שיקולי חיישן תמונה של מכשיר רפואי – StarFish Medical

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


חיישן מצלמה למכשיר רפואיחלק 3: הפק את התמונות הכי נאמנות ו/או הנתונים הכי נקיים שאפשר

חיישני מצלמה הם מרכיבים נפוצים של מכשירים רפואיים. בלוג זה מכסה סוגים שונים של חיישני תמונה. בדרך כלל, חיישני תמונה מורכבים ממערך של פיקסלים רגישים לאור. ביישומי מצלמה טיפוסיים, חיישנים כאלה מודדים את התבנית המרחבית של האור הממוקד על ידי עדשה (כלומר תמונה). ביישומים מסוימים (לדוגמה, הולוגרפיה דיגיטלית או הדמיית צל), ניתן להשתמש בחיישני תמונה ללא עדשה.

בלוג זה הוא השלישי בסדרה הדן בדברים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חיישן עבור מצלמת מכשור רפואי. הערך הראשון בסדרת הבלוג הזו כיסה רזולוציית חיישן מצלמה וגודל פיקסל. הערך השני עסק בשיקולים הקשורים ל קרינת אירוע, זמן חשיפה, רווח וקצב פריימיםוהשפעתם על נתוני הכשרון כמו טווח דינמי ויחס אות לרעש.

CCD מול CMOS

רוב חיישני התמונות הם התקנים מצמדים לטעינה (CCD) או מערכי מוליכים למחצה מתכת-אוקסיד (CMOS) משלימים. חיישנים אלו פועלים באמצעות מנגנונים חשמליים שונים ומיוצרים בשיטות שונות, וככאלה נוטים לכל אחד יתרונות וחסרונות משלו.

ב-CCD, מערך של אתרים קיבוליים רגישים לאור (כלומר פיקסלים) כל אחד צובר מטען פרופורציונלי לאור הנופל עליהם. לאחר השלמת החשיפה לאור, נעשה שימוש במעגל בקרה להעברת המטען מכל פיקסל למגבר מטען, הממיר את המטען המצטבר למתח. לאחר שנמדד המטען שנאסף בכל אתר, ניתן ליצור תמונה.

בחיישני CMOS, כל פיקסל בודד מכיל פוטו-גלאי (בדרך כלל פוטודיודה – כלומר, דיודה המייצרת זרם כאשר אור נופל עליה) עם מעגל המכיל מספר טרנזיסטורים. המעגל שולט בפונקציות של הפיקסל כגון הפעלה או איפוס של הפיקסל, או קריאת האות שלו לממיר אנלוגי לדיגיטלי.

מבחינה היסטורית, חיישנים מבוססי CCD היו בעלי רמת רעש נמוכה יותר, טווח דינמי גבוה יותר של צילום בודד, תגובה אחידה יותר לאור על פני כל החיישן ורגישות רבה יותר באור נמוך עקב מקדם מילוי פיקסלים גבוה יותר. מצד שני, חיישני CMOS היו מסוגלים לקצב לכידת פריימים גבוהים בהרבה, צריכת חשמל נמוכה יותר, תגובתיות גבוהה יותר והיו פחות יקרים בנפח [1]. זה הוביל לכך שחיישני CMOS מועדפים ביישומים בעלות נמוכה/הספק נמוך כמו סמארטפון ומצלמות אחרות לצרכן, ובמקרים שבהם יש צורך בקצבי לכידת פריימים גבוהים. למצלמות CCD היו יתרונות ביצועים במקרים בהם יש צורך ברגישות גבוהה, רעש נמוך ו/או אחידות גבוהה, כגון יישומים מסוימים בתאורה נמוכה.

יש לציין כי האיכות של חיישני CMOS התפתחה במהירות במהלך השנים האחרונות והיתרונות בביצועים שהיו ל-CCD היסטורית הולכים ופוחתים. לכמה CCDs עדיין יש יתרונות בטווח דינמי, אחידות וביצועי IR והם מועדפים עבור יישומים מדעיים ותעשייתיים מסוימים. [2]. עם זאת, זמינים גלאים מבוססי CMOS המתאימים לרוב היישומים, בנוסף לאלו שעבורם הועדפו היסטורית. בסופו של דבר יש לקחת בחשבון את המפרטים והעלות הנדרשים של החיישן.

