BR102021025389A2

BR102021025389A2 - OPTICAL TRANSMISSION DENSITOMETER

Info

Publication number: BR102021025389A2
Application number: BR102021025389-4A
Authority: BR
Inventors: Francisco Harlley Dantas Hauradou Xavier; Priscila Santos Amorim; Karen Aisha Moura Santos; Divanizia Do Nascimento Souza
Original assignee: Universidade Federal De Sergipe
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-06-27

Abstract

O densitômetro óptico de transmissão tem por finalidade medir a densidade óptica (DO) de filmes radiográficos, ponto a ponto. Essa medida pode ser utilizada no controle de qualidade de filmes radiográficos. A inovação desta invenção encontra-se no uso de componentes eletrônicos e recurso computacional não observados em outros densitômetros descritos em patentes de equipamentos para este mesmo tipo de uso. O equipamento descrito possibilita a quantificação da densidade óptica de filmes por meio da leitura da intensidade da luz detectada por um fotodetector após ser transmitida através do filme a ser analisado. Essa medição é feita com uso de uma plataforma eletrônica open-source (placa de Arduino), sendo essa placa o processador de sinal do densitômetro. O uso da placa de Arduino simplifica a determinação da densidade óptica devido a linguagem de programação computacional C++ que foi empregada. Além disso, o sensor de luminosidade utilizado nesse densitômetro óptico é um fotodiodo de silício que converte a intensidade luminosa em sinais digitais, resultando na leitura da densidade óptica sem que seja necessário o uso de lentes focalizadoras. O uso de poucos componentes eletrônicos em sua construção, em comparação aos densitômetros ópticos de transmissão já patenteados, e a não utilização de lentes focalizadoras representam a inovação deste produto. Esse dispositivo é utilizado de forma portátil, sendo alimentado eletricamente por uma de uma bateria de 9V. The purpose of the transmission optical densitometer is to measure the optical density (OD) of radiographic films, point by point. This measure can be used in the quality control of radiographic films. The innovation of this invention lies in the use of electronic components and computational resources not seen in other densitometers described in equipment patents for this same type of use. The equipment described makes it possible to quantify the optical density of films by reading the intensity of the light detected by a photodetector after being transmitted through the film to be analyzed. This measurement is made using an open-source electronic platform (Arduino board), which is the densitometer signal processor. The use of the Arduino board simplifies the determination of the optical density due to the computer programming language C++ that was used. In addition, the luminosity sensor used in this optical densitometer is a silicon photodiode that converts the luminous intensity into digital signals, resulting in the reading of the optical density without the need for the use of focusing lenses. The use of few electronic components in its construction, compared to already patented transmission optical densitometers, and the non-use of focusing lenses represent the innovation of this product. This device is used in a portable way, being electrically powered by one of a 9V battery.

Description

OPTICAL TRANSMISSION DENSITOMETER

field of invention

[001] A presente invenção relaciona-se a um sistema de medição de densidade óptica de filmes radiográficos empregados em radiodiagnóstico clínico.[001] The present invention relates to a system for measuring the optical density of radiographic films used in clinical radiodiagnosis.

Fundamentals of the invention

[002] Em um densitômetro óptico de transmissão, uma fonte de luz projeta um feixe luminoso através de uma película, a exemplo de filmes radiográficos; a luz que atravessa a película é medida por um fotodetector, que normalmente é um fotodiodo. Outros materiais, como invólucro, dispositivos ópticos e digitais compõem esse tipo de equipamento e possibilitam o posicionamento adequado do filme ou película a serem analisados e a quantificação e registro do sinal de luz detectado.[002] In an optical transmission densitometer, a light source projects a light beam through a film, like radiographic films; the light passing through the film is measured by a photodetector, which is usually a photodiode. Other materials, such as casing, optical and digital devices make up this type of equipment and allow the proper positioning of the film or film to be analyzed and the quantification and recording of the detected light signal.

