Contribuciones al desarrollo de nuevas técnicas de interpretación y sistemas basados en espectroscopia de imagen

Resumen

Se define espectroscopia óptica como el estudio de la estructura molecular y dinámica de la materia a través de su interacción con la luz. La espectroscopia de absorción es un caso particular de la anterior en la que la luz, al atravesar la materia, es absorbida de modo diferente según los modos de vibración de los enlaces de la molécula. Esto confiere a cada elemento una característica intrínseca que lo hace distinguible de todos los demás y, por eso, se dice que el espectro es la ''huella dactilar'' de un elemento. La luz que no se absorbe puede transmitirse a través de la muestra o reflejarse en ella (reflectancia difusa). La medida de esta reflectancia difusa permite determinar, por tanto, también la ''huella dactilar'' o ''firma espectral'' del elemento. En la espectroscopia de emisión, el espectro que se recoge es el fruto de la excitación de los fotones sobre la superficie, de modo que ésta emite a su vez radiación. En el caso particular de la espectroscopia de imagen se obtienen simultáneamente las componentes espectrales de cada uno de estos fenómenos de interacción luz-materia, así como la posición espacial del elemento bajo análisis. Esto pone de manifiesto la viabilidad de la técnica para establecer una distribución local de las propiedades de materiales no homogéneos, lo que unido a sus características de operación intrínsecas no intrusivas ni destructivas, por tratarse de una técnica óptica, revela su elevado potencial para la resolución de multitud de problemas en diferentes sectores industriales (agroalimentario, farmacológico, químico, etc.). La medida de la interacción luz-materia en cada posición espacial de los materiales genera un gran volumen de datos. Este trabajo de Tesis se centra, por un lado, en el estudio y desarrollo de técnicas novedosas de compresión, y, por otro, en la generación de conocimiento en relación con algoritmos de clasificación y segmentación de la imagen en áreas que exhiban el mismo comportamiento o ''firma espectral''. Ambas se engloban bajo la denominación técnicas de interpretación. Por otro lado, la limitación fundamental de la técnica espectroscópica de imagen en su estado de desarrollo actual es el coste. Este último se debe principalmente a los detectores, ya que son caros especialmente en el rango del infrarrojo. Por ello, este trabajo aborda también el desarrollo de dispositivos, espectrómetros de imagen, con características especiales y optimizados para aplicaciones concretas. La motivación de las contribuciones al avance del conocimiento en técnicas de adquisición e interpretación basadas en espectroscopia de imagen, recogidas en este trabajo, se encuentra en el potencial de la técnica en aplicaciones industriales y diagnosis médica. Dado que el fin último de las contribuciones desarrolladas debe ser precisamente la resolución de problemáticas reales, se efectúa la validación de las mismas en diferentes ámbitos. En el sector agroalimentario, se propone una metodología de análisis para la realización simultánea de un análisis global de la calidad del aceite de oliva. Éste incluye todos los aspectos requeridos según la legislación vigente, es decir, parámetros de calidad, composición y origen de procedencia, y no requiere ningún tipo de manipulación de los mismos, lo cual es una preocupación fundamental en dicho sector. Asimismo, se diseña, desarrolla y valida un sistema no intrusivo, sin contacto y con operación en tiempo real para la discriminación de materia prima y los elementos espurios que la pueden acompañar. Se proponen igualmente técnicas de análisis de la calidad de la soldadura de arco haciendo frente a dos situaciones en función de la necesidad o no de establecer una asociación entre los eventos ocurridos y sus posibles causas. También en ese ámbito, se proponen herramientas que permiten aumentar el conocimiento sobre el proceso físico que tiene lugar durante la soldadura. Por último, mediante la interpretación de las señales de esparcimiento de la luz en tejidos biológicos, se propone una metodología para la determinación de los límites de resecación de tumores en cirugías conservativas para el tratamiento de los mismos. Finalmente, cabe reseñar que parte de las contribuciones incluidas en este trabajo han sido publicadas y, por tanto, reconocidas por la comunidad científica internacional.