Campo Técnico

La presente invención se relaciona con el área de la espectrofotometría de absorción visible, y en particular proporciona un método y un sistema, particularmente un dispositivo móvil, configurado para la determinación de la concentración de solutos en una muestra líquida coloreada, el cual se basa en la obtención de imágenes de la muestra y de patrones de concentraciones conocidas del soluto, y la determinación de la concentración de la muestra sobre la base del procesamiento de esas imágenes y los valores de color que las mismas proporcionan.

Antecedentes

Los análisis químicos-ópticos son los métodos más comunes para determinar la concentración de un soluto en solución, basándose en la capacidad de los compuestos de absorber o emitir energía lumínica de diferentes longitudes de onda. En un principio, se utilizaban colorímetros visuales, cuyo principio consistía en comparar la luz emergente de la solución de concentración desconocida coloreada y la luz emergente de la solución de referencia hasta que, a juicio del observador, ambas luces emergentes fuesen idénticas (Garrigós L. y otros. "Colorímetros" Universitat Politécnica de Valéncia. 2001). Sin embargo, los resultados obtenidos eran subjetivos e inexactos. Después se crearon los fotocolorímetros, los cuales constan de una lámpara de tungsteno cuya luz atraviesa una rendija y luego un lente condensador para obtener un haz de luz paralelo que incide sobre la solución de concentración desconocida. Luego, las longitudes de ondas no absorbidas pasan a un filtro de color complementario al de la solución de concentración desconocida, entregando una luz monocromática. Este haz de luz incide sobre una fotocélula que genera una corriente eléctrica pequeña que se incrementa mediante un amplificador, señal que es detectada por un galvanómetro que entrega medidas de absorbancia. Si se realiza una curva de calibración con soluciones de referencia o patrones, cuyas concentraciones son conocidas, versus la absorbancia de cada una de ellas, se puede determinar la concentración de la solución de concentración desconocida obteniendo su absorbancia. Esta técnica es útil sólo cuando las soluciones son coloreadas, pero existen otras soluciones que absorben en el rango de la luz ultravioleta las cuales no pueden ser analizadas mediante un colorímetro. Para ello se utiliza un espectrofotómetro que es capaz de evaluar la absorción en todo el rango UV-visible. Además, con este equipo se puede distinguir entre dos compuestos que posean una absorción parecida, entregando espectros de absorción que permiten incluso identificar qué compuestos se están analizando.

Sin embargo, todas estas técnicas requieren de equipos de elevado costo y gran tamaño, por lo que el análisis de las muestras debe realizarse dentro de las instalaciones del laboratorio, impidiendo el análisis en terreno. Con el fin de superar estas limitaciones han surgido innovaciones que permiten realizar análisis de absorbancia con las cámaras de los dispositivos móviles, tales como la descrita por Smith Z. (Smith Z. et al. "Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications" PLoS One. 2011 ; 6(3):e17150), en el cual se fijó una rejilla y un colimador a la cámara de un teléfono celular generando un equipo sensible al rango de luz visible entre 350 - 650 nm. En otra invención, Zhang J. (patente US 8,537,343 B2) redujo los elementos ópticos del espectrómetro, logrando un espectrómetro compacto de amplio rango de luz (UV, visible o infrarrojo) que debe ser integrado a un teléfono celular o a un aparato electrónico portátil para su utilización. De la misma forma, Wang S. (patente US 7,420,663 B2) diseñó un dispositivo que es capaz de medir espectros ópticos, el cual contiene una fuente luminosa láser o LED y un elemento que filtra longitudes de onda para la selección de una en particular, la cual es detectada y medida por la cámara de un teléfono celular y los resultados son transmitidos a través de una red inalámbrica hacia una central de control. Existen también invenciones más reducidas en aplicaciones que sólo analizan soluciones con color, haciendo incidir un haz de luz en la muestra y obteniendo un valor numérico de color o de concentración. Tal es el caso de la invención de Thonhauser C. (patente US 8,493,441 B2) el cual es un dispositivo sensible al color unido a un aparato electrónico portátil que está configurado para calcular el promedio de los valores de colores discretos rojo, verde y azul (RGB, red, green, blue) procesando el color en 8-bits por canal. Este dispositivo requiere que la muestra sea expuesta a un haz de luz y detecta las longitudes de onda emitidas en el rango de los 400 - 700 nm. Todas las invenciones mencionadas tienen el problema que requieren de un dispositivo externo al aparato electrónico portátil para su uso, lo que aumenta el costo de la tecnología y el acceso a ella.