[003] A densidade óptica (DO) de um filme radiográfico é um valor numérico que indica o seu grau de enegrecimento a partir da medição da luz transmitida pelo filme, sendo definida como o negativo do logaritmo na base 10 (log) da transmitância do filme (I/Io), conforme a equação 1:

Em que Io é a quantidade de luz incidente no filme e I é a quantidade de luz transmitida que atinge o fotodetector.[003] The optical density (OD) of a radiographic film is a numerical value that indicates its degree of blackening from the measurement of the light transmitted by the film, being defined as the negative of the logarithm in base 10 (log) of the transmittance of the film film (I/Io), according to equation 1:

Where Io is the amount of light incident on the film and I is the amount of transmitted light reaching the photodetector.

[003] Exemplos de densitômetros ópticos estão descritos em patentes e pedidos de registro de patentes, a exemplo dos seguintes: US6791485B1, EP0114030A2, US3625621A, CN107907510B, CA977874A.[003] Examples of optical densitometers are described in patents and patent applications, such as the following: US6791485B1, EP0114030A2, US3625621A, CN107907510B, CA977874A.

[004] A patente US6791485B1 refere-se a um densitômetro de transmissão com conversor de frequência especialmente útil para avaliação de densidades ópticas de tintas para revestimento de superfícies e de impressoras. Na patente, é descrito que o equipamento possibilita a emissão de luz com frequências de ondas programáveis, assim como identificar a frequência do feixe detectado, e contém um relógio que emite pulsos regulares de forma a definir a periodicidade das medições. É também informado que essas características tornam o equipamento particularmente útil para a indústria de tintas e para laboratórios de impressão de fotografias. Considerando essas características, essa invenção difere da descrita neste pedido por incluir artefatos que não seriam úteis para o aqui equipamento proposto, a exemplo do conversor de intensidade luminosa para frequência, identificador da frequência de onda luminosa e do relógio.[004] The US6791485B1 patent refers to a transmission densitometer with a frequency converter especially useful for evaluating the optical densities of inks for coating surfaces and printers. In the patent, it is described that the equipment enables the emission of light with programmable wave frequencies, as well as identifying the frequency of the detected beam, and contains a clock that emits regular pulses in order to define the frequency of measurements. It is also reported that these characteristics make the equipment particularly useful for the paint industry and for photo printing laboratories. Considering these characteristics, this invention differs from the one described in this application by including artifacts that would not be useful for the equipment proposed here, such as the luminous intensity to frequency converter, the light wave frequency identifier and the clock.

[003] A patente EP0114030B1 descreve um densitômetro de transmissão com cabeça de medição na forma de braço articulável, que pode ser movida e trocada, para medição de densidade óptica transmitida empregando feixe de luz de diferentes comprimentos de onda. A cabeça de medição contém a fonte de luz e o fotodetector. O braço articulável facilita o manuseio da cabeça de medição, possibilitando medir películas em diferentes posições, com um melhor rendimento de luz. A principal diferença entre o densitômetro descrito em EP0114030B1 e o aqui apresentado é a ausência de cabeça de medição em braço articulado e o uso de fontes de luz de diferentes comprimentos de onda. O braço articulável não seria útil no produto aqui descrito, pois os filmes radiográficos devem ser posicionados de forma para a medição a repetibilidade e reprodutibilidade das condições de medição da densidade óptica.[003] Patent EP0114030B1 describes a transmission densitometer with a measuring head in the form of an articulated arm, which can be moved and exchanged, for measuring optical density transmitted using a beam of light of different wavelengths. The measurement head contains the light source and the photodetector. The articulated arm facilitates the handling of the measuring head, making it possible to measure films in different positions, with a better light yield. The main difference between the densitometer described in EP0114030B1 and the one presented here is the absence of a measuring head on an articulated arm and the use of light sources of different wavelengths. The articulated arm would not be useful in the product described here, as the radiographic films must be positioned in such a way that the repeatability and reproducibility of the optical density measurement conditions are measured.

