Studio delle caratteristiche geometriche dei campioni di fluido

Dal momento che dai dati presenti in letteratura, è risultato che le caratteristiche del sangue suino sono del tutto analoghe a quelle del sangue umano, si è proceduto con lo studio delle caratteristiche geometriche delle tre differenti ‘gocce’ di questo fluido utilizzate per le prove sulla telecamera CMOS (considerandole valide anche per il caso di sangue umano usato per la telecamera InGaAs). Per quanto riportato nel sottoparagrafo 3.1, è stato necessario condurre delle misure dell’angolo di contatto dei tre campioni, posti sul supporto in plexiglass, a partire dall’analisi delle immagini fotografiche della vista laterale. Infatti, dimostrando che il valore assunto da questo parametro si trova in un intorno di 90°, è stato possibile assumere valida una modellizzazione ellissoidale della goccia. In questo modo, si è potuto risalire ad un’approssimazione dell’altezza della goccia e dunque, allo spessore di fluido attraverso cui le telecamere sono in grado di visualizzare il target. Nelle Figura 72, Figura 73 e Figura 74, sono mostrate le immagini fotografiche originali ed elaborate, acquisite da fotocamera digitale (IXUS

85015, Canon Digital, Italy) della vista laterale dei tre campioni di sangue suino puro e diluito,

usati per l’esperimento. Le fotografie sono state acquisite da una distanza di 7 cm dalla ‘goccia’. Il risultato dell’elaborazione delle immagini sviluppata in ambiente Matlab, mostra il calcolo dell’angolo di contatto come l’angolo formato dalla direzione della tensione interfacciale solido- liquido e solido-vapore e con vertice posto nel punto trifase [Appendice B]. Il calcolo degli angoli di contatto ha dato i seguenti risultati:

• 80.5° per il campione di sangue suino di volume 0.4ml,

• 53.2° per il campione di sangue suino di volume 0.4ml diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica,

• 63.4° per il campione di sangue suino di volume 0.4ml diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica.

Il calcolo dell’altezza massima della goccia (corrispondente nel caso di modellizzazione ellissoidale all’asse verticale dell’ellissoide) ha dato invece i seguenti risultati:

• 2.6 mm per il campione di sangue suino di volume 0.4ml,

• 2.5 per il campione di sangue suino di volume 0.4ml diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica,

68

• 2.7 per il campione di sangue suino di volume 0.4ml diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica.

Figura 72 (A sinistra) vista laterale della goccia di sangue suino puro; (a destra) trasposizione su piano cartesiano delle coordinate dei pixel di contorno estratti dall’immagine fotografica con evidenziate le direzioni delle tensioni interfacciali solido-liquido e liquido-vapore e l’angolo di contatto.

Figura 73 (Asinistra) vista laterale della goccia di sangue suino puro diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica; (a destra) trasposizione su piano cartesiano delle coordinate dei pixel di contorno estratti dall’immagine fotografica con evidenziate le direzioni delle tensioni interfacciali solido-liquido e liquido-vapore e l’angolo di contatto.

Figura 74 (Asinistra) vista laterale della goccia di sangue suino puro diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica; (a destra) trasposizione su piano cartesiano delle coordinate dei pixel di contorno estratti dall’immagine fotografica con evidenziate le direzioni delle tensioni interfacciali solido-liquido e liquido-vapore e l’angolo di contatto.

I risultati ottenuti dallo studio delle caratteristiche geometriche delle tre ‘gocce’ di fluido hanno dimostrato che l’assunzione del modello ellissoidale per la goccia è robusta maggiormente nel

69 caso di campione di sangue suino e umano puri. Infatti, negli altri due casi, essendo il valore dell’angolo di contatto inferiore, il modello ellissoidale non rappresenta un’assunzione del tutto adeguata. Infatti, il risultato ottenuto indica che la forma della ‘goccia’ non è del tutto stabile nel tempo. Ai fini di questa fase del lavoro di tesi, è stato tuttavia possibile trascurare questo dato, dal momento che l’informazione più importante ai fini di quest’analisi è l’altezza massima associabile a ciascuno dei campioni di fluido utilizzati per gli esperimenti. Dunque, la misura dell’altezza massima della ‘goccia’ si è dimostrata un’informazione sufficiente alla definizione dei range di spessori fluidici attraverso cui le telecamere sono in grado di visualizzare il target retrostante.

