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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.

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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.

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