WO2015164991A2 - Sistema y método para la determinación de la concentración de solutos en una muestra líquida coloreada - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the area of visible absorption spectrophotometry, and in particular provides a method and a system, particularly a mobile device, configured for the determination of solute concentration in a colored liquid sample, which is based on obtaining images of the sample and patterns of known concentrations of the solute, and determining the concentration of the sample based on the processing of these images and the color values they provide.
- Chemical-optical analyzes are the most common methods to determine the concentration of a solute in solution, based on the ability of the compounds to absorb or emit light energy of different wavelengths.
- visual colorimeters were used, whose principle was to compare the emerging light of the solution of unknown colored concentration and the emerging light of the reference solution until, in the viewer's judgment, both emerging lights were identical (Garrigós L. and others "Colorimeters" Polytechnic University of Valencia. 2001).
- the results obtained were subjective and inaccurate.
- the photocolorimeters were created, which consist of a tungsten lamp whose light passes through a slit and then a condenser lens to obtain a parallel beam of light that affects the solution of unknown concentration.
- the non-absorbed wavelengths pass to a color filter complementary to that of the solution of unknown concentration, delivering a monochromatic light.
- This beam of light strikes a photocell that generates a small electrical current that is increased by an amplifier, a signal that is detected by a galvanometer that delivers absorbance measurements.
- a calibration curve is performed with reference solutions or standards, whose concentrations are known, versus the absorbance of each of them, the concentration of the solution of unknown concentration can be determined obtaining its absorbance.
- This technique is useful only when the solutions are colored, but there are other solutions that absorb in the range of ultraviolet light which cannot be analyzed by a colorimeter.
- a spectrophotometer is used that is able to evaluate the absorption in the entire UV-visible range.
- this equipment one can distinguish between two compounds that have a similar absorption, delivering absorption spectra that allow even identifying which compounds are being analyzed.
- Thonhauser C. (US Pat. No. 8,493,441 B2) which is a color sensitive device attached to a portable electronic device that is configured to calculate the average of the discrete red, green and blue color values ( RGB, red, green, blue) processing the color in 8-bits per channel.
- RGB discrete red, green and blue color values
- This device requires that the sample be exposed to a beam of light and detects the wavelengths emitted in the range of 400-700 nm. All the above-mentioned inventions have the problem that they require a device external to the portable electronic device for use, which increases the cost of the technology and access to it.
- the present invention provides a practical and rapid solution for the analysis of solute concentrations in colored liquid solutions, with the simple use of the camera integrated to a portable electronic device and its configuration for the calculation of the unknown concentration from the color evaluation of colored liquid samples whose concentrations are known, without the need for an external measuring device.
- This application can be useful for teaching basic concepts of chemical analysis in educational establishments, since it only requires smartphones or tablets, which are used by millions of people worldwide.
- the system allows to calculate the concentration of a solute in a colored liquid solution from the image capture, which includes a calibration curve of liquid solutions with known concentrations and the solution of unknown concentration or sample. Summary of the invention
- An object of the present invention is a system for determining the concentration of a solute present in a colored liquid solution, said system comprising:
- a computer application stored in memory that makes a comparison between the image of a colored liquid sample whose solute concentration is to be determined, with respect to a plurality of solutions of known solute concentrations, generating related numerical values from said images with the color of the sample and the color of the solutions of known concentrations, and from said comparison of numerical values the concentration of solute in the sample is determined;
- processor functionally coupled to the camera, the screen and the memory, to execute said computational application.
- the system can be implemented using any computing device, from a smartphone type Smartphone, or any portable device with internal camera.
- the invention also includes a method for determining the concentration of a solute present in a colored liquid solution, which is carried out through the following steps:
- At least one image of the plurality of drops is captured with a camera coupled in a computational device, which are stored in the memory of the device;
- the value of the concentration of the solute of the sample is obtained on the screen of the computational device, calculated by the computational application.
- the drops of colored solutions of known concentrations and at least one drop of the sample whose concentration of solute is to be determined on a uniform surface and of color contrasting with the color of the drops of the solutions, preferably a surface are placed White and completely horizontal.
- the volume to be used may be between 15 ⁇ and 100 ⁇ _, preferably using a volume of 30 ⁇ _.
- the volume and distance between the drops should be similar.
- a portable computing device For the capture of images of the plurality of drops a portable computing device is required that contains an image capture system at a distance and at an angle that encompasses all the drops placed on said surface.
- the luminosity of the area where the images are captured must be uniform, coming from a source of natural or artificial light.
- the computational application For the processing of the images of the colored solution drops of known and unknown concentrations, the computational application carries out the following operations:
- the preprocessing of the image carried out by the computer application consists in obtaining an approximation of the area of the drops, detecting their area in a matrix of pixels in the RGB color space at 16 or 24 bits, and the application of a Gaussian interpolation filter of the image.
- the post-processing of the previously captured image that selects the blocks of pixels that represent a drop on the matrix consists of eliminating those pixels whose colors do not correspond to the main ones recognized in each drop, and detecting and storing in the memory the blocks of pixels on the matrix.