3.2.Set up sperimentali

La struttura pensata per il sostegno della telecamera SU320KTSX-NIR-1.7RT/RS170 è costituita da un’asta a cui è connessa una pinza che sostiene la telecamera ad un’altezza tale dal piano d’appoggio dell’intera struttura, da permetterne il posizionamento verticale, altrimenti impossibile per la presenza di cavi sulla base del suo package [Figura 78]. Al di sopra del circuito di illuminazione, è stato posizionato un supporto in plexiglass di diametro 9 cm utilizzato per la deposizione dei campioni di fluido. Le ‘gocce’ di fluido sono state deposte al centro del supporto e in corrispondenza dell’obiettivo della telecamera, in modo da creare un gradiente di spessore attraverso cui valutare le prestazioni del dispositivo [Figura 76]. Il target a scacchiera bianco e nero è stato fissato internamente al lato superiore di una scatola di cartone nero utilizzata per riparare l’intero set up dalla luce ambientale. La distanza fra il target e la telecamera è stata scelta in modo che il target risultasse nel fuco della lente. Le condizioni focali sono dipendenti per questo tipo di sensore dalle lunghezze d’onda di lavoro e dalla distanza tra il piano focale dell’array di sensori e il piatto frontale della camera. Data la variabilità dei due fattori di cui sopra, non è stato sempre possibile ottenere un’immagine nitida del target retrostante.

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Figura 76 Sono messi in evidenza due particolari del set up sperimentale adottato per la telecamera Goodrich

SU320KTSX-NIR-1.7RT/RS17. (A sinistra) particolare della petri fissata al disopra del circuito stampato per

l’illuminazione e della pinza per il sostegno del sensore; (a destra) particolare dell'asta verticale per il sostegno della pinza, e dei cavi nella parte inferiore della telecamera.

Un set up del tutto analogo è stato adottato per la telecamera al Si, Vector1. La telecamera è stata infatti disposta al disotto del medesimo target a scacchiera bianco e nero ma ad una distanza inferiore per via delle diverse caratteristiche dell’ottica. La telecamera non ha necessitato, in questo caso, di una struttura di sostegno, per via della sua architettura che prevede già la presenza di distanziali per l’appoggio della circuiteria su piano [Figura 77]. Il supporto su cui è stato deposto il fluido è stato assicurato al disopra della scheda di illuminazione, posta a sua volta all’altezza dell’ottica del sensore [Figura 78]. Le immagini formato bitmap (100x100) sono state acquisite tramite il software dedicato ‘1_Vector_GS’ che ha inoltre consentito il settaggio di opportuni parametri del sensore in modo da avere immagini a buona risoluzione a tutte le lunghezze d’onda di lavoro.

Figura 77 Set up sperimentale adottato per il sensore di immagine Vector1. Nell’immagine è riportata anche la schermata principale del programma ‘1_Vector_GS’ per l’acquisizione delle immagini.

71

Figura 78 Particolare del supporto in plexiglass con il campione di sangue puro deposto e fissato al disopra della scheda di illuminazione.

