选择医疗设备相机传感器

2021-05-11

选择医疗设备相机传感器

医疗设备相机传感器分(fēn)辨率和像素大小(xiǎo)

摄像机传感器是视频显微镜和内窥镜，荧光成像仪，X射線(xiàn)检测器，多(duō)路复用(yòng)检测器（即一次可(kě)测量/量化多(duō)个物(wù)體(tǐ)的检测器），光谱仪和成像干涉仪的关键组件。有(yǒu)了许多(duō)可(kě)用(yòng)的选项和要考虑的许多(duō)规格，為(wèi)医疗设备选择摄像头传感器可(kě)能(néng)是一项艰巨的任務(wù)。在将可(kě)见光或近红外范围的摄像头传感器集成到医疗设备中时要考虑的技术折衷。

数码相机传感器通常由光敏像素阵列组成。為(wèi)了捕获照片或视频，使用(yòng)镜头在传感器上形成图像。通过测量撞击在每个单独像素（即光電(diàn)子）[1]上的光子所产生的電(diàn)荷来记录该图像。这是与传感器的分(fēn)辨率和像素大小(xiǎo)有(yǒu)关的最重要的考虑因素。

医疗设备摄像头传感器背景：信号和噪声

就光學(xué)相机传感器而言，信号指的是所测量的量（通常是電(diàn)荷）的大小(xiǎo)，该量与落在给定感光位置上的光量成正比。在被测量為(wèi)電(diàn)荷的情况下，通常以计数為(wèi)单位来测量信号，这是指入射光产生的電(diàn)子数。

噪声是指测量信号中的随机波动。假设光源稳定，使用(yòng)典型的相机传感器进行光學(xué)测量时，主要有(yǒu)三个噪声源：暗噪声，读取噪声和散粒噪声。

暗噪声是热现象的结果，即使没有(yǒu)光，電(diàn)子也会在检测器中自发产生。可(kě)以通过降低检测器的温度来降低暗噪声。

读取噪声源于電(diàn)子信号链中的随机波动，该波动会测量检测器上的電(diàn)荷，对其进行处理(lǐ)，然后将其转换為(wèi)数字值。读取噪声是传感器和電(diàn)子设计的属性，就像暗噪声一样，即使在传感器上没有(yǒu)光的情况下也存在读取噪声。

散粒噪声是由于光（即光子）的离散特性以及光子在传感器上固有(yǒu)的随机到达时间而产生的，在测得的光信号中产生的噪声。该噪声与信号计数的平方根成比例，并且对于给定的信号幅度，无法通过更改测量方法来降低。假设一次曝光–可(kě)以通过平均多(duō)次曝光等处理(lǐ)方法来降低散粒噪声。

与信号和噪声相关的两个重要量是信噪比（SNR）和动态范围：

顾名思义，SNR是被测信号与该信号中（来自所有(yǒu)源的）噪声之间的比率。在成像方面，具有(yǒu)高SNR的图像區(qū)域将看起来清晰，几乎没有(yǒu)明显的噪声，而在具有(yǒu)低SNR的區(qū)域中噪声更加突出。在后一种情况下，细节可(kě)能(néng)难以區(qū)分(fēn)。

传感器的动态范围是它可(kě)以测量的最大和最小(xiǎo)信号之间的比率。具有(yǒu)高动态范围的传感器可(kě)以捕获图像的明暗區(qū)域，同时保留两者之间的对比度细节。传感器的最大理(lǐ)论动态范围通常在低端受读取噪声的量限制，在高端受传感器的全阱容量（即在传感器饱和之前可(kě)以产生的光電(diàn)子数）限制。

医疗设备相机传感器分(fēn)辨率

相机传感器的分(fēn)辨率是指其像素数，以百万像素（MP）的总数或水平和垂直像素的数量

所需的分(fēn)辨率在很(hěn)大程度上取决于应用(yòng)程序。在某些情况下，例如在某些医學(xué)分(fēn)析中，仅简单地对光量进行量化时，通常更适合只使用(yòng)具有(yǒu)单个光敏部位的非成像检测器。但是，在这种情况下，可(kě)以使用(yòng)摄像机传感器（可(kě)能(néng)分(fēn)辨率较低）进行多(duō)路检测。在医學(xué)成像应用(yòng)中，所需的分(fēn)辨率取决于要成像的内容以及如何显示给用(yòng)户。通常，所捕获的图像分(fēn)辨率应使得相关细节可(kě)以至少与有(yǒu)用(yòng)的一样高的保真度显示给最终用(yòng)户。更高的分(fēn)辨率可(kě)能(néng)会提高成本和/或提高计算机处理(lǐ)要求，并且通常没有(yǒu)什么实际意义。

