Identificación automática de fases minerales por microscopía de reflexión. Aplicación del análisis digital de imagen

La identificación automática de las fases minerales visibles en probetas pulidas mediante un sistema experto es un pre-requisito indispensable para la aplicación de las técnicas tradicionales de microscopía a los problemas industriales con un elevado rendimiento. Para su consecución, ha sido necesario obtener una óptima y homogénea calidad de pulido en las muestras utilizadas, lograr la puesta a punto del equipo de Análisis digital de imagen -ADI- y aplicar un análisis multiespectral sobre la imagen en color (RGB) obtenida en origen. Para este estudio inicial fueron analizadas un conjunto de probetas de menas sulfuradas con los minerales más comunes: la colección Rehwald, descrita por Randohr (1980) y estudiadas de nuevo para este objetivo específico.

Innovación en las técnicas de microscopía óptica aplicadas a la industria minera.

En la actualidad está plenamente reconocida la importancia de la caracterización mineralógica en el ámbito de la minería. Su aplicación es fundamental no sólo durante la etapa de diseño del circuito de concentración mineral, sino que se extiende también al control de calidad de los concentrados, al ajuste del circuito frente a variaciones de composición a medida que avanza la extracción en la mina, e incluso a la prevención de contaminación medioambiental. Tradicionalmente, el mineralogista se ha apoyado en el microscopio óptico y el contador de puntos para llevar a cabo la caracterización mineralógica. Sin embargo, una industria minera cada vez más exigente junto con la paulatina desaparición de expertos mineralogistas ha contribuido en gran medida al desarrollo de nuevas técnicas de análisis y a la evolución de las ya existentes. A menudo estas técnicas se apoyan en instrumentos costosos y de difícil mantenimiento (como el microscopio electrónico de barrido y la tecnología QEMSCAN), solo al alcance de grandes compañías mineras. Por todo ello, parece evidente que es necesaria una técnica que pueda realizar una caracterización mineral completa de manera más fiable y rápida que los métodos tradicionales, pero con un coste al alcance de la pequeña y mediana industria minera. El proyecto CAMEVA demuestra que esto es posible mediante un sistema automatizado de caracterización mineral basado en el análisis digital de imagen aplicado a la microscopia óptica de reflexión

La microscopía en el estudio del biodeterioro y la conservación del patrimonio histórico y cultural

El Patrimonio Histórico y Cultural es el legado que hemos recibido del pasado, lo que vivimos en el presente y lo que transmitimos a las futuras generaciones y comprende el conjunto de bienes, tanto materiales como inmateriales, acumulados a lo largo del tiempo. El Patrimonio Inmaterial o Intangible abarca las manifestaciones que innumerables grupos y comunidades de todo el mundo han recibido de sus antepasados y transmiten a sus descendientes, a menudo de manera oral, como el lenguaje, costumbres, religiones, leyendas y mitos. La protección de este Patrimonio es muy vulnerable debido a su índole efímera. El Patrimonio Material o Tangible se divide a su vez en Bienes Muebles, como manuscritos, documentos, colecciones científicas, grabaciones, fotografías y películas, entre otros, e Inmuebles como monumentos, paisajes culturales, conjuntos arquitectónicos, obras de ingeniería, etc. Contiene, por tanto, una gran diversidad de materiales de naturaleza muy heterogénea: papel, madera, piedra, pergamino, seda, polímeros, metales.

Segmentación automática de ramificaciones y espinas dendríticas a través de muestras obtenidas mediante microscopía confocal.

Este documento está organizado en cuatro grandes bloques. Tras este primer bloque introductorio, con un enfoque global, está el bloque II, dedicado al estado de la cuestión. En ella se desarrollarán, en dos capítulos, temas fuertemente relacionados con este proyecto. Por un lado, se ha realiza una introducción a la Neurociencia y a toda la parte biológica que se tratará durante el documento. Se explicarán herramientas informáticas que actualmente se usan en la biología, y se presentarán trabajos previos similares a los de este trabajo, y sobre todo la forma actual de recuperación de los datos biológicos necesarios. La parte III se corresponde con el estudio del problema y las posibles propuestas para su resolución. Se tratarán todos los algoritmos estudiados y se mostrarán los resultados obtenidos de la ejecución de alguno de ellos. En la última parte y para terminar, se expondrán las conclusiones del trabajo realizado, así como las líneas futuras en este campo.