La presente invención proporciona una solución práctica y rápida para el análisis de concentraciones de solutos en soluciones líquidas coloreadas, con el simple uso de la cámara integrada a un dispositivo electrónico portátil y la configuración de éste para el cálculo de la concentración desconocida a partir de la evaluación del color de muestras líquidas coloreadas cuyas concentraciones son conocidas, sin la necesidad de requerir de un aparato externo para la medición. Esta aplicación puede ser útil para la enseñanza de conceptos básicos de análisis químicos en establecimientos educacionales, ya que sólo requiere de teléfonos inteligentes o aparatos tipo tablets, los cuales son utilizados por millones de personas en todo el mundo. El sistema permite calcular la concentración de un soluto en una solución líquida coloreada a partir de la captura de imágenes, que incluye una curva de calibración de soluciones líquidas con concentraciones conocidas y la solución de concentración desconocida o muestra. Sumario de la invención

Un objeto de la presente invención es un sistema para la determinación de la concentración de un soluto presente en una solución líquida coloreada, dicho sistema que comprende:

- un dispositivo de captura de imagen o cámara;

- una pantalla para visualizar la imagen;

- una memoria para almacenar datos;

- una aplicación computacional almacenada en la memoria que realiza una comparación entre la imagen de una muestra líquida coloreada cuya concentración de soluto se desea determinar, con respecto a una pluralidad de soluciones de concentraciones conocidas del soluto, generando a partir de dichas imágenes valores numéricos relacionados con el color de la muestra y el color de las soluciones de concentraciones conocidas, y a partir de dicha comparación de valores numéricos se determina la concentración de soluto en la muestra; y

- un procesador funcionalmente acoplado a la cámara, a la pantalla y a la memoria, para ejecutar dicha aplicación computacional.

El sistema puede implementarse utilizando un dispositivo computacional cualquiera, desde un teléfono inteligente tipo Smartphone, o cualquier dispositivo portátil con cámara interna.

La invención también incluye un método para la determinación de la concentración de un soluto presente en una solución líquida coloreada, el cual se lleva a cabo a través de las siguientes etapas:

- primero se colocan al menos 3 gotas de las soluciones coloreadas de concentración conocida sobre una superficie apropiada y bajo determinadas condiciones, y al menos 1 gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar;

- luego, bajo condiciones adecuadas, se captura al menos una imagen de la pluralidad de gotas con una cámara acoplada en un dispositivo computacional, las cuales quedan almacenadas en la memoria del dispositivo;

- en la memoria del dispositivo entonces se deben ingresar los valores de concentración de cada una de las gotas de soluciones coloreadas de concentración conocida del soluto;

- una aplicación computacional procesa los valores de las imágenes obtenidas tanto de dicha pluralidad de gotas de soluciones coloreadas de concentraciones conocidas del soluto como de la gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar; y

- se obtiene el valor de la concentración del soluto de la muestra en la pantalla del dispositivo computacional, calculado por la aplicación computacional. En la primera etapa, se colocan las gotas de soluciones coloreadas de concentraciones conocidas y al menos una gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar sobre una superficie uniforme y de color contrastante al color de las gotas de las soluciones, preferentemente una superficie de color blanco y en posición completamente horizontal. El volumen a utilizar puede ser entre 15 ί y 100 μΙ_, utilizándose preferentemente un volumen de 30 μΐ_. El volumen y la distancia entre las gotas deben ser similares.

Para la captura de imágenes de la pluralidad de gotas se requiere un dispositivo computacional portátil que contenga un sistema de captura de imágenes a una distancia y en un ángulo tal que abarque todas las gotas colocadas en dicha superficie. La luminosidad del área donde se capturan las imágenes debe ser uniforme, proveniente de una fuente de luz natural o artificial.

Para el procesamiento de las imágenes de las gotas de solución coloreada de concentraciones conocidas y desconocidas, la aplicación computacional lleva a cabo las siguientes operaciones:

- reconocimiento de cada gota en al menos una imagen previamente capturada, tanto de la pluralidad de gotas de soluciones coloreadas de concentraciones conocidas de soluto como de la gota cuya concentración se desea calcular;

- pre-procesamiento de la imagen previamente capturada y detectada en una matriz de pixeles mediante un método adecuado para eliminar el ruido de la imagen;

- transformación de la matriz de pixeles en el espacio de color RGB a un espacio de color adecuado para aislar la muestra del resto de la imagen; - post-procesamiento de la imagen previamente capturada que selecciona los bloques de pixeles que representan una gota sobre la matriz;

- eliminar los bloques de pixeles de tamaño inferior al 50% del bloque de mayor tamaño;

- generar un histograma de los valores de color de los pixeles para proporcionar el color que más se repite en cada gota; - a partir de dicho histograma, generar un gráfico de calibración del color versus la concentración de las gotas de soluciones coloreadas de concentraciones conocidas de soluto; y

- calcular la concentración de soluto de la gota de la muestra cuya concentración se desea determinar.

