מה לשקול בעת בחירת חיישן מצלמה למכשיר רפואי

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
X-ray_Promo1


חלק 2: קרינת אירוע, חשיפה, רווח וקצב פריימים

חיישני מצלמה הם מרכיבים נפוצים של מכשירים רפואיים. בבלוג זה אדון בפירוט כיצד קרינת האור הנכנסת, זמן החשיפה, הרווח וקצב הפריימים גורמים לשימוש בחיישני מצלמה עבור מכשירים רפואיים.

עיקרי הטייק-אווי הם:

  • כדי ללכוד נתונים או תמונות על חיישן מצלמה עם יחס אות לרעש (SNR) וטווח דינמי הגבוהים ביותר האפשריים, השיטה הטובה ביותר היא בדרך כלל להגדיל את כמות האור שפוגע בחיישן ככל האפשר מבלי להרוות. לאחר מכן, אם האות עדיין לא קרוב לרוויה, להגדיל את זמן החשיפה (אם מותר על ידי האפליקציה הספציפית).
  • ניתן להחיל רווח להבהרת תמונה, אך ברוב המקרים אינו משפר את ה-SNR ויוריד את הטווח הדינמי המקסימלי האפשרי של החיישן. עם זאת, בהתאם לפרטי הממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC) של החיישן וכאשר מופעל רווח בשרשרת האות, הטווח הדינמי בתמונה מצולמת לפעמים ניתן להגדיל ביעילות על ידי הגדלת הרווח.
  • דרישות קצב הפריימים משתנות מאוד בהתאם ליישום. קצבי פריימים נמוכים מקובלים בדרך כלל לצילום פשוט, כאשר קצבי פריימים מתונים (24 ​​הרץ עד 60 הרץ) מתאימים ליישומי וידאו רבים ופשוטים. יישומים המשתמשים במשוב בזמן אמת יכולים להפיק תועלת משיעורי פריימים גבוהים של וידאו. בכמה יישומים מיוחדים, כגון ציטומטריית זרימה וטומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT), ישים שיעורי פריימים גבוהים אף יותר (kHz או יותר). קצבי פריימים גבוהים יכולים להיות שימושיים גם לשיפור איכות הנתונים באמצעות מיצוע.

הקרנת אירוע, זמן חשיפה ורווח

באופן כללי, הדרך היעילה ביותר להגדיל את ה-SNR באות שנמדד היא להגדיל את כמות האור הנכנסת בחיישן המצלמה ליחידת זמן ליחידת שטח (כלומר, קרינה של האור על החיישן). במערכות עדשות מצלמה טיפוסיות, אירוע הקרינה על החיישן נקבע לפי גודל ה- צוֹהַר – הפתח שאור עובר בו כשהוא עובר דרך העדשה ואל החיישן. הגדלת גודל הצמצם מגדילה בדרך כלל את הקרינה הנופלת על החיישן.

קרינה גדולה יותר על החיישן מייצרת אות גדול יותר מבלי להגביר את קריאת החיישן או הרעש האפל של החיישן (כיוון שאלו מקורם באלקטרוניקה של החיישן[1]). לכן אין פגיעה נוספת לא ל-SNR או לטווח הדינמי האפשרי של החיישן ממקורות רעש אלה ככל שרמת האור מוגברת. רעש הזריקה גדל מטבעו עם עליית האות. עם זאת, בהנחה שהחיישן לא רָווּי (כלומר, הוא לא הגיע לרמת האות שבה לא ניתן לאסוף יותר אות), ה-SNR בכל זאת יוגדל מאחר שקנה ​​המידה של רעש הירי הוא שורש ריבועי של ספירות האותות, וה-SNR עבור מספר נתון של ספירות הוא אפוא בקירוב.