Desarrollo de un procedimiento para la observación y caracterización mecánica de células sobre sustratos opacos mediante microscopía de fuerzas atómicas : aplicación al estudio de linfocitos

Las células en los tejidos biológicos están continuamente sometidas a estímulos físicos tales como la presión hidrostática y esfuerzos de tracción, compresión o cortante, entre otros. La importancia de los estímulos mecánicos en el comportamiento de las células se ha reconocido recientemente al comprobarse cómo la naturaleza de estas fuerzas puede cambiar en patologías tales como las enfermedades vasculares o el cáncer. En respuesta a estos cambios, las células reaccionan modificando desde su forma o aspecto hasta su ciclo celular. Consecuentemente, el interés por el comportamiento mecánico de las células ha experimentado un auge creciente que ha requerido el desarrollo de varias técnicas de caracterización. En este contexto, se puede afirmar que una de las técnicas que ha irrumpido con más fuerza en esta nueva área, situada entre el mundo biológico y el físico, es la microscopía de fuerza atómica. En esta Tesis se ha abordado el estudio mediante microscopía de fuerza atómica de linfocitos de ratón que constituyen un linaje celular especialmente difícil de caracterizar mediante esta técnica por su tamaño y naturaleza no adherente. Los linfocitos, como actores fundamentales del sistema inmune, tienen gran importancia en la determinación de la respuesta que un organismo desencadena ante la presencia de un biomaterial. Bajo esta premisa, y como condición previa a la caracterización de los linfocitos, ha sido necesario el desarrollo de una metodología robusta y de amplia aplicabilidad que permita el estudio de células sobre biomateriales. Finalmente y con el objetivo de correlacionar el comportamiento mecánico de los linfocitos con alguna característica fisiológica relevante, se ha analizado la hipótesis de que el comportamiento mecánico pueda ser utilizado como marcador de la edad biológica. Consecuentemente se ha abordado el estudio del comportamiento mecánico de los linfocitos clasificados por grupos de edad, de manera que se han obtenido los primeros resultados que indican cómo puede manifestarse el proceso de inmunosenescencia -depresión del sistema inmune relacionada con el envejecimiento- en el comportamiento mecánico de las células del sistema inmune. Cells within tissues are continuously exposed to physical forces including hydrostatic pressure, shear stress, and compression and tension forces. The relevance of these mechanical stimuli has recently been recognised by different works in which significant changes were observed in these forces when they were measued in individuals affected by cardiovasvular diseases or cancer. Cells may alter their orientation, shape, internal constitution, contract, migrate, adhere, modify the synthesis and degradation of extracellular constituents, or even their life cycle in response to perturbations in their mechanical environment. As a consequence of this, the attention in cell mechanical behavior has undergone a significant thrust and novel techniques have been developed. In this context, atomic force microscopy has become a basic tool for the progress of this field. In this Thesis, the mechanical behavior of living murine T-lymphocytes was assessed by atomic force microscopy. Lymphocytes play a main role in the immune system of the individual and, consequently, in the immune response triggered by the presence of a biomaterial. The observation and characterization of the lymphocytes required the development of a robust experimental procedure that allowed overcoming the difficulties related to the analysis of this cell lineage, in particular their relatively large size and non-adherent character. These procedures could be easily transferred to other non-adherent cell lineages. Finally, to check the viability of developed method, we study the lymphocyte mechanical behavior as a function of the murine ageing. The obtained data represent a first step in the knowledge about how mechanical stimuli can affect the age-dependent decrease in immunological competence, i.e., the immunosenescence.