El pre-procesamiento de la imagen realizado por la aplicación computacionai consiste en obtener una aproximación del área de las gotas, detectar el área de las mismas en una matriz de pixeles en el espacio de color RGB a 16 o 24 bits, y la aplicación de un filtro de interpolación gaussiana de la imagen.

El post-procesamiento de la imagen previamente capturada que selecciona los bloques de pixeles que representan una gota sobre la matriz consiste en eliminar aquellos pixeles cuyos colores no correspondan a los principales reconocidos en cada gota, y detectar y almacenar en la memoria los bloques de pixeles sobre la matriz.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es un ejemplo de la pluralidad de gotas situadas en condiciones apropiadas sobre una superficie adecuada.

La Figura 2 es un ejemplo del uso del dispositivo donde se muestra la vista en 45 grados de un teléfono inteligente sobre la pluralidad de gotas de soluciones coloreadas de concentración conocida del soluto, a una distancia tal que abarca todas las gotas en la pantalla del teléfono inteligente.

La Figura 3 es un ejemplo de la curva de calibración que se obtiene a partir de la introducción de los valores de concentración de las soluciones de concentración de soluto conocida vs el tono de las mismas.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere esencialmente a un sistema y un método que emplean una aplicación computacionai que puede ser ejecutada en dispositivos móviles y aparatos afines, la cual permite mediante el procesamiento de imágenes la determinación de la concentración de un soluto en una muestra líquida coloreada, utilizando como referencia una pluralidad de soluciones de concentración de soluto conocida.

Debido a que los dispositivos móviles son utilizados en la actualidad por millones de personas en el mundo, el objetivo de la presente invención es proporcionar a la población común una aplicación de fácil uso, sin la necesidad de la utilización de instrumental de laboratorio complejo, mediante la cual a partir de imágenes de las soluciones a evaluar y la comparación del color de estas con respecto al de soluciones de concentraciones de soluto conocidas, se puede determinar la concentración del soluto en dichas soluciones de prueba, proporcionándose así un método y los medios para su ejecución mucho más simples que los conocidos hasta el momento para este fin.

La presente invención en consecuencia se convierte en una herramienta útil para la determinación de concentraciones de soluto en soluciones líquidas coloreadas, en lugares de difícil acceso a instrumental complejo de laboratorio. Esta invención permite, por ejemplo, entregar una solución para aulas educativas que requieran casos prácticos de enseñanza, o para aquellos que requieran analizar muestras en terreno, fuera de las instalaciones de un laboratorio. Además, el sistema y el método propuestos constituyen una solución económica y de fácil uso en comparación a los equipos espectrofotométricos de alto costo conocidos, y presenta la ventaja adicional que no requiere de ningún dispositivo externo al dispositivo computacional.

El sistema de la presente invención incluye una aplicación que realiza una serie de operaciones para obtener la concentración de soluto de una muestra, a partir de la obtención de una imagen mediante la cámara interna de un dispositivo computacional y el procesamiento de la misma. Primero, se debe contar con una serie de soluciones de concentración conocida por el usuario, para generar una curva de calibración con la aplicación computacional. Una pluralidad de gotas de dichas soluciones de concentraciones conocidas debe colocarse sobre una superficie adecuada y bajo condiciones apropiadas. Entre dichas condiciones apropiadas se encuentran el utilizar al menos 3 gotas de las soluciones de concentración conocida de un volumen similar. Un ejemplo no limitante se muestra en la Figura 1 , donde preferentemente se colocan 5 gotas de 30 pL cada una, sobre una superficie uniforme, de color contrastante al color de las gotas, preferentemente una superficie de color blanco. La distribución espacial de las gotas de concentración conocida sobre la superficie no es relevante ni influye en el resultado para la obtención de la concentración de soluto de la muestra, pero preferentemente se disponen de forma lineal y de manera decreciente en su concentración, como aparece en la Figura 1. Además, se coloca al menos 1 gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar, bajo las mismas condiciones indicadas para las gotas de soluciones de concentración conocida.

