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Computer Screen Photo-assisted Technique

fig 1 articolo cspt

Realizzare uno strumento che permetta la rilevazione, o addirittura la discriminazione, di vari tipi di gas con componentistica semplice e economica, permetterebbe allo strumento stesso, così a basso costo, di diffondersi nel settore della ricerca scientifica.

Questa idea, insieme all’osservazione del fatto che la presenza di gas potesse essere rivelata anche con mezzi ottici, cioè rivelando le variazioni delle caratteristiche ottiche di alcuni materiali/molecole sensibili causate dall’interazione con i gas stessi, ha spinto a sviluppare uno strumento ottico molto semplice che necessita solo dello schermo di un computer come sorgente di luce e di una webcam come rilevatore, cioè il CSPT (Computer Screen Photo-assisted Technique).

CSPT (Computer Screen Photo-assisted Technique) Introduzione

L’idea di realizzare un sensore chimico-ottico con il sistema CSPT è da attribuirsi a Lündström, dell’Università di Linköping della Svezia.
Il CSPT può essere definito come un “sensore chimico-ottico ad array” poiché, tramite questo dispositivo, le caratteristiche dei composti chimici analizzati vengono catturate attraverso l’uso di una comune webcam, un display LCD e un set di materiali noti. La fig. 1 mostra lo schema di funzionamento del CSPT.

La finestra nello schermo del computer è programmata per riprodurre una sequenza di colori e la webcam è posta di fronte allo schermo, in corrispondenza della finestra. Tra la webcam e lo schermo è posizionata una cella trasparente che contiene i materiali sensibili. Il sistema viene posizionato in una “camera oscura” per evitare errori di misura dovuti alla luce esterna.
Il CSPT permette di fare due tipi di misura: una di carattere chimico-ottico e una puramente ottica. Nelle misure chimico-ottiche i materiali che si trovano all’interno del CSPT reagiscono al tipo di gas da analizzare; la luce emessa dal display LCD incide sui campioni provocando delle variazioni ottiche dei materiali che la webcam riesce a rilevare, risalendo così alle caratteristiche del gas.

Le misure ottiche, invece, consentono una valutazione del campione dal punto di vista dell’aspetto, per vedere come cambiano le proprietà di emissione(o assorbimento) al variare di un determinato parametro. Un esempio di questo tipo di misura è l’osservazione del cambiamento del colore di un frutto nel corso della sua maturazione.
Le misure di cui abbiamo parlato fin’ora, cioè misure degli spettri di emissione, possono essere realizzate anche con un altro strumento: lo spettrofotometro .
Uno dei punti fondamentali del sistema CSPT è la riduzione dei costi di realizzazione dello strumento, e l’utilizzo di uno spettrofotometro violerebbe in pieno questo punto visto che i costi delle misure effettuate con uno spettrofotometro sono di gran lunga maggiori rispetto a quelle effettuate con il CSPT.

Software per il CSPT

L’intero sistema è gestito da un software che è stato scritto nel novembre 2004 da Daniel Filippini dell’Università di Linköping della Svezia. Il software, scritto in ambiente matlab, consente di:

    - illuminare lo schermo con una sequenza nota di colori
    - acquisire i file video della webcam
    - analizzare i filmati e estrapolarne i valori misurati
    - creare un grafico per analizzare i risultati della misura

Si possono effettuare due tipi di misura. Nel primo caso i file video dei campioni illuminati da una sequenza di colori nota vengono elaborati al fine di ottenere un finger print, dal quale è possibile creare uno spettro che permette di quantificare l’assorbimento o la fluorescenza dei campioni. Nel secondo caso i campioni vengono illuminati con i colori RGB a intervalli pre-impostati per vedere, in tempo reale, la reazione dei campioni ai gas flussati ed in quali colori ciò avviene.

Ogni misura inizia con l’illuminazione dello schermo con una sequenza nota di colori, salvata in un file testo(RGB50). Il programma legge le componenti RGB dei colori memorizzati in tale file e genera i colori corrispondenti [1]. La sequenza generata dal programma è composta da 50 colori dello spettro visibile. La fig. 2 mostra la sequenza dei colori forniti dal programma.

