選擇醫療設備相機傳感器

2021-05-11

選擇醫療設備相機傳感器

醫療設備相機傳感器分辨率和像素大小

攝像機傳感器是視頻顯微鏡和內窺鏡，熒光成像儀，X射線(xiàn)檢測器，多路復用檢測器（即一次可測量/量化多個(gè)物體的檢測器），光譜儀和成像干涉儀的關(guān)鍵組件。有了許多可用的選項和要考慮的許多規格，為醫療設備選擇攝像頭傳感器可能是一項艱巨的任務(wù)。在將可見(jiàn)光或近紅外范圍的攝像頭傳感器集成到醫療設備中時(shí)要考慮的技術(shù)折衷。

數碼相機傳感器通常由光敏像素陣列組成。為了捕獲照片或視頻，使用鏡頭在傳感器上形成圖像。通過(guò)測量撞擊在每個(gè)單獨像素（即光電子）[1]上的光子所產(chǎn)生的電荷來(lái)記錄該圖像。這是與傳感器的分辨率和像素大小有關(guān)的最重要的考慮因素。

醫療設備攝像頭傳感器背景：信號和噪聲

就光學(xué)相機傳感器而言，信號指的是所測量的量（通常是電荷）的大小，該量與落在給定感光位置上的光量成正比。在被測量為電荷的情況下，通常以計數為單位來(lái)測量信號，這是指入射光產(chǎn)生的電子數。

噪聲是指測量信號中的隨機波動(dòng)。假設光源穩定，使用典型的相機傳感器進(jìn)行光學(xué)測量時(shí)，主要有三個(gè)噪聲源：暗噪聲，讀取噪聲和散粒噪聲。

暗噪聲是熱現象的結果，即使沒(méi)有光，電子也會(huì )在檢測器中自發(fā)產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^(guò)降低檢測器的溫度來(lái)降低暗噪聲。

讀取噪聲源于電子信號鏈中的隨機波動(dòng)，該波動(dòng)會(huì )測量檢測器上的電荷，對其進(jìn)行處理，然后將其轉換為數字值。讀取噪聲是傳感器和電子設計的屬性，就像暗噪聲一樣，即使在傳感器上沒(méi)有光的情況下也存在讀取噪聲。

散粒噪聲是由于光（即光子）的離散特性以及光子在傳感器上固有的隨機到達時(shí)間而產(chǎn)生的，在測得的光信號中產(chǎn)生的噪聲。該噪聲與信號計數的平方根成比例，并且對于給定的信號幅度，無(wú)法通過(guò)更改測量方法來(lái)降低。假設一次曝光–可以通過(guò)平均多次曝光等處理方法來(lái)降低散粒噪聲。

與信號和噪聲相關(guān)的兩個(gè)重要量是信噪比（SNR）和動(dòng)態(tài)范圍：

顧名思義，SNR是被測信號與該信號中（來(lái)自所有源的）噪聲之間的比率。在成像方面，具有高SNR的圖像區域將看起來(lái)清晰，幾乎沒(méi)有明顯的噪聲，而在具有低SNR的區域中噪聲更加突出。在后一種情況下，細節可能難以區分。

傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是它可以測量的最大和最小信號之間的比率。具有高動(dòng)態(tài)范圍的傳感器可以捕獲圖像的明暗區域，同時(shí)保留兩者之間的對比度細節。傳感器的最大理論動(dòng)態(tài)范圍通常在低端受讀取噪聲的量限制，在高端受傳感器的全阱容量（即在傳感器飽和之前可以產(chǎn)生的光電子數）限制。

醫療設備相機傳感器分辨率

相機傳感器的分辨率是指其像素數，以百萬(wàn)像素（MP）的總數或水平和垂直像素的數量

所需的分辨率在很大程度上取決于應用程序。在某些情況下，例如在某些醫學(xué)分析中，僅簡(jiǎn)單地對光量進(jìn)行量化時(shí)，通常更適合只使用具有單個(gè)光敏部位的非成像檢測器。但是，在這種情況下，可以使用攝像機傳感器（可能分辨率較低）進(jìn)行多路檢測。在醫學(xué)成像應用中，所需的分辨率取決于要成像的內容以及如何顯示給用戶(hù)。通常，所捕獲的圖像分辨率應使得相關(guān)細節可以至少與有用的一樣高的保真度顯示給最終用戶(hù)。更高的分辨率可能會(huì )提高成本和/或提高計算機處理要求，并且通常沒(méi)有什么實(shí)際意義。

向用戶(hù)顯示圖像時(shí)，我們必須考慮顯示器的尺寸和分辨率，以及將被查看的距離。具有20/20視力的人眼的角分辨率約為1弧分[3]，這意味著(zhù)在1°弧上，人眼可以感知到大約60個(gè)不同的點(diǎn)（最多距離）。因此，對于給定的觀(guān)看距離和顯示尺寸，存在最大的顯示分辨率，如果超過(guò)該分辨率，則人眼幾乎沒(méi)有感覺(jué)到改善。假設未在軟件中使用數字變焦，則如果要在300 mm的距離上觀(guān)看的100 mm對角屏幕上顯示圖像，則不太可能需要以12 MP之類(lèi)的高分辨率捕獲和顯示的圖像。例如用于儀器導航），

醫療設備相機傳感器像素大小

應當注意，關(guān)于分辨率，傳感器上的像素數量（有時(shí)也稱(chēng)為“像素分辨率”）并不是全部?jì)热?。產(chǎn)生圖像時(shí)，每個(gè)相機鏡頭都有一個(gè)最小的特征尺寸，可以在給定波長(cháng)的光下分辨[2]。如果此功能的大小遠大于像素的大小，則它將在多個(gè)像素上模糊并且有效分辨率將受到限制。如果最小特征尺寸遠小于像素尺寸，則可能導致混疊和其他不良偽像。理想地，應該選擇透鏡/檢測器，以使檢測器上的最小成像特征尺寸約為像素的兩倍。該方法在抑制偽像的同時(shí)，最大化了有效分辨率。

像素的相對尺寸和成像特征的相對尺寸很重要的另一種情況是在光譜儀設計中。光譜儀通常通過(guò)將光源分離成不同的顏色并將其聚焦到行傳感器[3]（一種相機傳感器，在一個(gè)軸上只有少量像素，而在許多像素上則是像素）來(lái)測量來(lái)自光源的不同顏色的數量。另一個(gè)）。傳感器上像素的大小會(huì )告知每種組成色必須聚焦到的大小，才能獲得所需的光譜（顏色）分辨率。原則上，可以先確定聚焦點(diǎn)的大小，然后再選擇具有適當大小的像素的傳感器，但是這種方法冒著(zhù)這樣的傳感器可能不可用的風(fēng)險。

像素大小也會(huì )影響傳感器的品質(zhì)因數。較大的像素通常比較小的像素具有更高的動(dòng)態(tài)范圍，并且可以達到更高的信噪比[4]。這樣做的原因是，較大的像素由于其增加的感光面積而通常具有比較小像素更大的全阱容量，而讀取噪聲和暗噪聲卻不成比例地縮放。同樣，假設在傳感器中有足夠的信號可利用此容量，則可以通過(guò)在較大像素中使用較大容量的光電子來(lái)獲得較大的SNR。請注意，散粒噪聲通常是噪聲的主要來(lái)源，除了在非常低的信號電平下，散粒噪聲的縮放比例是信號計數的平方根，即給定數量計數的SNR SHAPE  \* MERGEFORMAT

上面有幾個(gè)重要警告。假設使用相同的鏡頭和相等的傳感器尺寸，則使用像素較小的傳感器拍攝的圖像具有較高的空間分辨率[4]。取決于應用，提高的分辨率可能比動(dòng)態(tài)范圍和SNR更重要。還可以通過(guò)將相鄰像素平均（合并）來(lái)以像素分辨率為代價(jià)來(lái)改善此類(lèi)圖像的SNR。這可能導致圖像SNR與較大像素的SNR一樣好，在某些情況下甚至更高。結果，較小的像素/較高的分辨率往往會(huì )為給定的鏡頭和傳感器尺寸提供更大的靈活性。

如果同時(shí)需要增大動(dòng)態(tài)范圍和大像素的SNR以及高分辨率，則可以使用更大的傳感器（具有相應的大像素）。但是，與較小的傳感器相比，如果要保持圖像的視野不變，則此方法將需要使用焦距更長(cháng)的其他鏡頭。這種透鏡幾乎總是比用于較小傳感器的相應透鏡更大（通常更昂貴）。較大的尺寸可能會(huì )在某些空間受限的設計中受到限制，并且可能需要使用具有相同像素分辨率的較小的鏡頭和較小的傳感器。如果要保持這種較小傳感器的分辨率（即，不選擇合并），則可能需要其他方法（例如平均多次曝光）來(lái)實(shí)現較大像素提供的SNR和/或動(dòng)態(tài)范圍。