Aplicaciones del CMOS en la imagen médica y las ciencias de la vida

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Nikita N, consultor científico independiente de Kolabtree, escribe sobre las aplicaciones de los CMOS en la imagen médica y las ciencias de la vida, junto con ejemplos de empresas que trabajan en este ámbito. 

CMOS: sensores de imagen de próxima generación

El brote de la pandemia COVID-19 ha afectado negativamente a las empresas que producen sensores de imagen. El aumento del uso de cámaras de alta resolución que contienen sensores de imagen para aplicaciones móviles, de automoción, médicas y de ciencias de la vida impulsa el crecimiento de los sensores de imagen en el mercado. Sin embargo, las ventas de sensores de imagen han disminuido significativamente en todo el mundo, debido a los cierres de los mercados. Aunque las ventas de los sensores de imagen en el sector de la medicina y las ciencias de la vida se han resentido, han mantenido un crecimiento optimista en los últimos cuatro años. Últimamente, los sensores de imagen de baja luminosidad, que se segmentan en CCD (dispositivo acoplado cargado) y CMOS (metal-óxido-semiconductor complementario) se están abriendo camino en los teléfonos inteligentes y en las aplicaciones médicas, con una expectativa de crecimiento del mercado de 18.400 millones de dólares en 2024 y una CAGR de 12,8% durante el periodo de previsión (2020-2024). Se espera que el mercado basado en la tecnología CMOS domine durante el período de previsión debido a las diversas características ventajosas que posee sobre los sensores de imagen CCD. Alta resolución, Tamaño pequeño, mayor velocidad de fotogramas, bajo consumo de energía, mayor sensibilidad, una mayor velocidad de fotogramas, poco ruido, y menor coste de fabricación son algunas de las ventajas fundamentales del CMOS sobre el CCD.  

Sensores CMOS v/s CCD 

La diferencia entre los sensores radica en cómo se transfiere la carga fuera del píxel y hacia el dispositivo de imagen o lectura. La salida del CCD tiene un impulso analógico, mientras que el CMOS da una salida digital. Por lo general, las aplicaciones de ciencias de la vida utilizan cámaras digitales. La salida analógica se utiliza principalmente en aplicaciones que requieren una retroalimentación continua. Las industrias de las ciencias de la vida no tienen el requisito de retroalimentación constante o necesidades analógicas en los sistemas de visión.  

Adiós a los sensores CCD...

Varios fabricantes, entre ellos 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 están trabajando en el desarrollo y lanzamiento de un nueva generación de sensores CMOS. Los fabricantes están invirtiendo en la mejora de los sensores CMOS mediante la inclusión de características interesantes como de alta resolución, stamaño del centro comercial, mayor velocidad de fotogramas, bajo consumo de energía, mayor sensibilidad, una mayor velocidad de fotogramas, poco ruido, y menor coste de fabricación.  

Aplicaciones del CMOS en la imagen médica y las ciencias de la vida 

Los sensores de imagen tienen aplicaciones en diversos sectores de las ciencias de la vida, entre otros:

Imágenes dentales 

Teledyne DALSA ha desarrollado la tecnología de sensores de imagen CMOS para la radiología dental, incluidas las aplicaciones de tomografía computarizada de haz cónico (CBCT), panorámica y cefalométrica. Los sensores de imagen CMOS ofrecen importantes ventajas respecto a los tradicionales, como el diseño de píxeles resistentes a la radiación para prolongar la vida útil del sensor de imagen y la tecnología de encapsulación del paquete para soportar entornos difíciles, vibraciones y golpes. 

Mamografía digital 

Sony optronics ofrece un sensor de imagen de cámara HD CMOS que cuenta con la tecnología de sensor de imagen de última generación con una mejor sensibilidad a la luz baja que revela una capacidad de reproducción de imagen y vídeo excelente a un precio asequible. Compatible con la mayoría de las marcas de microscopios quirúrgicos y de operación.

Oftalmología 

JAI ofrece una amplia gamae de 3-CMOS con tecnología basada en prismas cámaras industriales de exploración de área RGB para aplicaciones médicas y de ciencias de la vida. La serie 3CMOS proporciona una mayor precisión cromática y espacial que las típicas cámaras con filtro Bayer y se utiliza especialmente para el sistema de visión en color. 

