Nuevas técnicas de adquisición y tratamiento de imágenes para el desarrollo de la instrumentación biomédica: Impacto social en el sector salud

En la actualidad, instituciones de carácter gubernamental y privado ofrecen financiamiento económico en investigaciones cien-tíficas y tecnológicas dedicadas a la mejora de las áreas de mayor impacto en la sociedad, donde la salud es una de estas. Aunque la salud también está relacionada con el estado de completo bienes-tar físico/mental, y no solamente a la ausencia de afecciones o en-fermedades, aquí centraremos la discusión en la investigación relacionada con las enfermedades humanas. En este campo, algu-nas instituciones gubernamentales han establecido áreas priorita-rias de salud entre las cuales el cáncer es una de ellas. El cáncer es una de las enfermedades que tiene un gran impacto en la co-munidad en términos de morbilidad, mortalidad y costos. Por ejemplo en Colombia, en el año 2006, 13,9% de las defunciones en hombres y 19,3% de las muertes en mujeres fueron por cáncer (Piñeros et al., 2011)

Posicionamiento visual con resolución subpixel de objetos marcados que se desplazan en un plano: conceptos básicos y aplicaciones

Vision is a convenient tool for position measurements. In this paper, we present several applications in which a reference pattern can be defined on the target for a priori knowledge of image features and further optimization by software. Selecting pseudoperiodic patterns leads to high resolution in absolute phase measurements. This method is adapted to position encoding of live cell culture boxes. Our goal is to capture each biological image along with its absolute highly accurate position regarding the culture box itself. Thus, it becomes straightforward to find again an already observed region of interest when a culture box is brought back to the microscope stage from the cell incubator where it was temporarily placed for cell culture. In order to evaluate the performance of this method, we tested it during a wound healing assay of human liver tumor-derived cells. In this case, the procedure enabled more accurate measurements of the wound healing rate than the usual method. It was also applied to the characterization of the in-plane vibration amplitude from a tapered probe of a shear force microscope. The amplitude was interpolated by a quartz tuning fork with an attached pseudo-periodic pattern. Nanometer vibration amplitude resolution is achieved by processing the pattern images. Such pictures were recorded by using a common 20x magnification lens.La visión es una herramienta conveniente para mediciones de posición. En este artículo, presentamos aplicaciones en las que un patrón de referencia puede ser adherido al objeto de interés. Ésto permite tener un conocimiento a priori de las características de la imagen y así poder optimizar el software. Como patrón de referencia se usan patrones pseudo-periódicos, los cuales permiten una alta resolución en las mediciones de fase absoluta. El método es adaptado para codificar la posición de soportes de cultivos celulares, con el fin de documentar cada imagen biológica registrada con su posición absoluta. Por lo tanto, resulta sencillo encontrar de nuevo una región de interés, observada previamente, cuando una caja de cultivo es traída de nuevo al microscopio luego de estar en una incubadora. Para evaluar el método, éste se utilizó durante un ensayo de “cicatrización de herida” de un cultivo celular derivado de tumores hepáticos. En este caso, el método permite obtener mediciones más precisas de la tasa de “cicatrización”, comparado a los resultados obtenidos con el método usual. El método propuesto también se aplica a la caracterización de la amplitud de vibración en el plano de una sonda de un microscopio de fuerza atómica. La amplitud fue interpolada por medio de un diapasón de cuarzo al cual se la adhirió un patrón pseudo-periódico. A partir del procesamiento de las imágenes del patrón, se logra obtener resolución nanométrica en la medida de la amplitud de la vibración. Estas imágenes fueron obtenidas con un microscopio óptico con magnificación 20x

Posicionamiento visual con resolución subpixel de objetos marcados que se desplazan en un plano: conceptos básicos y aplicaciones

Vision is a convenient tool for position measurements. In this paper, we present several applications in which a reference pattern can be defined on the target for a priori knowledge of image features and further optimization by software. Selecting pseudoperiodic patterns leads to high resolution in absolute phase measurements. This method is adapted to position encoding of live cell culture boxes. Our goal is to capture each biological image along with its absolute highly accurate position regarding the culture box itself. Thus, it becomes straightforward to find again an already observed region of interest when a culture box is brought back to the microscope stage from the cell incubator where it was temporarily placed for cell culture. In order to evaluate the performance of this method, we tested it during a wound healing assay of human liver tumor-derived cells. In this case, the procedure enabled more accurate measurements of the wound healing rate than the usual method. It was also applied to the characterization of the in-plane vibration amplitude from a tapered probe of a shear force microscope. The amplitude was interpolated by a quartz tuning fork with an attached pseudo-periodic pattern. Nanometer vibration amplitude resolution is achieved by processing the pattern images. Such pictures were recorded by using a common 20x magnification lens.La visión es una herramienta conveniente para mediciones de posición. En este artículo, presentamos aplicaciones en las que un patrón de referencia puede ser adherido al objeto de interés. Ésto permite tener un conocimiento a priori de las características de la imagen y así poder optimizar el software. Como patrón de referencia se usan patrones pseudo-periódicos, los cuales permiten una alta resolución en las mediciones de fase absoluta. El método es adaptado para codificar la posición de soportes de cultivos celulares, con el fin de documentar cada imagen biológica registrada con su posición absoluta. Por lo tanto, resulta sencillo encontrar de nuevo una región de interés, observada previamente, cuando una caja de cultivo es traída de nuevo al microscopio luego de estar en una incubadora. Para evaluar el método, éste se utilizó durante un ensayo de “cicatrización de herida” de un cultivo celular derivado de tumores hepáticos. En este caso, el método permite obtener mediciones más precisas de la tasa de “cicatrización”, comparado a los resultados obtenidos con el método usual. El método propuesto también se aplica a la caracterización de la amplitud de vibración en el plano de una sonda de un microscopio de fuerza atómica. La amplitud fue interpolada por medio de un diapasón de cuarzo al cual se la adhirió un patrón pseudo-periódico. A partir del procesamiento de las imágenes del patrón, se logra obtener resolución nanométrica en la medida de la amplitud de la vibración. Estas imágenes fueron obtenidas con un microscopio óptico con magnificación 20x

Microfabrication of position reference patterns onto glass microscope slides for high-accurate analysis of dynamic cellular events

Los portaobjetos de microscopio se utilizan ampliamente como sustratos base in situ para la realización de diversos sistemas o elementos microfabricados. Para estos fines, el proceso de microfabricación consiste en transferir un diseño predefinido sobre el sustrato correspondiente a una lámina de vidrio utilizada como portaobjetos de microscopio. Este proceso se conoce como “patterning”, que es una técnica que también se puede utilizar en la transferencia de diseños específicos que permite la recuperación de una región de interés (ROI) bajo el microscopio. En estos casos, aparecen dos desafíos principales: 1) Las perturbaciones en la transmisión de la luz deben permanecer mínimas para mantener la alta calidad de observación del objeto de interés bajo el microscopio. 2) El tamaño del patrón debe ser entonces suficientemente pequeño, pero, sin embargo, mayor que el límite de difracción para ser observable satisfactoriamente para propósitos de posicionamiento. En este artículo presentamos los procedimientos involucrados en la microfabricación de Patrones Pseudo-Periódicos (PPP) los cuales encriptan la posición absoluta de un área extendida. Esos patrones están embebidos en placas de Pétri para permitir la recuperación absoluta y de alta precisión de una ROI, al igual que su orientación. La microfabricación presentada se basa en una técnica conocida como “liftoff” que, tras el ajuste de parámetros, permite la obtención de PPP cumpliendo los dos requisitos anteriormente mencionados. Los resultados corresponden a la realización de PPP en portaobjetos de vidrio y compuesto por puntos laterales de 2μm hechos de aluminio con un grosor de 30nm.Glass microscopes slides are widely used as in situ base-substrates carrying diverse micro-fabricated systems or elements. For such purposes, the micro-fabrication process consists in transferring a pre-defined design onto the substrate made of a glass microscope slide. This is known as patterning, which is a technique that can also be used in transferring specific designs that allows region of interest (ROI) recovery under the microscope. In those cases, two main challenges appear: 1) Disturbances in light transmission should remain minimum to keep the high quality of observation of the object of interest under the microscope. 2) The pattern-size should then be small enough but, however, larger than the diffraction limit to be observable satisfactorily for positioning purposes. In this article, we present the procedures involved in the microfabrication of Pseudo-Periodic Patterns (PPP) encrypting the absolute position of an extended area. Those patterns are embedded in Pétri dishes in order to allow the highaccurate retrieval of absolute position and orientation. The presented microfabrication is based in a technique known as lift-off, which after parameter adjustment, allows the obtaining of PPP fulfilling the two previously mentioned requirements. The results report on PPP realized on glass microscope slides and composed by 2µm side dots made of aluminum with a thickness of 30nm

