estudo comparativo entre fontes de iluminação

XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica – CBEB 2014
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE FONTES DE ILUMINAÇÃO COM
LÂMPADAS HALÓGENAS E COM LED NO DIAGNÓSTICO DA
MICROSCOPIA CLÍNICA
C. H. L. Oliveira*, **, M. A. D. Costa** e G. H. Costa ***
* Universidade Federal de Rondônia – UNIR, Porto Velho, Brasil
** Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria, Brasil
*** Universidade de Caxias do Sul - UCS, Caxias do Sul, Brasil
email: [email protected]
Resumo: O Objetivo deste trabalho é analisar e comparar
as fontes de iluminação que estão presentes na
microscopia óptica clínica. São utilizadas duas fontes de
iluminação, a lâmpada Halógena e um diodo emissor de
luz (LED) branco. As variáveis investigadas são o índice
de reprodução de cores (IRC), o brilho e a nitidez.
Também é feita uma discussão analisando os dados
obtidos considerando a curva de sensibilidade do olho
humano.
Palavras-chave: Microscopia clínica, diagnóstico,
iluminação, lâmpada halógena, LED, características
elétricas.
lâmpadas halógenas de baixa tensão e, nos mais recentes,
por meio de LEDs, sendo as duas últimas fontes as mais
utilizadas em microscopia clínica laboratorial.
O objetivo do presente estudo é realizar ensaios com
fontes de iluminação de microscópios ópticos à base de
lâmpadas halógenas e compará-los com ensaios feitos
com LED. Além de fornecer uma análise do
comportamento das fontes de iluminação frente à
reprodução de cor, este estudo também aborda pontos de
potencial importância clínica, como nitidez e resolução
mediante a fonte de iluminação.
Materiais e métodos
Abstract: The purpose of this paper is to examine and
compare the lighting source models that are present in
clinical microscopy. Two lighting sources, Halogen lamp
and cool white LEDs, are used. The variables that are
investigated are color rendering index (CRI), brightness
and sharpness. Furthermore, a discussion analyzing the
obtained data considering the human eye sensitivity
curve is performed.
Keywords: Clinical microscope, diagnosis, illumination,
halogen lamp, LED, electrical characteristics.
Microscópio e Fontes de Iluminação – Utilizou-se
um microscópio biológico Binocular Edutec. As fontes
de iluminação avaliadas foram uma lâmpada halógena
com características de 6[V] e 20[W] (2-pin/G4) e um
LED da Philips Lumileds® LXML-PWC1-0100. Essas
fontes foram dispostas na base do microscópio.
Ensaio espectral – Para caracterizar o
comportamento espectral das fontes de iluminação,
foram feitos ensaios em uma esfera integradora de
Ulbricht (equipamento que mede diversas grandezas
fotométricas de uma fonte luminosa), também conhecida
por esfera de Ulbricht [5].
Para a lâmpada halógena, foram utilizados os valores
elétricos nominais, a uma temperatura ambiente de
25º[C]. Para o LED branco foi utilizada a corrente
nominal, igual a 200[mA], resultando em uma potência
0,6[W] também a uma temperatura ambiente de 25º[C].
Os comprimentos de onda analisados nos testes com
a esfera integradora foram de 380[nm] a 800[nm]
(espectro visível), com passo de 1[nm]. Os esquemáticos
da plataforma de teste são mostrados na figura 1.
Introdução
A análise clínica laboratorial é o método menos
dispendioso, mais comumente utilizado e é a base para
diagnóstico e escolha do melhor tratamento de diversas
doenças [1]. Uma das ferramentas mais importantes
nesse método, mesmo com toda a tecnologia atual, é o
microscópio óptico, instrumento poderoso em análises
clínicas de patologias como doenças renais, distúrbios
musculares , distúrbios neurológicos, disfunção ciliar,
gastroenterites, viroses, bacterioses e parasitoses ou
qualquer distúrbio cujo diagnóstico possa se beneficiar a
partir da análise das estruturas finas de uma biópsia ou
possa ser realizado por meio da preparação de lâminas
histológicas (Histofisiológica, Histoquímica, Imunohistoquímica e Histopatológica.) [2] [3] [4].