חיישן מצלמה זמן חשיפה ההגדרה קובעת את משך הזמן שהחיישן אוסף אור עבור לכידת תמונה בודדת. ככל שזמן החשיפה ארוך יותר, כך האות המתקבל גדול/בהיר יותר (בהנחה שהחיישן אינו רווי). בנוסף להגדלת האות, הגדלת זמן החשיפה מגבירה את הרעש הכהה (אך לא את רעש הקריאה). הרעש הכהה מתגבר ככל שה שורש ריבועי של זמן החשיפה ועולה עם עליית הטמפרטורה. במקרים מיוחדים מסוימים, חשיפות ארוכות מאוד כל כך שצולמו בטמפרטורות גבוהות יחסית, הרעש הכהה עשוי להגיע לעוצמה גבוהה יותר מרעש הקריאה, וכך להפוך למקור הרעש הדומיננטי ברמות האות הנמוכות. עם זאת, לכל היותר זמני חשיפה טיפוסיים למצלמה, רעש הקריאה יישאר מקור הרעש הדומיננטי ברמות אות נמוכות וההשפעה של הגדלת זמן החשיפה על הטווח הדינמי הניתנים להשגה ו-SNR ברמות האות הנמוכות תהיה מינימלית. [1]. יתרה מזאת, רעש ירייה יישאר מקור הרעש הדומיננטי ברמות אות גבוהות וההשפעה של הגדלת זמן החשיפה על ה-SNR תהיה דומה לזו של הגדלת הקרינה התקרית בחיישן. לכן, ברוב המקרים, הגדלת זמן החשיפה היא דרך יעילה נוספת להגדלת ה-SNR של האות הנמדד מבלי לפגוע בטווח הדינמי הניתן להשגה.

בתנאים מסוימים, יש צורך בזמני חשיפה קצרים. לדוגמה, הדמיה של עצמים הנעים במהירות תוך שימוש בזמני חשיפה ארוכים מובילה לְטַשׁטֵשׁ עקב שינויים במיקום/כיוון האובייקט במהלך איסוף האור. לא סביר שטשטוש יהיה רצוי ביישומים לא אמנותיים (אם כי קיימים חריגים מסוימים, כגון מצלמות פס) ולכן עשויות להידרש חשיפות קצרות כדי להימנע מכך. זמן חשיפה קצר עשוי להידרש גם כדי למנוע רוויה אם לא ניתן להפחית קרינה גבוהה (אם כי לעתים קרובות ניתן להשתמש במסנן אופטי מחליש במקום). לבסוף, אם החיישן משמש באפליקציית וידאו, זמן החשיפה המקסימלי עשוי להיות מוגבל לפי הנדרש קצב פריימים, אשר יידונו בחלק הבא.

לבסוף, ניתן להגדיל את פלט האות מחישן מצלמה על ידי הגדלת החיישן לְהַשִׂיג, המתייחס להגברה של האות שנקלט על ידי החיישן. ניתן להחיל רווח במספר דרכים לא שוות וההשפעות של שינוי הרווח יכולות להיות תלויות בפרטי האלקטרוניקה של החיישן[2], במיוחד שלה ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC).

לאחר שפוטואלקטרונים נצברים על חיישן, נקראים ואולי מוגברים, ה-ADC מודד את המטען המצטבר וממיר אותו לפלט דיגיטלי מספרי. מספר רמות הפלט הדיגיטלי האפשריות (או יחידות אנלוגיות-דיגיטליות: ADUs) נקבע על ידי ה-ADC קצת עומק. ADC עם קצת עומק X יכול להוציא 2איקס רמות אות ברורות. עבור חיישן ורווח נתון, דרוש מספר קבוע של פוטואלקטרונים כדי לעבור מרמת אות אחת לגבוהה יותר.

במקרים מסוימים, רווח עשוי להיות מוחל לאחר ההמרה לדיגיטל, מה שעשוי פשוט אומר שהפלט הדיגיטלי המספרי מכל אחד מערוצי החיישנים מוכפל בגורם כלשהו (נקרא לפעמים "הגבר דיגיטלי"). במקרה זה, ה-SNR אינו מוגבר מכיוון שהרעש והאות מוכפלים שניהם באותו גורם (בהנחה שהעלייה ברווח לא תגביר את האות מעל ל-ADU המקסימלי, ובמקרה זה מידע באזורי האות הגבוהים של התמונה המצולמת ללכת לאיבוד). יתר על כן, הטווח הדינמי המקסימלי האפשרי יקטן, ככל שרצפת הרעש תגדל ו רמת האות המקסימלית תופחת (לדוגמה, אם לאות שנלכד יש ערך מרבי של 256 לאחר הפעלת המרה לדיגיטל ו-2× רווח דיגיטלי, כל אות דיגיטלי עם ערך בהתחלה מעל 128 יהיה רווי). עבור תמונות כהות, בכל זאת ייתכן שיהיה צורך להפעיל רווח דיגיטלי כדי להאיר את התמונה לרמה שמעשית לאדם להסתכל עליה.