Las cámaras RGB basadas en prismas de JAI separan la luz entrante en longitudes de onda rojas, verdes y azules que se dirigen a tres sensores CMOS alineados con precisión, produciendo una mayor exactitud de color y precisión espacial que las cámaras de color tradicionales la técnica de mosaico Bayer a través de la técnica de imagen en color. Las cámaras ofrecen una alta resolución combinada con una alta velocidad de fotogramas con salidas de 3 x 3,2 megapíxeles a 38 fotogramas/segundo y 79 fotogramas/segundo. El CMOS tiene aplicación en oftalmología, es decir, en el examen de los ojos, observando características interiores como la retina, la cabeza del nervio óptico, la mácula y la microcirculación en los vasos sanguíneos, ofreciendo imágenes en color precisas y detalladas.

 Reconstrucción de imágenes de rayos X 

Teledyne DALSA ha desarrollado recientemente una tecnología de reconstrucción de imágenes de rayos X Xineos que supera los límites tradicionales al capturar imágenes panorámicas nítidas. La tecnología utiliza detectores CMOS que se basan en fotogramas de alta velocidad y captura un volumen tomográfico en 3D que contiene la anatomía del paciente clínicamente relevante. Se obtiene una proyección panorámica 2D ideal, con una gran nitidez en toda la imagen, independientemente de la alineación del paciente, lo que permite un mejor diagnóstico y pocas repeticiones.

Endoscopia y patología digital

Las últimas cámaras CMOS pueden reproducir incluso las variaciones de color y los detalles más sutiles para la obtención de imágenes de endoscopia En los sistemas de endoscopia e imágenes quirúrgicas. Patología digital Las cámaras JAI Apex son ideales para su integración en microscopios y escáneres de portaobjetos completos, capturando cortes de tejido humano, pruebas de biopsia y muestras celulares. 

Ortopedia y cirugía 

La empresa Olympus ofrece una gama de soluciones de microscopios para satisfacer las necesidades de investigación de las ciencias de la vida en diversas áreas, como Investigación sobre el cáncer, Cultivo de células, Biología del desarrollo, Descubrimiento de fármacos, Fluorescencia, Imágenes de células vivas, Biología Celular Molecular, Imágenes de neurocienciay Medicina Regenerativa. Las cámaras con chip CMOS y CCD ofrecen de imágenes digitales de resolución. Los microscopios captan la estructura fina y el cambio morfológico de las neuronas y la estructura profunda de los tejidos con imágenes tridimensionales claras y de súper resolución. Eso ayuda a captar los tintes sensibles al calcio y las respuestas de alta velocidad del potencial de membrana.

Conclusión:

En conclusión, Para satisfacer los requisitos cada vez más exigentes del sector médico y de las ciencias de la vida, se necesitan urgentemente sensores de visión y cámaras fiables, precisos y de alto rendimiento para mejorar la eficacia y la precisión de las imágenes. Aos avances en las tecnologías a nivel de píxel han llevado al sensor CMOS a un rendimiento que ha cambiado las reglas del juego, lo que ha dado lugar a características adicionales como un bajo nivel de ruido, una sensibilidad ultra alta y una calidad de imagen mayor y más fiable. Las aplicaciones de las imágenes CMOS en los dispositivos médicos y las ciencias de la vida parecen prometedoras. Según el análisis de la investigación de mercado, se prevé que el sector de los sensores de imagen alcance los 28.000 millones de dólares en 2025, frente a los 18.500 millones de dólares estimados en 2020, con un crecimiento de CAGR de 8,6% (2020-2025). 

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Sobre el autor

Nikita N. obtuvo su licenciatura y su máster en ingeniería química en la Universidad de Mumbai (India) y en la Universidad de Syracuse (EE.UU.), respectivamente. Durante sus estudios en la Universidad de Mumbai, diseñó un sistema de columna de destilación para el sistema de mezcla binaria de etanol y agua de Shroff & Associates Engineering Pvt. Ltd., Mumbai, India. Sus estudios en la Universidad de Siracusa incluyen reprocesamiento de combustible nuclear y no proliferación, materiales para sistemas energéticos, diseño de ingeniería química avanzada, dinámica de fluidos, biocombustibles, ingeniería bioquímica, cinética, ingeniería ecológica, métodos de ingeniería química, química y análisis medioambiental. Ha escrito artículos y compartido revisiones por pares en varias plataformas como Massive Science Journal, Prescouter Journal, Editage, ecoideaz. También ha escrito artículos sobre la producción de biocombustibles a partir de algas, la producción de etanol de segunda generación a partir de rastrojos, y los revestimientos de pintura resistentes a la corrosión y respetuosos con el medio ambiente para las industrias del petróleo y el gas.  

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