisión las señales analizadas. En nuestro caso los subespacios en cada frecuencia armónica son graduados simplemente por el orden del polinomio de Taylor utilizado en la DTFT. En esta sección se desarrolla esta idea. La expansión del fasor estático al dinámico y sus derivadas se presentó originalmente en 19. Esto condujo a la extensión del subespacio de Fourier a los de Taylor Fourier presentados en 20. Esta puede ser aquí brevemente introducida iniciando desde el tradicional modelo de señal de Fourier de orden cero: donde es la matriz de Fourier WN de N × N elementos, y contiene los coeficientes de Fourier de . Los elementos de WN son , para n, k=0, 1, … , N-1, donde N es el número de muestras por ciclo fundamental. Se extiende el subespacio anterior incluyendo el primer término de Taylor. El modelo de señal para esta primera extensión es entonces como muestra la ecuación 2, en donde las matrices diagonales I y T contienen las muestras de los términos de Taylor de cero y primer orden, respectivamente, tomados en un intervalo centrado de dos ciclos. Y el subvector N contiene las derivadas de los primeros coeficientes Taylor Fourier en . Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 45 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Las siguientes extensiones se obtienen incluyendo más y más términos de Taylor. El modelo de señal para la K-ésima extensión es como sigue: donde la matriz de (K+1)N × (K+1)N contiene los vectores de la base del subespacio extendido, el subvector ξ N contiene los coeficientes Taylor Fourier de K ésimo grado, y los subvectores ξ ( k ) N , k=1, … K sus progresivas derivadas. Note que la extensión conlleva una prolongación cíclica del modelo de señal, de C=1 a C=K+1 ciclos. Debido a la oblicuidad introducida por los términos de Taylor, las bases extendidas ya no son ortogonales, y por tanto, para K ≥ 1 , se requiere un par de bases biortogonales para la proyección ortogonal: 21 una base para la antitransformada en (3) y su dual para la transformada: donde es la matriz dual de tal que En 22 la matriz dada por: en (3) es factorizada como sigue: en la cual las submatrices cuadradas Ti, i= 1, 2, … , C son las submatrices diagonales descendientes de N × N elementos, extraídas de la matriz diagonal T en (3). Note que contiene la i-ésima pieza cíclica del k-ésimo término de Taylor. En esta factorización, el operador Taylor Fourier es claramente separado en dos matrices: del operador de Fourier y del de Taylor. Esta factorización fue propuesta en 22 para reducir los cálculos de , ya que para la forma factorizada se tiene: 46 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. En este artículo, se propone la formulación de la DTFT en (7) como un método de diseño de filtros pasabajas (diferenciadores pasabajas máximamente lisos) en . Note que preserva la estructura de (6), puesto que los vectores de son combinaciones lineales de los vectores en . En consecuencia, los vectores en son simples modulaciones armónicas de las subdiagonales verticales de . En otras palabras, esta factorización demuestra que el subconjunto de vectores banda base en constituyen las envolventes de los correspondientes subconjuntos de vectores en las frecuencias armónicas de la DTFT. Esta contribución es importante para aplicaciones donde la energía está presente en un pequeño número de frecuencias. Este es el caso de señales de sistemas de potencia, ya que la aplicación de sincrofasores solamente requiere los filtros pasabanda en la frecuencia fundamental, ya que tienen buen rechazo en las frecuencias armónicas; y la de oscilaciones de potencia solo requiere filtros en cada modo. En estas aplicaciones, la DTFT se implementa con una gran reducción de complejidad computacional, ya que se reduce a la aplicación de un pequeño numero de filtros de respuesta impulsional finita (FIR). Si se requiere estimar hasta la segunda derivada, se requieren 3 filtros FIR de longitud (K+1) N por frecuencia observada. Con respecto a la sensibilidad del ruido de los filtros DTFT, se puede afirmar 16, 19, 20 que para señales con tasa de señal a ruido (SNR) arriba de 60 dB, el error medio cuadrático de los parámetros estimados es despreciable. Error de aproximación La mejor señal aproximada a través de la descomposición DTFT se obtiene a través de la matriz de proyección , pues se tiene: El teorema de Pitágoras se cumple para el error de aproximación con y normalizando con respecto a la energía de la señal, El error cuadrático medio anterior considera el error de la proyección sobre el subespacio total considerado, es decir el subespacio generado por todos los vectores de la base en . Es también posible medir el error de aproximación de la proyección en el subespacio generado solamente por los vectores de la base asociados con la frecuencia fundamental, que generan el subespacio fundamental. Esto es posible tomando la submatriz que contiene tales vectores, y los correspondientes estimados Esta medida será llamada Error Fasorial Total (TPE, por sus siglas en Inglés), ya que mide la energía faltante a la señal aproximada del subespacio fundamental. Esto, a su vez, corresponde a la Distorsión Total (TD) asociada a la componente fundamental. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 47 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Entonces se tiene: Para una señal dada x , el mejor estimador fasorial es entonces el que minimice el TPE. Como puede verse, la definición del TPE es la más general de las distorsiones, pues toma en cuenta cualquier tipo de energía espectral presente en la señal: subarmónicas, interarmónicas, y cualquier tipo de ruido. Para señales periódicas, el TPE se reduce a la distorsión armónica total (THD), 23 y para sinusoidales de estado estable el TPE se reduce al error vectorial total (TVE) del estándar de sincrofasores. 4 Para las señales de prueba del estándar, el TPE es la mejor medida de error, y no se correlaciona con el TVE. Una de las fuertes limitaciones del TVE es que solo se puede obtener cuando el fasor dinámico de la señal de prueba es conocido. El TPE se calcula con los datos de la señal dada y la aproximada, y puede usarse para comparar diferentes algoritmos, sin que el fasor dinámico subyacente de la señal sea conocido, como en el caso del TVE. Además, el TPE tiene otras dos ventajas: depende del conjunto total de parámetros estimados y puede calcularse para intervalos de duración más cortos que el intervalo usado en la estimación. Respuesta impulsional y de frecuencia de los filtros FIR Cuando K aumenta, los modelos de señal DTFT ofrecen una serie de subespacios de aproximación V K , que forman una escalera de espacios, 18 con un orden anidado: , iniciando con el subespacio central de la DFT, y progresando gradualmente como , donde W K-1 es el complemento ortogonal de en . Entonces, iniciando con la aproximación más burda, ellos ofrecen gradualmente aproximaciones de más alta resolución. La principal diferencia entre la DTFT y el análisis multiresolución de onduletas, es que los O-splines separan el espectro en bandas uniformes, centradas en las frecuencias armónicas, mientras que las onduletas las separan en bandas diádicas. Como las respuestas impulsionales de los filtros DTFT en cada frecuencia armónica son simples versiones moduladas de las de la banda base, concentramos nuestra atención en esta banda, para luego entender la operación de los filtros pasabanda. La gráfica superior de la figura 1 ilustra los O-splines para diferentes grados de Taylor K=0, 1 , … , 11. Éstas fueron calculadas con N=20 muestras por ciclo. Puede demostrarse de 7 que forman una nueva familia de splines con C=K+1 ciclos. Las primeras dos corresponden a los splines B (B-splines) de cero y primer orden, 24 pero luego difieren de éstas cuando K ≥ 2 , ya que las O convergen al Seno Cardenal (Cardinal Sine), y no a la Gausiana como las B, como puede corroborarse con la curva con K=11 . Inician con la ventana rectangular del filtro Fourier de un ciclo, luego la triangular de dos ciclos, como el ejemplo de filtro clase P del estándar de sincrofasores, 4 y entonces sus formas evolucionan hasta la función Seno Cardenal, cuando K → ∞ . De hecho, el quinto filtro de 6 ciclos es muy similar al filtro clase M del estándar 4. 48 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 1. O-splines (gráfica superior) y respuestas frecuenciales (gráfica inferior) de los filtros DTFT pasabajas, K = 0, 1, … ,5 , y 11. Por otro lado, la gráfica inferior de la figura 1 ilustra las respuestas en frecuencia de los O-splines. Como se puede ver, la secuencia inicia con la función Seno Cardenal, correspondiente a la ventana rectangular, seguida por su cuadrado que corresponde a la ventana triangular. Después de éstas las respuestas en frecuencia empiezan a tener pasabanda y bandas de paro cada vez más planas. Esta propiedad es muy importante para el rechazo de armónicas. En la medida que el grado de Taylor K aumenta, los O-splines tienden a la de un filtro pasabajas ideal de forma perfectamente rectangular. Note que estos filtros ofrecen una nueva secuencia de aproximación al filtro ideal, similar a los de Butterworth o del Coseno Levantado. Aunque en el caso de los filtros DTFT, éstos vengan con sus propios diferenciadores, como se verá en la siguiente subsección. Diferenciadores Pasabanda La ventaja de los filtros