生物醫(yī)學成像：機器視覺攝像頭技術(shù)規(guī)格選擇及計算方法指南

研究和診斷生物醫(yī)學應(yīng)用通常需要成像儀具備較高的空間分辨率、準確的色彩還原度以及弱光條件下較高的靈敏度，而且許多情況需要同時具備這三種因素，才能提高數(shù)據(jù)可靠性。選擇適當?shù)娘@微鏡學攝像頭、組織學攝像頭、細胞學/細胞遺傳學攝像頭、落射熒光攝像頭，對于臨床應(yīng)用進行正確診斷或研究工作提供可靠數(shù)據(jù)具有至關(guān)重要的作用。那么要怎么知道什么樣的機器視覺攝像頭最適合您的應(yīng)用呢？ 以下章節(jié)涵蓋了為生物醫(yī)學和生命科學應(yīng)用選擇機器視覺攝像頭時需要考慮的方面。?

要考慮的應(yīng)用特定因素

分辨率與色彩精度
所需的分辨率取決于樣品中目標結(jié)構(gòu)相對于攝像頭像素大小的放大率；也就是說，顯微鏡應(yīng)用的高分辨率可以通過 2MP、25MP 或介于這兩者之間的攝像頭來實現(xiàn)。它取決于光學元件對樣品中目標結(jié)構(gòu)進行的相對于攝像頭像素大小的放大率；為了選出能實現(xiàn)所需分辨率的最佳攝像頭，首先要確定待解析樣本中最小結(jié)構(gòu)的尺寸。然后將其乘以光學系統(tǒng)中的鏡頭放大率。從而得出投射到攝像頭傳感器上的結(jié)構(gòu)的尺寸。

如果結(jié)構(gòu)的尺寸至少是攝像頭傳感器上像素的 2.33（尼奎斯特）倍大小，那么攝像頭可以解析此機構(gòu)。例如，如果這些投射的結(jié)構(gòu)的尺寸是 ~8um，那么 3.45um 像素的攝像頭可以解析這些結(jié)構(gòu)。測量分辨率還可以用其他方法（如線對數(shù)），但上述方法可以通過簡單計算，找到用于測試的最佳攝像頭選項。

組織學、細胞學和細胞遺傳學等成像應(yīng)用使用較大范圍白光（~400 nm 至 700 nm），或使用此范圍內(nèi)的一種選定波長（例如，565 nm）。如果這批樣品中的樣本不是活動的（即固定不動的），則可以暴露于亮光下，不會有污漬褪色或樣品被殺死的風險。這種情況下，攝像頭的主要要求是高分辨率和色彩還原度。反過來說，弱光靈敏度不是一個重要因素。如需查找高分辨率型號，請使用我們的 FLIR 機器視覺攝像頭選擇器篩選并排列百萬像素。

靈敏度、量子效率及動態(tài)范圍
使用活體樣本的成像應(yīng)用的挑戰(zhàn)是避免樣本在太強光線下過度曝光，否則會使熒光分子褪色或殺死樣本。這些應(yīng)用通常使用一種稱為落射熒光的技術(shù)。落射熒光技術(shù)可用于固定樣本和活體樣本。有的標本很難獲得或價格昂貴，而且制作樣本的材料和人工費用很高。因此，能保護樣品質(zhì)量的系統(tǒng)有助于降低這些成像應(yīng)用的持續(xù)成本。

落射熒光使用經(jīng)過過濾的高能量波長，以刺激樣品發(fā)出低能量波長。低能量波長再經(jīng)過過濾返回相機。這種情況下，可以對樣品使用強度和破壞性強較弱的光線，因此最大的要求是靈敏度。即便發(fā)射光能量較低，具有出色靈敏度的照相機也可以提供高質(zhì)量的圖像。

如需查找具備出色靈敏度、在弱光條件下性能良好的型號，您可以側(cè)重于以下三種技術(shù)規(guī)格：絕對靈敏度、量子效率以及動態(tài)范圍。絕對靈敏度就是得到相當于傳感器所觀測噪聲之信號所需的光子數(shù)，值越小越好。量子效率是指給定波長下轉(zhuǎn)化為電子的光子——值越高越好。動態(tài)范圍是信號與噪聲（包括顳暗噪聲）比值，顳暗噪聲是指無信號時傳感器內(nèi)的噪聲，動態(tài)范圍值越高越好。若要輕松比對，請使用 FLIR 型號選擇器篩選并查找最高值。

通常單色型號的弱光性能優(yōu)于彩色型號。如需查看某型號的成像性能詳情，請閱讀該型號的詳細 EMVA 成像性能文檔。每個攝像頭系列的這些文檔位于 FLIR 網(wǎng)頁“攝像頭資源”鏈接：Oryx 資源、Blackfly S USB 資源、Blackfly S GigE 資源、 ?Firefly 資源。?

關(guān)于 EMVA 成像性能標準及對比型號靈敏度的方法，請參閱如何評估攝像頭靈敏度。

因素綜合
對于同時使用白光和落射熒光的應(yīng)用，請查找擁有 Sony 全新轉(zhuǎn)換增益功能的攝像頭型號，此功能可以優(yōu)化傳感器，實現(xiàn)高靈敏度或高飽和容量。弱光環(huán)境首選較高的轉(zhuǎn)換增益，因為在此條件下，讀取噪聲被更大程度地弱化，從而產(chǎn)生較低的絕對靈敏度閾值，非常適合在短時曝光下檢測弱信號。強光條件下飽和容量得到了最大化，獲得的動態(tài)范圍得以增強，因此稍低的轉(zhuǎn)換增益是這種情況的理想選擇。最大動態(tài)范圍將受限于 12 位 ADC。?

若要再次查找?guī)мD(zhuǎn)換功能的型號列表，請參閱我們的《機器視覺傳感器綜述》。如需幫助您選擇適合特定應(yīng)用的攝像頭，請聯(lián)系我們的一位機器視覺專家。

選擇最適合的攝像頭

選擇攝像頭時，較新的 CMOS 傳感器是個很好的出發(fā)點。較新的傳感器通常性能更好（價格可能還更低）。 ?另外，如果針對的應(yīng)用需要在幾年內(nèi)購買多個攝像頭（如持續(xù)生產(chǎn)診斷儀器），那么就要選擇生命周期不會很快結(jié)束的攝像頭——否則可能要承受提前設(shè)計替換攝像頭的費用。

FLIR 生產(chǎn)的機器視覺攝像頭變型有超過 200 多種，廣泛應(yīng)用于采用最新 CMOS 傳感器的三大系列：Blackfly S、Oryx 和 Firefly。

Blackfly S 系攝像頭的傳感器、外形尺寸及接口最為廣泛。這些攝像頭提供 USB3 和 GigE 型號，功能廣泛，設(shè)計初期易于整合。板級 Blackfly S 型號是全功能盒裝產(chǎn)品的微型版本，特別適合空間受限和嵌入式的應(yīng)用。其功能廣泛，性價比高，分辨率最高可達 24MP，是生物醫(yī)學和生命科學應(yīng)用的首選。

Oryx 攝像頭系列擁有適配最快 10GigE 接口的高分辨率傳感器，能夠以 60FPS 的速度捕捉 4K 分辨率、12 位的圖像。Oryx 的 10GBASE-T 接口是經(jīng)過證明且廣泛部署的標準，能夠在線纜長度超過 50 米的經(jīng)濟實惠的 CAT6A 上或者長度超過 30 米的 CAT5e 上提供可靠的圖像傳輸。

Firefly 攝像頭系列的外殼尺寸嬌小、重量輕、功耗低且價格實惠。Firefly DL 型號還能夠運行已經(jīng)過訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可用于物體檢測或分類。

所有 FLIR 機器視覺彩色攝像頭都可以通過不同的白平衡選項的形式自定義色彩還原，并使用特殊色彩校正矩陣，這對于生物醫(yī)學成像非常重要，醫(yī)學成像中，色彩的準確度的涵義不同，取決于人類對診斷的視覺分析以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確性的機器可讀格式之間的對比。關(guān)于這些功能的更多信息，請參閱 “應(yīng)用 Blackfly S 和 Spinnaker 的白平衡”以及“應(yīng)用 Blackfly S 和 Oryx 的色彩校正”。

另外，F(xiàn)LIR 機器視覺 Blackfly S、Oryx 和 Firefly 攝像頭系列可通過 GenICam3 及 Spinnaker SDK 進行控制和編程，它們自一開始設(shè)計時就以輕松開發(fā)與部署為理念時，確保我們能更快進行應(yīng)用開發(fā)和測試。