mÉtodos de

MÉTODOS DE PROCESAMIENTO AVANZADO

E INTELIGENCIA ARTIFICIAL EN SISTEMAS SENSORES

Y BIOSENSORES

Lorenzo LeijaCoordinador

Barcelona • Bogotá • Buenos Aires • • México2009

Título de la obra:Métodos de Procesamiento Avanzado e Inteligencia Artificialen Sistemas Sensores y Biosensores

Primera edición, 2009

Coordinador:Lorenzo LeijaS. de Bioelectrónica,Departamento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV IPN, México

Diseño y formación:Reverté-Aguilar, S.L.www.reverte-aguilar.com

Diseño de cubierta:David Kimura y Gabriela Varela

Reservados todos los derechos. La reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medioo procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, queda rigurosamenteprohibida, salvo excepción previa en la ley. Asimismo queda prohibida la distribución de ejempla-res mediante alquiler o préstamo públicos, la comunicación pública y la transformación de cual-quier parte de esta publicación (incluido el diseño de la cubierta) sin la previa autorización de lostitulares de la propiedad intelectual y de la Editorial. La infracción de los derechos mecionadospuede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (Art. 270 y siguientes del CódigoPenal). El Centro Español de Derechos Reprográficos (CEDRO) vela por el respeto a los citadosderechos.

Propiedad de:Editorial Reverté, S.A.Loreto 13 - 15 Local B08029 Barcelona, EspañaT. (3493) 419 33 36

ISBN 978-607-7815-01-3 MéxicoISBN 978-84-291-8013-8 España

www.reverte.com

Este documento se ha realizado con la ayuda financiera de la Comunidad Europea. El contenido de este documento es responsabilidad exclusiva de los autores de este libro y en modo alguno debe considerarse que refleja la posición de la nión Europea.U

# 1332

Edición en papel:

Edición e-book (PDF): ISBN 978-84-291-9351-0

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Agradecimientos

Una obra de esta magnitud requiere el esfuerzo de múltiples personas e instituciones. En primerlugar es importante mencionar al programa ALFA, dedicado a la cooperación entre Instituciones deEducación Superior (IES) de la Unión Europea y América Latina, que otorgó los fondos para elfuncionamiento de la Red ALFA-BioSenIntg (Métodos de procesamiento avanzado e inteligenciaartificial en sistemas sensores y biosensores). La Red se integró con ocho laboratorios de Europa enEspaña, Francia y Portugal y seis de Latinoamérica en Brasil, Cuba, México y Perú. Todos elloshan sido participantes entusiastas del proyecto de escribir esta obra, orientada a los estudiantes deIngeniería de habla hispana. Mi reconocimiento al esfuerzo de cada uno de ellos.

Cabe destacar la participación de colegas y personal del CINVESTAV-IPN: Roberto, Arturo,Rubén, Hugo y Gina, quienes asumieron el proyecto como un reto personal y siempre estuvieronpresentes cuando el esfuerzo de corrección de figuras y de escritura lo demandó.

Agradezco al CYTED, Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo,su apoyo decidido en la edición de la presente obra, tanto a su Secretario General, FernandoAldana, como al Coordinador Científico y Tecnológico, Jordi Aguiló; ambos colegas y amigos deaños en las relaciones iberoamericanas.

Igualmente al personal de Editorial Reverté, en particular a Judith Sandoval, que no han escati-mado tiempo y esfuerzo para mejorar el contenido de la misma.

A todos ellos mi reconocimiento por su contribución para que este libro sea una realidad.

Lorenzo Leija Salas.Profesor del CINVESTAV-IPN, México

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Prólogo

Aunque la publicación de un libro representa siempre el final de una etapa, creo y deseo que en estecaso se trate sólo del fin de una primera, del arranque inicial necesario para formar un buen equipode trabajo.

En esta obra, el lector podrá disfrutar de un texto completo y prácticamente autocontenido queaborda la ciencia y la tecnología de base en los micro y nano sistemas realmente en el estado delarte. Desde una lectura menos técnica, es claro que distintos grupos iberoamericanos comparten yhan compartido sus conocimientos y la experiencia adquirida como resultado tangible de los pro-yectos y redes llevados a cabo en común. De esa lectura se deduce también que, posteriormente,estos grupos han sabido incorporarse e integrarse a grupos similares en Europa, con objeto defomentar sinergias e incrementar su propio potencial. Sin duda alguna, éste es un inicio prometedor,con un presente encomiable y unas potencialidades inmensas. Hoy, el programa CYTED se sienteorgulloso de haber contribuido a este proyecto desde sus orígenes.

Por otra parte, la temática genérica del libro: sensores, microsensores y los sistemas electrónicosque se sustentan sobre ellos, no puede ser más actual. Nuestra sociedad apuesta decididamente porello, es decir, que en la Sociedad de la Información no sean sólo los ordenadores los que generen,traten y difundan esa información. Actualmente el reto reside en que fluya además información pro-pia de los seres vivos, y que la produzcan, traten y difundan unos u otros indistintamente: ordenado-res y seres vivos compartiendo recursos sin fronteras preestablecidas. Es innegable que a partir deesa sinergia y del inicio de este trabajo conjunto se generarán conocimientos en torno a los comple-jos mecanismos de funcionamiento y de control en los seres vivos. Lo que permitirá desarrollar, através de una retroalimentación, interfases que hagan amigables -a muy bajo nivel- al ser vivo, laelectrónica, la información y el conocimiento.

Asimismo, el desarrollo de la investigación que ha derivado en este libro ha surgido del trabajoen red, de compartir conocimiento, experiencia y saber hacer con grupos muy diversos y geográfi-camente distantes, lo que no puede ser también más actual. Y en este sentido no sólo nuestra socie-dad está apostando al respecto, sino que es casi imposible concebir de otra forma el progreso. Y merefiero desde luego al progreso científico y tecnológico, pero también al industrial. La empresa queaspire a ser viable en el futuro no tiene más remedio que apoyarse en grupos como los presentes, ensu I+D, trabajar con ellos en red y compartir conocimientos y tecnologías con otras empresas. Ges-tionar adecuadamente lo que se ha dado en llamar la “coopetición” (cooperación simultánea con lacompetición), parece ser la única salida viable para la innovación en las empresas y especialmenteen las empresas de base tecnológica.

Reiterando el orgullo que siente CYTED de haber contribuido a este proyecto, vaya por escritoy públicamente su compromiso y el de quien suscribe para dar todo el soporte posible al grupo, conel fin de que siga avanzando por esta vía con paso firme y con el mismo entusiasmo y la mismagenerosidad que hasta el momento.

Jordi AguilóCoordinador Científico y Tecnológico de CYTED

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Índice de Contenidos

Agradecimientos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - vPrólogo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - vii

Introducción a los Sensores e Inteligencia Artificial1A.1 Ordenadores, sensores y actuadores .......................................................................1A.2 Inteligencia artificial .......................................................................................................2A.3 Sensores químicos .........................................................................................................3

A.3.1 Reconocimiento químico, biológico y biomimético..............................4A.3.2 Transductores ...............................................................................................6

A.4 Integración en ciencia y tecnología............................................................................6A.4.1 Sistemas analíticos integrados....................................................................7

A.5 Integración de sensores e inteligencia artificial.......................................................7A.5.1 Arreglos de sensores y aproximaciones biomimética..........................7A.5.2 Sensores y tecnologías de la información y la comunicación .............9A.5.3 Sensores y convergencia de tecnologías .................................................9

A.6 Bibliografía recomendada...........................................................................................10

Parte 1: Generalidades sobre los Sensores 1.A Sensores Físicos - - - - - - - - - - - - 11Presentación ..............................................................................................................................11

Capítulo 1: Sensores de Temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 131.1 Introducción..................................................................................................................131.2 Sensores de temperatura resistivos (RTDs) .........................................................141.3 Termistores ..................................................................................................................171.4 Termocuplas o Termopares .....................................................................................201.5 Sensores de temperatura basados en fibras ópticas............................................251.6 Sensores de temperatura basados en uniones de semiconductores...............28