DTFT es que vienen acompañados con las derivadas de los O-splines. La gráfica superior de la figura 2 muestra la primera derivada de los splines de la figura 1. Sus respuestas en frecuencia se grafican abajo. Note que si es la respuesta en frecuencia del k -ésimo filtro pasabajas, entonces la respuesta en frecuencia del correspondiente diferenciador es y sus respuestas en frecuencia tienen una ganancia lineal en la banda de paso. Similarmente, la segunda derivada de los O-splines se ilustra en la gráfica superior de la figura 3. De nuevo, estas corresponden a la derivada de los anteriores. Su respuesta en frecuencia está graficada abajo. Estos tienen una ganancia parabólica en la banda de paso ya que . Finalmente, el renglón de graficas de la figura 4 ilustra los O-splines de K=0 a K=3 , y los vectores bajo cada una de ellas, ilustran sus progresivas derivadas de arriba hacia abajo. Como puede verse, los altos grados requieren ventanas de observación más grandes, pero ofrecen más detalles de los eventos dinámicos, y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 49 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. mejoran la exactitud paramétrica. Note cómo las diagonales son combinaciones lineales de traslaciones del primer spline de la correspondiente diagonal, indicando que residen en el subespacio que aloja dicho spline. En la siguiente sección, se comparan los sincrofasores y los parámetros estimados con el conjunto de diferenciadores de primer y tercer grado (K=1 y K=3). Fig. 2. Primera derivada de las O-splines (gráfica superior) y respuesta en frecuencia (gráfica inferior) del primer diferenciador pasabajas, K=0,1, … ,5 , y 11. Fig. 3. Segunda derivada de los O-splines y respuestas en frecuencia del segundo diferenciador pasabajas, K=0,1, … ,5 , y 11 . 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 4. O-splines (primer renglón) y derivadas de los bancos de filtro DTFT pasabajas (columnas), K=0, 1, 2, 3 . RESULTADOS: ESTIMACIÓN DE SINCROFASORES La estimación de sincrofasores es una aplicación interesante de la DTFT. Con la DTFT es posible estimar no sólo las excursiones de amplitud y fase de voltajes y corrientes durante una oscilación de potencia, sino también sus fluctuaciones de frecuencia, y su tasa de cambio (ROCOF). En esta sección se ilustran los estimados de voltajes trifásicos de una interesante oscilación real de un sistema de potencia de 50 Hz, cuyas señales fueron grabadas a 20 muestras por período fundamental (1 kHz). La figura 5 muestra en línea punteada la señal del Voltaje C durante una rápida oscilación, junto con la envolventes de amplitud obtenidas con K=1 y K=3 , respectivamente. Las estimaciones son calculadas deslizando la ventana de observación punto por punto, produciendo estimados puntuales. Por otra parte, la figura 6 muestra las estimaciones de fase de los tres voltajes. Como puede verse, el caso de oscilación corresponde a un vaivén muy rápido. La derivada del ángulo de fase ofrece la fluctuación de frecuencia durante la oscilación. La gráfica de arriba en la figura 7 muestra las estimaciones de frecuencia del Voltaje C. Los cruces por la línea f=50 Hz marcan los puntos de máximos y mínimos de la gráfica de fase en la figura 6. Es evidente que el análisis DTFT puede rastrear muy rápidas excursiones de frecuencia (mucho más grandes que las cotas del estándar). Por otra parte, la gráfica de abajo de la figura 7 ilustra la derivada de frecuencia (ROCOF) del evento en Hz/s. Nuevamente, sus cruces por cero marcan los máximos y mínimos de la curva en la gráfica superior. Finalmente, la figura 8 muestra el TPE definido en (11), calculado sobre intervalos de un ciclo, entre la señal dada y la estimada, sintetizada con estimados instantáneos (punto a punto). Como se esperaba, los errores obtenidos con K=1 son mayores que los de K=3 , sin embargo ambas aproximaciones son muy pobres. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 51 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 5. Voltaje C durante un vaivén de potencia (línea punteada), y envolventes de amplitudes estimadas punto por punto con K=1 (línea a rayas) y K=3 (línea continua). Fig. 6. Ángulo de fase de voltajes A, B, y C, durante la oscilación de potencia calculados con K=1 (línea a rayas) y K=3 (línea continua). 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 7. Excursión de frecuencia del Voltaje C (arriba), con K=1 en línea a rayas y K=3 en línea continua. Al fondo su derivada (ROCOF) estimada con K=3 . Figure 8: TPEs calculado punto a punto en intervalos de un ciclo, con K=1 y K=3 . Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 53 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 9. Estimados de amplitud y fase del Voltaje C con O-splines de 3 er orden contraídos a dos ciclos. Aparentemente hemos encontrado una señal anómala para la DTFT. Note los errores pico de la figura 8 se deben a las caídas de frecuencia de la figura 7, y que las mejores aproximaciones se encuentran bajo los topes de las fluctuaciones cóncavas. Además, las formas parabólicas de frecuencia se van haciendo cada vez más angostas cuando el tiempo avanza, desde 10 hasta 3 ciclos. Como los O-splines son de 4 períodos, la suposición de fluctuaciones suaves es únicamente válida cuando las fluctuaciones parabólicas son más anchas de 4 ciclos. Esto explica el incremento del error en la figura 8, hasta los más grandes obtenidos después del 150 avo ciclo. Fig. 10. TPE en Voltaje C obtenido con O-splines de 3 er orden contraídos a 2-cycles 54 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Afortunadamente, la DTFT ofrece una amplia gama de soluciones. El inconveniente anterior se resuelve submuestreando las curvas flexibles O de orden 3 por un factor de 2 , y escalándolas para obtener ganancia unitaria en el filtro pasabajas. De esta manera, los O-splines son mucho más angostas (de 2 ciclos). La figura 9 muestra las amplitudes y fases estimadas del voltaje C con estos splines contraídos. Este cambio reduce el TPE como se ilustra en la figura 10. Note que las fluctuaciones parabólicas continúan manifestándose en esta gráfica. RESULTADOS: SEPARACIÓN DE MODOS DE OSCILACIÓN En esta sección se usa la DTFT de 3er orden para separar los modos electromecánicos 16 de la oscilación de potencia del anterior vaivén. Como las frecuencias de los modos tienen que conocerse a priori, esta aplicación es aún un análisis post mortem. Esta aplicación muestra que la DTFT is capaz de detectar modos con frecuencia modulada. La oscilación de potencia instantánea aparece en la gráfica superior de la figura 11, y su espectro normalizado se ilustra en la de en medio. Contiene un modo en f0 =0 Hz, y otro en f1 =15.7 Hz. La oscilación tiene también tres pequeños modos perceptibles de alta frecuencia. Una a f2 =100.48 Hz, la otra a f3 =113.04 Hz, y la tercera a f4 =128.74 Hz. Como puede verse, las frecuencias de estos modos no son múltiples de la primera (en 15.7 Hz). La gráfica inferior ilustra la respuesta en magnitud de los filtros DTFT empleados en el análisis. Estos fueron diseñados como sigue: Un ciclo fundamental de la oscilación de potencia (64 ms) contiene 64 muestras. Por tanto, la DTFT debe incluir 32 armónicas. La ventana de observación de los filtros es por tanto de 256 ms. Los tres filtros pasabanda de alta frecuencia se sintonizan en las frecuencias centrales de cada modo. Fig. 11. Oscilación de potencia instantánea (arriba), su espectro normalizado (en medio), y la respuesta en magnitud de los filtros DTFT (al fondo). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 55 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. La figura 12 ilustra los modos estimados, y al fondo la oscilación de potencia reconstruida comparada con la original. La secuencia de cada modo m es calculada de los coeficientes instantáneos Taylor Fourier simplemente como , ya que la contribución de las derivadas en el centro del intervalo es cero. Como puede verse, el modo cero dura los primeros 2 segundos, y el primer modo durante los últimos 4 segundos, mientras que el resto de los modos vive únicamente medio segundo justo después de la mitad del intervalo de observación. Estas gráficas muestran que la DTFT es capaz de separar eventos en tiempo y frecuencia. Divide el evento en tres intervalos: uno antes de la falla, el otro durante la falla, y el último después de la falla. En la gráfica inferior, es patente que la oscilación de potencia reconstruida (línea punteada) se ajusta bien a la oscilación original. La energía del error es 5 % de la energía de la señal de oscilación. Hay un pequeño error debido a que la separación de los dos primeros modos no es perfecta, es decir que ellos comparten energía en las bandas de transición de los filtros correspondientes (ver gráfica inferior de la figura 11). Fig. 12. Modos de oscilación y al fondo la oscilación de potencia sintética, comparada con la señal original de oscilación. Las técnicas de descomposición de modos tradicionales generalmente consideran la componente cero como una constante que se elimina mediante la sustracción del promedio de la señal antes del análisis. Esta consideración es una herencia de la manera fourierana de pensar. La descomposición de modos con la DTFT muestra claramente que, en general, el modo cero fluctúa, y debe considerarse como un modo de oscilación per se, ya que contiene información dinámica importante, como se muestra en lo que sigue. La amplitud del modo cero y su primera derivada se muestra en las gráficas de la figura 13. Note que los cruces por cero de la primera derivada corresponden a los máximos y mínimos de la amplitud. Lo mismo es válido para la segunda derivada mutatis mutandis. Las derivadas de la DTFT son muy exactas. 56 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 13. Amplitud del modo cero, y sus primeras dos derivadas. Por otra parte, la figura 14 muestra en la gráfica superior la envolvente de amplitud del primer modo en MW, y al fondo su primera derivada en MW/s. Hay una patente infiltración del modo cero, que es amplificada por el diferenciador. Cuando este modo desaparece en el intervalo postfalla, se suavizan tanto la amplitud como su derivada. Note que dos picos delimitan la duración de la falla. Fig. 14. Envolvente de amplitud del primer modo en MW (gráfica superior), y su primera derivada en MW/s (gráfica inferior). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 57 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Por último, la gráfica superior de la figura 15 muestra la fase y la del fondo su derivada. De nuevo, la infiltración del modo cero es patente en la gráfica de abajo. Sin embargo, es evidente que el primer modo es de frecuencia modulada, ya que su frecuencia inicia en 0 Hz, y crece exponencialmente con pequeñas fluctuaciones hasta alcanzar 15.6 Hz en t=3 s, donde se mantiene hasta el final del registro. Esta evolución de la frecuencia se muestra con menos resolución en el espectrograma ilustrado en la Fig. 4, calculado con una secuencia de transformadas rápidas de Fourier (FFTs) usando una ventana rectangular de 4 ciclos (256 muestras). La variación de frecuencia es también patente en la oscilación de potencia misma en la gráfica superior de la figura 16, en la cual los intervalos pico a pico de la oscilación disminuyen paulatinamente en la medida que la frecuencia aumenta. Por lo tanto, la DTFT descubre una frecuencia dinámica no percibida por los métodos tradicionales de descomposición de modos, los cuáles asumen modos de frecuencia constante. Fig. 15. Fase del primer modo (gráfica superior) y su frecuencia (gráfica inferior). Los mismos estimados pueden obtenerse para los últimos tres modos en la falla. Pero los analizados son suficientes para mostrar que la DTFT ofrece separación tiempo frecuencia, y puede tratar con modos de frecuencia modulada. En 16 el rendimiento del análisis con la 3 er DTFT se comparó con los métodos de Prony, 11 el algoritmo de realización eigensistema (ERA), 25 y el Matrix Pencil . 26. De los modos interárea analizados en 16 (en 0.133 , 0.399 , 0.532 , 0.665 , y 0.798 Hz), se concluyó que la DTFT puede aplicarse a oscilaciones de baja frecuencia. Sin embargo, note que el análisis de modos de más baja frecuencia requieren ventanas más largas; por ejemplo, un modo de 0.1 Hz necesita una ventana de 40 s. Sin embargo, dichos modos pueden también extraerse con el filtro pasabajas. 58 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. Fig. 16.: Espectrograma de la oscilación de potencia. DISCUSIÓN Con respecto a la aplicación de sincrofasores, los O-splines ofrecen un serie de elegantes soluciones para las clases P y M del Estándar. 4. Los resultados muestran que los estimados de la DTFT ofrecen información dinámica mucho más rica que la especificada por dicho Estándar. Además, el error fasorial total evalúa la calidad del conjunto de parámetros estimados. Con relación al problema de detección de modos de oscilación, la DTFT ofrece separación tiempo frecuencia de modos modulados en frecuencia o modos de frecuencia constante. Finalmente, la elegante teoría matemática detrás de la DTFT ofrece una solución unificante de dos problemas importantes en medición de sistemas de potencia de área amplia, tradicionalmente considerados como completamente independientes. Sin embargo, cabe señalar que la DTFT asume que la energía espectral de la señal se concentra alrededor de ciertas frecuencias, y que en la ventana temporal de observación la envolvente compleja sea tan suave como para ser aproximada por un polinomio de Taylor. En consecuencia, la DTFT es incapaz de extraer transitorios muy rápidos con un espectro demasiado amplio, ya que la separaría en varias componentes. CONCLUSIÓN Los O-splines permiten sintonizar filtros DTFT en un cierto número de frecuencias, reduciendo la complejidad numérica de la DTFT. Los coeficientes Taylor Fourier son muy útiles para el análisis multiresolución de señales oscilatorias de frecuencia fluctuante. El caso ilustrado de señal demuestra que