Position-referenced microscopy for live cell culture monitoring

Position-referenced microscopy (PRM) is based on smart sample holders that integrate a position reference pattern (PRP) in their depth, allowing the determination of the lateral coordinates with respect to the sample-holder itself. Regions of interest can thus be retrieved easily after culture dish transfers from a cell incubator to the microscope stage. Images recorded at different instants in time are superimposed in a common coordinate system with subpixel accuracy. This paper presents such smart Petri culture dishes and their use for live cell culture monitoring. The impact of the PRP on the light budget is discussed and performances are demonstrated. First results on the application of PRM to the observation of apoptotic body internalization are reported

Quantification of melanin and hemoglobin in humain skin from multispectral image acquisition: use of a neuronal network combined to a non-negative matrix factorization

International audienceThis article presents a multispectral imaging system which, coupled with a neural network-based algorithm, reconstructs reflectance cubes. The reflectance spectra are obtained using artificial neural-netwok reconstruction which generates reflectance cubes from acquired multispectral images. Then, a blind source separation algorithm based on Non-negative Matrix Factorization is used for the decomposition of human skin absorption spectra in its main pigments: melanin and hemoglobin. The analysis is performed on reflectance spectra. The implemented source separation algorithm is based on a multiplicative coefficient upload. The goal is to represent a given spectrum as the weighted sum of two spectral components. The resulting weighted coefficients are used to quantify melanin and hemoglobin content in the given spectra. Results present a degree of correlation higher than 90% compared to theoretical hemoglobin and melanin spectra. This methodology is validated on 35 melasma lesions from a population of 10 subjects

Analysis of human skin hyper-spectral images by non-negative matrix factorization

International audienceThis article presents the use of Non-negative Matrix Factorization, a blind source separation algorithm, for the decomposition of human skin absorption spectra in its main pigments: melanin and hemoglobin. The evaluated spectra come from a Hyper-Spectral Image, which is the result of the processing of a Multi-Spectral Image by a neural network-based algorithm. The implemented source separation algorithm is based on a multiplicative coeffi cient upload. The goal is to represent a given spectrum as the weighted sum of two spectral components. The resulting weighted coefficients are used to quantify melanin and hemoglobin content in the given spectra. Results present a degree of correlation higher than 90% compared to theoretical hemoglobin and melanin spectra. This methodology is validated on 35 melasma lesions from a population of 10 subjects

Microfabrication of position reference patterns onto glass microscope slides for high-accurate analysis of dynamic cellular events

Glass microscopes slides are widely used as in situ base-substrates carrying diverse micro-fabricated systems or elements

Spectral Library of Maize Leaves under Nitrogen Deficiency Stress

Maize crops occupy an important place in world food security. However, different conditions, such as abiotic stress factors, can affect the productivity of these crops, requiring technologies that facilitate their monitoring. One such technology is spectroscopy, which measures the energy reflected and emitted by a surface along the electromagnetic spectrum. Spectral data can help to identify abiotic factors in plants, since the spectral signature of vegetation has discriminating features associated with the plant’s health condition. This paper introduces a spectral library captured on maize crops under different nitrogen-deficiency stress levels. The datasets will be of potential interest to researchers, ecologists, and agronomists seeking to understand the spectral features of maize under nitrogen-deficiency stress. The library includes three datasets captured at different growth stages of 10 tropical maize genotypes. The spectral signatures collected were in the visible to near-infrared range (450–950 nm). The data were pre-processed to reduce noise and anomalous signatures. This study presents a spectral library of the effects of nitrogen deficiency on ten maize genotypes, highlighting that some genotypes show tolerance to this type of stress at different phenological stages. Most of the evaluated genotypes showed discriminate spectral features 4–6 weeks after sowing. Higher reflectance was obtained at approximately 550 nm for the lowest nitrogen fertilization treatments. Finally, we describe some potential applications of the spectral library of maize leaves under nitrogen-deficiency stress