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成像常见问题

医疗检测摄像头应如何选择?

    在医疗检测实际应用中,很多医院采购者对像素多少很敏感,一上来就提到我要多少万像素的成像摄像头,其实在专业医疗检测成像应用中,像素多少只是影响成像的一个因素,还有其他很多指标,包括分辨率,感光器件大小,动态范围,灵敏度,量子效率,信噪比等。

    感光器件的面积大小是衡量显微成像系统质量的一个重要指标,感光器件的面积越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。当前数码成像系统中较常应用的感光器件规格如下:1英寸(靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm),2/3英寸, 1/2英寸,1/3英寸,另外有时也用到1/1.8英寸,1/2.5英寸的CCD/CMOS感光器件。

传感器 传感器 分辨率 帧速率 彩色/黑白
冷CCD 2/3" SONY ICX285 1360x1024 12.5fps@1360x1024 彩色 黑白
4/3" Kodak KAI-4022 2048x2048 8fps@2048x2048 彩色 黑白
2/3" SONY ICX285,EXview HAD 1360x1024 15fps@1360x1024 彩色
CCD 1/2" ICX205 1360x1024 7.5fps@1360x1024 彩色 黑白
2/3" ICX285 1360x1024 15fps@1360x1024 彩色 黑白
4/3" KAI-4022 2048x2048 8fps@2048x2048 彩色 黑白
1/1.8" ICX452 2592x1944 12fps@2592x1944 彩色
1/1.8" ICX476 3264x2488 3fps@3264x2488 彩色
CMOS 1/2" 2048 x 1536 8fps@2048x1536 彩色
1/2.5" 2592 x 1944 5fps@2592x1944 彩色
1/2.3" 3664 x 2748 3.3fps@3664x2748 彩色
1/2.3" 4608 x 3288 3fps@4608x3288 彩色
1/2" 1280 x 1024 24fps@1280*102 黑白

    像素是CCD/CMOS能分辨的最小的感光元件,显微数码成像系统的像素由低到高有:410左右,140万左右,200万左右,300万左右,500万左右,800万像素,甚至还有更高的达到2000万像素以上。一般来说,像素越高,图像分辨率越高,成像也就越清晰,但有时候图像分辨率达到一定程度后,就不是影响成像质量的主要指标了。比如图像分辨率高,噪声也很高时,成像质量也不会很好。暗电流是导致CCD噪音的很重要的因素。暗电流指在没有曝光的情况下,在一定的时间内,CCD传感器中像素产生的电荷。我们在做荧光拍摄的时候,需要的曝光的时候比较长,这样导致CCD产生较多的暗电流,对图像的质量影响非常大。通常情况下通过降低CCD的温度来最大限度的减少暗电流对成像的影响。Peltier制冷技术一般可将CCD温度降低5-30°C,在长时间拍摄或一次曝光超过5-10秒,CCD芯片会发热,没有致冷设备的芯片,“热”或者白的像素点就会遮盖图像,图像会出向明显的雪花点。CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。当然通过改善结构、优化方法,同样能减少噪音的产生。显微荧光或其他弱光的拍摄对CCD噪音的降低要求很高,应选用高分辨率数字冷却CCD成像系统,使其能够捕获到信号极其微弱的荧光样品图像,并且能够最大程度的降低噪音,减少背景,提供出色的图像清晰度。所以一般在荧光及弱光观察时需要选择制冷CCD。

    在显微数码成像过程中,对于荧光及弱光的拍摄,除了制冷降低热噪声外,还可使用 BINNING技术提高图像的灵敏度,BINNING像素合并是一种非常有用的功能,它可被用来提高像素的大小和灵敏度,比如摄像头像素大小为5u,当经过2x2合并后,像素大小为10u,3X3合并后,像素大小为15u, 这是图像的整体像素变少了,但成像的灵敏度可提高9倍。

    动态范围表示在一个图像中最亮与最暗的比值。12bit表示从最暗到最亮等分为212=4096个级别,16bit即分为216个级别,可见bit值越高能分出的细微差别越大,一般CMOS成像系统动态范围具有8-10bit, CCD以10-12bit为主,少部分可达16bit。对动态范围进行量化需要一个运算公式,即动态范围值 = 20 log (well depth/read noise),动态范围的值越高成像系统的性能就越好。

    量子效率也称像素灵敏度,指在一定的曝光量下,像素势阱中所积累的电荷数与入射到像素表面上的光子数之比。不同结构的CCD其量子效率差异很大。比如100光子中积累到像素势阱中的电荷数是50个,则量子效率为50%(100 photons = 50 electrons means 50% efficiency)。值得注意的是CCD 的量子效率与入射光的波长有关。

    对显微数码成像系统的参数有了整体认识后,在实际应用中选择合适型号的产品就比较容易了。国内专业数码成像产品的设计制造时间还不长,但随着配套技术的成熟,1000万像素以上的CCD/CMOS专业数码成像产品开始陆续推出,如JPLY目前就推出1000万、1400万像素的CMOS,800万CCD摄像头。其中CCD成像系统主要采用SONY及KODRA公司的芯片,因此产品性价比可以媲美国外OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS大品牌成像系统。

    建议各位医疗采购者在采购成像系统时,可以先了解医生的主要需求,对像素要求比较高还是对成像速度要求比较高。一般来说,像素越高的摄像头,在成像速度(即帧率)较慢。对速度要求比较高,建议可选择300-500万的CCD、CMOS摄像头

 

 

 

 

 

 

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