[004] US3625621A: A patente apresentada trata-se de um densitômetro óptico que projeta luz no comprimento de onda pré-selecionado através do espécime a ser avaliado em termos de densidade óptica. A luz transmitida do material é atenuada em função da densidade óptica, incluindo também meios de captação que mensuram a quantidade de atenuação da luz e que se tornam mais sensíveis à medida que a atenuação aumenta. Esse densitômetro possibilita a calibração de intervalos de densidade a serem registrados, sendo útil para a avaliação de densidades proporcionais à certa concentração química da amostra, inclusive em concentrações elevadas. O equipamento inclui também um par de células fotorresistivas não lineares num circuito conectado a duas fontes de luz comum, com indicador de densidade óptica calibrado. Tendo em vista as características do equipamento apresentado na patente US3625621A, tem-se que esse difere do apresentado neste pedido por conter entre seus componentes um par de células fotorresistivas e por ser adequado para avaliação de amostras de densidade óptica elevadas.[004] US3625621A: The patent filed is an optical densitometer that projects light at a preselected wavelength through the specimen to be evaluated in terms of optical density. The material's transmitted light is attenuated as a function of optical density, also including pickup means that measure the amount of light attenuation and that become more sensitive as the attenuation increases. This densitometer allows the calibration of density intervals to be recorded, being useful for the evaluation of proportional densities to a certain chemical concentration of the sample, even in high concentrations. The equipment also includes a pair of non-linear photoresistive cells in a circuit connected to two common light sources, with a calibrated optical density indicator. In view of the characteristics of the equipment presented in patent US3625621A, it differs from that presented in this application because it contains a pair of photoresistive cells among its components and because it is suitable for evaluating samples of high optical density.

[005] CN107907510B: A patente apresentada trata-se de um densitômetro óptico que se utiliza de um método de cálculo de densidade óptica para medir automaticamente certa faixa de densidade óptica, por derivar de uma matriz de sensoriamento linear, sendo adequado para a medição em diversos pontos de películas postas em esteiras rotativas, do tipo lagarta trator. Por introduzir o conceito de matriz de detecção linear em seu modo operacional, essa invenção busca promover a solução de problemas de baixa eficiência de um medidor de ponto convencional, possibilitando a medição de densidade óptica de grande quantidade de amostras em menor tempo e redução de erros de medição decorrentes de irregularidade de repetibilidade. Essas características o habilitam para avaliação de densidade óptica em grandes quantidades de amostras. A possibilidade de medições lineares, por si só, o diferencia do equipamento apresentado neste pedido, que pode ser caracterizado como um medidor de ponto convencional (ponto a ponto).[005] CN107907510B: The patent presented is an optical densitometer that uses an optical density calculation method to automatically measure a certain range of optical density, as it derives from a linear sensing matrix, being suitable for measuring in several points of films placed on rotating conveyor belts, of the tractor caterpillar type. By introducing the concept of linear detection matrix in its operational mode, this invention seeks to promote the solution of problems of low efficiency of a conventional point meter, enabling the measurement of optical density of a large number of samples in less time and error reduction. of measurement due to repeatability irregularity. These features enable it to evaluate optical density in large amounts of samples. The possibility of linear measurements, by itself, differentiates it from the equipment presented in this application, which can be characterized as a conventional point meter (point to point).

[006] CA977874A: A patente apresentada trata-se de um densitômetro de raios X. Embora o princípio de medição seja semelhante, devido embutir o processo de medição da densidade de feixe eletromagnético, esse densitômetro não se assemelha ao equipamento proposto neste pedido porque o feixe transmitido pelo material analisado é de raios X. Os densitômetros de raios X são particularmente úteis na avaliação de densidade óssea.[006] CA977874A: The patent presented is about an X-ray densitometer. Although the measurement principle is similar, due to embedding the electromagnetic beam density measurement process, this densitometer does not resemble the equipment proposed in this application because the The beam transmitted by the analyzed material is X-ray. X-ray densitometers are particularly useful in assessing bone density.

