Os engenheiros ópticos da ITMO University em São Petersburgo desenvolveram um método expresso para estimar a distribuição de partículas em meios opticamente transparentes com base na análise de correlação de hologramas. Como grande parte do estudo, eles criaram um algoritmo capaz de processar imagens em poucos segundos. O novo método pode ser aplicado a dispositivos de engenharia para monitorar aparas de metal no óleo do motor, estudando um plâncton na água, ou rastreamento de vírus em células vivas. O trabalho foi publicado em Relatórios Científicos .

Tipicamente, a holografia está associada a imagens tridimensionais de relíquias de museu, recordações, produtos de marcação e sinais de proteção. Mas também é usado na indústria para estudar a rugosidade de superfícies e deformações em produtos.

No novo estudo, cientistas da ITMO University Tatiana Vovk e Nikolay Petrov desenvolveram um método para análise expressa da distribuição de partículas microscópicas em meios transparentes. A abordagem é baseada na holografia de Gabor, o mais simples e historicamente o primeiro tipo de holografia.

Os resultados experimentais processados ​​por software de simulação computacional mostraram que o método analisa rapidamente a concentração, diâmetro médio e taxa de transparência das partículas em um meio de amostra.

Tatiana Vovk, um pesquisador do Departamento de Fotônica e Tecnologias de Informação Ótica da ITMO University comenta:"Existem muitas maneiras de visualizar partículas em suspensão ou aerossol, bem como métodos para processar essas imagens. Mas demoram bastante, e alguns não conseguem lidar com a análise de meios com altas concentrações de partículas. Portanto, nosso objetivo era fazer um método expresso que pudesse examinar amostras com qualquer quantidade de partículas em tempo real e pudesse estar pronto para implementação industrial ”.

A partir de agora, os cientistas mostraram a operabilidade básica do método, mas eles acreditam que será útil em muitos ramos da ciência e da engenharia. Com base no estudo, engenheiros podem construir dispositivos de análise para monitoramento em tempo real dos fluxos de partículas e, por exemplo, utilizá-los para determinar o número de partículas no óleo da máquina. “O atrito nas peças mecânicas provoca a liberação de lascas de metal na graxa. Elas circulam com o óleo e desgastam o mecanismo. O dispositivo poderia ajudar a avaliar esse nível de desgaste investigando a poluição da graxa, "acrescenta Tatiana Vovk.

As aplicações biológicas desta tecnologia são interessantes, também. De acordo com os cientistas, seu método permite estudar a pureza de lagos e rios por meio da determinação da transparência do plâncton em amostras de água. Este parâmetro, por sua vez, indica o estado ecológico do reservatório, uma vez que as propriedades ópticas dos microrganismos dependem muito do habitat.

Os pesquisadores estão considerando a possibilidade de adaptação dessa tecnologia para rastrear as partículas virais em células vivas. “Ao explorar os mecanismos de transporte do vírus, cientistas aplicam microscopia fluorescente. Essa análise requer o processamento de grandes quantidades de dados. Nosso método pode potencialmente ajudar a processar rapidamente essas centenas e milhares de imagens tiradas de um microscópio. Mas precisamos da ajuda de alguns especialistas em biomedicina para resolver os problemas que surgem e entender cuidadosamente como combinar a microscopia de fluorescência com a holografia digital da maneira mais eficaz, "diz Nikolay Petrov, chefe do Laboratório de Holografia Digital e Display da ITMO University.

Para obter os parâmetros das partículas, os pesquisadores expõem a amostra com o feixe de laser colimado e obtêm o holograma digital de Gabor. Em seguida, eles extraem duas imagens planas do holograma. O foco nessas imagens é realizado por métodos computacionais, uma simulação matemática. O processamento rápido da imagem ocorre em virtude da função de correlação. Os pesquisadores comparam as imagens e, assim, recebem as informações necessárias sobre toda a distribuição das partículas.

A análise de correlação é amplamente aplicada não apenas no processamento de imagens, mas também em física estatística e outras disciplinas que estudam processos aleatórios. Por exemplo, ele revela a correlação entre os valores observados e os tipos de partículas liberadas de colisões dentro do Grande Colisor de Hádrons.