3.3.Risultati

Le immagini acquisite dalle due telecamere sono state elaborate in ambiente Matlab, tramite un algoritmo progettato per l’equalizzazione e per la successiva indicizzazione delle stesse [Appendice G]. L’equalizzazione dell’istogramma è uno dei metodi più diffusi per il miglioramento del contrasto di immagini statiche. La tecnica assume che l’informazione contenuta nell’immagine è legata alla probabilità di presentazione di ciascun livello di grigio. Per massimizzare l’informazione, si applica dunque una trasformazione che ridistribuisce la probabilità di comparsa di ciascun livello di grigio, in modo da renderla uniforme. In questo modo, il contrasto per ogni livello di grigio è proporzionale all’altezza dell’istogramma dell’immagine stessa [28]. L’obiettivo di tale codice è stata, dunque, l’esaltazione dei gradienti del valore dei pixel dell’immagine in corrispondenza dell’area occupata dal campione di fluido. L’aumento del contrasto ha rivelato la presenza nelle immagini acquisite di zone compatibili con il contenuto informativo relativo al target a scacchiera retrostante. Queste aree sono generalmente situate nella parte più esterna del campione di fluido, laddove cioè lo spessore fluidico si assottiglia sensibilmente rispetto all’interno. All’immagine equalizzata è stata applicata la procedura di suddivisione in regioni a isodensità che ha ulteriormente esaltato il contenuto informativo relativo al target. L’immagine è stata in questo modo trasformata in un’immagine indicizzata. In questo tipo di immagini, ad ogni pixel viene assegnato un colore indirettamente, cioè legandolo ad una voce della tabella detta ‘mappa di colori’. Sostanzialmente l’algoritmo compie un’operazione di quantizzazione per approssimare il colore di ciascun pixel, ricercandolo in un insieme formato nel caso specifico da 1024 elementi. Questa scelta si deve al fatto che da varie prove effettuate variando questo parametro, è risultato che l’evidenziazione più accurata del contenuto dell’immagine relativo al target retrostante si ha per un valore sufficientemente alto del numero dei livelli di grigio.

Le immagini acquisite da telecamera Goodrich SU320KTSX-NIR-1.7RT/RS170 tramite software dedicato, sono in formato bitmap e di dimensioni 320x256. Nelle figure di seguito riportate, vengono mostrati i risultati dell’elaborazione di tali immagini ottenute per i tre diversi gradi di diluizione del campione e alle lunghezze d’onda di 0.940µm, 0.970µm, 1.050µm e 1.200µm. La lunghezza d’onda di illuminazione di 1.300µm ha dato completa saturazione del sensore, dunque non è stata considerata ai fini di questa analisi. In particolare, nelle immagini di sinistra è

72 mostrato il risultato della procedura di suddivisione in regioni a isodensità applicata all’immagine originale mentre in quelle di destra, è mostrata l’applicazione della stessa procedura all’immagine equalizzata. Nelle immagini a destra, considerate per il confronto con la telecamera al Si, le linee rosse tratteggiate interne evidenziano l’area a maggiore spessore del campione di fluido mentre quelle più esterne indicano i contorni esterni dello stesso campione. Queste indicazioni grafiche sono state ricavate da immagini del campione precedentemente acquisite da telecamera InGaAs, con luce visibile. I tratteggi aiutano l’osservatore a comprendere, almeno qualitativamente, quanto la telecamera sia in grado di visualizzare target attraverso un fluido con particelle in sospensione.

Figura 79 Lunghezza d’onda di 940nm, 0.4ml di sangue umano puro.

Figura 80 Lunghezza d’onda di 940nm, 0.4ml di sangue umano diluiti con 0.05ml di soluzione fisiologica.

73

Figura 82 Lunghezza d’onda di 970nm, 0.4ml di sangue umano puro.

Figura 83 Lunghezza d’onda di 970nm, 0.4ml di sangue umano diluiti con 0.05ml di soluzione fisiologica.

Figura 84 Lunghezza d’onda di 970nm, 0.4ml di sangue umano diluiti con 0.1ml di soluzione fisiologica.

74

Figura 86 Lunghezza d’onda di 1050nm, 0.4ml di sangue umano diluiti con 0.05ml di soluzione fisiologica.

Figura 87 Lunghezza d’onda di 1050nm, 0.4ml di sangue umano diluiti con 0.1ml di soluzione fisiologica.

Figura 88 Lunghezza d’onda di 1200nm, 0.4ml di sangue umano puro.