[007] O documento NIST Refrence Densitometer for Visual Diffuse Transmission Density apresenta um modelo de densitômetro de transmissão óptica padrão para filmes de radiográficos e fotográficos. Entre seus componentes estão lentes colimadoras e focalizadoras. O densitômetro descrito neste pedido não utiliza lentes de nenhum tipo; a colimação do feixe de luz é feita no próprio apoio onde o filme é colocado no momento da medição da densidade óptica, por isso as lentes não são necessárias.[007] The document NIST Refrence Densitometer for Visual Diffuse Transmission Density presents a standard optical transmission densitometer model for radiographic and photographic films. Among its components are collimating and focusing lenses. The densitometer described in this application does not use lenses of any kind; the collimation of the light beam is carried out on the very support where the film is placed at the time of measuring the optical density, so lenses are not necessary.

[008] É importante ressaltar que o correto funcionamento dos densitômetros ópticos de transmissão descritos nas patentes, e dos encontrados no mercado, derivam de configurações complexas, considerando seus componentes eletrônicos e digitais, acarretando alto custo de produção desses dispositivos. Em relação à complexidade, há interesse em produzir um densitômetro que corresponda às expectativas do mercado, o que envolve qualidade do equipamento e forma de apresentação, e que seja inclusive útil para uso em atividades didáticas que demandam disponibilidade de maior quantidade desse tipo de equipamento.[008] It is important to note that the correct operation of the optical transmission densitometers described in the patents, and those found on the market, derive from complex configurations, considering their electronic and digital components, resulting in high production costs for these devices. In terms of complexity, there is interest in producing a densitometer that meets market expectations, which involves equipment quality and presentation, and that is even useful for use in teaching activities that demand greater availability of this type of equipment.

[009] Com o intuito de contribuir para a redução de custo e a simplificação do processo de produção de um densitômetro óptico de transmissão, desenvolveu-se a presente invenção, que possibilita a medida de densidade óptica de filmes radiográficos, sendo menos complexo que os apresentados no estado da técnica e, consequentemente, de custo menor. Os valores listados na Tabela 1 representam os preços, em reais, dos principais componentes eletrônicos e computacionais necessários para a produção do densitômetro óptico apresentado, tendo sido cotados em 2021. O preço da caixa que agrega os componentes não foi estimado porque o seu material pode ser madeira, metal, plástico, papelão ou mesmo misto, sendo o preço relativamente baixo em qualquer uma das opções de material.

[009] In order to contribute to the cost reduction and simplification of the production process of an optical transmission densitometer, the present invention was developed, which makes it possible to measure the optical density of radiographic films, being less complex than the presented in the state of the art and, consequently, of lower cost. The values listed in Table 1 represent the prices, in reais, of the main electronic and computational components necessary for the production of the presented optical densitometer, having been quoted in 2021. The price of the box that aggregates the components was not estimated because its material can be wood, metal, plastic, cardboard or even mixed, with a relatively low price for any of the material options.

[0010] No equipamento, o processo de medida da densidade óptica é realizado por meio da leitura da intensidade luminosa transmitida com uma placa de Arduíno, o que proporciona uma fácil operação, utilizando a programação C++. Tal execução é possível uma vez que o sensor de luminosidade utilizado é composto por um fotodiodo de silício que converte a intensidade luminosa em sinais digitais, resultando em uma boa sensibilidade para leitura da densidade óptica.[0010] In the equipment, the process of measuring the optical density is carried out by reading the light intensity transmitted with an Arduino board, which provides easy operation using C++ programming. Such an execution is possible since the luminosity sensor used is composed of a silicon photodiode that converts the luminous intensity into digital signals, resulting in good sensitivity for reading the optical density.

Brief description of the drawings

[001] A invenção poderá ser melhor compreendida através da descrição detalhada das figuras, em que:
A Figura 1 apresenta a vista em perspectiva do dispositivo fechado.
A Figura 2 apresenta a vista posterior do dispositivo.
A Figura 3 apresenta a vista em perspectiva do dispositivo aberto.
A Figura 4 apresenta a vista de uma seção transversal da parte do dispositivo onde se encontra a fonte de luz.[001] The invention may be better understood through the detailed description of the figures, in which:
Figure 1 shows the perspective view of the closed device.
Figure 2 shows the rear view of the device.
Figure 3 presents the perspective view of the opened device.
Figure 4 shows a cross-sectional view of the part of the device where the light source is located.