向用(yòng)户显示图像时，我们必须考虑显示器的尺寸和分(fēn)辨率，以及将被查看的距离。具有(yǒu)20/20视力的人眼的角分(fēn)辨率约為(wèi)1弧分(fēn)[3]，这意味着在1°弧上，人眼可(kě)以感知到大约60个不同的点（最多(duō)距离）。因此，对于给定的观看距离和显示尺寸，存在最大的显示分(fēn)辨率，如果超过该分(fēn)辨率，则人眼几乎没有(yǒu)感觉到改善。假设未在软件中使用(yòng)数字变焦，则如果要在300 mm的距离上观看的100 mm对角屏幕上显示图像，则不太可(kě)能(néng)需要以12 MP之类的高分(fēn)辨率捕获和显示的图像。例如用(yòng)于仪器导航），

医疗设备相机传感器像素大小(xiǎo)

应当注意，关于分(fēn)辨率，传感器上的像素数量（有(yǒu)时也称為(wèi)“像素分(fēn)辨率”）并不是全部内容。产生图像时，每个相机镜头都有(yǒu)一个最小(xiǎo)的特征尺寸，可(kě)以在给定波長(cháng)的光下分(fēn)辨[2]。如果此功能(néng)的大小(xiǎo)遠(yuǎn)大于像素的大小(xiǎo)，则它将在多(duō)个像素上模糊并且有(yǒu)效分(fēn)辨率将受到限制。如果最小(xiǎo)特征尺寸遠(yuǎn)小(xiǎo)于像素尺寸，则可(kě)能(néng)导致混叠和其他(tā)不良伪像。理(lǐ)想地，应该选择透镜/检测器，以使检测器上的最小(xiǎo)成像特征尺寸约為(wèi)像素的两倍。该方法在抑制伪像的同时，最大化了有(yǒu)效分(fēn)辨率。

像素的相对尺寸和成像特征的相对尺寸很(hěn)重要的另一种情况是在光谱仪设计中。光谱仪通常通过将光源分(fēn)离成不同的颜色并将其聚焦到行传感器[3]（一种相机传感器，在一个轴上只有(yǒu)少量像素，而在许多(duō)像素上则是像素）来测量来自光源的不同颜色的数量。另一个）。传感器上像素的大小(xiǎo)会告知每种组成色必须聚焦到的大小(xiǎo)，才能(néng)获得所需的光谱（颜色）分(fēn)辨率。原则上，可(kě)以先确定聚焦点的大小(xiǎo)，然后再选择具有(yǒu)适当大小(xiǎo)的像素的传感器，但是这种方法冒着这样的传感器可(kě)能(néng)不可(kě)用(yòng)的风险。

像素大小(xiǎo)也会影响传感器的品质因数。较大的像素通常比较小(xiǎo)的像素具有(yǒu)更高的动态范围，并且可(kě)以达到更高的信噪比[4]。这样做的原因是，较大的像素由于其增加的感光面积而通常具有(yǒu)比较小(xiǎo)像素更大的全阱容量，而读取噪声和暗噪声却不成比例地缩放。同样，假设在传感器中有(yǒu)足够的信号可(kě)利用(yòng)此容量，则可(kě)以通过在较大像素中使用(yòng)较大容量的光電(diàn)子来获得较大的SNR。请注意，散粒噪声通常是噪声的主要来源，除了在非常低的信号電(diàn)平下，散粒噪声的缩放比例是信号计数的平方根，即给定数量计数的SNR SHAPE  \* MERGEFORMAT

上面有(yǒu)几个重要警告。假设使用(yòng)相同的镜头和相等的传感器尺寸，则使用(yòng)像素较小(xiǎo)的传感器拍摄的图像具有(yǒu)较高的空间分(fēn)辨率[4]。取决于应用(yòng)，提高的分(fēn)辨率可(kě)能(néng)比动态范围和SNR更重要。还可(kě)以通过将相邻像素平均（合并）来以像素分(fēn)辨率為(wèi)代价来改善此类图像的SNR。这可(kě)能(néng)导致图像SNR与较大像素的SNR一样好，在某些情况下甚至更高。结果，较小(xiǎo)的像素/较高的分(fēn)辨率往往会為(wèi)给定的镜头和传感器尺寸提供更大的灵活性。

如果同时需要增大动态范围和大像素的SNR以及高分(fēn)辨率，则可(kě)以使用(yòng)更大的传感器（具有(yǒu)相应的大像素）。但是，与较小(xiǎo)的传感器相比，如果要保持图像的视野不变，则此方法将需要使用(yòng)焦距更長(cháng)的其他(tā)镜头。这种透镜几乎总是比用(yòng)于较小(xiǎo)传感器的相应透镜更大（通常更昂贵）。较大的尺寸可(kě)能(néng)会在某些空间受限的设计中受到限制，并且可(kě)能(néng)需要使用(yòng)具有(yǒu)相同像素分(fēn)辨率的较小(xiǎo)的镜头和较小(xiǎo)的传感器。如果要保持这种较小(xiǎo)传感器的分(fēn)辨率（即，不选择合并），则可(kě)能(néng)需要其他(tā)方法（例如平均多(duō)次曝光）来实现较大像素提供的SNR和/或动态范围。