75

Figura 90 Lunghezza d’onda di 1200nm, 0.4ml di sangue umano diluiti con 0.1ml di soluzione fisiologica.

Misurazioni condotte tramite luxmetro 1830-C della ‘Newport Corporation’ hanno mostrato che il plexiglass, materiale di cui è costituito il supporto per il fluido, non assorbe significativamente nelle lunghezze d’onda di lavoro. Inoltre, nelle condizioni sperimentali adottate, sono stati misurati anche gli irraggiamenti di ciascuna serie di leds utilizzata, all’altezza del target a scacchiera [Tabella 6].

λ _[µm]

_{Irraggiamento [W/m}

_]

_W/m

W/m

_W/m

1.200 µm le caratteristiche dello strumento non consentono questa misurazione 1.300 µm le caratteristiche dello strumento non consentono questa misurazione

Tabella 6 Irradianze utilizzate per l’esperimento con la telecamera Goodrich, alle varie lunghezze d’onda.

Per quanto riguarda la telecamera Vector1, vista la possibilità di agire su alcuni parametri del sensore di immagine, quale ad esempio il tempo d’integrazione, sono state fatte delle prove preliminari per valutare quale fosse il valore da settare per tale parametro al fine di avere la migliore qualità d’immagine. Le lunghezze d’onda, testate in questa prima fase sperimentale, sono: 0.940 µm, 0.970 µm, 1.050 µm. In via preliminare, in luogo del sangue suino, è stato utilizzato del succo di pomodoro. Questo fluido può essere considerato una sospensione di acqua e cellule di pomodoro con caratteristiche ottiche simili a quelle del sangue. Le cellule biologiche hanno tutte approssimativamente un diametro di 10µm e differiscono soltanto per l’indice rifrattivo, dipendentemente dal loro contenuto proteico, e per la loro concentrazione. Alcuni esperimenti riportati in letteratura [19] hanno mostrato che a parità di lunghezza d’onda, è possibile visualizzare strutture attraverso il sangue per distanze due volte inferiori a quelle raggiungibili nel succo di pomodoro. Questo risultato non cade in contrapposizione con il dato fisico per cui la concentrazione di cellule biologiche nel sangue è pari al doppio di quella che si trova nel succo di pomodoro.

76 Durante la sessione di esperimenti è stata deposta una quantità pari a 0.05 ml e poi pari a 0.4 ml di succo di pomodoro nella parte centrale della petri, nelle stesse condizioni sperimentali descritte precedentemente. Le immagini sono state acquisite utilizzando due differenti tempi di integrazione del sensore (100 ms e 200 ms) e non sono state sottoposte ad elaborazione.

Figura 91 Immagine del target, con 0.05ml di succo di pomodoro deposto sulla petri, all’aumentare del tempo di integrazione, con illuminazione a 940nm.

Figura 92 Immagine del target con 0.05ml di succo di pomodoro deposto sulla petri all’aumentare del tempo di integrazione, con illuminazione a 970nm.

Figura 93 Immagine del target con 0.05ml di succo di pomodoro deposto sulla petri all’aumentare del tempo di integrazione, con illuminazione a 1050nm.

77

Figura 94 Immagine del target con 0.4ml di succo di pomodoro deposto sulla petri all’aumentare del tempo di integrazione, con illuminazione a 940nm.

Figura 95 Immagine del target con 0.4ml di succo di pomodoro deposto sulla petri all’aumentare del tempo di integrazione, con illuminazione a 970nm.

Figura 96 Immagine del target con 0.4ml di succo di pomodoro deposto sulla petri all’aumentare del tempo di integrazione, con illuminazione a 1050nm.