Resolución estructural en 3D de electrocerámicas mediante microscopía Raman confocal

Las propiedades de los materiales cerámicos son una combinación entre las propiedades intrínsecas, definidas por los granos cristalinos, y las propiedades extrínsecas, como son bordes de grano y fases secundarias. La relación entre estos dos elementos produce en muchas ocasiones, la presencia de propiedades inusuales que son la base de muchos materiales electrocerámicos. Sirvan como ejemplo algunos materiales tipo como son: varistores cerámicos, termistores, materiales con coeficiente de resistividad positivo, sensores de borde de grano, etc. En un material electrocerámico con respuesta funcional la correlación entre estructura-microestructura -propiedades es una constante, tanto en la etapa de diseño en laboratorio como en la etapa de producción industrial. El empleo de Microscopía Raman Confocal (MRC) se propone como una metodología relevante para el estudio de los factores que afectan a dichas correlaciones en materiales electrocerámicos. La técnica de MRC constituye una potente herramienta que permite determinar no solo la estructura sino las interacciones entre los elementos microestructurales. La correlación entre estas variables con las propiedades funcionales y la posibilidad de determinar las mismas en condiciones de operación, abren unas posibilidades que hasta la fecha solo estaban en la imaginación de los científicos. En esta presentación se resumen brevemente algunos de los principios relacionados con la técnica de Microscopía Raman Confocal, que junto con ejemplos seleccionados permiten visualizar aspectos relacionados con: la orientación de cristales, identificación fases cristalinas; resolución de nanoestructuras e interfases; determinación y dinámica de dominios ferroeléctricos; presencia de tensiones mecánicas; fenómenos de conducción,... sobre diferentes materiales cerámicos. Los trabajos mostrados son ejemplos de alta resolución en 3D de materiales funcionales como son los materiales electrocerámicos.

Mejora de la segmentación de espinas en imágenes de microscopía confocal

La reconstrucción y caracterización de las espinas dendríticas es hoy en día un área de trabajo de gran interés en la investigación neurobiológica. Las dendritas son prolongaciones en forma de ramas de la neurona. Las espinas dendríticas se encuentran a lo largo de las dendritas y son las encargadas de transmitir los impulsos electroquímicos al cuerpo de la neurona. El objetivo de este trabajo es desarrollar un algoritmo con el objetivo de mejorar las reconstrucciones 3D de las espinas dendríticas. Se ha utilizado un algoritmo de segmentación basado en los contornos activos morfológicos para analizar las imágenes de partida y conseguir nuevas reconstrucciones 3D fieles a estas imágenes. En este documento presentamos todo el desarrollo necesario para llevar a cabo los objetivos del proyecto. Por último también se presentarán los resultados obtenidos con este método comparándolo con las reconstrucciones de partida. ABSTRACT The reconstruction and characterization of dendritic spines is a hot topic in modern neurobiology research. Dendrites are the branched ramifications of a neuron. Dendritic spines are found along the dendrites and are responsible for transmitting electrochemical signals to the neuron’s main body. The purpose of this work is to develop an algorithm to improve the 3D reconstruction of dendritic spines. We use a segmentation algorithm based on morphological active contours to analyze the images and get new faithful 3D reconstructions of these images. In this document we present all the development necessary to accomplish the project goals. Finally, we will compare present results obtained by this method with the starting reconstructions.

Desarrollo de un sistema de digitalización y análisis de imágenes de microscopía para el diagnóstico de tuberculosis mediante inteligencia colectiva y gamificación

En este Trabajo de Fin de Grado se diseña, implementa y evalúa un sistema se digitalización de muestras de esputo basado en telefonía móvil e integrable con TuberSpot. Además, se proponen técnicas de procesamiento de imagen para el control de calidad del análisis y se implementa un mecanismo para evaluar la eficiencia de la inteligencia colectiva y la gamificación en este contexto. El sistema de adquisición propuesto utiliza smartphones, adaptadores móvil-microscopio y una aplicación Android. El protocolo de adquisición se ha diseñado conforme a un estudio realizado con personal médico cualificado. El control de calidad se basa en la inserción de bacilos simulados en las imágenes. Para la evaluación de eficiencia de TuberSpot se crea, en colaboración con médicos especialistas, un repositorio de imágenes en las que posición y número de bacilos quedan registrados.