La aplicación computacional de la presente invención, se puede instalar y almacenar en la memoria de un dispositivo computacional con cámara interna. En un ejemplo no limitante acorde a la invención, dicho dispositivo computacional es un teléfono inteligente, con sistema operativo Android, por ejemplo un Samsung Galaxi Grand 1 (Figura 2). Éste cuenta con una cámara para obtener imágenes (lente de la cámara 2) y una pantalla que permite visualizar las imágenes 3 y sirve para enfocar la pluralidad de gotas situadas en una superficie apropiada 4, una memoria para almacenar la aplicación computacional y las imágenes obtenidas, y un procesador que ejecuta la aplicación para obtener el valor de la concentración de soluto en la muestra, mediante el procesamiento de las imágenes de dicha muestra y de las soluciones de concentraciones conocidas.

En la Figura 2, se representa como se activa la cámara del dispositivo en cuestión y se muestra la pantalla 3 la salida de la imagen. Se enfoca la pluralidad de gotas en un ángulo y distancia apropiados de forma tal que todas las gotas estén contenidas en la imagen de la pantalla, con una iluminación uniforme, proporcionada por una fuente de luz natural, por ejemplo, cerca de una ventana o en el exterior de un establecimiento o iluminadas con luz artificial, por ejemplo, ampolletas o bombillos, focos o el propio flash de la cámara, y se capturan las imágenes, las cuales quedan almacenadas en la memoria del dispositivo electrónico. La pluralidad de gotas se puede capturar en una sola imagen que contiene las gotas de concentración conocida y la gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar, o se pueden capturar alternativamente más de una imagen, primero con las soluciones de concentración conocida, y luego una segunda imagen con la gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar.

La aplicación computacional permite al usuario utilizar una imagen almacenada previamente en la memoria del dispositivo computacional, o capturar una imagen con la cámara en ese mismo momento.

La aplicación despliega en la pantalla las opciones de "CALIBRAR" o "MEDIR", seleccionándose primeramente la opción "CALIBRAR". Sobre la imagen capturada, la aplicación identifica las gotas de concentraciones conocidas, les otorga un valor numérico de acuerdo a la cantidad de gotas identificadas en la imagen. El usuario introduce los valores de concentración correspondiente a cada solución conocida, y la aplicación muestra en la pantalla del dispositivo una tabla con los valores de color de cada gota, preferentemente aquellos valores relacionados con el espacio de color HSV (hue, saturation, valué) de tono, saturación y valor. La aplicación guarda los valores de concentración introducidos en la memoria, procesa los datos obtenidos y almacena en la memoria una curva de calibración de tono versus concentración. Luego, el usuario selecciona la opción "MEDIR" y escoge una imagen previamente capturada que contiene la gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar o captura la imagen con la cámara en ese mismo momento. La aplicación computacional detecta el área de la gota de la muestra, obtiene los valores de color, por ejemplo, en valores de HSV de tono, saturación y valor del color de la gota y compara estos valores con la curva de calibración almacenada previamente, obteniendo la concentración de soluto de la muestra, la cual se muestra en la pantalla del dispositivo computacional (Fig. 3).

La imagen capturada requiere un procesamiento interno por parte de la aplicación computacional para la obtención de los valores de color, para lo cual realiza un pre-procesamiento de la imagen, donde se obtiene una aproximación del área de cada gota y detecta la imagen en una matriz de pixeles en el espacio de color RGB a 16 o 24 bits, a la cual aplica un filtro de interpolación gaussiana para eliminar el ruido de fondo de la imagen. La aplicación transforma la matriz de pixeles del espacio de color RGB a un espacio de color adecuado, preferentemente al espacio de color HSV de tono, saturación y valor.

La aplicación detecta y almacena en la memoria los bloques de pixeles que representan la gota sobre la matriz, y elimina aquellos pixeles cuyos colores no corresponden a los principales colores reconocidos por la aplicación en cada gota. Luego, elimina aquellos grupos de pixeles de tamaño inferior al 50% del bloque de mayor tamaño para evitar que reconozca bloques de pixeles que correspondan a manchas del ruido de fondo y no a las gotas. La aplicación genera un histograma de los valores de color de los pixeles, particularmente del valor de tono, para determinar el tono que más se repite en cada gota.

Con este valor y los valores de concentración introducidos por el usuario, la aplicación realiza la curva de calibración de tono versus concentración. Luego, la aplicación detecta la gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar, realiza el mismo procesamiento a la imagen mencionado previamente y compara el valor de tono de la gota de la muestra con los de la curva de calibración.

Finalmente, se obtiene el valor de concentración del soluto de la muestra, el cual se muestra en la pantalla del dispositivo computacional.

De esta manera, con la simple utilización de un dispositivo electrónico móvil se puede determinar fácilmente la concentración de soluto en una muestra coloreada, utilizando y el sistema y métodos propuestos por la presente invención.