Imagem biomédica: Guia de seleção das especificações da câmera de visão de máquina e como calculá-las

As aplicações biomédicas de diagnóstico e pesquisa geralmente requerem imagens com alta resolução espacial, reprodução precisa de cores, maior sensibilidade em condições de pouca luz e, em muitos casos, alguma combinação dos três fatores para melhorar a confiabilidade dos dados. Ter a câmera de microscopia, câmera de histologia, câmera de citologia/citogenética ou câmera de epifluorescência etc. apropriada é fundamental para fornecer o diagnóstico correto em uma aplicação clínica ou dados confiáveis para fins de pesquisa. Então, como saber qual câmera de visão de máquina é a melhor para sua aplicação? Nas seções a seguir, serão abrangidos vários aspectos que devem ser considerados ao escolher uma câmera de visão de máquina para suas aplicações biomédicas e de ciências biológicas. 

Fatores de aplicação específicos a serem considerados

Resolução e precisão de cores

A resolução necessária depende da ampliação da estrutura de interesse na amostra em relação ao tamanho dos pixels na câmera. Assim sendo, é possível obter alta resolução em uma aplicação de microscopia com uma câmera de 2 MP, bem como com uma câmera de 25 MP ou qualquer resolução entre essas duas. Isso dependerá da ampliação da estrutura de interesse na amostra pelo sistema ótico em relação ao tamanho dos pixels na câmera. Para selecionar a melhor câmera para atingir a resolução desejada, primeiro determine o tamanho da menor estrutura na amostra que se deseja observar. Em seguida, multiplique pelas ampliações das lentes do seu sistema ótico. Isso fornecerá o tamanho dessas estruturas quando projetadas no sensor da câmera.

Se o tamanho da estrutura for de pelo menos 2,33 (Nyquist) vezes o tamanho de um pixel no sensor da câmera, então a câmera deverá ser capaz de observar essa estrutura. Por exemplo, se o tamanho dessas estruturas projetadas for ~8 um, uma câmera com pixels de 3,45 um deverá ser capaz de observar essas estruturas. Existem outros métodos para medir a resolução (por exemplo, pares de linhas), mas este cálculo é mais fácil para encontrar opções de câmera adequadas para testar.

As aplicações de imagem para histologia, citologia e citogenética funcionam com uma ampla faixa de luz branca (entre ~400 nm e 700 nm) ou usam um comprimento de onda selecionado dentro desta faixa (por exemplo, 565 nm). Se os espécimes nessas amostras não estiverem vivos (ou fixos), eles podem ser expostos a níveis de luz brilhante sem o risco de desbotarem ou serem mortos. Nessas condições, o principal requisito da câmera é a alta resolução e a reprodução das cores. Em outras palavras, a sensibilidade à luz baixa não é um fator importante. Para encontrar modelos de alta resolução, use nosso Seletor de câmera de visão de máquina FLIR para filtrar e classificar por megapixels.

Sensibilidade, eficiência quântica e faixa dinâmica

Para aplicações de imagem com espécimes vivos, o desafio é evitar a superexposição da amostra a muita luz, o que iria branquear as moléculas fluorescentes ou matar o espécime. Essas aplicações geralmente usam uma técnica chamada epifluorescência. As técnicas de epifluorescência podem ser usadas em espécimes fixos e vivos. Alguns espécimes são raros ou custosos para adquirir e o processo de criação de amostras pode ser caro tanto nos materiais quanto na mão de obra. Portanto, um sistema que preserva a qualidade das amostras pode ajudar a reduzir o custo contínuo dessas aplicações de imagem.

A epifluorescência usa um comprimento de onda de alta energia que é filtrado para excitar a amostra a emitir um comprimento de onda de baixa energia. O comprimento de onda de baixa energia é filtrado de volta para a câmera. Nessas condições, o principal requisito é a sensibilidade, pois permite o uso de luz menos intensa que é prejudicial à amostra. Uma câmera com excelente sensibilidade pode fornecer imagens de alta qualidade, mesmo quando a emissão de luz é de baixa energia.

Para encontrar modelos com excelente sensibilidade, a fim de ter bom desempenho em condições de pouca luz, se concentre em três especificações: sensibilidade absoluta, eficiência quântica e faixa dinâmica. Sensibilidade absoluta é o número de fótons necessários para obter um sinal equivalente ao ruído observado pelo sensor. Quanto menor o número, melhor. Eficiência quântica é a porcentagem de fótons convertidos em elétrons em um determinado comprimento de onda — aqui você irá querer um número alto. Faixa dinâmica é a relação entre sinal e ruído, incluindo o ruído escuro temporal (o ruído no sensor quando não há sinal). Quanto maior, melhor. Para fácil comparação, use o seletor de modelo da FLIR para filtrar e encontrar os valores mais altos.

Geralmente, os modelos monocromáticos têm melhor desempenho com pouca luz em comparação aos modelos coloridos equivalentes. Para visualizar os detalhes do desempenho da imagem de um modelo, consulte o documento detalhado Desempenho da imagem EMVA referente ao modelo. No site da FLIR, eles podem ser encontrados no link “Camera Resources (Recursos da câmera)” para cada família de câmeras: Recursos Oryx, Recursos Blackfly S USB, Recursos Blackfly S GigE Resources,  Recursos Firefly. 

Para obter mais informações sobre o padrão de desempenho da imagem EMVA e como comparar modelos pela sensibilidade, consulte Como avaliar a sensibilidade da câmera.

Combinação de fatores

Para aplicações que usam luz branca e epifluorescência, busque por modelos de câmeras que ofereçam o novo recurso de ganho de conversão da Sony, o qual oferece a capacidade de otimizar o sensor para alta sensibilidade ou alta capacidade de saturação. O alto ganho de conversão é ideal para ambientes de pouca luz, pois o ruído de leitura é minimizado, resultando em um limite de sensibilidade absoluta baixo, perfeito para detectar sinais fracos com exposições curtas. O ganho de conversão baixo é ideal para condições de iluminação intensa, pois a capacidade de saturação é maximizada, resultando em uma faixa dinâmica aprimorada. A faixa dinâmica máxima será limitada pelo ADC de 12 bits. 

Para encontrar uma lista de modelos com ganho de conversão, consulte Revisão do sensor de visão da máquina. Para obter ajuda durante a seleção das câmeras para sua aplicação, entre em contato com um de nossos especialistas em visão da máquina.

Escolha das câmeras corretas

Ao escolher uma câmera, selecionar um sensor CMOS mais recente é sempre um bom ponto de partida. Sensores mais novos geralmente oferecem um melhor desempenho (e podem ter um preço mais baixo). Além disso, se a aplicação em questão requer a compra de muitas câmeras durante vários anos (por exemplo, na fabricação contínua de um instrumento de diagnóstico), então é fundamental selecionar uma câmera que não esteja no fim de sua duração, caso contrário, seria necessário custear o projeto de uma câmera de reposição prematuramente.

A FLIR fabrica mais de 200 variações de câmeras de visão de máquina que se encaixam amplamente em três famílias de câmeras que usam os sensores CMOS mais recentes: Blackfly S, Oryx e Firefly.

A família de câmeras Blackfly S oferece a mais ampla gama de sensores, formatos e interfaces. Com todos os modelos oferecidos nas variações USB3 e GigE, essas câmeras são extremamente versáteis e fáceis de incorporar durante o projeto. As versões do Blackfly S a nível de placa são versões miniaturizadas dos nossos invólucros com todos os recursos e são particularmente adequadas para aplicações embutidas ou com espaço limitado. A ampla gama de recursos, ótimas relações entre preço e desempenho e resoluções de até 24 MP fazem com que sejam a escolha preferida para aplicações biomédicas e de ciências biológicas.

A família de câmeras Oryx oferece sensores de alta resolução pareadas com a interface 10GigE rápida, permitindo a captura de imagens de 12 bits com resolução 4K a mais de 60 FPS. A interface 10GBASE-T da Oryx é um padrão comprovado e amplamente implementado que fornece transferência de imagem confiável em comprimentos de cabo acima de 50 metros em CAT6A de baixo custo ou superior a 30 m em CAT5e.

A família de câmeras Firefly oferece um formato de invólucro muito pequeno, leve, com baixo consumo de energia e baixo preço. O modelo Firefly DL também tem a capacidade de executar uma rede neural previamente treinada que pode ser usada para detecção ou classificação de objetos.

Todas as câmeras coloridas de visão da máquina FLIR podem personalizar a reprodução de cores com diferentes opções de equilíbrio de branco e o uso de uma matriz de correção de cor exclusiva, importante para imagens biomédicas, onde as cores podem significar coisas diferentes, dependendo da análise humana visual para diagnóstico confrontada com um formato de leitura por máquina para precisão de dados. Para obter mais informações sobre esses recursos, consulte Usando o equilíbrio de branco com Blackfly S e Spinnaker e Usando a correção de cor no Blackfly S e Oryx.

Além disso, as famílias de câmeras de visão da máquina FLIR Blackfly S, Oryx e Firefly podem ser controladas e programadas usando o GenICam3 e o Spinnaker SDK, projetados com foco no desenvolvimento e implementação, agilizando o desenvolvimento e teste das aplicações.

Para afunilar ainda mais a seleção de modelos de câmeras, o site da FLIR tem um seletor de câmera de visão de máquina com vários filtros disponíveis:

Exibir seletor de câmera de visão de máquina

Precisa de ajuda? Ainda tem dúvidas? Nossos especialistas em visão de máquina ficarão felizes em ajudá-lo a selecionar a câmera certa para suas necessidades específicas: clique aqui para entrar em contato.