Caracterización geométrica de huellas de dureza Brinell mediante equipos ópticos. Modelo con microscopía confocal

En esta tesis se desarrolla una metodología alternativa para la determinación de la dureza Brinell a partir de imágenes obtenidas mediante microscopía confocal, que se ha mostrado robusta para mejorar los resultados de medición del diámetro en condiciones de reproducibilidad. Las validaciones realizadas evidencian su posibilidad real de implementación, especialmente para la certificación de patrones de dureza. Los estudios experimentales realizados ponen de manifiesto que la medición del diámetro de una huella de dureza Brinell, siguiendo la metodología tradicional, depende de la posición del patrón, de las características del equipo empleado y del propio operador. Dicha medida resulta crítica y las dificultades para identificar el borde de la huella incorporan a menudo una fuente adicional de incertidumbre difícil de soslayar. En esta investigación se han desarrollado dos modelos matemáticos que permiten identificar de forma unívoca el diámetro de la huella en el punto donde se produce el límite de contacto entre el indentador y el material de la probeta durante la realización del ensayo. Ambos modelos han sido implementados en Matlab® y se ha verificado su validez mediante datos sintéticos. Asimismo, se ha realizado una validación experimental sobre patrones de dureza certificados, empleando un microscopio confocal marca Leica, modelo DCM 3D disponible en el Laboratorio de Investigación de Materiales de Interés Tecnológico (LIMIT) de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIDI – UPM). Dicha validación ha puesto de manifiesto la utilidad de esta nueva metodología por cuanto permite caracterizar las huellas, estimar las incertidumbres de medida y garantizar la trazabilidad metrológica de los resultados. ABSTRACT This PhD thesis presents an alternative methodology to determine the Brinell hardness from the images obtained by confocal microscopy that has proved to be robust to improve the results of indentation diameter measurements in reproducibility conditions. The validations carried out show the real possibility of its implementation, especially for calibration of hardness reference blocks. Experimental studies performed worldwide show that the measurement of the indentation diameter in a Brinell hardness test depends, when the traditional methodology is applied, on the position of the test block, the equipment characteristics and the operator. This measurement is critical and the difficulties to identify the edge of the indentation often bring an additional source of uncertainty with them that is hard to avoid. In this research two specific mathematical models have been developed to identify unambiguously the indentation diameter at the point where the edge of the boundary between the indenter and the test block is found during the test. Both models have been implemented on Matlab® and their validity has been verified by synthetic data An additional experimental validation with calibrated hardness reference blocks has been carried out using a Leica-brand confocal microscope, model DCM 3D, available in the Laboratory for Research on Materials of Technological Interest (LIMIT in its Spanish acronym) of the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIDI-UPM). This validation has shown the utility of this new methodology since it allows to characterize the indentation, to estimate the measurement uncertainties and to ensure the metrological traceability of the results.

Estudio de los enlucidos de yeso de la iglesia de San Pedro de los Francos de Calatayud. Study of plasters finishes on San Pedro de los Francos church at Calatayud

El estudio de los enlucidos de la iglesia de San Pedro de los Francos de Calatayud ha permitido demostrar, en primer lugar, la secuencia estratigráfica mediante la lectura de la interfase de adherencia; en segundo lugar, la evolución de las técnicas de aplicación, desde el enlucido mudéjar, un fingido de piedra agramilado y pintado (siglo XV), hasta los enlucidos lisos y pinturas aplicados posteriormente. Y, finalmente, a través de los estudios de microscopía electrónica de barrido (SEM) y de difracción de rayos X (DRX), se ha determinado que son morteros en los que tanto el conglomerante como el árido son yeso y anhidrita, que correspondería a un yeso trasdicional multifase, cuyos granos más gruesos analizados como áridos proceden del producto obtenido artesanalmente.

Geo-referenciación aplicada al análisis digital de imagen para la caracterización de menas metálicas

El análisis cuantitativo de las fases minerales visibles en probetas pulidas mediante un sistema experto y automático representan un eficaz complemento a las técnicas tradicionales de microscopía de reflexión. El Análisis digital de imagen, ADI, en comparación con las técnicas habitualmente usadas de cuantificación (platina integradora), supone un ahorro enorme de tiempo, a la vez que facilita un potentísimo instrumento para el tratamiento estadístico de las medidas que se realizan.

Mineralogía aplicada para la pequeña minería

La pequeña minería puede beneficiarse de una forma muy directa de los recientes avances en el campo de la mineralogía aplicada y técnicas relacionadas. La definición tipológica y la modelización de yacimientos han alcanzado tal nivel que pueden permitir derivar conclusiones de alcance práctico, para exploración o incluso para la consecución de créditos, con estudios petrológicos y mineralógicos relativamente sencillos y baratos. Igualmente la aplicación rigurosa de técnicas como el análisis digital de imagen a la microscopía de menas metálicas proporciona, con un coste muy limitado, gran cantidad de información que puede ser vital para controlar la eficiencia del proceso mineralúrgico y para la protección ambiental. Las investigaciones en curso en el Laboratorio de Mineralogía Aplicada muestran la utilidad de estos estudios en diversos casos prácticos en Iberoamérica. Un ejemplo puede ser la pequeña minería de Zaruma-Portovelo (Ecuador), con una tradición secular de beneficio de menas polimetálicas y de metales preciosos.

Los Yacimientos de Arcillas de la Isla de Bioko. Caracterización y Aplicaciones Tecnológicas.

Las recientes investigaciones realizadas en los potentes yacimientos de arcillas que se encuentran en la Ciudad de Malabo (Bioko Norte), República de Guinea Ecuatorial, revelaron la presencia mayoritaria de una fase compuesta por sepiolita, acompañada por especies secundarias de feldespato, caolinita, hematita, moscovita e illita. Los análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB), difracción de rayos x (DRX) y agregado orientado con etilenglicol (AO), indican un comportamiento similar y homogéneo de la composición de las muestras estudiadas. Por otro lado, los análisis químicos, puzolanicidad, granulometría (tamizado en seco), consistencia, tiempo de inicio y final de fraguado y la determinación de la estabilidad de volumen, confirman la idoneidad de estas arcillas sepiolíticas no expansivas para sustituir hasta un 25% del cemento portland en los proyectos de mezclas de morteros. No se tiene noticia sobre la realización de proyectos de investigación en estas formaciones sedimentarias, por lo que se considera el primer trabajo de carácter científico que se inicia para la caracterización, sistematización y posibles aplicaciones de estas arcillas en la aún incipiente industria de la construcción ecuatoguineana.

Los Yacimientos Ecuatoguineanos de Arenas Silíceas. Caracterización y Establecimiento de sus Posibles Usos.

Dentro de la amplia diversidad de rocas y minerales industriales que yacen en la República de Guinea Ecuatorial se encuentran los yacimientos e indicios de arenas silíceas de Bioko Norte. Las escasas crónicas mencionan actividades de explotación esporádica y temporera en tres pequeñas cortas, actualmente paralizadas, que se ubican en la aldea de El Cacahual, aproximadamente al suroeste de la ciudad de Malabo, destinadas a la fabricación de morteros para pequeñas construcciones locales. Sin embargo, no se registran estudios sobre la composición y la calidad tecnológica de estos materiales. Los recientes trabajos de investigación llevados a cabo por investigadores de la Escuela de Minas de Madrid y la Universidad de Moa (Cuba), con la colaboración de profesores de la Universidad Nacional de Guinea Ecuatorial, y cuyos resultados se ofrecen en estas líneas, incluyeron campaña de muestreo, caracterización y aplicaciones de estos materiales. Las primeras conclusiones establecen que en la composición sustancial de estos yacimientos aparece el cuarzo como principal fase mineral, acompañado por feldespato, caolinita, mica moscovita e illita (DRX). El estudio morfológico de las muestras por medio de la microscopía electrónica de barrido (MEB) permitió describir granos con dimensiones muy cercanas y con formas angulosas, subangulosas y ocasionalmente subredondeadas, que indican un transporte escaso o casi nulo; esta evidencia infiere la naturaleza residual de estos yacimientos, formados a partir de la alteración y posterior redeposición eluvial de un supuesto protolito de composición granitoide. Por otra parte, la presencia de fases representadas por dolomita y hematita podrían ser el testimonio de la acción de procesos hidrotermales que afectaron a estas formaciones. Otras tareas que complementaron esta investigación, como el estudio granulométrico, contenido en materia orgánica y ensayos de resistencias mecánicas, que fueron realizadas por el Laboratorio Oficial para Ensayos de Materiales de Construcción (LOEMCO), corroboran la calidad tecnológica de estas arenas.