- Figure 1 is an example of the plurality of drops placed under appropriate conditions on a suitable surface.
- Figure 2 is an example of the use of the device where the 45 degree view of a smartphone is shown on the plurality of colored solution drops of known solute concentration, at a distance such that it covers all the drops on the phone screen smart.
- Figure 3 is an example of the calibration curve that is obtained from the introduction of the concentration values of the solutions of known solute concentration vs. their tone.
- the present invention essentially relates to a system and method that employs a computer application that can be executed in mobile devices and related devices, which allows the determination of the concentration of a solute in a sample by means of image processing.
- colored liquid using as a reference a plurality of solutions of known solute concentration.
- the objective of the present invention is to provide the common population with an easy-to-use application, without the need for the use of complex laboratory instruments, by which, based on images of the solutions to be evaluated and their color comparison with that of solutions of known solute concentrations, the concentration of the solute in said test solutions can be determined, thus providing a method and the means for its execution much simpler than those known so far for this purpose.
- the present invention accordingly becomes a useful tool for the determination of solute concentrations in colored liquid solutions, in places of difficult access to complex laboratory instruments.
- This invention allows, for example, to deliver a solution for educational classrooms that require practical teaching cases, or for those that require analyzing samples in the field, outside the facilities of a laboratory.
- the proposed system and method constitute an economical and easy-to-use solution compared to known high-cost spectrophotometric equipment, and it presents the additional advantage that does not require any device external to the computing device.
- the system of the present invention includes an application that performs a series of operations to obtain the solute concentration of a sample, from the obtaining of an image by means of the internal camera of a computational device and the processing thereof.
- a plurality of drops of said solutions of known concentrations should be placed on a suitable surface and under appropriate conditions. Among such appropriate conditions are to use at least 3 drops of the solutions of known concentration of a similar volume.
- Figure 1 A non-limiting example is shown in Figure 1, where 5 drops of 30 pL each are preferably placed on a uniform surface, contrasting in color to the color of the drops, preferably a white surface.
- the spatial distribution of the drops of known concentration on the surface is not relevant or influences the result for obtaining the solute concentration of the sample, but preferably they are arranged linearly and decreasingly in their concentration, as it appears in Figure 1.
- at least 1 drop of the sample whose solute concentration is to be determined is placed, under the same conditions indicated for the drops of solutions of known concentration.
- the computational application of the present invention can be installed and stored in the memory of a computer device with an internal camera.
- said computing device is a smartphone, with Android operating system, for example a Samsung Galaxi Grand 1 ( Figure 2). It has a camera to obtain images (camera lens 2) and a screen that allows visualizing the images 3 and serves to focus the plurality of drops located on an appropriate surface 4, a memory for storing the computational application and the images obtained , and a processor that executes the application to obtain the value of the solute concentration in the sample, by processing the images of said sample and the solutions of known concentrations.
- the camera of the device in question is shown and screen 3 shows the image output.
- the plurality of drops is approached at an appropriate angle and distance so that all drops are contained in the screen image, with uniform illumination, provided by a natural light source, for example, near a window or in the exterior of an establishment or illuminated with artificial light, for example, bulbs or bulbs, spotlights or the camera's own flash, and images are captured, which are stored in the memory of the electronic device.
- the plurality of drops can be captured in a single image containing the drops of known concentration and the drop of the sample whose solute concentration is to be determined, or can be captured alternatively more than one image, first with the solutions of known concentration, and then a second image with the drop of the sample whose solute concentration is to be determined.
- the computational application allows the user to use an image previously stored in the memory of the computing device, or capture an image with the camera at the same time.
- the application displays on the screen the "CALIBRATE” or “MEASURE” options, first selecting the "CALIBRATE” option.
- the application identifies the drops of known concentrations, gives them a numerical value according to the number of drops identified in the image.
- the user enters the concentration values corresponding to each known solution, and the application displays on the device screen a table with the color values of each drop, preferably those values related to the HSV color space (hue, saturation, valué) of hue, saturation and value.
- the application saves the concentration values entered in the memory, processes the data obtained and stores in the memory a tone calibration curve versus concentration.
- the user selects the "MEASURE” option and chooses a previously captured image containing the drop of the sample whose solute concentration is desired to determine or capture the image with the camera at the same time.
- the computational application detects the area of the drop of the sample, obtains the color values, for example, in HSV values of hue, saturation and value of the color of the drop and compares these values with the calibration curve stored previously, obtaining the solute concentration of the sample, which is shown on the screen of the computing device (Fig. 3).
- the captured image requires an internal processing by the computer application to obtain the color values, for which it performs a pre-processing of the image, where an approximation of the area of each drop is obtained and detects the image in a matrix of pixels in the RGB color space at 16 or 24 bits, to which a Gaussian interpolation filter is applied to eliminate background noise from the image.