A precisão do diagnóstico clínico, nessa modalidade,
varia de acordo com o nível da acurácia na leitura das
amostras. Uma variável importante na definição dessa
precisão de investigação clínica, quanto à microscopia
óptica, é a iluminação [4].
A iluminação dos microscópios ópticos modernos se
faz por meio de lâmpadas de arco curto de xênon,
Figura 1: Plataforma de teste na esfera integradora.
(Modificado de [14])
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da Iluminação), que representa as cores de acordo com a
sua cromaticidade (eixos x e y) e a luminância (eixo y),
possibilita que uma cor seja definida independentemente
das variáveis periféricas utilizadas, tais como a percepção
subjetiva da definição de cor [6]. Na figura 4 é
apresentado o diagrama tricromático obtido nos ensaios.
A lâmpada halógena apresenta tendências de cor
variando do amarelado para o avermelhado, já o LED
apresenta uma centralização no branco. Uma
consequência direta dessa centralização é o fato de a
imagem iluminada por esta fonte apresentar mais nitidez
e melhor reprodução das demais cores, o que tem fortes
implicações no brilho e na definição das imagens
observadas no microscópio óptico.
Preparação das amostras biológicas – Lâminas
com sangue periférico foram preparadas pela técnica da
gota espessa, que é uma rotina padrão no diagnóstico de
hematozoários, e coradas pela técnica Giemsa
(Romanosk), que é fortemente dependente da qualidade
de iluminação [4].
Resultados
Característica Colorimétrica – Um resumo das
características encontradas nos testes é mostrado na
tabela 1. Os resultados obtidos no ensaio das duas fontes
de iluminação mostram uma tendência na reprodução das
cores. Isso vem a ser comprovado com os gráficos que
relacionam o comprimento de onda com a intensidade
luminosa relativa, mostrados nas Figuras 2 e 3.
A figura 2 nos mostra que a lâmpada halógena apresenta
característica de realçar as cores que vão do amarelo para
o vermelho. Esse tipo de lâmpada tem seu pico, como
informado na tabela 1, no vermelho. Já na figura 3 é
possível notar uma melhor distribuição no espalhamento
das outras cores, com o pico na cor azul, para a
iluminação utilizando o LED.
Tabela 1: Resultado dos ensaios na esfera integradora.
Item
Comprimento de onda do pico
Comprimento de onda
dominante
Halógena
799nm
LED
446nm
Figura 4: Diagrama de cromaticidade CIE da lâmpada
halógena, à esquerda, e do LED, à direita. CIE (1931)
584,8nm
556,0nm
Iluminação das Imagens – Para verificar os
resultados obtidos pelos ensaios na esfera integradora,
uma lâmina com sangue periférico foi iluminada e
observada no microscópio óptico. As imagens resultantes
de cada uma das fontes luminosas, visualizadas com uma
objetiva de imersão de 100X, podem ser observadas na
figura 5.
Figura 2: espectro de distribuição de cor da lâmpada
Halógena de 6[V] e 20 [W].
Lâmpada Halógena
LED
Figura 5: Amostras observadas com objetiva de imersão
de 100X.
Análise das imagens – Quatro características foram
avaliadas em cada imagem, de forma separada para cada
um dos componentes de cor, denotados por , e :
brilho, contraste, entropia e histograma. O brilho,
,
foi calculado como sendo a média das intensidades dos
pixels, considerado apenas o respectivo componente de
, foi calculado no sentido rms (root
cor. O contraste,
mean square) conforme [7]. A entropia,
, é
determinada conforme [8]. Os resultados são mostrados
na tabela 2. Esses valores estatístico dispersivos são
reafirmados pelos histogramas de cada canal de cor como
apresentado nas figura 6, 7 e 8.
