Le applicazioni di ricerca e diagnosi biomedicale richiedono di solito sistemi di acquisizione delle immagini a risoluzione spaziale elevata, riproduzione dei colori accurate, maggiore sensibilità in condizioni di illuminazione ridotta e, in molti casi, una combinazione di tutti e tre questi fattori per ottimizzare l’affidabilità dei dati. La disponibilità di una telecamera per microscopio, istologia, citologia/citogenetica epifluorescenza ecc. idonea è fondamentale per fornire diagnosi corrette nelle applicazioni cliniche o dati affidabili durante la ricerca. Come scegliere quindi la telecamera di machine vision più adatta per la propria applicazione? Nelle sezioni che seguono sono illustrati i diversi aspetti da considerare per la scelta di una telecamera di machine vision per le applicazioni biomedicali e per le scienze biologiche.

Risoluzione e accuratezza dei colori

La risoluzione necessaria dipende dal fattore di ingrandimento della struttura di interesse nel campione in relazione alle dimensioni dei pixel della telecamera; vale a dire che una risoluzione elevata in applicazioni di microscopia può essere raggiunta da una telecamera a 2 MP, da una telecamera a 25 MP o con qualsiasi valore tra questi compreso. La scelta dipende dall’ingrandimento della struttura di interesse del campione ottenuto con le ottiche in relazione alle dimensioni dei pixel della telecamera. Per scegliere la migliore telecamera disponibile per ottenere la risoluzione desiderata, determinare prima le dimensioni della struttura più piccola del campione che si desidera acquisire, moltiplicare quindi le dimensioni per l’ingrandimento delle ottiche del proprio Sistema, in tal modo si ottiene la dimensione della struttura proiettata sul sensore della telecamera.

Se la dimensione della struttura è pari ad almeno 2,33 (Nyquist) volte la dimensione del pixel del sensore, la telecamera dovrebbe essere in grado di acquisire correttamente la struttura. Se, ad esempio, la dimensione della struttura proiettata è ~8 um, una telecamera con pixel da 3,45 um dovrebbe essere in grado di acquisire correttamente la struttura. Esistono altri metodi per misurare la risoluzione (ad esempio, le coppie di linee), ma questo è il calcolo più semplice da eseguire per trovare le telecamere più idonee da testare. Le applicazioni di imaging biomedicale, come in istologia, citologia e citogenetica, si basano su una vasta gamma di luci bianche (comprese tra ~400 nm e 700 nm) oppure utilizzano una lunghezza d’onda selezionata entro questo intervallo (ad esempio, 565 nm). Se le strutture in questi campioni non sono viventi (o fisse) è possibile esporle a livelli di luminosità elevati senza rischiare di macchiare, scolorire o uccidere il campione. In queste condizioni il requisito principale della telecamera è una risoluzione elevata con una riproduzione accurata dei colori. In altre parole, una sensibilità a bassi livelli di luminosità non è un fattore importante.

Sensibilità, efficienza quantica e gamma dinamica

Per le applicazioni di imaging con campioni vivi la difficoltà consiste nell’evitare l’esposizione del campione a una quantità eccessiva di luce, che eliminerebbe le molecole fluorescenti o ucciderebbe il campione. Per queste applicazioni si utilizza di solito una tecnica definita epifluorescenza. Le tecniche di epifluorescenza si possono utilizzare su campioni sia viventi che fissi, alcuni campioni sono rari o molto costosi da acquisire e il processo per la loro creazione e preparazione può avere costi elevati in termini di materiali e manodopera. Ne consegue che un sistema in grado di preservarne la qualità aiuta a ridurre i costi correnti di queste applicazioni di acquisizione di immagini. Per l’epifluorescenza si utilizza una lunghezza d’onda a energia elevata che viene filtrata in modo che il campione emetta una a lunghezza d’onda a bassa energia. La lunghezza d’onda a bassa energia viene quindi di nuovo filtrata verso la telecamera. In queste condizioni, il requisito principale è la sensibilità elevata che consente di utilizzare luci meno intense e dannose per il campione. Una telecamera con una sensibilità eccellente può produrre immagini di alta qualità anche quando la luce viene emessa a bassa energia. Per trovare i modelli con una sensibilità eccellente in grado di garantire le prestazioni desiderate in condizioni di illuminazione poco intensa è possibile concentrarsi su tre specifiche: sensibilità assoluta, efficienza quantica e gamma dinamica. La soglia di sensibilità assoluta è costituita dal numero di fotoni necessari per ottenere un segnale equivalente al rumore osservato dal sensore, minore è il valore migliori sono le prestazioni. L’efficienza quantica è la percentuale di fotoni convertiti in elettroni a una determinata lunghezza d’onda, sono da preferire quindi i valori più elevati. La gamma dinamica è il rapporto segnale/rumore compreso il rumore di lettura al buio (ovvero il rumore nel sensore quando non c’è segnale), maggiore è il valore migliori sono le prestazioni. In generale i modelli monocromatici offrono prestazioni migliori in condizioni di bassa luminosità rispetto agli equivalenti a colori.

Combinazioni di fattori

Per le applicazioni che utilizzano sia luce bianca che epifluorescenza, cercare modelli di telecamera in grado di offrire la nuova funzionalità di guadagno in conversione di Sony, che offre la possibilità di ottimizzare il sensore per la sensibilità elevata o la capacità di saturazione elevata. Un guadagno elevato in conversione è ideale per gli ambienti a bassa illuminazione, perché riduce al minimo il rumore in lettura producendo una soglia di sensibilità assoluta particolarmente bassa, perfetta per il rilevamento di segnali deboli a esposizioni brevi. Un guadagno basso in conversione è invece ideale per le condizioni di luminosità elevata, poiché la capacità di saturazione viene massimizzata offrendo una migliore gamma dinamica. La gamma dinamica massima è limitata dal convertitore ADC a 12 bit.

Scegliere le telecamere giuste

Per la scelta di una telecamera un buon punto di partenza è sempre la scelta di un sensore CMOS recente. In genere i sensori più recenti offrono prestazioni migliori (e in alcuni casi costano meno). Inoltre, se per l’applicazione è necessario acquistare molte telecamere nel corso degli anni (ad esempio, la produzione continua di uno strumento diagnostico), diventa fondamentale scegliere una telecamera che non sia alla fine del suo ciclo di vita, per evitare di dover sostenere i costi di riprogettazione dei dispositivi. FLIR produce oltre 200 varianti di telecamere per machine vision che si possono raggruppare in tre diverse famiglie che adottano i sensori CMOS più recenti: Blackfly S, Oryx e Firefly.

                          I due modelli Blackfly S (a sinistra) e Oryx (a destra)

La famiglia di telecamere Blackfly S offre la più vasta gamma di sensori, fattori di forma e interfacce. Grazie al gran numero di modelli offerti nelle version USB3 e GigE, queste telecamere sono estremamente versatili e facili da incorporare nella fasi di progettazione. Le versioni di Blackfly S board level sono varianti miniaturizzate del prodotto completo dotato di custodia e sono particolarmente adatte per le applicazioni con limiti di spazio e integrate. La vasta gamma di funzionalità, l’eccellente rapporto prezzo/prestazioni e le risoluzioni che raggiungono i 24 MP ne fanno la scelta ideale per le applicazioni biomedicali e nel settore delle scienze biologiche. La famiglia di telecamere Oryx offre sensori ad alta risoluzione con una veloce interfaccia 10GigE, che consente di acquisire immagine con una risoluzione di 4k a 12 bit e a oltre 60 FPS. L’interfaccia Oryx’s 10GBASE-T è uno standard comprovato e ampiamente utilizzato che fornisce trasferimento affidabile delle immagini con un cavo di lunghezza superiore a 50 metri su CAT6A a bassi prezzi o superiore a 30 m su CAT5e. La famiglia di prodotti Firefly offre una serie di telecamere con fattore di forma molto contenuto, peso ridotto, basso assorbimento di potenza e prezzo conveniente. Il modello Firefly DL è in grado di operare anche su una rete neurale precedentemente addestrata per il rilevamento e la classificazione degli oggetti. Tutte le telecamere a colori di machine FLIR consentono di personalizzare la riproduzione dei colori con diversi livelli di bilanciamento del bianco e l’uso di un’esclusiva matrice di correzione dei colori, caratteristica particolarmente importante nell’imaging biomedicale dove l’accuratezza dei colori può assumere diversi significati a seconda che si tratti di un’analisi visiva umana per la diagnosi piuttosto che di un formato leggibile dalla macchina per garantire la precisione dei dati.

Per saperne di più sulle tre famiglie di telecamere per machine vision di FLIR:
https://www.flir.it/products/blackfly-s-gige/
https://www.flir.it/products/oryx-10gige/
https://www.flir.it/products/firefly-dl/

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