Anwendungen von CMOS in der medizinischen Bildgebung und den Biowissenschaften

Nikita N., freelance scientific consultant at Kolabtree, writes about the applications of CMOS in medical imaging and Biowissenschaften, along with examples of companies working in this area. 

CMOS: Bildsensoren der nächsten Generation

Der Ausbruch der Pandemie COVID-19 hat sich negativ auf Unternehmen ausgewirkt, die Bildsensoren herstellen. Die zunehmende Verwendung von hochauflösenden Kameras mit Bildsensoren für mobile, automobile, medizinische und biowissenschaftliche Anwendungen treibt das Wachstum des Marktes für Bildsensoren an. Allerdings sind die Verkäufe von Bildsensoren aufgrund von Marktabschottungen weltweit deutlich zurückgegangen. Obwohl der Absatz von Bildsensoren in der Medizin- und Biowissenschaftsbranche gelitten hat, konnte er in den letzten vier Jahren ein optimistisches Wachstum verzeichnen. In letzter Zeit haben sich die Schwachlicht-Bildsensoren, die sich in CCD (geladenes gekoppeltes Gerät) und CMOS (komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter) Technologien, finden ihren Weg in Smartphones und medizinische Anwendungen mit einem erwarteten Marktwachstum von 18,4 Mrd. USD bis 2024 und eine CAGR von 12,8% während des Prognosezeitraums (2020-2024). Es wird erwartet, dass der auf der CMOS-Technologie basierende Markt während des Prognosezeitraums aufgrund seiner verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften, die er gegenüber den CCD-Bildsensoren besitzt, dominieren wird. Hohe Auflösungen, Kleine Größe, höhere Bildraten, geringer Stromverbrauch, größere Sensibilität, schnellere Bildrate, geräuscharm und geringere Herstellungskosten sind einige der entscheidenden Vorteile von CMOS gegenüber CCD.  

CMOS- vs. CCD-Sensoren 

Der Unterschied zwischen den Sensoren besteht darin, wie die Ladung aus dem Pixel in das Bildgebungsgerät oder die Auslesung übertragen wird. Die CCD-Ausgabe hat einen analogen Impuls, während CMOS eine digitale Ausgabe liefert. Im Allgemeinen werden bei biowissenschaftlichen Anwendungen Digitalkameras verwendet. Die analoge Ausgabe wird vor allem bei Anwendungen verwendet, die eine kontinuierliche Rückmeldung erfordern. In der Life-Science-Branche besteht kein Bedarf an ständiger Rückmeldung oder analogen Bildverarbeitungssystemen.  

Adios CCD-Sensoren...

Verschiedene Hersteller, darunter Basler, FLIR Systems Inc, Teledyne (e2v), Vieworks, Cognex, Sony, Jai, Baumer, Toshiba Teli, Omron (Microscan Systems), National Instruments, IDS, Allied Vision/TKH Group, Daheng Image, The Imaging Source, HIK vision arbeiten an der Entwicklung und Markteinführung eines neue Generation von CMOS-Sensoren. Die Hersteller investieren in die Verbesserung der CMOS-Sensoren, indem sie interessante Funktionen einbauen, wie z. B. hohe Auflösungen, sGröße des Einkaufszentrums, höhere Bildraten, geringer Stromverbrauch, größere Sensibilität, schnellere Bildrate, geräuscharm und niedrigere Herstellungskosten.  

Anwendungen von CMOS in der medizinischen Bildgebung und den Biowissenschaften 

Bildgebende Sensoren werden in verschiedenen Bereichen der Biowissenschaften eingesetzt, unter anderem in folgenden Bereichen

Zahnärztliche Bildgebung 

Teledyne DALSA hat die CMOS-Bildsensortechnologie für die Dentalradiologie entwickelt, einschließlich CBCT (Cone-Beam-Computertomographie), Panorama- und Fernröntgendiagnostik. Die CMOS-Bildsensoren bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoren, wie z. B. strahlungsresistente Pixel, die für eine längere Lebensdauer des Bildsensors ausgelegt sind, sowie eine Gehäusetechnologie, die rauen Umgebungen, Vibrationen und Stößen standhält. 

Digitale Mammographie 

Sony Optronik bietet einen CMOS-HD-Kamera-Bildsensor der neuesten Generation mit besserer Empfindlichkeit bei schwachem Licht, der hervorragende Bild- und Videowiedergabefähigkeiten zu einem erschwinglichen Preis bietet. Kompatibel mit den meisten Marken von chirurgischen und operativen Mikroskopen.

Ophthalmologie 

JAI bietet eine breite Palettee von 3-CMOS mit prismenbasierter Technologie industrielle RGB-Flächenkameras für medizinische und biowissenschaftliche Anwendungen. Die 3CMOS-Serie bietet eine höhere Farbgenauigkeit und räumliche Präzision als typische Bayer-Filter-Kameras und wird vor allem für das Color Vision System eingesetzt. 

Die prismenbasierten RGB-Kameras von JAI trennen das einfallende Licht in rote, grüne und blaue Wellenlängen und leiten es an drei präzise ausgerichtete CMOS-Sensoren weiter, wodurch eine bessere Farbgenauigkeit und räumliche Präzision erreicht wird als bei herkömmlichen Farbkameras, die das Bayer-Mosaik-Verfahren durch Farbbildtechnik nutzen. Die Kameras bieten eine hohe Auflösung in Kombination mit hohen Bildwiederholraten mit 3 x 3,2 Megapixeln bei 38 Bildern/Sekunde und 79 Bildern/Sekunde. Die CMOS-Kamera findet Anwendung in der Augenheilkunde, d. h. bei der Untersuchung des Auges, bei der Betrachtung von inneren Merkmalen wie der Netzhaut, dem Sehnervenkopf, der Makula und der Mikrozirkulation in den Blutgefäßen, wobei sie genaue und detaillierte Farbbilder liefert.

 Rekonstruktion von Röntgenbildern 

Teledyne DALSAs hat vor kurzem eine Xineos-Röntgenbild-Rekonstruktionstechnologie entwickelt, die herkömmliche Grenzen überwindet, indem sie scharfe Panoramabilder erfasst. Die Technologie verwendet CMOS-Detektoren, die auf Hochgeschwindigkeits-Bildern basieren und ein 3D-Tomographie-Volumen mit klinisch relevanter Patientenanatomie erfassen. Es entsteht eine ideale 2D-Panoramaprojektion mit hoher Schärfe über das gesamte Bild, unabhängig von der Ausrichtung des Patienten, was eine bessere Diagnose und weniger Neuaufnahmen ermöglicht.

Endoskopie und digitale Pathologie

Die neuesten CMOS-Kameras können selbst feinste Farbabweichungen und Details für die Bildgebung in der Endoskopie wiedergeben In der Endoskopie und in chirurgischen Bildgebungssystemen Digitale Pathologie JAI Apex-Kameras eignen sich ideal für die Integration in Mikroskope und Ganz-Objektträger-Scanner, um menschliche Gewebeschnitte, Biopsie-Tests und Zellproben zu erfassen. 

Orthopädische und chirurgische 

Das Unternehmen Olympus bietet eine eine Reihe von Mikroskoplösungen für den Bedarf der biowissenschaftlichen Forschung in verschiedenen Bereichen, darunter Krebsforschung, Zellkultur, Entwicklungsbiologie, Entdeckung von Medikamenten, Fluoreszenz, Bildgebung von lebenden Zellen, Molekulare Zellbiologie, Neuroscience Imagingund Regenerative Medizin. Die CMOS- und CCD-Chip-Kameras bieten digitale Bildgebung mit hoher Auflösung. Die Mikroskope erfassen die Feinstruktur und morphologischen Veränderungen von Neuronen und die Tiefenstruktur von Geweben mit hochauflösenden und klaren dreidimensionalen Bildern. Das hilft bei der Erfassung von kalziumempfindlichen Farbstoffen und Hochgeschwindigkeitsreaktionen des Membranpotenzials.

Schlussfolgerung

Zusammengefasst, Um den immer anspruchsvolleren Anforderungen der Medizin- und Biowissenschaftsbranche gerecht zu werden, werden dringend zuverlässige, genaue und leistungsstarke Bildverarbeitungs- und Kamerasensoren benötigt, um die Effizienz und Genauigkeit der Bilder zu verbessern. ADie Weiterentwicklung der Technologien auf Pixelebene hat zu einer bahnbrechenden Leistung des CMOS-Sensors geführt, die sich in zusätzlichen Merkmalen wie geringem Rauschen, extrem hoher Empfindlichkeit und einer höheren und zuverlässigeren Bildqualität niederschlägt. Die Anwendungen der CMOS-Bildgebung in medizinischen Geräten und Biowissenschaften sind vielversprechend. Nach Angaben der market research analysis, the Iimage sensor sector is projected to reach USD 28.0 billion by 2025 from an estimated USD 18.5 billion in 2020, growing at a CAGR von 8,6% (2020-2025). 

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