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1.7 Termómetros de expansión o dilatación de líquido ...........................................31

1.8 Sensores de radiación.................................................................................................33

1.9 Bibliografía recomendada...........................................................................................34

Capítulo 2: Principios y Aspectos Prácticos de los Sensores Ultrasónicos - - - - - - - - - 35

2.1 Introducción..................................................................................................................35

2.2 Piezoelectricidad ..........................................................................................................37

2.2.1 Piroelectricidad y electrostricción..........................................................372.2.2 Acciones piezoeléctricas ...........................................................................382.2.3 Envejecimiento ............................................................................................39

2.3 Materiales piezoeléctricos .........................................................................................39

2.3.1 Cristales de cuarzo.....................................................................................402.3.2 Cristales solubles en agua .........................................................................402.3.3 Monocristales con alto punto de fusión ................................................402.3.4 Semiconductores piezoeléctricos ...........................................................412.3.5 Cerámicas piezoeléctricas ........................................................................412.3.6 Compuestos piezoeléctricos....................................................................41

2.4 La propagación ultrasónica ........................................................................................41

2.4.1 Ley de Hooke: la relación entre esfuerzo y deformación.................422.4.2 Consideraciones generales .......................................................................422.4.3 Propagación longitudinal y transversal ...................................................42

2.5 Propagación de la onda ultrasónica .........................................................................42

2.5.1 Velocidad de propagación.........................................................................432.5.2 Impedancia acústica ....................................................................................442.5.3 Atenuación acústica....................................................................................442.5.4 Medida de la absorción de energía ultrasónica....................................46

2.6 El campo ultrasónico...................................................................................................47

2.7 Medición del campo ultrasónico ..............................................................................48

2.8 El transductor ultrasónico .........................................................................................52

2.9 Patrón de propagación del haz ultrasónico ...........................................................53

2.10 Focalización de transductores ..................................................................................54

2.10.1 Transductores esféricos............................................................................542.10.2 Focalizado eléctrico....................................................................................552.10.3 Arreglo de transductores .........................................................................55

2.11 Partes básicas de un equipo de ultrasonido ..........................................................56

2.12 Diagramas eléctricos de referencia del pulsador-receptor de equipos de ultrasonido...............................................................................................................57

2.13 Consideraciones a tomar en cuenta en la selección de un transductor.........61

2.13.1 Consideraciones en la selección de un transductor...........................612.13.2 Las aplicaciones de los transductores ultrasónicos en la medicina........63



- xi -

Capítulo 3: Sensores Ultrasónicos Piezoeléctricos. Aspectos Básicos y Modelos Circuitales - - - 67

3.1 Introducción..................................................................................................................67

3.2 Estructura básica y aplicaciones ...............................................................................69

3.3 Aspectos generales de diseño y parámetros de eficiencia.................................71

3.4 Transductores piezoeléctricos trabajando en modo “espesor”.......................73

3.5 Modelos circuitales de los transductores basados en placas piezoeléctricas vibrando en modo espesor...........................................................75

3.6 Modelos y simulación utilizando PSPICE para su implementación...................79

3.7 Adaptación circuital del modelo de Redwood para su implementación mediante Spice .............................................................................................................80

3.7.1 Adaptación de Morris y Hutchens en formato Spice .........................813.7.2 Otras adaptaciones para implementación en Spice ............................83


Capítulo 4: Sensores Ópticos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 87

4.1 Introducción..................................................................................................................87

4.2 La naturaleza de la luz.................................................................................................88

4.3 Sensores interferométricos.......................................................................................89

4.4 Sensores de fibra óptica.............................................................................................92

4.4.1 Propagación de la onda electromagnética a través de una guía de onda..........................................................................................................94

4.4.2 Sensores extrínsecos de fibra óptica .....................................................944.4.3 Sensores intrínsecos de fibra óptica.......................................................97

4.5 Sensores optoquímicos. Un esquema integrado ..................................................99

4.5.1 Conceptos básicos......................................................................................994.5.2 Ejemplos prácticos de sensores ópticos integrados ........................ 1014.5.3 Sensor óptico integrado de refracción, del tipo

interferométrico ...................................................................................... 103

4.6 Bibliografía recomendada........................................................................................ 105

Capítulo 5: Sensores de Imágenes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 107

5.1 Las imágenes en biología y en medicina .............................................................. 107

5.2 Los sensores de imágenes ...................................................................................... 108

5.2.1 El Ojo.......................................................................................................... 1085.2.2 Los sensores CCD y CMOS................................................................. 1095.2.3 Sensores de color.................................................................................... 1135.2.4 Los espacios de representación del color ......................................... 1145.2.5 Los sensores de Rayos X y Gamma (y).............................................. 1175.2.6 Los sensores de infra-rojo..................................................................... 1205.2.7 Los sensores de ultrasonidos................................................................ 1215.2.8 Las imágenes láser y la luz estructurada............................................. 121



- xii -

Capítulo 6: Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) - - - - - - - - - - - - - - - - - - 127

6.1 Medición y monitoreo de sistemas naturales con MEMS................................ 128

6.2 Materiales ................................................................................................................... 129

6.3 Grabado ...................................................................................................................... 130

6.4 Fotolitografía.............................................................................................................. 132

6.5 Mascarillas................................................................................................................... 132

6.6 Encapsulamiento ....................................................................................................... 133

6.7 Aplicaciones ............................................................................................................... 133

6.7.1 Microsensores en la audición humana ................................................ 136


Capítulo 7: Sensores Magnéticos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145

7.1 Sensores inductivos.................................................................................................. 145

7.1.1 Sensores inductivos con núcleo de aire ............................................. 1457.1.2 Sensores inductivos con núcleo ferromagnético.............................. 1487.1.3 Interfaces electrónicas para los sensores inductivos....................... 152

7.2 Sensores fluxgate ...................................................................................................... 155

7.2.1 Modelización de la característica de magnetización B-H en un material magnético....................................................................... 155

7.2.2 Sensor fluxgate basado en varilla de material magnético ............... 1577.2.3 Sensor fluxgate basado en dos varillas de material

magnético (fluxgate de Vacquier)......................................................... 1597.2.4 Interfaces electrónicas para sensores fluxgate.................................. 161

7.3 Sensores magnetorresistivos: principios y propiedades .................................. 162

7.3.1 Sensores magnéticos de estado sólido ............................................... 1637.3.2 Efecto magnetorresistivo galvanomagnético ..................................... 1637.3.3 Efecto magnetorresistivo anisotrópico............................................... 1647.3.4 Efecto magnetorresistivo gigante ......................................................... 1677.3.5 Interfaces electrónicas para sensores magnetorresistivos............. 169

7.4 Sensores basados en el efecto Hall ...................................................................... 170

7.4.1 El efecto Hall............................................................................................. 1717.4.2 Elementos Hall de película delgada...................................................... 1727.4.3 Sensores Hall integrados........................................................................ 1747.4.4 Interfaces electrónicas para sensores Hall......................................... 1767.4.5 Aplicaciones de los sensores Hall ........................................................ 176

7.5 Inductor Rogowski-Chattock ................................................................................ 179

7.5.1 Caracterización física .............................................................................. 1797.5.2 Caracterización eléctrica ....................................................................... 1807.5.3 Aspectos prácticos a tener en cuenta................................................. 1827.5.4 Interfaz electrónico para inductor de Rogowski-Chattock ........... 1837.5.5 Aplicaciones .............................................................................................. 184



- xiii -

Parte I: Generalidades sobre sensores 1.B Sensores químicos - - - - - - - - - - - - 187Presentación ........................................................................................................................... 187

Capítulo 8: Sensores Potenciométricos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1898.1 Introducción............................................................................................................... 1898.2 Electrodos selectivos de iones .............................................................................. 191

8.2.1 Diferentes tipos de electrodos selectivos ......................................... 1938.2.2 Electrodos compuestos.......................................................................... 196

8.3 Electrodos de alambre recubierto........................................................................ 1978.4 Sensores tipo ISFET ................................................................................................. 198

8.4.1 El modelo de la doble capa eléctrica................................................... 2008.4.2 EL EnFET.................................................................................................... 2038.4.3 Principio de funcionamiento de los EnFETs....................................... 203

8.5 Conclusiones ............................................................................................................. 2048.6 Bibliografía recomendada........................................................................................ 205

Capítulo 9: Sensores Amperométricos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2079.1 Introducción............................................................................................................... 2079.2 La técnica voltamperométrica ............................................................................... 2089.3 Técnicas amperométricas ....................................................................................... 210

9.3.1 Voltamperometría cíclica ....................................................................... 2109.3.2 Voltamperometría diferencial de pulsos............................................. 2109.3.3 Voltamperometría de redisolución...................................................... 210

9.4 Sensores amperométricos...................................................................................... 2119.4.1 Electrodos modificados químicamente ............................................... 2129.4.2 Biosensores amperométricos ............................................................... 2149.4.3 Otros dispositivos amperométricos destacados.............................. 214


Capítulo 10: Biosensores - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 21910.1 Introducción............................................................................................................... 21910.2 Biosensores: Clasificación....................................................................................... 220

10.2.1 Según el elemento de reconocimiento ............................................... 22010.2.2 Según el elemento transductor ............................................................ 227

10.3 Técnicas de inmovilización ..................................................................................... 23110.3.1 Adsorción física ........................................................................................ 23210.3.2 Atrapamiento o copolimerización dentro de una matriz

polimérica .................................................................................................. 23210.3.3 Entrecruzamiento .................................................................................... 23410.3.4 Enlace covalente....................................................................................... 23410.3.5 Interacciones electrostáticas................................................................. 23410.3.6 Interacciones de afinidad........................................................................ 235

10.4 Aplicaciones ............................................................................................................... 23510.4.1 Biosensor de glucosa: Un gran éxito comercial ............................... 235


- xiv -

10.4.2 Uso de sensores basados en ácidos nucleicos para el diagnóstico de cáncer......................................................................... 237

10.4.3 Biosensor de microcistina para el control medioambiental y clínico ...................................................................................................... 238

10.4.4 Biosensor de ocratoxina A: evaluación de la calidad de los alimentos.................................................................................................... 240

10.5 Conclusiones y perspectivas .................................................................................. 242


Parte 2: Fundamentos de la Inteligencia Artificial - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 249

Presentación ........................................................................................................................... 249

Capítulo 11: Acondicionamiento de Señal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 251

11.1 Sistema de medida.................................................................................................... 251

11.2 Procesamiento analógico de la señal.................................................................... 252

11.2.1 Tipos de señales ....................................................................................... 25311.2.2 Puente de Wheatstone........................................................................... 25411.2.3 Amplificador operacional ....................................................................... 25611.2.4 Etapa de amplificación DC..................................................................... 25711.2.5 Amplificacion AC ..................................................................................... 264

11.3 Multiplexado .............................................................................................................. 266

11.4 Adquisición en el dominio de las amplitudes CAD .......................................... 268

11.5 Muestreo y retención .............................................................................................. 270

11.6 Barreras de aislamiento........................................................................................... 271

11.7 Interfaces directas sensor-microcontrolador .................................................... 272


Capítulo 12: Análisis en el Dominio de la Frecuencia - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 275

12.1 Dominio de la frecuencia........................................................................................ 275

12.2 Series de Fourier ...................................................................................................... 276

12.3 Transformada de Fourier........................................................................................ 277

12.3.1 Densidad espectral de potencia ........................................................... 27912.3.2 Función de autocorrelación................................................................... 279

12.4 Muestreo .................................................................................................................... 280

12.4.1 Periodo de muestreo.............................................................................. 28012.4.2 Teorema de muestreo............................................................................ 283

12.5 Transformada de Fourier Discreta (DFT) .......................................................... 283

12.6 Efecto del intervalo de tiempo finito en el muestreo ...................................... 287

12.7 Transformada rápida de Fourier (FFT)................................................................ 290

12.7.1 Descomposición en el dominio del tiempo....................................... 29012.7.2 Descomposición en el domino de la frecuencia ............................... 293



- xv -

Capítulo 13: Eliminación de Ruido Mediante el Uso de Wavelets - - - - - - - - - - - - - 295

13.1 Wavelets ortogonales para la eliminación de ruido y compresión ............................................................................................................. 29513.1.1 Descomposición dispersa de señales .................................................. 29613.1.2 Descomposición del ruido..................................................................... 29713.1.3 Algoritmo general para la eliminación de ruido ............................... 298

13.2 Eliminación de ruido mediante la umbralización de la wavelet...................... 300

13.2.1 Estrategia de umbralización................................................................... 30013.2.2 Cálculo del umbral................................................................................... 302


Capítulo 14: Aplicación de Redes Neuronales Artificiales a la Minería de Datos - - - - - - - 307

14.1 Introducción............................................................................................................... 307

14.2 Descubrimiento del conocimiento y minería de datos.................................... 308

14.3 Perceptrón multicapa (MLP) .................................................................................. 30914.4 Algunas aplicaciones de las redes MLPs .............................................................. 312

14.5 Mapas auto-organizativos (SOM).......................................................................... 313

14.6 Aplicaciones de las redes SOM ............................................................................. 316


Capítulo 15: Algoritmos Genéticos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 32115.1 Introducción............................................................................................................... 321

15.2 Estructura del algoritmo genético ........................................................................ 322

15.3 Implementación del algoritmo genético básico ................................................. 323

15.4 Representación, codificación y generación de la población inicial ................ 32515.5 Evaluación y selección.............................................................................................. 326

15.6 Operadores genéticos ............................................................................................. 326

15.7 Generación de la nueva población........................................................................ 328

15.8 Un sencillo ejemplo.................................................................................................. 328

15.9 Conclusiones ............................................................................................................. 33115.10 Revisión bibliográfica................................................................................................ 331

15.11 Bibliografía recomendada ....................................................................................... 332

Capítulo 16: Máquinas de Vectores Soporte para Clasificación - - - - - - - - - - - - - - 335

16.1 Introducción............................................................................................................... 335

16.2 Casos linealmente separables ................................................................................ 338

16.3 Múltiples categorías.................................................................................................. 34316.4 Caso no separable linealmente.............................................................................. 344

16.5 Maquinas de vectores soporte no lineales.......................................................... 346

16.6 Revisión bibliográfica................................................................................................ 349



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Parte 3: Algunas Aplicaciones de Sensores con Inteligencia Artificial - - - - - - - - - - 353Presentación ........................................................................................................................... 353

Capítulo 17: Aplicaciones en Sistemas Distribuidos- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 35517.1 Introducción............................................................................................................... 35517.2 Sistemas de instrumentación.................................................................................. 35617.3 Arquitectura de un sistema de instrumentación ............................................... 356

17.3.1 HARDWARE............................................................................................ 35717.3.2 SOFTWARE.............................................................................................. 361

17.4 Redes de sensores.................................................................................................... 36317.5 Objetivos de una red de sensores........................................................................ 36517.6 Topología de la red de sensores........................................................................... 36517.7 Hardware de la red de sensores........................................................................... 366

17.7.1 Hardware del nodo central ................................................................... 37017.7.2 Hardware del nodo remoto.................................................................. 371

17.8 Software de los nodos central y remoto ............................................................ 37317.9 Interfaz gráfica de la red de sensores .................................................................. 37417.10 Comunicación entre los nodos de la red de sensores .................................... 375

17.10.1 Red cableada ............................................................................................. 37617.10.2 Red inalámbrica ........................................................................................ 378

17.11 Aplicaciones de los sistemas de medida distribuidos ....................................... 38117.12 Bibliografía recomendada........................................................................................ 386

Capítulo 18: Sensores de Temperatura y Campo Eléctrico en Hipertermia Oncológica - - - 38718.1 Hipertermia oncológica........................................................................................... 38718.2 Principios biológicos a nivel celular y fisiológico ............................................... 389

18.2.1 Efectos a nivel celular, metabólico y molecular ................................ 38918.2.2 Efectos fisiológicos................................................................................... 390

18.3 Sensor de campo eléctrico..................................................................................... 39518.3.1 Detector .................................................................................................... 39818.3.2 Línea de transmisión resistiva ............................................................... 399

18.4 Sensores de temperatura: introducción.............................................................. 40218.4.1 Sensores invasivos ................................................................................... 405


Capítulo 19: Diagnóstico de CVA Isquémicos Asistido por Redes Neuronales Mediante la Exploración por CT - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 41519.1 Introducción............................................................................................................... 41619.2 Metodología ............................................................................................................... 416

19.2.1 Redes neuronales RBF............................................................................ 41719.3 Conjunto de datos ................................................................................................... 41819.4 Parte experimental ................................................................................................... 42019.5 Resultados y discusión............................................................................................. 420


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19.6 Conclusiones y trabajos futuros............................................................................ 42319.7 Bibliografía recomendada........................................................................................ 423

Capítulo 20: Aplicación de los Algoritmos Genéticos en Diseño y Estimación Paramétrica de Sistemas Sensores Ultrasónicos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 42520.1 Generalidades ............................................................................................................ 426

20.1.1 Analogía biológica de los algoritmos genéticos ................................ 42720.2 Estructura del algoritmo genético usada en el diseño de sensores

ultrasónicos................................................................................................................ 42820.3 Aplicaciones de los algoritmos genéticos en el área de los ultrasonidos........ 432

20.3.1 Necesidad de la estimación de parámetros constructivos en sensores ultrasónicos........................................................................ 432

20.3.2 Conveniencia del empleo de los AGs en el contexto de la estimación paramétrica ................................................................ 433

20.4 Implementaciones del procedimiento de estimación para transductores ultrasónicos piezoeléctricos de banda ancha .......................... 435

20.5 Resultados de estimación aplicando el procedimiento basado en AGspara dos transductores ultrasónicos de banda ancha ...................................... 43820.5.1 Resultados para la primera implementación: con respuestas

simuladas de un transductor de alta frecuencia. Análisis de viabilidad del procedimiento............................................................ 438

20.5.2 Resultados con la segunda implementación: aplicación a un transductor piezocerámico práctico. Validación con mediciones experimentales ................................................................... 440


Capítulo 21: Métodos de Soft Computing para la Estimación no Invasiva de la Temperatura en Medios Multicapa Empleando Ultrasonido Retrodisperso - - - - - - - - - 44521.1 Introducción............................................................................................................... 44621.2 Disposición experimental y adquisición de datos ............................................. 44721.3 Procesamiento de datos.......................................................................................... 45021.4 Entrenamiento y selección de la estructura de RBFNN ................................. 45121.5 Resultados y discusión............................................................................................. 45521.6 Conclusiones ............................................................................................................. 45921.7 Bibliografía recomendada........................................................................................ 460

Capítulo 22: Sistemas Sensores Ultrasónicos para Detección e Imagen. Control Electrónico y Simulación Circuital - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 46322.1 Presentación del capítulo........................................................................................ 46422.2 Generalidades. Implicaciones tecnológicas ......................................................... 46422.3 Esquemas ultrasónicos generales para detección e imagen............................ 46522.4 Control de sensores ultrasónicos para las aplicaciones de imagen.

Principales requerimientos ..................................................................................... 46722.4.1 Excitación pulsada de Arrays de sensores ultrasónicos

en alta frecuencia ..................................................................................... 468


- xviii -

22.4.2 Circuitos excitadores mono-canal para transductores de imagen ultrasónica ............................................................................. 469

22.4.3 Circuitos para recepción de señales de banda ancha en sensores ultrasónicos........................................................................ 471

22.5 Excitador eficiente con impulsos AT de sensores para imagenultrasónica .................................................................................................................. 472

22.6 Modelización circuital para simular la excitación impulsional en altatensión de los sensores piezoeléctricos. Tratamiento de aspectos no lineales................................................................................................................... 47422.6.1 Adaptación entre los sensores piezoeléctricos

y la electrónica no lineal asociada ........................................................ 47422.6.2 Aproximaciones propuestas para modelar las etapas de

excitación pulsada.................................................................................... 47522.7 Implementaciones circuitales para simular la respuesta transitoria

de los sensores piezoeléctricos en sistemas pulso-eco. Adaptación de modelos .......................................................................................... 47722.7.1 Resumen de bases teóricas para el análisis transitorio................... 47722.7.2 Implementación circuital de Leach del modelo Mason-Redwood

para vibración en modo “Espesor”...................................................... 480228 Representaciones en SPICE del circuito análogo de Leach

para el sensor ............................................................................................................ 48122.9 Simulación circuital global de un emisor-receptor de pulsos

ultrasónicos................................................................................................................ 48522.9.1 Simulación circuital de pérdidas Internas en el sensor

piezoeléctrico ........................................................................................... 48622.10 Bibliografía recomendada........................................................................................ 487

Capítulo 23: Segmentación de Agrupamientos de Microcalcificaciones en las Imágenes de Rayos X para su Detección Temprana en Mama- - - - - - - - - - - - - - 48923.1 Introducción............................................................................................................... 490

23.1.1 Contexto médico..................................................................................... 49023.1.2 Trabajo previo .......................................................................................... 491

23.2 Algoritmo de la segmentación............................................................................... 49223.2.1 Principio del algoritmo ........................................................................... 49223.2.2 Tratamiento de las imágenes de contraste realzado ....................... 49223.2.3 Tratamiento de las imágenes suavizadas ............................................ 49423.2.4 Tratamiento de las imágenes binarias ................................................. 49423.2.5 Extracción de características y clasificación de los candidatos ..... 494

23.3 Pruebas de la segmentación, resultados y discusión ........................................ 49623.3.1 Criterios de evaluación de los resultados y base de datos

de imagen................................................................................................... 49623.3.2 Ajuste del parámetro del algoritmo .................................................... 49823.3.3 Resultados de la segmentación y discusión ....................................... 498

23.4 Conclusión y discusión sobre la utilidad del algoritmo dela segmentación......................................................................................................... 502



- xix -

Capítulo 24: Lenguas Electrónicas Potenciométricas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 50724.1 Introducción............................................................................................................... 507

24.1.1 La lengua electrónica, un sistema bio inspirado en el sentido del gusto..................................................................................................... 508

24.1.2 Lengua electrónica................................................................................... 50924.2 Arreglo de sensores potenciométricos............................................................... 510

24.2.1 Arreglos redundantes ............................................................................. 51124.2.2 Arreglos selectivos .................................................................................. 51124.2.3 Arreglos de selectividad cruzada.......................................................... 511

24.3 Procesamiento........................................................................................................... 51124.3.1 Datos de entrenamiento........................................................................ 514

24.4 Aplicaciones ............................................................................................................... 51524.5 Bibliografía recomendada........................................................................................ 516

Capítulo 25: Lenguas Electrónicas Voltamperométricas - - - - - - - - - - - - - - - - - - 51925.1 Introducción............................................................................................................... 519

25.1.1 Sistemas bioinspirados............................................................................ 52025.2 Naturaleza de los sensores .................................................................................... 521

25.2.1 Uso de un único sensor voltamperométrico .................................... 52125.2.2 Uso de matrices de sensores voltamperométricos......................... 521

25.3 Uso de biosensores.................................................................................................. 52325.4 Estrategias de procesamiento ................................................................................ 52325.5 Aplicaciones representativas.................................................................................. 52425.6 Conclusiones ............................................................................................................. 52725.7 Bibliografía recomendada........................................................................................ 527

Índice alfabético - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 529

Introducción a los Sensores e Inteligencia Artificial

SALVADOR ALEGRETUniversitat Autònoma de Barcelona, España.

Ordenadores, sensores y actuadores

La irrupción de los ordenadores o computadores en multitud de ámbitos de nuestra sociedad, tanvitales como son los de orden económico, social, político, cultural, artístico y, sobre todo, los detipo científico y técnico, ha sido considerada como una verdadera revolución, y hay quien aventuraque tendrá un impacto mayor al que supuso la Revolución Industrial.

El ordenador se ha convertido en un centro neural, una especie de ‘cerebro’, que regula, ayuda,calcula, coordina, controla, evalúa, informa, comunica o decide, cada vez más, desde aspectos pun-tuales cotidianos hasta otros de repercusión y alcance mundiales. De hecho, el ordenador no tansolo asiste al hombre en multitud de tareas –con gran rapidez, fiabilidad, integridad, seguridad oprivacidad–, sino que lo sustituye en un gran número de actividades, que hasta hace muy poco eraninimaginables. Los ordenadores empiezan a ser unos «ingenios ubicuos».

Uno de los usos más generalizados de los ordenadores en las sociedades desarrolladas es la ges-tión de la información, de naturaleza muy diversa, la cual se almacena de forma jerarquizada enbase de datos, de fácil acceso y diseminación a través de redes telemáticas de alcance mundial.Nunca antes de ahora, gracias a los ‘cerebros ordenadores y computadores’, no había habido tantainformación disponible, fácilmente accesible y bien gestionada. Y también nunca antes de ahora, asu vez, no había habido la necesidad de generar datos de forma continua para que los ‘cerebroselectrónicos’ puedan construir sus propios sistemas de información y de conocimiento, y puedanintervenir en un sistema exterior de forma inmediata y eficiente. Debido a la alta velocidad en elprocesamiento de los datos que permiten los ordenadores actuales, uno de los pasos limitantes, paraque dichos instrumentos puedan tomar decisiones oportunas, más o menos rápidamente, es la formaen que el ordenador adquiere los datos o las señales desde el exterior, que le permitirán reaccionar.Si, por ejemplo, la adquisición de datos se efectúa físicamente de la mano del hombre, de formamás bien lenta, esto imposibilita efectuar reacciones de forma inmediata.

En este contexto, hay una demanda creciente de dispositivos que sean capaces de suministrar deforma continua a los ‘cerebros electrónicos’ información del mundo exterior. Es decir, de dotar alos ordenadores de una especie de ‘sentidos’, de unos análogos de la vista, el oído, el tacto, el gusto

A.1


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y el olfato. Dispositivos de este tipo se les conoce con el nombre de sensores. Son muy habitualeslos sensores de temperatura, presión, aceleración, nivel, caudal, sonido, radiactividad, luz, color,etc. (sensores físicos). Son menos habituales sensores de componentes (sólidos, líquidos o gaseo-sos) de los sistemas materiales de interés biomédico, ambiental o industrial (sensores químicos), ypor esto se están haciendo actualmente muchos esfuerzos de I+D en esta dirección.

Sin dejar este contexto, el retrato no quedaría completo si no tuviésemos en cuenta que la infor-mación percibida de forma continua por el ordenador mediante los distintos tipos de sensores, debi-damente procesada, eventualmente con algoritmos de inteligencia artificial (ver § A.2), sirve paraconstruir conocimiento, el cual permitirá intervenir en los sistemas materiales de una forma racio-nal, mediante los actuadores (válvulas, motores, bombas, pinzas, articulaciones, brazos, dispensa-dores, etc.) que, haciendo el papel de unas ‘extremidades’, permiten al ordenador intervenir en suentorno exterior.

Inteligencia artificial

La inteligencia artificial (IA) es el reto más ambicioso de la informática actual. Hace años que se haconseguido que los ordenadores sean más rápidos y tengan más memoria que los humanos. Ahorase trata que las máquinas tengan también inteligencia o, es decir, que realicen ciertas tareas quehechas por el hombre requieren el uso de la inteligencia.

Actualmente, cuando se investiga en el campo de la IA se persiguen dos objetivos complemen-tarios, que ponen su énfasis, respectivamente, en aspectos teóricos o aplicados. Por un lado se estu-dian los procesos cognitivos en general considerando la inteligencia como computación; cómo losordenadores pueden ser útiles en la comprensión de los principios que hacen posible la inteligencia.De aquí los múltiples puntos de contacto de la IA con ciencias como, por ejemplo, la neurofisiolo-gía, la lógica formal y la lingüística. Por otro lado, la IA intenta obtener sistemas automáticos que

Figura A.1 Sistema simple de control de un proceso a partir de sen-sores y actuadores gobernados por un ordenador, con indicación dedistintas categorías de actividades informáticas realizadas y de su ana-logía antropomórfica.

Sensores físicos

Información

Actuadores Extremidades

Cerebro

Sentidos

Conocimiento

Comunicación

Toma de decisiones

Sensores químicos

Computador

A.2

Sensores químicos

- 3 -

puedan realizar tareas reservadas a los humanos. Aquí la IA aparece como una disciplina eminente-mente tecnológica que persigue la construcción de máquinas y programas capaces de llevar a cabotareas complejas con una competencia y eficiencia iguales o superior a la de los humanos.

Uno de los temas centrales de la IA son los diferentes sistemas que utiliza para la representacióndel conocimiento y, implícitamente, las posibilidades que dicha representación ofrece para su utili-zación. Los sistemas expertos, que reproducen correctamente el comportamiento de un expertohumano en el dominio de su competencia, también llamados sistemas basados en el conocimiento,es otro campo de la IA. Las redes neuronales artificiales (ANN, artificial neural networks), que pre-tenden reproducir, mediante sistemas informáticos, la estructura y el comportamiento de las redesneuronales biológicas, han encontrado aplicaciones en muchos campos y, en especial, en algunosproblemas clásicos de la IA, como el reconocimiento de formas y de voz.

Hoy en día las técnicas de IA se aplican en distintos campos, como por ejemplo en sistemasexpertos, visión por ordenador, lenguaje natural, robótica, sensores, etc.

Sensores químicos

En electroanálisis, el concepto de sensor químico representa un redescubrimiento de un tipo de instru-mentación muy habitual en este campo. Los sensores químicos tienen hoy en día un interés renovadodebido a las perentorias necesidades actuales de disponer más y mejor información analítica en unascondiciones no convencionales. En efecto, unas veces en complementariedad, otras en oposición aldiseño o concepto que representan los grandes equipos analíticos −de elevado coste, de manipulaciónespecializada y confinados en recintos acondicionados−, los sensores químicos representan una nuevaclase de instrumentación analítica, caracterizada por unas pequeñas dimensiones, un bajo coste, unautilización amigable y una generación de la información (idealmente) en tiempo real.

En electroanálisis, atendiéndonos a las características acabadas de mencionar, se utilizan senso-res químicos desde principios del siglo pasado. Son muy bien conocidos, por ejemplo, los electro-dos redox, los electrodos selectivos de iones, especialmente el electrodo de vidrio para medir el pH,y, en cierta forma, los distintos detectores electroquímicos asociados a la instrumentación analítica,por ejemplo en cromatografía. Lo que ha acontecido ahora es que, desde la irrupción y populariza-ción de los ordenadores en los laboratorios, se ha impulsado de forma sistemática I + D en sensores,tanto físicos como químicos, debido a la extraordinaria innovación que representa el seguimientoen continuo con microprocesadores de parámetros físicos y químicos de un proceso complejo (porejemplo, biomédico, ambiental o industrial) y, en consecuencia, poderlo controlar y actuar sobre élde forma provechosa mediante actuadores (ver § A.1).

Idealmente, un sensor químico está formado por dos partes bien diferenciadas. Un elemento dereconocimiento molecular o iónico (receptor) (ver § A.3.1), que interacciona selectivamente con undeterminado componente de la muestra (analito), y un elemento instrumental (transductor) que tra-duce la interacción en una señal procesable (ver § A.3.2). Ambas partes pueden encontrarse más omenos integradas, pero en todo caso conectadas, ya que la señal primaria generada en la reacción dereconocimiento (de tipo electroquímico, óptico, térmico o másico) será convertida por el transduc-tor en una señal secundaria, en último término, del dominio eléctrico (ver Fig. A.2). La ‘conexión’entre el elemento receptor y el transductor se materializa mediante los procesos conocidos comoinmovilización.

Cuando el elemento de reconocimiento o receptor (R) es un reactivo sintético denominamos alsensor químico quimiosensor, y cuando se trata de un reactivo de naturaleza biológica, lo designa-mos como biosensor.

Así pues, esta configuración tan simple de reconocimiento + transducción, que integra el pro-ceso analítico convencional, ha permitido un diseño de una nueva instrumentación, de característi-

A.3


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cas muy innovadoras dentro de la química analítica, especialmente indicada para las medidas insitu, fuera del laboratorio, en situaciones hasta ahora no habituales, por ejemplo, el control de pará-metros clínicos por parte de personal no especializado (sensores de glucosa, de alcohol, de coleste-rol, etc.), la seguridad y el confort domésticos (sensores de humos, de fugas de gas, etc.) o el controlde la calidad y del estado de los alimentos.

A.3.1 Reconocimiento químico, biológico y biomimético

El componente receptor de un sensor químico transforma selectivamente determinada informaciónquímica contenida en la muestra en una forma de energía adecuada para ser medida por el transduc-tor (ver Fig. A.2). Es conocida la selectividad limitada de la mayoría de las reacciones utilizadas enel análisis químico, lo cual obliga a efectuar unos tratamientos previos a la muestra para separar lasposibles interferencias. Por esto sólo han encontrado aplicación un número muy reducido de reac-ciones analíticas tradicionales como sistemas receptores de los sensores químicos, ya que estos últi-mos están diseñados para funcionar en medidas directas, sin tratamiento de la muestra.

A partir de los trabajos de Pedersen, Cram y Lehn, que recibieron el premio Nobel en 1988, seabrieron unas grandes expectativas a la química analítica para poder disponer de una gran variedadde reactivos de reconocimiento iónico y molecular. De una forma muy elegante, con procedimien-tos de arquitectura molecular, se han ido sintetizando reactivos formadores de complejos receptor-analito (host-guest), en donde las especies implicadas se complementan a la vez en forma y dimen-siones (geometría) y en grupos enlazantes (energía). Esta complementariedad geométrica y energé-tica es la base del reconocimiento más o menos selectivo de iones y moléculas. Se han sintetizadouna gran variedad de moléculas receptoras de cationes (iones metálicos, alcalinos y alcalino-térreos; amonio, bipiridinio, etc.) y, en menor extensión, de aniones (iones haluro, sulfato, fosfato,

Figura A.2 Diagrama esquemático del funcionamiento de un sensor químico.Solamente un componente de la muestra es reconocido por el receptor (R).La señal asociada al proceso de reconocimiento es convertida en una señal eléc-trica por el transductor (T). Esta señal es posteriormente amplificada, acondicio-nada, procesada y presentada en formato de dato (A). El receptor puedereconocer al analito mediante mecanismos físicos, químicos o biológicos.

ElectroquímicaÓptica

TérmicaMásica

Señal primaria

MUESTRA SEÑAL

Señal secundaria

Eléctrica

R T A

Sensores químicos

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carboxilato, etc.) o de algunas moléculas neutras (dióxidos de azufre y de carbono, halometanos,hidrocarburos aromáticos, etc.). Estas moléculas receptoras tienen unas topologías muy especiales,con unas cavidades hidrofílicas bidimensionales (como los poliéteres macrocíclicos) o tridimensio-nales (ligandos macrobicíclicos como los criptandos o los esferandos) o con una cavidades hidrofó-bicas (como los ciclofanos, los calixarenos, los cavitandos, los criptofanos o las ciclodextrinas); endefinitiva, moléculas que, con el mínimo de cambios en la conformación del receptor, del analito ydel solvente, permiten la interacción con el analito a la vez que proporcionan unas barreras estéri-cas, hidrofóbicas, quirales, etc. que se traducen en una mejora de la selectividad hacia los ionesinterferentes. Con todo, todo este ingente esfuerzo sólo ha encontrado una aplicación muy parcialtodavía en el desarrollo y fabricación de sensores químicos. Quizá donde más repercusión ha tenidoes en los sensores electroquímicos potenciométricos (ver § A.3.2), en donde la incorporación demoléculas receptoras (ionóforos, se denominan en este campo), como las acabadas de comentar, hapermitido la búsqueda de membranas selectivas de iones con mejores prestaciones que las actuales.A pesar de que se dispone de muchos iónoforos sintéticos para analitos particulares, en algunoscasos las mejores membranas selectivas de iones incorporan iónoforos naturales, como es el casodel antibiótico valinomicina, un excelente receptor selectivo de ion potasio, o de algunos derivadoslipofílicos de la vitamina B12, buenos reconocedores del ion nitrito.

Por otro lado, es conocido que el reconocimiento molecular es la base de la organización y de lacomunicación biológicas. La comunicación química entre células y órganos, mediante sistemasmoleculares complementarios, es un proceso de vital importancia, responsable de la organización yla protección de los organismos y de la regulación de su metabolismo. Este tipo de biorreconoci-miento, optimizado por la evolución biológica, se ha utilizado para desarrollar los biosensores. Enefecto, interacciones entre enzimas y substratos o inhibidores, entre anticuerpos o fragmentos deanticuerpos y antígenos, entre proteínas receptoras y hormonas o fármacos, entre lectinas y carbohi-dratos, entre avidina o estreptavidina (proteínas tetraméricas) y la biotina (vitamina B6), entre DNAy DNA complemetario, RNA o proteínas, etc., han dado lugar a distintos sistemas biosensores,algunos de ellos ya implementados comercialmente, especialmente los biosensores enzimáticos y,en menor extensión, los inmunosensores y genosensores.

Últimamente se han sintetizado polímeros que presentan una capacidad de reconocimientomolecular bastante selectivo, y que pueden ser la base de un nuevo tipo de sensor químico. Para lapreparación de dichos polímeros, los procesos de grabado molecular (molecular imprinting) sonconceptualmente muy atractivos. Durante el crecimiento polimérico por entrecruzamiento de unosmonómeros funcionalizados se generan, con la ayuda de unas moléculas ‘molde’, unas micro/nanocavidades de dimensiones y forma específicas, y con una disposición determinada de grupos fun-cionales en su interior, que reconocen selectivamente al analito (a las moléculas moldes de formacomplementaria). Por esto, por su analogía al biorreconocimiento anticuerpo-antígeno, a estos polí-meros se les ha denominado ‘anticuerpos de plástico’. Los polímeros grabados molecularmente ode impronta molecular (en inglés MIP, molecularly imprinted polymers) presentan una serie deventajas potenciales respecto a los receptores biológicos. Poseen más estabilidad térmica y mecáni-ca. Se pueden esterilizar, y prácticamente no se deterioran con el uso continuado. Su método de pre-paración permite la obtención de materiales reconocedores biomiméticos de una gran diversidad deestructuras. Además, se pueden fabricar con propiedades ópticas y electroquímicas reproducibles,se pueden procesar en capas delgadas sobre soportes, en forma de membranas o de microesferasporosas. Evidentemente aun presentan importantes limitaciones estos materiales. La principal es sulimitada selectividad, lo que de momento hace que solamente tengan una aplicación competitivacomo materiales cromatográficos, y que también presentan adsorción inespecífica.

Sensores químicos basados en materiales, en procesos de adquisición o de tratamiento de datoso en conceptos inspirados en el mundo biológico, se les conoce con el nombre de sensores biomi-méticos.


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A.3.2 Transductores

Dejando de lado la parte receptora del sensor químico, de naturaleza química o biológica, los qui-miosensores y los biosensores se acostumbra a clasificarlos según el principio de funcionamientodel su componente transductor. El transductor puede ser más o menos selectivo hacia las señalesque provienen de la parte receptora, pero si el receptor es realmente selectivo el transductor no esimperativo que lo sea. En algunos casos las partes receptora y transductora están integradas (ver §A.4), formando un mismo componente, por lo que el dispositivo transductor se le considera por síun sensor químico. En otros casos, para prevenir que lleguen especies interferentes (distintas de lasgeneradas en el proceso de reconocimiento, que son las que transportan información analítica)hacia el transductor, se separa éste del receptor mediante una membrana (separador). Finalmente,el término transductor concierne tanto a un material con unas propiedades determinadas de trans-ducción (por ejemplo, un cristal piezoeléctrico) como a un dispositivo que facilita un tipo de trans-ducción determinada (por ejemplo, un dispositivo de ondas acústicas superficiales).

Atendiéndonos, pues, a los principios de transducción, podemos clasificar a los sensores quími-cos en los siguientes grupos:

• Sensores electroquímicos. Transforman el efecto de la interacción electroquímica entre el ana-lito y el electrodo en una señal eléctrica útil. Dicho efecto puede estar estimulado eléctricamenteo puede ser el resultado de la interacción espontánea (en condiciones de corriente nula). Dispo-sitivos basados en estos principios son los sensores voltamperométricos (electrodos sólidosinertes y electrodos modificados químicamente) o los sensores potenciométricos (electrodosredox, pero especialmente los electrodos selectivos de iones y, por extensión, los ChemFET.

• Sensores ópticos. Transforman cambios de fenómenos ópticos, resultantes de la interacción delanalito y el receptor, en señales optoelectrónicas útiles. Las magnitudes más habituales medidasson absorbancia, reflectancia, luminiscencia, fluorescencia, índice de refracción, etc. La aplica-ción de muchos de estos fenómenos a los sensores químicos ópticos (a veces llamados sensoresoptoquímicos) se realiza con fibras ópticas en distintas configuraciones. Estos dispositivos tam-bién se les denomina algunas veces óptodos. Las fibras ópticas o las guías de onda planas de losdispositivos ópticos integrados son medios transportadores de la radiación y no intervienen en latransducción, que se realiza en la parte modificada de dichas estructuras.

• Sensores másicos. Transforman un cambio de masa sobre una superficie modificada en un cam-bio de una propiedad del material transductor piezoeléctrico de soporte. El cambio de masa escausado por la acumulación selectiva del analito. El transductor puede basarse en la propaga-ción de ondas acústicas de volumen o de superficie (dispositivos BAW o SAW, bulk acousticwaves or surface acoustic wave devices).

• Sensores térmicos. Transforman el efecto calorífico de la interacción entre el analito y el recep-tor en una señal eléctrica útil. En los sensores catalíticos, el calor de una reacción de combustióno de una reacción enzimática se transduce en una señal eléctrica gracias a un termistor.

Integración en ciencia y tecnología

«Integración», según el diccionario, es la acción o el efecto de juntar partes para formar un todo connuevas propiedades y funciones diferentes a las de las partes constituyentes. La integración es unconcepto de gran repercusión en el campo tecnológico. Sólo hace falta recordar lo que ha represen-tado para la Microelectrónica los transistores, los circuitos integrados (IC) y los ordenadores digita-les, como paradigma de la integración y de los diferentes niveles jerárquicos que dicha integraciónproduce.

A.4

Integración de sensores e inteligencia artificial

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De forma análoga pueden ser vistos los sistemas biológicos, en donde sistemas bioquímicos inte-grados generan les células, las cuales son los bloques de unas estructuras más complejas (los tejidos)que permiten construir unos edificios de una gran variedad formal y funcional (los organismos).

El concepto de integración ha sido poco utilizado en Química; quizá más en Ciencia de Materia-les. Así, los compósitos son un claro ejemplo de integración de materiales, los cuales, sin perder suspropiedades originales, conforman un material resultante con nuevas propiedades diferentes de losmateriales constituyentes por separado. O los sistemas fotoelectroquímicos, en donde la conversiónde la energía radiante (la luz solar) en energía eléctrica, mediante un material semiconductor, seaprovecha para provocar simultáneamente reacciones redox que nos permitirán generar productosdeterminados, por ejemplo, convertir tóxicos ambientales en productos inocuos. Estos dos ejem-plos, los compósitos y los sistemas fotoelectroquímicos, son conocidos en inglés como ICS (Inte-grated Chemical Systems); en este caso, de un nivel bajo de integración.

A.4.1 Sistemas analíticos integrados

Los sistemas analíticos son sistemas químicos que generan información. Esta información seobtiene siguiendo una secuencia de pasos bien establecida, conocida como proceso analítico. Lospasos principales, tanto en la medición como en la calibración, son los siguientes: toma de muestra,transporte, procesamiento de la muestra, separación, reacción, transducción, adquisición y procesa-miento de la señal; y en base a dicha secuencia, parcial o completa, se diseñan la mayoría de proce-dimientos e instrumentación analíticos.

La integración del proceso analítico es una tendencia constante y un nuevo paradigma de laQuímica Analítica. Gracias a la integración se pueden implementar nuevos procedimientos e instru-mentos analíticos que aportan nuevas perspectivas, por ejemplo, en términos de simplificación,miniaturización, automación, información, rapidez, movilidad y coste de los análisis químicos. Lossistemas analíticos integrados (en inglés, IAS, Integrated Analytical System) son de tipología muydiversa y de diferente nivel de integración. Abarcan desde un sistema analizador de inyección enflujo, que es un aparato de sobremesa que consigue la integración del proceso analítico mediante lasupresión de las soluciones de continuidad entre los distintos pasos del mismo, por medio deconexiones a través de flujos continuos no segmentados; hasta los sensores químicos (ver § A.3.),que son unos pequeños dispositivos que integran esencialmente un material de reconocimiento alta-mente selectivo con un material transductor, sin solución de continuidad, como es el caso de losbiosensores basados en enzimas, anticuerpos o ácidos nucleicos.


Comentaremos para finalizar este capítulo introductorio, a modo de ejemplo, tres aspectos de dis-tinta naturaleza que describen la potencialidad presente y futura de la utilización de los sensoresconjuntamente con herramientas de inteligencia artificial.

A.5.1 Arreglos de sensores y aproximaciones biomimética

El primer aspecto a tratar nos aproxima al objeto del presente libro. El desarrollo de nuevas estrate-gias que emplean sensores sigue siendo un área muy dinámica de investigación, donde confluyenlos campos de la química, bioquímica, física y, más recientemente, la electrónica e informática.Una de las líneas de avance que combina conocimientos de los campos citados es la de los arreglosde sensores. Ésta es una aproximación complementaria a la de la búsqueda del sensor ideal, prácti-camente específico para una especie determinada. La situación tradicional, como hemos visto,depende en extremo de la disponibilidad de un sensor suficientemente sensible y selectivo para un

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analito (ver § A.3.1). En la nueva orientación, se propone la utilización de arreglos de sensores, y deprocesar en su conjunto la información obtenida. De esta manera se consiguen unas prestaciones noalcanzables con el uso de un sensor único. Entre las prestaciones descritas se pueden mencionardiferentes tendencias diferenciadas, como la búsqueda de indicadores para el diagnóstico de lamedida, la utilización de arreglos de sensores selectivos y de arreglos poco selectivos. Veamos queposibilidades se deducen de cada una de ellas.

Un primer uso de los arreglos de sensores busca la obtención de información en exceso, que califi-caríamos redundante. El objetivo es extraer de ella indicaciones que sirvan para el diagnóstico o ladetección de averías. Se han descrito, por ejemplo, aplicaciones donde el uso de la matriz de sensoreses lo que permite dar robustez al sistema. Otro ejemplo significativo es el que ha permitido la compen-sación de derivas en sistemas donde la recalibración periódica no es factible, como por ejemplo ensondas submarinas. En esta situación, se emplean potentes herramientas de análisis multivariable paraextraer y separar los componentes significativos de los que constituyen únicamente la deriva.

