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Caracterização de circuitos microfluídicos utilizando padrões de speckle presentes nas imagens de tomografia por coerência óptica

Processo: 13/05492-9
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Mestrado
Vigência (Início): 01 de outubro de 2013
Vigência (Término): 31 de março de 2015
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Biomédica
Pesquisador responsável:Anderson Zanardi de Freitas
Beneficiário:Lucas Ramos de Pretto
Instituição-sede: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). Secretaria de Desenvolvimento Econômico (São Paulo - Estado). São Paulo , SP, Brasil
Assunto(s):Microcirculação   Microfluídica   Processamento de imagens

Resumo

Tomografia por Coerência Óptica, ou OCT (Optical Coherence Tomography) é uma técnica baseada em interferometria óptica de baixa coerência que produz imagens de uma seção transversal com alta resolução espacial de materiais espalhadores. A habilidade de a técnica OCT realizar imagens de meios espalhadores e/ou com interfaces com diferentes índices de refração possibilita que seja utilizada na caracterização de dispositivos microfluídicos constituídos por microcanais. As imagens de OCT apresentam padrões de speckle devido à característica espalhadora das amostras, o que é considerado como uma fonte de ruído degradando a qualidade das imagens, apesar disso, o padrão de speckle também carrega informações inerentes à amostra, similar ao que é utilizado na técnica de imagem speckle a laser, LSI (Laser Speckle Imaging). Para as imagens de OCT, a variância do speckle entre imagens sequenciais tem sido utilizada para melhorar a visualização de micro vascularização em sistemas biológicos (svOCT - speckle variance Optical Coherence Tomography). Para mensuração de fluxo em sistemas biológicos e circuitos microfluídicos, técnicas sensíveis ao deslocamento Doppler tem sido utilizadas, incluindo Doppler-OCT. No entanto, não foram encontrados na literatura trabalhos que envolvam mensuração de fluxos que utilizam a variância de speckle para esse tipo de mensuração, que é muito importante no contexto da microfluídica e, também, da engenharia biomédica, onde estudos "in vivo" possam analisar respostas microcirculatórias associadas a determinados estímulos. Nosso grupo já tem demonstrado, com o uso do OCT, a habilidade de caracterizar microcanais em diferentes tipos de materiais, e também tem demonstrado a capacidade projetar e fabricar microcircuitos, sendo de interesse uma técnica precisa para sua caracterização.Neste contexto, pretendemos realizar a caracterização dimensional de microcanais (largura, profundidade e, portanto, seu volume) importante parâmetro para diversas aplicações em reatores microfluídicos, bem como a caracterização do regime microfluídico. Como consequência da caracterização física dimensional, poderemos verificar a uniformidade dos microcanais fabricados. Através de simulações computacionais, será determinado "in silico" a aplicabilidade dos algoritmos de análise de speckle para as imagens de OCT simuladas e avaliar seus limites de detecção e, então, aplicar os algoritmos desenvolvidos para análise do padrão de speckle em imagens de OCT reais, para a caracterização da dinâmica dos fluídos em microcanais como, por exemplo, a velocidade de fluxo e o tipo de regime de fluxo.Portanto, estudaremos as limitações e aplicabilidade em imagens de OCT de métodos originalmente desenvolvidos para análise de laser speckle de superfície. Dois desses métodos serão abordados: (1) s-LASCA onde as imagens adquiridas em função do tempo serão agrupadas em uma única imagem e será avaliada a eficácia do algoritmo de análise de speckle utilizando janelas de nxn (onde n poderá ser 3, 5, 7 e 9 pixels), que percorrem a imagem, para cálculo do parâmetro contraste de speckle; e (2) t-LASCA, com a análise sendo realizada nas imagens de OCT como um todo, e neste caso será realizado um acompanhamento temporal do fluxo nos microcanais. Todos os experimentos "in silico" (as imagens simuladas com parâmetros conhecidos, os simuladores e os algoritmos a serem testados) serão desenvolvidos em ambiente de programação Labview 2010. As imagens de sistemas de fluxo em microcanais serão geradas utilizando-se circuitos microfluídicos já disponíveis e desenvolvidos pelo Centro de Lasers e Aplicações. Os principais resultados esperados são a adaptação dos algoritmos de analise de speckle às imagens de OCT, detecção e mensuração de fluxo de líquidos espalhadores e seu regime de fluxo dependente da geometria dos microcanais. Os resultados aqui obtidos poderão ser imediatamente aplicados na fluxometria de microcirculação em sistema biológicos.

Publicações científicas
(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)
DE PRETTO, LUCAS RAMOS; YOSHIMURA, TANIA MATEUS; RIBEIRO, MARTHA SIMOES; DE FREITAS, ANDERSON ZANARDI. Optical coherence tomography for blood glucose monitoring in vitro through spatial and temporal approaches. Journal of Biomedical Optics, v. 21, n. 8 AUG 2016. Citações Web of Science: 6.
DE PRETTO, LUCAS R.; NOGUEIRA, GESSE E. C.; FREITAS, ANDERSON Z. Microfluidic volumetric flow determination using optical coherence tomography speckle: An autocorrelation approach. Journal of Applied Physics, v. 119, n. 16 APR 28 2016. Citações Web of Science: 2.
Publicações acadêmicas
(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)
PRETTO, Lucas Ramos de. Desenvolvimento de um algoritimo otimizado para caracterização de fluxos microfluídicos utilizando padrões de speckle presentes no sinal de tomografia por coerência óptica. 2015. Dissertação de Mestrado - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP São Paulo.

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