	R	G	B	26	255	238	0
1	81	0	83	27	255	206	0
2	99	0	119	28	255	175	0
3	109	0	155	29	255	143	0
4	108	0	191	30	255	111	0
5	98	0	227	31	255	79	0
6	75	0	255	32	255	47	0
7	41	0	255	33	255	15	0
8	7	0	255	34	255	0	0
9	0	31	255	35	255	0	0
10	0	73	255	36	255	0	0
11	0	114	255	37	255	0	0
12	0	156	255	38	255	0	0
13	0	197	255	39	255	0	0
14	0	238	255	40	255	0	0
15	0	255	191	41	241	0	0
16	0	255	87	42	223	0	0
17	3	255	0	43	205	0	0
18	33	255	0	44	188	0	0
19	62	255	0	45	169	0	0
20	91	255	0	46	151	0	0
21	122	255	0	47	133	0	0
22	151	255	0	48	115	0	0
23	181	255	0	49	97	0	0
24	210	255	0	50	79	0	0
25	239	255	0

La durata di una misura, calcolando che un colore viene visualizzato per un secondo, sarà pari a 50 secondi. La fig. 3 mostra un’immagine della sequenza di colori.

La fase di misura può iniziare soltanto dopo aver impostato l’uscita video del personal computer che stiamo utilizzando come “estensione del desktop”. Tale impostazione permetterà al monitor LCD da 2,5 pollici di illuminare i campioni con un’immagine composta dal solo colore di sfondo. Ora è possibile effettuare la misura, così mentre il monitor illumina i campioni, la webcam registra quello che accade all’interno della camera di misura e il programma salva il filmato in un file video con estensione AVI. Al termine della misura il filmato può essere analizzato.Il video può essere analizzato applicando una maschera su ciascun fotogramma acquisito. La maschera è composta da porzioni di fotogramma chiamate ROI (regioni di interesse).
La posizione delle ROI non è casuale: vengono posizionate in corrispondenza dei campioni sensibili e in alcune zone dello schermo. La fig. 4 mostra l’applicazione di una tipica maschera.


Esempio di applicazione della maschera, i cerchi in bianco sono le ROI

Le misure realizzate con questa disposizione saranno di tipo differenziale poiché il confronto avverrà tra le proprietà spettrali dei campioni e dello sfondo. Una volta individuata la giusta posizione delle ROI viene calcolata, per tutti i pixel contenuti all’interno delle regioni sotto esame, la media dei valori di intensità di illuminazione e la deviazione standard. Questo calcolo viene effettuato per ogni frame del filmato.
Quello che si ottiene è una matrice di valori formata da 150 righe e un numero di colonne pari alle ROI utilizzate: le prime 50 sono relative ai valori di emissione dei campioni sensibili nel rosso, dalla 51 alla 100 ai valori nel verde, e dalla 101 alla 150 ai valori nel blu.
Tramite questi valori è possibile costruire un grafico dei risultati per evidenziare le risposte dei sensori.

Applicazioni del CSPT

Uno strumento così versatile prevede un campo di utilizzo abbastanza vasto: può essere usato in applicazioni mediche, nel campo alimentare e anche in applicazioni ambientali[2]. In campo medico, ad esempio, questo strumento può essere utilizzato per analizzare il respiro di un paziente per vedere se presenta anomalie; in campo alimentare può essere utilizzato per monitorare lo stato di maturazione di un frutto: in letteratura ci sono degli articoli sullo studio della maturazione dell’albicocca che hanno evidenziato notevoli risultati[3].

Bibliografia

[1] D.Filippini, G.Comina, I. Lundström “Computer screen photo-assisted reflectance fingerprinting”, Sensors and Actuators B107(2005)580-586
[2] J.Manzano, D.Filippini, I.Lundström“Computer screen illumination for the characterization of colorimetric assays” Sensors and Actuators B 96 (2003) 173–179.
[3] C. Di Natale, D. Filippini, G. Pennazza, M.Santonico, R.Paolesse, A.Bellincontro, F. Mencarelli, A.D’Amico, I.Lundström “Sorting of apricots with computer screen Photoassisted spectral feflectance analysis and electronic nose”
Sensors and actuators B 119(2006) 70-77

Repost: 29 Maggio 2009

 

 

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