Description of the invention

[002] A invenção trata-se de DENSITÔMETRO ÓPTICO DE TRANSMISSÃO. O equipamento é para uso em controle de qualidade de processos, tendo como propósito a medição da densidade óptica de filmes empregados na área de radiodiagnóstico.[002] The invention is an OPTICAL TRANSMISSION DENSITOMETER. The equipment is for use in process quality control, with the purpose of measuring the optical density of films used in radiodiagnosis.

[003] A invenção consiste, basicamente, em uma caixa (1) que serve como envoltório dos componentes necessários para a sua construção, evitando que a luz ambiente interfira na medida da densidade óptica de filmes radiográficos. Essa caixa (1), que pode ser produzida com materiais como plástico rígido, papelão rígido, madeira ou chapa metálica, possui uma parte superior e uma parte inferior que se unem na sua região posterior, o que proporciona o seu adequado fechamento, evitando o desalinhamento dos componentes. O protótipo da caixa construída tem 12 cm de lados e 5 cm de altura. Opcionalmente, as dimensões da caixa podem ser adequadas, desde que não sejam alterados os itens e as funcionalidades do dispositivo.[003] The invention basically consists of a box (1) that serves as a wrapper for the components necessary for its construction, preventing ambient light from interfering with the measurement of the optical density of radiographic films. This box (1), which can be produced with materials such as rigid plastic, rigid cardboard, wood or metal sheet, has an upper part and a lower part that come together in its posterior region, which provides its adequate closure, avoiding the component misalignment. The constructed box prototype has 12 cm sides and 5 cm height. Optionally, the dimensions of the box can be adapted, as long as the items and functionality of the device are not altered.

[004] A parte superior da caixa (1) possui quatro componentes, que podem ser visualizados nas Figuras 1 e 3. Um dos componentes é o display (2) que irá mostrar o valor da densidade óptica medida. Um botão (3) ao ser acionado informa a condição inicial de luminosidade. Essa intensidade luminosa inicial (I0) é a quantidade de luz captada pelo sensor de luminosidade (7) quando não há filme posicionado no densitômetro. O valor indicativo dessa luminosidade inicial é empregado no cálculo da densidade óptica nas condições locais. Outro botão (4) é acionado para o cálculo da densidade óptica que atinge o sensor de luminosidade (7) quando há filme posicionado no densitômetro. Na parte interna da caixa está localizado o sensor de luminosidade (7), que é o fotodiodo responsável direto pela captação da luminosidade transmitida através do filme radiográfico.[004] The upper part of the box (1) has four components, which can be seen in Figures 1 and 3. One of the components is the display (2) that will show the value of the measured optical density. When a button (3) is pressed, it informs the initial brightness condition. This initial luminous intensity (I0) is the amount of light captured by the luminosity sensor (7) when there is no film positioned in the densitometer. The indicative value of this initial luminosity is used in the calculation of the optical density in the local conditions. Another button (4) is activated to calculate the optical density that reaches the luminosity sensor (7) when there is film positioned in the densitometer. The luminosity sensor (7) is located inside the box, which is the photodiode directly responsible for capturing the luminosity transmitted through the radiographic film.

[005] O cálculo da densidade óptica é realizado conforme a equação 1 após o acionamento do botão (4).[005] The calculation of the optical density is performed according to equation 1 after pressing the button (4).

