استخلاص الخصائص المورفولوجية للجسيمات النانوية الدائرية من صور SEM باستخدام بايثون

الخطوة الأولى: المعايرة الأولية وتحديد المقياس المرجعي

قبل الشروع في التحليل السحابي عبر Colab، يتطلب الأمر تحديد الأبعاد البكسلية لشريط المقياس (Scale Bar) المرفق بالصورة المجهرية، وذلك كإجراء أساسي لتوحيد القياسات الفيزيائية.

1. افتح الصورة المجهرية المراد تحليلها باستخدام أي برمجية أساسية لمعالجة الصور (مثل: Paint في Windows، أو Preview في macOS، أو برمجية ImageJ العلمية).
2. حدد موقع شريط المقياس (الخط المرجعي الأبيض أو الأسود) المتواجد عادةً في الشريط المعلوماتي السفلي للصورة.
3. استخدم أداة التحديد لرسم مسار دقيق يطابق طول الشريط من نقطة البداية إلى النهاية.
4. سجل الطول الناتج بوحدة البكسل (px). (مثال توضيحي: 420 بكسل).

الخطوة الثانية: تهيئة بيئة العمل السحابية ورفع البيانات

تعتمد الأداة على خوادم Google Colab لمعالجة الصور دون استهلاك موارد حاسوبك الشخصي.

• استخدم الرابط البارز أعلاه للوصول إلى بيئة المشروع على Google Colab.
• قم بتفعيل الخلية البرمجية (Cell) المحتوية على الكود عبر النقر على أيقونة التشغيل (▶️) أو باستخدام الاختصار المرجعي (Shift + Enter).
• عند التهيئة، ستطالبك الواجهة برفع الصورة عبر ظهور زر “Choose Files” (اختيار ملفات).
• انقر عليه، حدد الصورة المجهرية من نظامك المحلي، وانتظر ثوانٍ معدودة لاكتمال النقل إلى الخادم السحابي.

الخطوة الثالثة: إدخال متغيرات المعايرة والفلترة المكانية

يستدعي النظام إدخال ثلاث معطيات أساسية متتالية في موجه الأوامر أسفل الخلية لضمان دقة التحليل الكمي:

• 1. الطول البكسلي لشريط المقياس:
  وهو الرقم المُقاس في الخطوة الأولى. (يُكتب الرقم مجرداً، مثال: 420).
• 2. القيمة الفيزيائية المرجعية:
  القيمة المدونة أعلى شريط المقياس في الصورة مرفقة بالوحدة القياسية. النظام مزود بآلية التعرف المورفولوجي على النص ويقوم آلياً بالتحويل إلى وحدة الميكرومتر. (مثال: 2 um أو 500 nm).
• 3. الحد الأدنى للقطر الحرج (الجسيم الأصغر):
  يُعمل هذا المدخل كمرشح مكاني (Spatial Filter) لاستبعاد الضوضاء الرقمية (Noise) والخلفية. يتطلب إدخال التقدير النظري لأصغر جسيم متوقع في العينة مرفقاً بالوحدة. (مثال: 50 nm).

الخطوة الرابعة: المعالجة الآلية واستخراج المخرجات

فور إدخال المتغيرات، تخضع الصورة لمعالجة خوارزمية صامتة تشمل: اقتصاص الشريط المعلوماتي، تعزيز التباين، العزل الهيكلي للجسيمات (Segmentation)، والتصحيح المورفولوجي. وتكون المخرجات كالتالي:

1. التقرير الإحصائي الوصفي (النصي): يقدم مقاييس النزعة المركزية والتشتت للحجم، متضمناً قيم (D10, D50, D90) ومعامل التشتت (PDI).
2. اللوحة البيانية البصرية (Visual Canvas): شكل مركب يعرض مراحل العزل، المدرج التكراري للتوزيع الحجمي، ومخطط التصنيف المورفولوجي.
3. جدول البيانات الخام (CSV): ملف يحمل اسم SEM_Data_Output.csv يضم القياسات الدقيقة لكل جسيم على حدة.

مثال: اللوحة البيانية البصرية للنتائج المستخرجة

الخطوة الخامسة: الدليل الإحصائي للمتغيرات الفيزيائية المخرجة

يمثل كل صف في ملف (CSV) المُستخرج جسيماً نانوياً مستقلاً، وتمثل الأعمدة الخصائص الهندسية الدقيقة لكل جسيم وفق التعريفات العلمية الآتية:

• Class (التصنيف المورفولوجي): خوارزمية ذكية لتصنيف الجسيم إلى:
  • Primary Particle: جسيم أولي (منتظم، يقترب من الشكل الكروي).
  • Compact Agglomerate: تكتل متراص (اندماج جسيمات في كتلة شبه منتظمة ذات مسامية منخفضة).
  • Branched Agglomerate: تكتل متفرع (عناقيد وسلاسل عشوائية ناتجة عن التلبد القوي).
  • Artifact/Wire: شوائب أو أشكال عصوية مستبعدة من التوزيع الحجمي.
• Area_um2 (المساحة المقطعية): المساحة المسقطة للجسيم بوحدة الميكرومتر المربع (µm²).
• Feret_Diameter_um (قطر فيريت): ويُعرف بالقطر الفرجاري (Caliper Diameter)، وهو المسافة القصوى بين أي خطين متوازيين يماسان الحواف الخارجية للجسيم. يُعد المعيار الذهبي لتحديد حجم الجسيمات غير الكروية.
• Eq_Diameter_um (القطر المكافئ): قطر دائرة افتراضية تمتلك مساحة مطابقة لمساحة الجسيم المقاس.
• Circularity_corrected (الاستدارة المصححة): مؤشر يمتد من (0 إلى 1) يعبر عن مدى تطابق الجسيم مع الدائرة المثالية. تستخدم الأداة معامل (Haralick) لتصحيح تشوهات الحواف (Pixelation) الناتجة عن دقة التصوير في الجسيمات المتناهية الصغر.
• Convexity (التحدب المورفولوجي): مؤشر من (0 إلى 1) يعكس كثافة بنية الجسيم وخلوه من الفجوات الغائرة. التكتلات المتفرعة تمتلك قيماً منخفضة.
• Aspect_Ratio (نسبة الاستطالة): نسبة المحور الطولي للجسيم إلى المحور العرضي. تقترب من القيمة (1) في الجسيمات الكروية، وتتجاوز (5) في الأسلاك النانوية (Nanowires).