Estudio De Las Propiedades Puzolánicas De Las Rocas Volcánicas Del Monte Basilé, República De Guinea Ecuatorial, Y Sus Aplicaciones Como Puzolanas Para La Sustitución Del Cemento En Las Mezclas De Morteros.

Las rocas efusivas formadas por la actividad volcánica del volcán Basilé constituyen la principal fuente de áridos naturales de la Isla de Bioko, en Guinea Ecuatorial. El auge alcanzado por la construcción en la ciudad de Malabo, Malabo II y Malabo III, son un testimonio concluyente del volumen de áridos empleado para erigir los nuevos polígonos, urbanizaciones, infraestructura portuaria, carreteras, presas, alcantarillados y paseos marítimos. Gran parte de los materiales de construcción, fundamentalmente el cemento, procede de las importaciones, mientras que las rocas y minerales industriales autóctonos se conocen poco, opacados por el papel hegemónico del petróleo y el gas natural. El desconocimiento casi absoluto de las propiedades químicas, petrográficas y mecánicas de estas rocas, y la existencia de un sistema normativo pobre, ha provocado su uso indiscriminado y una controvertida calidad en la elaboración de los productos finales. Asimismo, la falta de experiencia en ingeniería y geotecnia para el desarrollo de minas y canteras, y la intermitencia de una ley de minas poco consolidada, ha favorecido la germinación indiscriminada de un gran número de excavaciones, propensas a continuos derrumbes y a la producción de impactos medioambientales irreversibles. La presente contribución científica se ha marcado como objetivo mostrar los resultados obtenidos del análisis y caracterización de estas formaciones volcánicas, así como su posible aprovechamiento industrial mediante el aporte de datos sobre sus propiedades puzolánicas e idoneidad en la elaboración de morteros. Los datos indican que estas rocas eruptivas, fundamentalmente escorias y flujos de lavas de composición basáltica, son capaces de sustituir al cemento pórtland normal hasta en un 25%, favoreciendo el incremento de las resistencias mecánicas normales con valores que sobrepasan los 37 Mpa a 28 días. El análisis de las muestras mediante el método de la puzolanicidad a 7 días dejó establecido el carácter puzolánico de estas rocas, que fue corroborado por la interpretación de citados ensayos mecánicos. El estudio de la composición química detectó contenidos en SiO2 (44,40%), Al2O3 (15,58%), CaO (9,32%), MgO (4,25%) y Fe2O3 (13,63%), y cantidades despreciables de azufre, sulfatos y materia orgánica. Los análisis de difracción de rayos x revelaron la presencia mayoritaria de una fase compuesta por feldespato, y una fase subordinada constituida por cuarzo, hematita y dolomita. El estudio mediante microscopía electrónica de barrido permitió comprobar la ausencia casi total de las especies vítreas. Los resultados que se presentan en este trabajo, podrían devenir en información útil para el posible emplazamiento de una fábrica de cemento puzolánico en la Isla de Bioko; la actual fábrica Abayak, única en Guinea Ecuatorial, y que se encuentra situada en la parte continental del país, no aporta suficiente producción para las demandas cada vez mayores de la construcción.