[006] A parte inferior da caixa (1) possui quatro componentes, que podem ser visualizados nas Figura 3 e 4, sendo eles: uma placa metálica (8) que servirá de apoio para o filme radiográfico. Essa placa contém uma abertura (9) para colimação da luz que irá atravessar o ponto de interesse no filme radiográfico até chegar no sensor (7); um diodo emissor de luz (11) que é a fonte de luz do equipamento; uma base metálica (12) com formato côncavo que permite a reflexão da luz, esse formato possibilita aumentar a luminosidade. Essa luz sairá da base através da abertura (9) que a direcionará para o sensor de luminosidade (7). O quarto componente é a placa de Arduíno (10), que é responsável por todo o funcionamento do densitômetro óptico de transmissão.[006] The bottom of the box (1) has four components, which can be seen in Figures 3 and 4, namely: a metal plate (8) that will serve as a support for the radiographic film. This plate contains an opening (9) for collimating the light that will cross the point of interest on the radiographic film until it reaches the sensor (7); a light emitting diode (11) which is the equipment's light source; a metallic base (12) with a concave shape that allows the reflection of light, this shape makes it possible to increase the luminosity. This light will leave the base through the opening (9) which will direct it to the brightness sensor (7). The fourth component is the Arduino board (10), which is responsible for the entire operation of the transmission optical densitometer.

[007] A parte posterior da caixa (1), apresentada na Figura 2, tem duas aberturas para dar acesso às entradas da placa de Arduíno (10); uma entrada é a de alimentação elétrica (5) de até 12 V e a outra entrada é de comunicação via barramento serial universal com o computador (6).[007] The back of the box (1), shown in Figure 2, has two openings to access the inputs of the Arduino board (10); one input is for power supply (5) of up to 12 V and the other input is for communication via universal serial bus with the computer (6).

Examples of embodiments of the invention

[008] É recomendável para a utilização do densitômetro óptico de transmissão a sua conexão a uma fonte de alimentação elétrica; entretanto, esse dispositivo pode ser utilizado com uma bateria de 9 V, o que permite praticidade para uso em ambientes variados. Para o uso do dispositivo para avaliação da densidade óptica de qualquer filme radiográfico, é necessário aferir as condições de luminosidade locais, fazendo-se uma leitura sem um filme, uma vez que a iluminação externa ao densitômetro óptico de transmissão pode influenciar as medidas, a depender de cada ambiente e local de posicionamento do equipamento.[008] It is recommended to use the optical transmission densitometer to connect it to an electrical power supply; however, this device can be used with a 9 V battery, which allows practical use in various environments. In order to use the device to evaluate the optical density of any radiographic film, it is necessary to check the local luminosity conditions, taking a reading without a film, since the external illumination of the transmission optical densitometer can influence the measurements, the depend on each environment and location of equipment placement.

[009] O densitômetro óptico de transmissão é uma opção viável em relação aos densitômetros atualmente comercializados, pois possui uma estrutura com poucos componentes presentes em sua construção e uma programação operacional de Arduíno simples, além de fornecer resultados corretos de medidas. Arduíno simples, além de fornecer resultados corretos de medidas.[009] The optical transmission densitometer is a viable option in relation to the densitometers currently on the market, as it has a structure with few components present in its construction and a simple Arduino operational programming, in addition to providing correct measurement results. Simple arduino, in addition to providing correct measurement results.

Claims

Optical Transmission Densitometer, characterized by containing a luminosity sensor composed of silicon photodiode (7), which converts the luminous intensity into digital signals, enabling the measurement of optical density without the need for the use of focusing lenses; the purpose of the densitometer is to measure the optical density (OD) of radiographic films, point by point.

Optical Transmission Densitometer, according to claim 1, characterized by having a display (2) on the lid of the box (1), two buttons (3) and (4), and a brightness sensor containing a photodiode (7).

Optical Transmission Densitometer, according to claim 1, characterized by having inside the box (1) a metal plate (8) with an opening for the passage of light (9) emitted by a light emitting diode (11), a base metal (12) containing a light emitting diode (11) and an Arduino Uno R3 board (10).

Optical Transmission Densitometer, according to claims 2 and 3, characterized in that it consists of a box with a lid (1) in wood, metal or plastic, containing an input for an electrical power supply (5) and an input for communication via universal serial bus with a computer (6).

Optical Transmission Densitometer, according to claim 4, characterized by having an electrical power supply (5) that can be replaced by a 9 V battery, which makes it practical to use in different environments.