- the application transforms the matrix of pixels of the RGB color space to a suitable color space, preferably to the HSV color space of hue, saturation and value.
- the application detects and stores in memory the blocks of pixels that represent the drop on the matrix, and eliminates those pixels whose colors do not correspond to the main colors recognized by the application in each drop. Then, remove those groups of pixels smaller than 50% of the larger block to avoid recognizing blocks of pixels that correspond to background noise spots and not drops.
- the application generates a histogram of the pixel color values, particularly the tone value, to determine the most repeated tone in each drop.
- the application performs the tone calibration curve versus concentration. Then, the application detects the drop of the sample whose solute concentration is to be determined, performs the same processing to the previously mentioned image and compares the tone value of the sample drop with those of the calibration curve.
- the concentration of solute in a colored sample can be easily determined, using and the system and methods proposed by the present invention.
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Abstract
La presente invención se refiere a 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.
Description
SISTEMA Y MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SOLUTOS EN UNA MUESTRA LÍQUIDA COLOREADA
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.
Claims
1. Un sistema para la determinación de la concentración de un soluto presente en una solución líquida coloreada, CARACTERIZADO porque dicho sistema 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 de la muestra; y
- un procesador funcionalmente acoplado a la cámara, a la pantalla y a la memoria, para ejecutar dicha aplicación computacional.
2. El sistema de la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque es un dispositivo computacional que se selecciona a partir del grupo que consiste de un teléfono inteligente tipo Smartphone o un dispositivo computacional portátil con cámara interna.
3. Un método para determinar la concentración de un soluto presente en una solución líquida coloreada, CARACTERIZADO porque dicho método comprende: i. colocar sobre una superficie adecuada y bajo condiciones apropiadas una pluralidad de gotas de soluciones coloreadas de concentraciones conocidas de un soluto y una gota de la muestra cuya concentración de soluto se desea determinar;
ii. capturar en condiciones adecuadas una imagen de dicha pluralidad de gotas y de dicha muestra con una cámara acoplada en un dispositivo computacional;
iii. ingresar en la memoria del dispositivo computacional los valores de la concentración de cada una de dichas soluciones coloreadas de concentraciones conocidas del soluto;
iv. procesar mediante una aplicación computacional 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
v. observar en la pantalla de dicho dispositivo computacional el valor de la concentración de soluto de la muestra calculado por la aplicación computacional.
4. El método de la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque la superficie adecuada para la colocación de las gotas es una superficie uniforme en posición horizontal y de un color contrastante con el color de las soluciones coloreadas.
5. El método de la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque el color de la superficie para la colocación de las gotas es blanco.
6. El método de la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque las condiciones apropiadas para la colocación de la pluralidad de gotas de las soluciones coloreadas de concentraciones conocidas de soluto y de la gota de la muestra cuya concentración se desea determinar son:
- 3 o más gotas de las soluciones coloreadas de concentraciones conocidas de soluto de un volumen entre 15 μΙ y 100 μΙ; y
- al menos 1 gota de la muestra cuya concentración se desea determinar, cuyo volumen es similar al de las gotas de las soluciones coloreadas de concentraciones conocidas.
7. El método de la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque las condiciones adecuadas para la captura de imágenes de la pluralidad de gotas de soluciones
coloreadas de concentraciones conocidas de soluto y de la gota de la muestra son:
- un ángulo y una distancia con respecto a la superficie donde se colocan las gotas que permita la captura de la imagen de todas las gotas sobre dicha superficie; y
- una iluminación uniforme para todas las gotas sobre la superficie, proporcionada por una fuente de luz natural o artificial.
8. El método de la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque para calcular el valor de la concentración de soluto de la muestra, la aplicación computacional realiza las siguientes operaciones:
i. 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;
ii. 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;
iíi. transformar 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;
iv. post-procesamiento de la imagen previamente capturada que selecciona los bloques de pixeles que representan una gota sobre la matriz;
vii. eliminar los bloques de pixeles de tamaño inferior al 50% del bloque de mayor tamaño;
viii. generar un histograma de los valores de color de los pixeles para proporcionar el color que más se repite en cada gota;
x. 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
xi. calcular la concentración de la gota de la muestra cuya concentración se desea conocer.
9. El método de la reivindicación 8, CARACTERIZADO porque el pre- procesamiento de la imagen previamente capturada y detectada en una matriz de pixeles comprende:
i. obtener una aproximación del área de las gotas;
ii. detectar el área de las gotas en la matriz de pixeles en el espacio de color RGB a 16 o 24 bits; y
iv. aplicar un filtro de interpolación gaussiana a las imágenes obtenidas de dichas gotas.
10. El método de la reivindicación 8, CARACTERIZADO porque el post- procesamiento de la imagen previamente capturada que selecciona los bloques de pixeles que representan una gota sobre la matriz comprende:
i. eliminar los pixeles cuyos colores no correspondan a los principales colores reconocidos en cada gota; y
ii. detectar y almacenar en la memoria los bloques de pixeles sobre la matriz.
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