existen señales de sistemas de potencia reales con fluctuaciones mucho más complejas que las señales de prueba del estándar de sincrofasores del IEEE. En lo concerniente al problema de separación de modos, la DTFT es capaz de separarlos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 59 �O-splines para analizar señales de oscilaciones de potencia / José Antonio de la O Serna. en tiempo y en frecuencia, incluyendo el modo oscilatorio cero, tradicionalmente considerado como constante. La DTFT ofrece una única teoría para resolver dos problemas importantes de sistemas de potencia considerados tradicionalmente como independientes, y abre el camino a interpretaciones más precisas y exactas de los eventos oscilatorios, dando lugar a nuevo conocimiento. La siguiente etapa es usar los O-splines con frecuencia adaptiva, y obtener soluciones en tiempo real para la separación de modos de oscilación. AGRADECIMIENTO El autor agradece amablemente a Jörg Blumschein por haber aportado el registro de las señales de oscilación analizadas en éste artículo. REFERENCIAS 1. J. G. Proakis and D. K. Manolakis, Digital Signal Processing, 4th ed. Upper Saddle River, N.J: Pearson, 2006. 2. M. A. Platas-Garza and J. A. De la O Serna, “Dynamic harmonic analysis through Taylor-Fourier transform,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 60, no. 3, pp. 804–813, 2011. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1109/ TIM.2010.2064690 3. J. 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[Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1109/TPWRS.2015.2403290 17. J. A. De la O Serna, “Synchrophasor measurement with polynomial phaselocked-loop Taylor-Fourier filters,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 64, no. 2, pp. 328–337, 2015. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1109/ TIM.2014.2344333 18. I. Daubechies, Ten Lectures on Wavelets. Society for Industrial and Applied Mathematics, 1992. [Online]. Available: http://epubs.siam.org/doi/abs/10.1 137/1.9781611970104 19. J. A. De la O Serna, “Dynamic phasor estimates for power system oscillations,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 56, no. 5, pp. 1648–1657, 2007. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1109/TIM.2007.904546 20. M. A. Platas-Garza and J. A. De la O Serna, “Dynamic phasor and frequency estimates through maximally flat differentiators,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 59, no. 7, pp. 1803–1811, 2010. [Online]. Available: http://dx.doi. org/10.1109/TIM.2009.2030921 21. M. Vetterli, K. Kovacevic, and V. K. Goyal, Foundations of Signal Processing, 3rd ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press,2014, available at http:// www.fourierandwavelets.org/. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 61 �Colaboradores Bretón Jiménez, Emmanuel Se encuentra en el proceso de titulación con la modalidad articulo científico para obtener su grado de Licenciatura en Ingeniería Química en la División Académica de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. Su trabajo de investigación lo realizó durante el Verano Científico Programa Delfín en la UANL. Bayer, Carolyn L. Bayer Es profesora asistente de Ingeniería Biomédica en la Escuela de Ciencias e Ingeniería de la Universidad Tulane, Universidad de Lousiana. Es posdoctorada del Ruth L. Kirschstein National Research Service Award (NRSA) en la Universidad de Texas en Austin. Ingeniera Electricicta de Case Western Reserve University, y doctorada en Ingeniería Biomédica en la Universidad de Texas en Austin. Cantú Mata, José Luis Ingeniero Administrador de Sistemas. Maestro en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior. Doctor en Filosofía, con especialidad en Administración, todos por la UANL. Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Dávila Guzmán, Nancy Elizabeth Profesora de tiempo completo en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y líder del cuerpo académico UANL-CA-49 de Ingeniería Química. De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela TELECOM Paris Tech, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé, Camerún. 