En segundo lugar, la aplicación de tecnologías compatibles con una fabricación masiva de sen-sores ha supuesto un abaratamiento de los dispositivos, abriendo la posibilidad de un solo uso. Enestas condiciones, el sobrecoste que supone disponer de un conjunto de sensores donde antes tenia-mos uno solo ya no es significativo. De esta manera se plantea el uso de matrices de sensores espe-cíficos idénticos, que permitan un mapeado de concentración de la especie en cuestión. De igualmanera, se puede disponer de un conjunto de sensores diferentes, que lleven al multianálisis.Cuando esta posibilidad coincide con el uso de biosensores, y con la miniaturización, que probable-mente utiliza tecnologías microfotolitográficas y/o microelectrónicas, todo esto nos lleva al bio-chip. A éste, aunque acabe de llegar, se le pronostica ya una difusión exponencial, sólo en lo querepresentará el diagnóstico clínico a partir de la identificación de genes específicos. Y el significadoañadido que se aporta es el de la múltiple obtención de información en una única operación.

Por último tenemos la posibilidad de utilizar sensores no selectivos y con respuesta cruzada,para la aplicación en muestras complejas. Esta aproximación está inspirada en el mundo de los sen-tidos animales, pues es de esta manera como se procesa la información en los sentidos del olfato ydel gusto. En éstos, se dispone de un número limitado de receptores para aromas y gustos primarios,y es la respuesta compleja al conjunto la que define un olor/sabor único entre millares. Estos siste-mas claramente bioinspirados han recibido el nombre de nariz electrónica cuando está formado porsensores de gases y de lengua electrónica cuando emplean sensores para líquidos. Un primer obje-tivo es obtener simultáneamente la media de las especies principales junto con las especies interfe-rentes. Esta desconvolución de las contribuciones de las diferentes especies aporta mejoras en laexactitud de las medidas. Pero adicionalmente, esta aproximación permite abordar problemas máscomplejos, donde el objetivo no es la medida de una(s) especie(s) concreta(s) sino la adquisición deinformación compleja, como pueda ser «una planta de tratamiento despide mal olor», o «determi-nada bebida refrescante va a causar rechazo en el consumidor». Este tipo de información sólo eraposible obtenerla hasta ahora mediante la intervención humana, que podía ser mediante un“experto” o mediante paneles sensoriales. Con la nueva aproximación y un proceso de “aprendi-zaje”, logrado mediante elementos de inteligencia artificial, se abre la posibilidad de la detecciónautomatizada.

Así pues la combinación de sensores con las herramientas quimiométricas y de inteligencia arti-ficial abre la puerta hacia los sistemas de “sensores inteligentes”, que en un futuro van a podermonitorizar e interpretar cambios en su entorno, así como corregir posibles defectos de operación.Esta área está siendo estimulada por la posibilidad de utilizar elementos de procesamiento informá-tico muy simples, económicos y asequibles, que pueden llegar a tener un enorme poder de cálculo,como lo son los modernos procesadores digitales de señal (DSPs).


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A.5.2 Sensores y tecnologías de la información y la comunicación

Si analizamos la época reciente de las tecnologías de la información se observa que aproximadamentecada década surge un paradigma diferente, que lleva asociados sus dispositivos y operaciones.

Los años 80 fueron la década del microprocesador, que vivió su explosión desde los centrosinformáticos hacia los hogares. Esta fue llamada la «revolución del ordenador personal», pero enrealidad lo que significó es que comenzó a procesarse mediante ordenadores una cantidad de infor-mación hasta entonces no imaginada. A finales de esta década, una segunda tecnología sufrió unadifusión masiva parecida, que fue la disponibilidad de lásers baratos y adaptados a las comunicacio-nes. Este punto supone el paso de una capacidad ingente de procesamiento a una capacidad enormede acceso a información procesada, que está teniendo su culminación en el la red global actual,Internet. Dicha red accede a información por medios ópticos (el CD-ROM) y también por mediosópticos es como la transmite a la máxima velocidad (la fibra óptica). Dicho acceso universal presu-pone también una interconexión universal de millones de ordenadores.

En esta visión cada nuevo escalón no hace obsoleta la anterior tecnología, sino que la potencia.La llegada de Internet no hizo anticuados los ordenadores, quizás únicamente el modelo concretodel que disfrutábamos, pero supuso la necesidad de más ordenadores en lugares donde hasta aquelmomento no se habían necesitado. ¿Así pues, cual es la tecnología que nos espera en las primerasdécadas del presente siglo? Ya se está afirmando que una posible próxima ola estará representadaprecisamente la incorporación de los sensores a la red ya existente de millones de ordenadores conuna vasta capacidad de procesamiento y con acceso remoto a cantidades ingentes de información,estructurada en forma de conocimiento. Se tratará de la generación puntual de información graciasa los sensores con los que habremos dotado a nuestros ordenadores personales, lo cual significaráun incremento exponencial de la información de nuestro entorno. Para ello se necesitan sensoresbaratos, ubicuos y de altas prestaciones, en una forma que permita la implementación en pequeñosdispositivos, inteligentes e interconectados, que recojan la información de su entorno inmediato. Enun principio se usarán sensores físicos, pero el reto está en lograr lo mismo con sensores químicos(quimiosensores y biosensores), los cuales podrán suministrar, mediante procedimientos de IA,información valiosa en el campo agrícola, de producción industrial, ambiental, clínico, etc.

Y la acción característica de una futura cuarta época será, tras el procesamiento y el acceso a lainformación, la interacción, esperemos que inteligente, máquina-máquina, hombre-máquina y hom-bre-hombre (mediada por ordenador). Es decir, la revolución cibernética.

A.5.3 Sensores y convergencia de tecnologías

Después de un largo periodo histórico de compartimentar el conocimiento científico y sus aplica-ciones tecnológicas, actualmente se adivina una cierta tendencia hacia la convergencia de algunasdisciplinas. Un caso paradigmático es la convergencia molecular. Gracias a la nanotecnología, sepuede manipular la materia a escala nanométrica y, por tanto, podemos reconfigurarla en nuevasestructuras hasta ahora inimaginables. De esta forma, dominios tan dispares como la biomedicina,tecnología de la información, química, fotónica, electrónica, robótica, ciencia de los materiales,etc., pueden converger a escala nanométrica en un único paradigma tecnológico.

En este sentido, se ha identificado como un núcleo de la futura ola de innovación la llamadaconvergencia nano-bio-info-cogno. Asistimos en la escala de 1 a 100 diámetros atómicos, gracias ala nanotecnología, a una confluencia interdisciplinar en áreas como la biotecnología, las tecnologíasde la información y la comunicación, la inteligencia artificial y las neurociencias. A esta escala losprincipios teóricos y técnicas experimentales pueden llegar a ser muy similares.

El presente libro puede considerarse como un intento de encuadrar el campo de los sensores enun contexto de convergencia tecnológica bio-info-cogno (no se abordan los aspectos nano). Enefecto, los sensores químicos son dispositivos que generan información sobre los sistemas materia-


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les (dominio info), algunos de los cuales utilizan material biológico como elemento de reconoci-miento (domino bio). La interpretación de las señales de los sistemas sensores se puede beneficiarde las herramientas de inteligencia artificial (dominio cogno).

Bibliografía recomendada

CHARNIAK E, MCDERMOTT D (1992), Introduction to Artificial Intelligence, Addisson-Wesley, Reading, MA, 2ª. ed

CATTRALL RW (1997), Chemical Sensors, Oxford University Press, OxfordALEGRET S, DEL VALLE M, MERKOÇI A (2004), Sensores electroquímicos, Servei de Publicacions Universitat

Autònoma de Barcelona, Bellaterra DIAMOND, D (ed) (1998), Principles of chemical and biological sensors. Wiley, Nueva YorkHALL EAH (1991), Biosensors, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJSCHELLER F, SCHUBERT F (1992), Biosensors, Elsevier, AmsterdamKRESS-ROGERS, E (ed) (1996), Handbook of Biosensors and Electronic Noses, Medicine, Food and the

Environment, CRC Press, Boca Raton, FLALEGRET, S (ed) (2003), Integrated Analytical Systems, Elsevier, AmsterdamALEGRET S, MERKOÇI A, (eds) (2007), Electrochemical sensor analysis, 2 vols., Elsevier, Amsterdam

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