Medição de Tamanho e Forma de Partículas através de Análise de Imagem

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O que são Tamanho e Forma de Partículas?

  Neste material, discutiremos como as imagens podem ser analisadas para calcular o tamanho e a forma das partículas.

O que é tamanho de partícula?

  Representar partículas 3D é um problema muito complexo. Do ponto de vista prático ou sob a perspectiva do gestor, expressar o tamanho da partícula por um único número é muito conveniente. No entanto, há muitas maneiras de expressar o tamanho se a forma da partícula não for perfeitamente esférica (o que é raro na prática). Isso é um desafio básico na análise de tamanho de partículas.

  Como é possível representar um material 3D com um único número? A análise de imagens captura imagens 2D da partícula 3D e calcula parâmetros de diversos tamanhos e formas. Um método de calcular o diâmetro é usar o conceito de Diâmetro de Círculo Equivalente (CE), com a mesma área de um círculo 2D equivalente à partícula.

Diâmetro CE

  A imagem 3D da partícula é capturada em 2D e convertida para uma imagem 2D circular de mesma área. O diâmetro do círculo resultante é conhecido como diâmetro CE (veja Fig 1).

  Certamente, um único valor de uma única partícula não é amplamente aplicável como “um número com objetivo administrativo”. Valores dependentes de partículas individuais não são estatisticamente significantes. O número de partículas representando a amostra total deve ser derivado de parâmetros estatísticos pós-medidos.

  Uma média de todos os diâmetros CE é mais adequada para expressar este valor único. Parâmetros estatísticos, como média, mediana, moda, desvio padrão, D10, D90, são gerados a partir da distribuição.

  Na prática, muitas amostras seguem uma distribuição “normal” ou “gaussiana” ampla. Isso permite a verificação precisa dos parâmetros e estatísticas confiáveis com o número mínimo de partículas.

O que é forma de partícula e por que é importante?

  Determinar a forma da partícula é ainda mais complexo do que determinar seu tamanho. Existem infinitas maneiras e métodos quantitativos que podem se afastar do nosso objetivo de expressá-lo com um número quantitativo. Então, por que medir a forma? Somente medir o tamanho muitas vezes não é suficientemente sensível para captar diferenças sutis entre amostras.

  Por exemplo, considerar três formas diversas: devido às diferenças sutis entre elas, a equivalência em diâmetro de círculo ou diâmetro de esfera desaparece. As três formas possuem áreas projetadas semelhantes, mas podem parecer diferentes.

Três principais fatores de forma de partícula – Circularidade, Convexidade, Alongamento

   Circularidade

Uma das formas de medir é quão próxima uma partícula está de ser um círculo perfeito. Usamos o parâmetro chamado Circularidade definido pela fórmula abaixo:

  A é a área da partícula e P é o perímetro.

  A Circularidade tem um valor entre 0 e 1. A circularidade de um círculo perfeito é 1 e partículas com formas irregulares e pontiagudas têm valores próximos de 0. A circularidade é sensível à forma e à rugosidade da superfície. Abaixo, formas mostram como a forma, a simetria e a rugosidade da superfície afetam a Circularidade.

  A Circularidade é um excelente meio de medir o afastamento de um círculo perfeito. No entanto, é importante lembrar que descrever uma partícula somente pela sua circularidade não pode capturar completamente a combinação de suas formas.

  Então, vários parâmetros de forma foram desenvolvidos como uma caixa de ferramentas adequada para cada caso. Por exemplo, partículas esféricas devem considerar medições para QC usando circularidade como parâmetro para distinguir a desvio de um círculo perfeito. Contudo, a circularidade não se aplica a partículas pontiagudas ou elípticas.

  Outras duas características usadas nos parâmetros de forma são convexidade e alongamento.

   Convexidade

  Convexidade mede a rugosidade da superfície da partícula, calculando o perímetro do convex hull (parâmetro da superfície convexa). A maneira mais fácil de visualizar o perímetro do convex hull é pensar numa banda elástica ao redor da partícula. A convexidade também varia de 0-1. Superfícies lisas têm um perímetro de convex hull de 1, correspondendo ao valor real da partícula. E partículas pontiagudas têm valores mais próximos de 0.

   Alongamento

  O Alongamento é definido por 1 – razão entre largura/comprimento. Como o nome sugere, mede o alongamento e tem um valor entre 0-1. Fig 5 mostra que aplicar esse parâmetro para formas com rugosidade é difícil – o valor de alongamento de um elipse lisa é semelhante ao de um elipse pontiagudo.

  A análise de imagens oferece duas melhorias distintas: resolução baseada em número e armazenamento de imagens. Ambas fornecem informações para compreender melhor produtos e processos de produção.

O que é Resolução Baseada em Número?

  O sistema baseado em número é relevante para detectar partículas pequenas ou amostras desconhecidas. A sensibilidade baseada em número nem sempre é necessária. Quando não, pode ser devido à vantagem de velocidade ou à conveniência do método total.

  Métodos de tamanho total de partícula são baseados em volume. Isso significa que a dispersão das partículas individuais é proporcional ao seu volume. As partículas menores afetam menos a dispersão.

  Com a análise de imagem, os dados de base numérica são oferecidos, significando que as partículas pequenas têm a mesma representação na dispersão que as grandes.

  No diagnóstico e solução de problemas, partículas pequenas são cruciais para entender o processo de produção e necessitam de análise de imagem mais sensível.

Armazenamento de Imagens 

  Visualizar as imagens de partículas individuais fornece dados quantitativos e otimiza o desenvolvimento do método e a preparação da amostra. É especialmente útil para verificar se partículas com formas peculiares são verdadeiras ou aglomeradas. Todas as imagens armazenadas podem ser estruturadas, filtradas e classificadas conforme necessidade do usuário.

  Fig 7 mostra partículas esféricas e reuniões detectadas