Per tutte le lunghezze d’onda testate, un elevato tempo di integrazione permette di catturare un maggior numero di dettagli sebbene il rumore aggiunto all’immagine tenda ad aumentare. Risulta quindi necessario scegliere il tempo di integrazione sulla base del giusto compromesso tra contenuto informativo dell’immagine e rumore aggiunto. In particolare, per le prove condotte, le acquisizione sono state effettuate usando un tempo di integrazione pari a 100 ms. E’ possibile inoltre notare dalle figure precedenti che, l’aumento della lunghezza d’onda di lavoro comporta una progressiva diminuzione del contenuto informativo dell’immagine legato al target retrostante il fluido. Infatti, alla lunghezza d’onda di 1.050µm, si ha una totale perdita di

78 sensitività della telecamera. Ciò dimostra che la tecnologia CMOS, in opportune condizioni sperimentali, presenta un buon funzionamento anche alle lunghezze d’onda appartenenti all’intervallo tipico delle radiazioni NIR (0.75µm-1.4µm) ma al disotto di 1.050 µm.

Analogamente a quanto fatto per la tecnologia InGaAs, anche per il test della tecnologia CMOS, sono state acquisite le immagini del target a scacchiera con interposto il campione di sangue suino puro (0.4ml con un’aggiunta di 0.05ml di eparina), diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica e diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica alle varie lunghezze d’onda previste (0.850µm, 0.875µm, 0.890µm, 0.940µm e 0.970µm). Le immagini sono state poi elaborate attraverso lo stesso algoritmo utilizzato per la telecamera InGaAs. Di seguito, vengono mostrati i risultati delle elaborazioni delle immagini acquisite. A gruppi di tre lunghezze d’onda per volta, sono riportate:

• sulla riga con immagine singola, l’acquisizione del campione con luce visibile,

• sulla riga con tre immagini, le acquisizioni alle tre lunghezze d’onda contenute nella scheda di illuminazione utilizzata.

In tutte le immagini riportate, le linee rosse tratteggiate indicano il contorno esterno del campione di fluido. Con queste indicazioni grafiche, è stato possibile ottenere un confronto qualitativo delle immagini acquisite alle varie lunghezze d’onda, utile alla fine per il confronto delle due telecamere, obiettivo di questa analisi.

Per completezza dell’analisi, si è rivelata utile la misura dell’irraggiamento del sistema di illuminazione progettato, nelle condizioni sperimentali adottate. Le misure sono state effettuate utilizzando il luxmetro 1830-C della ‘Newport Corporation’. Le intensità della radiazione emessa da ciascun tipo di led, utilizzato per l’esperimento, sono molto diverse [Tabella 5]. Ciò comporta una notevole differenza tra gli irraggiamenti delle serie di leds, nelle condizioni sperimentali adottate. Infatti, alla distanza di 16 cm dal circuito di illuminazione, cioè alla distanza a cui si trova il target a scacchiera rispetto alla sorgente luminosa, si hanno le irradianze riportate nella Tabella 7.

λ _{[µm] Irraggiamento [W/m}2_] 0.850 µm 0.095 x 10-2 W/m2 0.875 µm 0.085 x 10-2 W/m2 0.890 µm 47.19 x 10-5 W/m2 0.940 µm 0.096 x 10-2 W/m2 0.970 µm 36.17 x 10-5 W/m2 1.050 µm 37.37 x 10-5 W/m2

79 Questo tipo di misurazioni ha permesso di verificare che la presenza del plexiglass (materiale di cui è costituito il supporto per il sangue) sul percorso della radiazione verso il target, non comporta alcuna attenuazione dell’irraggiamento.

Figura 97 Applicazione della procedura di suddivisione in regioni a isodensità all’immagine equalizzata del campione puro di sangue di maiale (0.4ml), acquisita nel visibile come riferimento per gli esperimenti condotti con la prima (0.850µm, 0.875m, 1.890µm) scheda di illuminazione.

Figura 98 Immagini elaborate del campione di sangue suino puro, acquisite alla lunghezza d’onda di: (a sinistra) 0.850µm, (al centro) 0.875µm; (a destra) 0.890µm.