מונוכרומטי מול צבע

גם חיישני CCD וגם CMOS מגיעים בצבעים ומונוכרומטיים (הנקראים גם "שחור ולבן" למרות שהחיישנים למעשה מייצרים תמונות בגווני אפור).

במצלמות מונוכרומטיות, התמונה מתקבלת פשוט על ידי רישום כמות האור שנלכדת בכל פיקסל. ברוב המצלמות הצבעוניות, מערך של מסנני צבע אדום, ירוק וכחול (RGB) (מסנן באייר) ממוקם מעל הפיקסלים המגבילים את האור שנאסף על ידי כל פיקסל לטווח מסוים של אורכי גל (צבעים)[1]. בהתבסס על כמות האור שנאספת על ידי כל אחד מהפיקסלים המסוננים, תמונת הצבע מתקבלת על סמך הדפוס שנאסף, בתהליך הנקרא הסרת חושים [3].

חיישן מצלמה למכשיר רפואי

איור 1: תבנית ה-RGB של מסנן באייר טיפוסי על חיישן

חיישני מצלמות צבע שימושיים מכיוון שהם מספקים דרך פשוטה ללכוד תמונות צבעוניות. אפשר גם להתרגל אליהם לְהִתְקַרֵב חיישן מצלמה מונוכרומטי בתוכנה (לדוגמה, רק על ידי הצגת נתונים מהערוץ הירוק, או על ידי המרת תמונה שנלכדה לגווני אפור). עם זאת, יש להן כמה חסרונות בהשוואה למצלמות מונוכרומטיות, שהן לרוב הבחירה המעולה כאשר אין צורך בצבע.

כל אחד מהפיקסלים הנפרדים בחיישן צבעוני אינו מקבל את מידע ה-RGB המלא. עובדה זו, יחד עם תהליך ה-demosicing, מביאה לתמונה שהרזולוציה האפקטיבית שלה מעט פחותה מזו של מצלמה מונוכרומטית עם אותו גודל וספירת פיקסלים [4]. למצלמות מונוכרומטיות יש גם תגובה גבוהה יותר לקרינה של אירוע נתון מאשר למצלמות צבעוניות, מכיוון שאף אחד מאירועי האור על הפיקסלים לא מסונן החוצה.

במקרים בהם יש צורך בתמונות צבעוניות יחד עם היתרונות של חיישן מונוכרומטי, ניתן להשתמש בשיטות חלופיות. שיטה אחת היא לצלם תמונות בודדות באדום, ירוק וכחול במצלמה מונוכרומטית תוך שימוש במסנני צבע מלאים, ולשחזר את הצבעים האמיתיים על ידי סירוק שלוש התמונות. שיטה נוספת היא לכידת תמונות RGB בו-זמנית באמצעות שלושה חיישנים עם פריזמה מיוחדת המשמשת לכוון כל טווח צבע לאחד משלושת החיישנים (נקרא לפעמים מצלמת 3CDD [5]אם כי ניתן להשתמש גם בחיישני CMOS).

חיישני תמונה אחרים

חיישני תמונה יכולים ללבוש מספר צורות נוספות עבור טווחי אור בלתי נראה ויישומים מיוחדים אחרים.

ניתן לצלם תמונות רנטגן באמצעות חיישני רדיוגרפיה דיגיטליים. הסוג הנפוץ ביותר של חיישנים כאלה הם גלאים שטוחים (FPD) [6]. גלאים אלו מגיעים בזנים "ישירים" ו"עקיפים". בדומה לגלאי תמונה רגילים, FPDs ישירים ממירים אור רנטגן ישירות לטעינה (אך משתמשים בחומרים שונים), והמטען שנוצר נקרא על ידי מערך פיקסלים. FPDs עקיפים משתמשים תחילה בסינטילטור כדי להמיר את קרני הרנטגן המתרחשות לאור נראה, שנמדד לאחר מכן על ידי מערך פיקסלים.

מצלמות תרמיות מודדות אור אינפרא אדום (IR) ומשתמשות בו כדי להסיק טמפרטורה. קיימות מספר טכנולוגיות לייצור מצלמות כאלה. דוגמה אחת היא מערך מיקרובולומטר, המורכב ממערך של פיקסלים מיוחדים. השכבה העליונה של הפיקסלים הללו היא חומר המשנה התנגדות כאשר הוא מחומם על ידי אור IR. השינוי בהתנגדות נמדד לאחר מכן על ידי אלקטרוניקה בסיסית כדי להסיק טמפרטורה. מערך הפיקסלים יוצר אז תמונה תרמית, המציגה את הטמפרטורה המרחבית של האובייקט המצולם.

לבסוף, ניתן ליצור תמונה של אובייקט מבלי להשתמש בחיישן מבוסס מערך פיקסלים כלל. מצלמות פיקסל בודדות הם סוג של "מצלמה" הפועלת על ידי מדידה (עם פוטודיודה בודדת, למשל) את כמות האור המוחזרת מכל אחת מסדרת תבניות המוקרנות על האובייקט. במקרה הפשוט ביותר, הדפוס הוא פשוט נקודת אור ממוקדת שנסרקת על פני השטח של האובייקט. על ידי מיפוי כמות האור המוחזר למיקום שממנו הוא הוחזר, ניתן להסיק תמונה של האובייקט.

סיכום

בחירה ושימוש בחיישן מצלמה במכשיר רפואי דורשים התחשבות בגורמים רבים. בסדרת בלוגים זו, דנו בכמה מההיבטים החשובים ביותר כגון רזולוציה, גודל פיקסל, טווח דינמי, זמן חשיפה וקצב פריימים, כמו גם הסוגים הנפוצים ביותר של חיישני תמונה והיתרונות והחסרונות שלהם. עם תשומת לב נאותה לגורמים אלו, ניתן לבחור ולהגדיר חיישן מצלמה כדי להפיק את התמונות הנאמנות ביותר ו/או הנתונים הנקיים ביותר האפשריים.

הפניות

[1] אדמונד אופטיקה, "הדמיה אלקטרוניקה 101: הבנת חיישני מצלמה עבור יישומי ראיית מכונה," [Online]. זמין: https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/imaging/understanding-camera-sensors-for-machine-vision-applications/. [Accessed 9 November 2020].
[2] Teledyne Imaging, "העתיד בהיר עבור חיישני CCD", 22 בינואר 2020. [Online]. זמין: https://www.teledyneimaging.com/media/1299/2020-01-22_e2v_the-future-is-bright-for-ccd-sensors_web.pdf. [Accessed 19 November 2020].
[3] ויקיפדיה, "הדגמה", [Online]. זמין: https://en.wikipedia.org/wiki/Demosaicing. [Accessed 12 November 2020].
[4] Red Digital Cinema, "RED 101: Color vs. Monochrome Sensors," [Online]. זמין: https://www.red.com/red-101/color-monochrome-camera-sensors. [Accessed 9 November 2020].
[5] ויקיפדיה, "מצלמת שלוש CCD", [Online]. זמין: https://en.wikipedia.org/wiki/Three-CCD_camera. [Accessed 12 November 2020].
[6] ויקיפדיה, "גלאי לוח שטוח", [Online]. זמין: https://en.wikipedia.org/wiki/Flat-panel_detector. [Accessed 21 6 2021].

[1] לכל פיקסל בחיישן תמונה צבעוני יש אוֹ מסנן צבע אדום, ירוק או כחול, השונה מהאופן שבו הצבע מטופל על ידי הפיקסלים בצג טיפוסי. לכל פיקסל בודד בצג יש שילוב של אדום, ירוק וכחול תת-פיקסלים.

ריאן פילד הוא מהנדס אופטי ב-StarFish Medical. ריאן הוא בעל תואר דוקטור בפיזיקה מאוניברסיטת טורונטו. כעמית פוסט דוקטורט, הוא עבד על פיתוח מערכות לייזר אינפרא אדום פיקושניות בעלות הספק גבוה ליישומים כירורגיים וכן ספקטרומטר מחומרים ביתיים.





קישור לכתבת המקור – 2022-06-01 13:00:41

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
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר