Applicazioni di CMOS nell'imaging medico e nelle scienze della vita

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

CMOS: sensori di immagine di prossima generazione

Lo scoppio della pandemia COVID-19 ha avuto un impatto negativo sulle aziende che producono sensori di immagine. L'aumento dell'uso di telecamere ad alta risoluzione contenenti sensori d'immagine per applicazioni mobili, automobilistiche e mediche e di scienze della vita alimenta la crescita dei sensori d'immagine nel mercato. Tuttavia, le vendite di sensori d'immagine sono significativamente diminuite in tutto il mondo, a causa del blocco dei mercati. Anche se i sensori d'immagine nel settore medico e delle scienze della vita hanno sofferto nelle vendite, hanno comunque mantenuto una crescita ottimistica negli ultimi quattro anni. Di recente, i sensori di immagine a bassa luminosità, che sono segmentati in CCD (dispositivo accoppiato carico) e CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) stanno trovando la loro strada negli smartphone e nelle applicazioni mediche con un'aspettativa di crescita del mercato di 18,4 miliardi di dollari entro il 2024 e un CAGR del 12,8% durante il periodo di previsione (2020-2024). Il mercato basato sulla tecnologia CMOS è destinato a dominare durante il periodo di previsione a causa delle sue varie caratteristiche vantaggiose che possiede rispetto ai sensori di immagine CCD. Alta risoluzione, Dimensioni ridotte, frame rate più elevati, basso consumo energetico, maggiore sensibilità, un frame rate più veloce, basso rumore e costo di produzione inferiore sono alcuni dei vantaggi critici del CMOS rispetto al CCD.  

Sensori CMOS v/s CCD 

La differenza tra i sensori è il modo in cui la carica viene trasferita fuori dal pixel e nel dispositivo di imaging o di lettura. L'uscita del CCD ha un impulso analogico, mentre il CMOS dà un'uscita digitale. Generalmente, le applicazioni delle scienze della vita usano telecamere digitali. L'uscita analogica è usata principalmente in applicazioni che richiedono un feedback continuo. Le industrie delle scienze della vita non hanno il requisito di un feedback costante o esigenze analogiche nei sistemi di visione.  

Adios sensori CCD...

Vari produttori tra cui 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 stanno lavorando per sviluppare e lanciare un nuova generazione di sensori CMOS. I produttori stanno investendo per migliorare i sensori CMOS includendo caratteristiche interessanti come alte risoluzioni, sdimensione del centro commerciale, frame rate più elevati, basso consumo energetico, maggiore sensibilità, un frame rate più veloce, basso rumore e costo di produzione inferiore.  

Applicazioni di CMOS nell'imaging medico e nelle scienze della vita 

I sensori di imaging hanno applicazioni in vari settori delle scienze della vita, tra cui, ma non solo:

Imaging dentale 

Teledyne DALSA ha sviluppato la tecnologia dei sensori d'immagine CMOS per la radiologia dentale, comprese le applicazioni di tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT), panoramica e cefalometrica. I sensori d'immagine CMOS offrono vantaggi significativi rispetto a quelli tradizionali, come i pixel resistenti alle radiazioni progettati per una durata più estesa del sensore d'immagine, la tecnologia di incapsulamento del pacchetto per resistere ad ambienti difficili, vibrazioni e urti. 

Mammografia digitale 

Sony optronics offre un sensore d'immagine CMOS HD Camera che presenta la tecnologia dei sensori d'immagine di ultima generazione con una migliore sensibilità in condizioni di scarsa luminosità che rivela una superba capacità di riproduzione di immagini e video ad un prezzo accessibile. Compatibile con la maggior parte delle marche di microscopi chirurgici e operativi.

Oftalmologia 

JAI offre un ampio raggioe di 3-CMOS con tecnologia prismatica telecamere industriali RGB a scansione d'area per applicazioni mediche e di scienze della vita. La serie 3-CMOS fornisce una maggiore accuratezza del colore e precisione spaziale rispetto alle tipiche telecamere con filtro Bayer ed è particolarmente utilizzata per il sistema di visione a colori. 

Le telecamere RGB basate su prismi di JAI separano la luce in entrata in lunghezze d'onda rosse, verdi e blu dirette a tre sensori CMOS allineati con precisione che producono una migliore accuratezza del colore e precisione spaziale rispetto alle telecamere a colori tradizionali la tecnica del mosaico Bayer attraverso la tecnica di imaging a colori. Le telecamere danno un'alta risoluzione combinata con un alto frame rate con uscite di 3 x 3,2 megapixel a 38 fotogrammi/secondo e 79 fotogrammi/secondo. Il CMOS ha applicazione in oftalmologia cioè nell'esame dell'occhio, guardando le caratteristiche interne come la retina, la testa del nervo ottico, la macula e la microcircolazione nei vasi sanguigni, dando immagini a colori accurate e dettagliate.

 Ricostruzione dell'immagine a raggi X 

Teledyne DALSA ha recentemente sviluppato una tecnologia di ricostruzione di immagini Xineos X-Ray che supera i limiti tradizionali catturando immagini panoramiche nitide. La tecnologia utilizza rilevatori CMOS basati su frame ad alta velocità e cattura un volume tomografico 3D contenente l'anatomia del paziente clinicamente rilevante. Si ottiene una proiezione panoramica 2D ideale, con un'elevata nitidezza su tutta l'immagine, indipendentemente dall'allineamento del paziente, permettendo una migliore diagnosi e poche ripetizioni.

Endoscopia e patologia digitale

Le più recenti telecamere CMOS possono riprodurre anche le più sottili variazioni di colore e i dettagli per l'imaging endoscopico Nei sistemi di imaging endoscopico e chirurgico. Patologia digitale Le telecamere JAI Apex sono ideali per l'integrazione in microscopi e scanner di vetrini interi, per catturare fette di tessuto umano, test bioptici e campioni di cellule. 

Ortopedico e chirurgico 

L'azienda Olympus offre un range of microscope solutions to meet life science ricerca needs in various areas including Ricerca sul cancro, Cultura cellulare, Biologia dello sviluppo, Scoperta del farmaco, Fluorescenza, Imaging delle cellule dal vivo, Biologia cellulare molecolare, Neuroscience Imaging, e Medicina rigenerativa. Le telecamere con chip CMOS e CCD offrono imaging digitale a risoluzione. I microscopi catturano la struttura fine e il cambiamento morfologico dei neuroni e la struttura profonda dei tessuti con immagini tridimensionali super-risoluzione e chiare. Questo aiuta a catturare i coloranti sensibili al calcio e le risposte ad alta velocità del potenziale di membrana.

Conclusione

In conclusione, Per soddisfare i requisiti sempre più esigenti del settore medico e delle scienze della vita, sono urgentemente necessari sensori di visione e telecamere affidabili, precisi e ad alte prestazioni per migliorare l'efficienza e la precisione delle immagini. AI progressi nelle tecnologie a livello di pixel hanno portato alle prestazioni rivoluzionarie del sensore CMOS, con conseguenti caratteristiche aggiuntive come il basso rumore, l'altissima sensibilità e una qualità dell'immagine superiore e più affidabile. Le applicazioni del CMOS Imaging nei dispositivi medici e nelle scienze della vita sembrano promettenti. Secondo il 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 di 8,6% (2020-2025). 

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