בחיישנים מסוימים, ניתן להחיל רווח לפני ההמרה לדיגיטל. רווח המופעל בדרך זו מגדיל בדרך כלל הן את האות והן את הרעש בגורם דומה, ולכן ההשפעות על ה-SNR והטווח הדינמי המרבי דומות לאלו של רווח דיגיטלי. עם זאת, אם מספר הפוטואלקטרונים לכל ADU בהגדרת רווח נתון גדול מ-1, הפעלת רווח נוסף יכולה "לפזר" את האות על פני יותר ADUs על ידי הפחתה יעילה של מספר הפוטואלקטרונים לכל ADU [2]. בהנחה שמידע לא יאבד לרוויה לאחר הגדלת הרווח, שיטה זו מאפשרת להבחין במספר רב יותר של רמות אור בפלט הדיגיטלי. במקרים מסוימים, במיוחד כאשר רמות האות נמוכות, הגדלת ההגבר יכולה להגדיל את הטווח הדינמי בתמונה המצולמת (היחס בין הגבוה לנמוך ביותר נמדד אותות; לא להתבלבל עם טווח דינמי מקסימלי של החיישן). כדי לקחת דוגמה קונקרטית, אם יש לנו חיישן ורווח כזה שיש 100 פוטואלקטרונים לכל ADU, ואנחנו מצלמים תמונה כך שספירות אותות שונות של פחות מ-100 פוטואלקטרונים נלכדות בחיישן, כל האותות יפיקו את אותו פלט מה-ADC הטווח הדינמי המקסימלי האפשרי של התמונה הדיגיטלית הפלט יהיה 1:1 (כלומר, יהיה לא טווח דינמי). עם זאת, אם מופעל רווח של 10× לפני ההמרה לדיגיטל, האות ייצא במקום לעד 10 ADUs ובכך יאפשר להבחין ברמות אור מדודות יותר. יתר על כן, בהנחה שהרעש האפל והקריאה מסתכם בפחות מ-10 פוטואלקטרונים לפני הגדלת ההגבר, הטווח הדינמי המרבי בתמונה הדיגיטלית הפלט יהיה 10:1. שיטה זו אינה חלה על חיישנים/רווחים שלוקחים פוטואלקטרון אחד או פחות לכל ADU, מכיוון שכל פוטואלקטרון נוסף כבר תופס ADU שונה עם ההמרה לדיגיטל במקרה זה.

מה לשקול בעת בחירת חיישן מצלמה למכשיר רפואי

המחשה סכמטית של האופן שבו הגדלת הרווח לפני ה-ADC יכולה להגדיל את הטווח הדינמי בתמונה שנלכדה. הגבהים של הפסים מייצגים את רמות האות לפני ההמרה לדיגיטל, ביחס ל-ADUs שאליהם הם היו יוצאים (הקווים הכחולים מייצגים את הספים שיש לפלט לכל ADU גבוה יותר ברציפות). הבהירות של הפסים מייצגת את בהירות הפלט לאחר המרה לדיגיטל.

באופן כללי, השיטה הטובה ביותר לייעל את ה-SNR והטווח הדינמי באות שנמדד עבור חיישן נתון היא תחילה להגביר את הקרינה המתרחשת ככל האפשר מבלי להרוות. לאחר מכן, במידת הצורך, הגדל את זמן החשיפה כך שהאות שנאסף יהיה קרוב לרוויה (במידה שהאפליקציה הספציפית מאפשרת). אם האות עדיין לא קרוב לרוויה, ניתן להפעיל את ההגבר כדי להבהיר תמונה שנלכדה או כדי להגדיל את מספר ההדרגות באות הדיגיטלי של הפלט (בהנחה שהגבר מופעל לפני ה-ADC ו מספר הפוטואלקטרונים לכל ADU גדול מ-1 לפני הגדלת הרווח). עם זאת, הוספת רווח מפחיתה את הטווח הדינמי המקסימלי האפשרי של חיישן ואינה משפרת את ה-SNR ברוב המקרים. עם זאת, במקרים כמו זה שתואר מיד למעלה, הטווח הדינמי בתמונה מצולמת ניתן לשפר ביעילות על ידי הגדלת הרווח לפני ה-ADU.

קצב פריימים

אַחֵר…



קישור לכתבת המקור – 2021-11-03 19:12:52

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר