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A imagem com contraste de manchas a laser (LSCI) é uma técnica usada para gerar imagens do fluxo sanguíneo e do movimento dos tecidos em amostras biológicas. Ele aproveita o padrão pontilhado produzido quando a luz coerente, como a de um laser, interage com uma superfície áspera ou meio não homogêneo. A luz do laser refletida ou passando por uma superfície áspera ou em movimento cria um padrão de interferência aleatório conhecido como padrão pontilhado. O contraste do padrão speckle está relacionado à velocidade e à natureza do movimento na amostra. As áreas com movimento mais rápido apresentam menor contraste de manchas, enquanto as áreas estáticas ou de movimento lento apresentam maior contraste. Nos tecidos biológicos, os glóbulos vermelhos que se movem dentro dos vasos causam alterações no padrão pontilhado. O LSCI pode ser usado para monitorar o fluxo sanguíneo nos tecidos, fornecendo informações valiosas em aplicações médicas e de pesquisa.
Figura 1 Um sistema LSCI típico
A Figura 1 mostra uma configuração típica de um sistema LSCI. Uma fonte de laser coerente, geralmente na faixa de comprimento de onda do vermelho ou do infravermelho próximo, gera o feixe de laser usado para iluminar a amostra. Um expansor de feixe pode ser usado para ampliar o feixe de laser, garantindo iluminação uniforme sobre a amostra. Lentes e componentes ópticos são usados para focar o feixe de laser na amostra e coletar a luz retroespalhada ou transmitida. Uma câmera de alta velocidade ou sensor de imagem captura o padrão pontilhado formado na superfície da amostra. Um computador ou unidade de processamento de dados dedicada processa as imagens capturadas para calcular o contraste das manchas. Isso envolve a análise das flutuações de intensidade de pixel ao longo do tempo. As ferramentas de software visualizam as imagens de contraste de manchas e podem fornecer informações quantitativas sobre o fluxo sanguíneo ou o movimento dos tecidos.
Figura 2 Caminho de detecção LSCI modelado no modo sequencial Zemax
Figura 3 Dados da lente do caminho de detecção
A Figura 2 mostra um caminho de detecção simplificado de um sistema LSCI. Uma lente pronta para uso da Thorlabs com distância focal traseira de 30 mm e abertura de 1 polegada representa o projetor óptico de detecção. A região de interesse (ROI) é de cerca de 25 mm x 25 mm, com diagonal em torno de 18 mm. As cores dos raios representam campos, que são representados com altura de objeto de 0, 4 mm e 6 mm. Neste caso, o objeto imita um sensor de câmera. A imagem conjugada representa o espécime da imagem LSCI.
Figura 4 Configuração de campo da óptica de detecção LSCI
A luz coerente gera uma imagem pontilhada na superfície da amostra, a imagem pontilhada é mostrada abaixo.
Figura 5 Imagem speckle gerada por fonte de luz coerente
A estimativa precisa do contraste de manchas a partir das estatísticas espaciais do padrão de manchas geralmente assume que a distribuição de intensidade de manchas segue uma função de distribuição de probabilidade exponencial negativa. Sempre mencionamos que um requisito para isso é que o padrão speckle esteja totalmente evoluído, ou seja, que a luz recebida tenha uma distribuição de fase efetivamente uniforme. Além disso, deve-se tomar cuidado na amostragem espacial do padrão speckle. Especificamente, o tamanho do speckle relativo ao tamanho do pixel da câmera deve ser considerado, bem como o número de pixels usados para estimar o contraste do speckle. o padrão de manchas é visualizado em uma câmera e, nesse caso, o tamanho mínimo das manchas será dado por:
onde l é o comprimento de onda da luz, M é a ampliação do sistema de imagem e f /# é o número F do sistema. Os critérios de amostragem de Nyquist devem ser satisfeitos fazendo com que o tamanho mínimo do speckle seja duas vezes maior que o tamanho do pixel da câmera, ou seja,
para obter uma distribuição exponencial negativa.
Em termos das condições acima, Zemax é capaz de ajudar os desenvolvedores na identificação da ampliação M e do número f para satisfazer a amostragem de Nyquist. A guia Analisar – Dados do Sistema oferece cálculos de ampliação (1,89) e número F (1,198) abaixo. Observe que a ampliação M deve ser recíproca do número Zemax (1/1,89) para corresponder à regra de amostragem de Nyquist.
Figura 6 Dados do sistema de imagem para análise dos critérios de amostragem de Nyquist
Se o número M e F mostrado na Figura 6 não corresponder à amostragem de Nyquist, o parâmetro óptico geométrico na óptica de detecção precisa ser ajustado. O tamanho do batente, ou seja, objeto 4 na Figura 3. Este tamanho pode ser alterado por um diafragma físico ajustável no sistema. A localização do diafragma também pode contribuir para satisfazer os critérios de amostragem de Nyquist.
É importante observar que os componentes e configurações específicos do caminho óptico podem variar dependendo do projeto do sistema LSCI e da aplicação pretendida. No geral, o objetivo é capturar informações dinâmicas relacionadas ao fluxo sanguíneo ou outro movimento dentro dos tecidos biológicos, explorando o padrão de manchas produzido pela interação da luz laser com partículas espalhadas.
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