Figura 99 Applicazione della procedura di suddivisione in regioni a isodensità all’immagine equalizzata del campione puro di sangue di maiale (0.4ml), acquisita nel visibile come riferimento per gli esperimenti condotti con la seconda (0.940µm, 0.970µm, 1.050µm) scheda di illuminazione.

80

Figura 100 Immagini elaborate del campione di sangue suino puro, acquisite alla lunghezza d’onda di: (a sinistra) 0.940µm, (al centro) 0.970µm; (a destra) 1.050µm.

Figura 101 Applicazione della procedura di suddivisione in regioni a isodensità all’immagine equalizzata del campione di sangue suino (0.4ml) diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica, acquisita nel visibile come riferimento per gli esperimenti condotti con la prima (0.850µm, 0.875m, 0.890µm) scheda di illuminazione.

Figura 102 Immagini elaborate del campione di sangue suino diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica, acquisite alla lunghezza d’onda di: (a sinistra) 0.850µm, (al centro) 0.875m; (a destra) 0.890µm.

81

Figura 103 Applicazione della procedura di suddivisione in regioni a isodensità all’immagine equalizzata del campione di sangue suino (0.4ml) diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica, acquisita nel visibile come riferimento per gli esperimenti condotti con la seconda (0.940µm, 0.970µm, 1.050µm) scheda di illuminazione.

Figura 104 Immagini elaborate del campione di sangue suino diluito con 0.05ml di soluzione fisiologica, acquisite alla lunghezza d’onda di: (a sinistra) 0.940µm, (al centro) 0.970µm; (a destra) 1.050µm.

Figura 105 Applicazione della procedura di suddivisione in regioni a isodensità all’immagine equalizzata del campione di sangue suino (0.4ml) diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica, acquisita nel visibile come riferimento per gli esperimenti condotti con la prima (0.850µm, 0.875m, 0.890µm) scheda di illuminazione.

82

Figura 106 Immagini elaborate del campione di sangue suino diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica, acquisite alla lunghezza d’onda di: (a sinistra) 0.850µm, (al centro) 0.875m; (a destra) 0.890µm.

Figura 107 Applicazione della procedura di suddivisione in regioni a isodensità all’immagine equalizzata del campione di sangue suino (0.4ml) diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica, acquisita nel visibile come riferimento per gli esperimenti condotti con la seconda (0.940µm, 0.970µm, 1.050µm) scheda di illuminazione.

Figura 108 Immagini elaborate del campione di sangue suino diluito con 0.1ml di soluzione fisiologica, acquisite alla lunghezza d’onda di: (a sinistra) 0.940µm, (al centro) 0.970µm; (a destra) 1.050µm.

4.

Conclusioni

Dall’analisi dei risultati ottenuti da questi esperimenti, è stato possibile mettere a confronto le prestazioni delle due tecnologie di sensori di immagine testate, per quanto riguarda la qualità delle immagini acquisite nell’ambito della visione di target attraverso il sangue.

83 Per quanto riguarda la telecamera Goodrich SU320KTSX-NIR-1.7RT/RS170, da un’analisi qualitativa dei risultati ottenuti, è possibile notare che:

• l’illuminazione alla lunghezza d’onda di 1.300µm comporta una completa saturazione del sensore, dunque non è stata considerata ai fini di questa analisi,

• l’aumento della diluizione del campione di sangue comporta un maggiore assorbimento della radiazione NIR e quindi una perdita di contenuto informativo dell’immagine. Le immagini del campione con i due livelli di diluizione utilizzati (aggiunta di 0.05ml di soluzione fisiologica in due momenti diversi) a tutte le lunghezze d’onda testate (0.940µm, 0.970µm, 1.050µm e 1.200µm), risultano infatti maggiormente sfocate e vicine al punto di saturazione del sensore. Infatti, in questi intervalli di lunghezze d’onda, l’acqua mostra un brusco aumento del coefficiente di assorbimento (dell’ordine di 0.1cm-

1

) [Figura 9]. All’aumentare della diluizione del campione, la degradazione delle