62 Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Emelianov, Stanislav Y. Es profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación de Georgia Tech. Director del Ultrasound Imaging and Therapeutics Research Laboratory en el Georgia Institute of Technology. Cuenta con la licenciatura (1986) y maestría (1989) en física y acústica. Doctorado en física (1993) de la Universidad Estatal de Moscú, Rusia. En 2002 formó el Ultrasound Imaging and Therapeutics Research Laboratory en la Universidad de Texas en Austin. Hernández Rivera, Miguel Ángel Obtuvo su Doctorado en la Facultad de Ciencias Químicas de la UNAM. Actualmente se desempeña como profesor de tiempo completo en la División Académica de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, pertenece al Cuerpo Académico de Materiales Avanzados para Ingeniería, en la línea de investigación Obtención de Materiales y Procesos para Control ambiental. López Guerrero, Francisco Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas por la misma Universidad, durante estos estudios participó en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania en donde desarrolló su tesis de maestría. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Colaboradores de la Coordinación de Ingeniería Mecatrónica de la FIME. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. Loredo Cancino, Margarita Profesora de tiempo completo en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y miembro del cuerpo académico UANL-CA-49 de Ingeniería Química. Luke P. Geoffrey Es profesor asistente del ingeniería en Darmouth Engennering. Cuenta con la licenciatura en Ingeniería Computacional y Matemáticas de la Universidad de Wyoming (2007), Maestría en Ingeniería Eléctrica de la misma universidad (2009), y Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Texas en Austin (2013). Estuvo en el uth L. Kirschstein National Research Service Award (NRSA) en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Texas en Austin. Melgar Urbina, Edwin Javier Obtuvo su grado de Licenciatura en Ingeniería Química en la División Académica de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. Actualmente, estudia la M.C. con Orientación en Microbiología Aplicada en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre XXIII, No. 89 Morales Avalos, Jorge Eduardo Ingeniero en Mecatrónica por la Universidad Autónoma de Nuevo León. En 2014, realizó una estancia de investigación en el Centro de Supercomputación de Barcelona, España. Maestro en Ciencias en Mecatrónica por la Universidad de Siegen en Alemania. Desde 2018 es estudiante de doctorado, investigador y docente de tiempo completo en el departamento de Manufactura Automatizada y Ensamble de la Universidad de Siegen. Enfocado en el desarrollo de sistemas robóticos suaves. Ramírez Cruz, Francisco Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, Es Maestro en Ciencias de la Mecatrónica de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Dirigió el departamento de Somatoprótesis de la Facultad de Medicina de la UANL. Doctor en Ingeniería de materiales en la UANL trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo del Departamento de Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. 63 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, exactitud de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. Las contribuciones sobre modelación y simulación deben estar científicamente dentro del propio trabajo. Los trabajos con base en encuestas de opinión o entrevistas describiendo su impacto social, especialmente en áreas relacionadas con la ingeniería, deberán incluir la metodología y aspectos estadísticos tanto para su diseño como para el análisis de las mediciones y resultados, así como la validación de las correlaciones que pudieran presentarse. 64 No se consideran para publicación protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntas. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, primer piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2020, Vol. XXIII, No. 89 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Enero-Marzo 2020, Vol. XXIII, No. 86 67 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 68 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Enero-Marzo 2020, Vol. XXIII, No. 86 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2020 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 23 Número Número de la revista 89 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2020, Año 23, No 89, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2020 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2021124 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Coverage The spatial or temporal topic of the resource, the spatial applicability of the resource, or the jurisdiction under which the resource is relevant San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Access Rights Information about who can access the resource or an indication of its security status. Access Rights may include information regarding access or restrictions based on privacy, security, or other policies. Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Carbón activado Equidad Imágenes fotoacústicas Oscilaciones de potencia