Figura 3: espectro de distribuição de cor do LED
LXML-PWC1-0100.
O uso da representação gráfica dos coeficientes
tricromáticos proposta e definida pelo CIE (Commision
Internationale de L'Eclairage - Comissão Internacional
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todos os componentes. A maior similaridade entre os
histogramas dos componentes R e G, no caso do LED,
indica uma iluminação mais branca, como indicado pelo
diagrama de cromaticidade.
O sistema de percepção do olho humano é formado
pelos fotorreceptores (retina – cones e bastonetes) e um
colimador (pupila) [9]. Os cones, localizados na região
central do campo visual, estão associados com a visão
diurna, colorida e com o ajuste fino dos detalhes ao passo
que os bastonetes, situados perifericamente ao campo
visual, são ligados à visão noturna [10] [11]. O estudo
apresentado, por se tratar de iluminação artificial de alto
brilho, relaciona-se aos cones, por serem os
fotorreceptores ativos em níveis de alta luminosidade.
Para comparar as respostas das diferentes fontes, as
curvas de sensibilidade da visão fotópica (sensibilidade
do olho em condições de intensidade luminosa que
permitam a distinção das cores) [12] [13] devem ser
consideradas. A curva da sensibilidade fotóptica pode ser
,
,
, em que λ é o
aproximada por λ
comprimento de onda em [nm].
Tabela 2: Resultado da análise das imagens
Item
Halógena
78,85
74,16
73,75
0,32
0,30
0,29
4,96
4,74
4,63
LED
82,11
78,05
78,05
0,31
0,32
0,30
5,47
5,11
4,71
Com base na visão fotópica fica fácil visualizar
porque algumas vezes os microscópios ópticos,
iluminados por lâmpadas halógenas, possuem aberração
cromática avermelhada; A figura 9 ilustra claramente
esse fenômeno. A lâmpada halógena tem seu pico, como
mencionado anteriormente, nos comprimentos de onda
correspondentes ao vermelho, compensando a redução de
sensibilidade do olho humano nessas frequências. O
mesmo não ocorre com o LED.
Figura 6: Comparação do histograma do canal R
(vermelho) da amostra iluminada pela lâmpada halógena e
pelo LED; a curva pontilhada é do LED.
Figura 7: Comparação do histograma do canal G (verde)
da amostra iluminada pela lâmpada halógena e pelo LED; a
curva pontilhada é do LED.
Figura 9: Comparação da eficácia relativa da visão
fotóptica em função do comprimento de onda da luz
relacionando com os gráficos das fontes luminosas.
Conclusão
A abordagem feita neste estudo possibilitou verificar
as diferenças quanto a reprodução de cores e a nitidez em
uma amostra biológica iluminada por uma lâmpada
halógena e por LED.
A iluminação LED ofereceu uma luz branca em todo
o campo de visão que foi superior à iluminação pela
lâmpada halógena. A consequência direta é a maior
nitidez na imagem produzida, peça fundamental na
observação microscópica. Também, há a vantagem de
não requerer uso de filtro, enquanto a iluminação pela
halógena necessita de um filtro (azul) de correção de cor
para compensar a tonalidade amarelada, que pode
produzir aberrações cromáticas avermelhadas, devido ao
Figura 8: Comparação do histograma do canal B (azul)
da amostra iluminada pela lâmpada halógena e pelo LED; a
curva pontilhada é do LED.
Discussão
As características de brilho e contraste do LED foram
superiores às da lâmpada Halógena em todos os
componentes de cor, exceto pelo contraste do
componente vermelho. A entropia (que indica a
quantidade de informação presente na imagem) da
amostra iluminada por LED também foi superior em
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seu comportamento de pico em coincidência com a curva
de sensibilidade do olho humano, em comprimento de
onda na região do amarelo para o vermelho, como
mostrado na figura 9.
As lâmpadas halógenas produzem ondas de luz
dentro do espectro UV (Ultravioleta - 100nm a 400nm) e
muita radiação (cerca de 90% da potência aplicada) na
região da radiação infravermelha (calor). Longos
períodos de tempo visualizando lâminas com essa
iluminação direta pode levar a uma fadiga mais rápida do
olho, desconforto e possíveis danos em longo prazo. Os
LEDs não produzem radiação no espectro UV ou IF
(Infravermelho), consequentemente levando a uma
iluminação mais segura e mais confortável ao usuário.
Por último, uma questão econômica: as lâmpadas
halógenas possuem um tempo de vida útil estimada de
100 horas e uma lâmpada LED de 3 [watts] tem uma vida
útil de aproximadamente 60.000 horas. Além disso, por
não possuir filamento, o LED não oferece risco de
queima por choque ou vibração, diferente das lâmpadas
halógenas, quando operam por longos períodos,
atingindo altas temperaturas.
through adaptation of photometric quantities. In:
Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th
Annual Conference of the IEEE, 2013. p. 6069-6074.
[10] Guyton AC, Hall JE, Guyton AC. Tratado de fisiologia
médica. Elsevier Brasil, 2006.
[11] Buck SL. The interaction of rod and cone signals:
pathways and psychophysics. The New Visual
Neurosciences, JS Werner and LM Chalupa, eds.(MIT,
2014), p. 485-497, 2014.
[12] Fraytag J. Efficient lighting systems based on photopic
and scotopic visual conditions. In: Congresso Brasileiro
de Automática, 2010.
[13] Boyce PR. Human factors in lighting. CRC Press; 2
edition, 2003.
[14] Bender VC. Metodologia de Projeto Eletrotérmico de
LEDs Aplicada ao Desenvolvimento de Sistemas de
Iluminação Pública. Dissertação de Mestrado –
Universidade Federal de Santa Maria, 2012.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer: ao GEDRE/UFSM
(Grupo de
Estudo
e
Desenvolvimento
de
Reatores Eletrônicos) pela infraestrutura disponibilizada
para os ensaios do trabalho; ao Prof. Dr. Alexandre José
Cichoski – UFSM, pelo microscópio cedido; à gentileza
do Dr. Mauro Sughiro Tada CEPEM (Centro de Pesquisa
em Medicina tropical de Rondônia); à Prof.ª Dr.ª
Carolina Yukari Veludo Watanabe, pela ajuda com as
lâminas; ao suporte financeiro da CAPES.
Referências
[1] Rodney W, Moraes LC. Análise da rentabilidade da
prestação de serviços para o sistema único de saúde
(SUS): estudo de caso em laboratório de análises
clínicas. In: Anais do X Congresso Brasileiro de Custos.
2003.
[2] Xavier RM. et al. Laboratório na prática clínica: consulta
rápida. Artmed, 2005.
[3] World Health Organization. "Basic laboratory methods
in medical parasitology." 1991.
[4] Ministério da Saúde. Secretaria de Vigilância em Saúde.
Manual de diagnóstico laboratorial da malária. Brasília,
2005. 112 p.
[5] Karrer E. The use of the Ulbricht Sphere in measuring
reflection and transmission factors., J. Opt. Soc. Am. 5,
96-119, 1921.
[6] Stiles WS, Burch JM. Interim report to the Commission
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National Physical Laboratory's investigation of colourmatching (1955). Journal of Modern Optics, v. 2, n. 4,
1955, p. 168-181.
[7] Eli P. Contrast in complex images, J. Opt. Soc. Am.
A/Vol.7, No.10, 1990. p. 2032-2040.
[8] Gonzalez RC, Woods RE. Processamento digital de
imagens. 3.ed. São Paulo: Pearson, 2010.
[9] Casagrande CG. et al. Evaluation of lighting systems
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