Mikä on endoskooppisen kuvantamisjärjestelmän toimintaperiaate?

Johdanto
Endoskooppisen kuvantamisjärjestelmän avulla lääkärit voivat nähdä ihmiskehon sisään tai tarkastajat katsoa koneiden sisään ilman suuria viiltoja tai purkamista. Mutta miten se käytännössä toimii? Kärjessä olevan pienen kamerapään takana on huolellisesti suunniteltu optiikka, elektroniikka ja valaistusjärjestelmä, joka tallentaa ja näyttää kuvia reaaliajassa. Olemme Sinceressä valmistaneet kameramoduuleja yli 30 vuoden ajan, mukaan lukien komponentteja sekä lääketieteellisiin että teollisiin endoskooppeihin. Tässä artikkelissa selitetään endoskooppisen kuvantamisjärjestelmän toimintaperiaate.

Mikä on endoskooppinen kuvantamisjärjestelmä?
Endoskooppinen kuvantamisjärjestelmä on täydellinen ratkaisu sisäisten alueiden visualisointiin, joihin muuten ei pääse käsiksi. Se koostuu:

• Kameramoduuli kärjessä

• Valonlähde

• Kaapeli tai siirtojärjestelmä

• Kameran ohjausyksikkö (prosessori)

• Näytön näyttö

Kameramoduuli – olipa kyseessä lääketieteellisen endoskoopin kameramoduuli tai teollisuusendoskoopin kameramoduuli – sisältää kuvantamisen ydinkomponentit.

Perusperiaate: valo sisään, kuva ulos
Endoskooppinen kuvantamisjärjestelmä toimii yksinkertaisimmillaan kuten mikä tahansa digitaalikamera:

1. Valo valaisee kohdealueen

2. Optinen tarkennus heijasti valon anturiin

3. Anturi muuttaa valon sähköisiksi signaaleiksi

4. Elektroniikka käsittelee signaalit videoksi

5. Näyttö näyttää kuvan reaaliajassa

Haasteena on tehdä tämä kaikki tarpeeksi pienessä pakkauksessa, jotta se mahtuu pienistä – usein vain muutaman millimetrin – aukoista.

Vaihe 1: Valaistus
Kehon ontelon tai putken sisäpuoli on tumma. Järjestelmän tulee tarjota oma valonsa. Valaistus tulee yleensä seuraavista:

• LEDit: Pienet valot asennettu kameran linssin ympärille. Yleistä nykyaikaisissa endoskoopeissa – pienissä, kirkkaissa, viileästi käytävissä.

• Kuituoptiikka: Ulkoisesta lähteestä tuleva valo kulkee valokuitukaapeleiden kautta kärkeen. Pitää kameran pään pienempänä.

Mikroendoskooppikameramoduulissa, jonka halkaisija on alle 2 mm, käytetään usein valokuitua, koska LEDit olisivat liian suuria.

Vaihe 2: Kuvanotto linssin läpi
Kohteesta heijastuva valo tulee linssin kärjestä. Linssi tarkentaa tämän valon kuvakennoon. Tärkeimmät optiset ominaisuudet:

• Näkökenttä (FOV): kuinka laajan alueen kamera näkee. Yleiset: 90° - 120°.

• Syvyysterävyys (DOF): Etäisyydet, jotka näyttävät teräviltä. Useimmissa endoskoopeissa on suuri DOF (10 mm:stä äärettömään), jotta vältytään automaattitarkennukselta.

• Polttoväli: Määrittää suurennuksen ja työskentelyetäisyyden.

Objektiivi on kriittinen. Active Alignment (AA) -tekniikka varmistaa, että objektiivi on täydellisesti keskitetty ja tarkennettu suhteessa kennoon.

Vaihe 3: Valon muuntaminen sähköksi
Tarkennettu valo osuu CMOS-moduulin kameraanturiin . CMOS-anturit ovat vakiona nykyaikaisissa endoskoopeissa, koska ne:

• Käytä vähän tehoa

• Tuottaa mahdollisimman vähän lämpöä (tärkeää kehon sisällä)

• Voidaan tehdä hyvin pieneksi

Anturi on peitetty miljoonilla valoherkillä pikseleillä. Jokainen pikseli mittaa valon voimakkuutta. Värit on otettu Bayerin suodatinmatriisin avulla.

Anturi muuntaa valon sähköisiksi signaaleiksi – kuvaa edustaviksi digitaaliarvoiksi.

Vaihe 4: Signaalin siirto
Sähköiset signaalit kulkevat kameran kärjestä prosessoriin seuraavien kautta:

• Sähköjohdot: Endoskoopin kaapelin sisällä

• Joustavat painetut piirit: Erittäin ohuille kaukoputkille

• Langaton lähetys: Kapselin endoskoopeissa

tietokoneeseen . Teollisuustarkastuksessa käytettävän 5 megapikselin usb-kameramoduulin signaalit kulkevat USB:n kautta Lääketieteellisen endoskoopin kameramoduulin signaalit voivat kulkea patentoidun liittimen kautta erityiseen kameran ohjausyksikköön.

Vaihe 5: Kuvankäsittely
Anturin raakatiedot on käsiteltävä. Kameran ohjausyksikkö (CCU) tai prosessori käsittelee:

• Demosaicining: Bayer-kuvion muuntaminen täysivärisiksi pikseleiksi

• Valkotasapaino: Säädä värit näyttämään luonnollisilta

• Melunvaimennus: Rakeisuuden puhdistaminen heikossa valaistuksessa

• Teroitus: Parantaa reunan yksityiskohtia

• Gammakorjaus: Kirkkauden säätäminen oikean näytön varmistamiseksi

Jotkut järjestelmät sisältävät digitaalisen zoomin, kuvanparannustoiminnon tai tekoälyyn perustuvan kudostunnistuksen.

Vaihe 6: Näyttö
Käsitelty video lähetetään näyttömonitoriin. Lääketieteelliset monitorit tarvitsevat:

• Korkea resoluutio (1080p tai 4K)

• Tarkka värintoisto

• Matala latenssi

Teollisuusnäytöt voivat olla kannettavan tietokoneen näyttö ( 5 megapikselin usb-kameramoduulille ) tai erillinen kämmenmonitori.

Tärkeimmät komponentit yksityiskohtaisesti

Kameramoduuli
Endoskooppisen järjestelmän sydän on kameramoduuli. Lääketieteellinen endoskooppikameramoduuli on suunniteltu:

• Sterilointiyhteensopivuus (autoklaavi, EtO)

• Bioyhteensopivat materiaalit

• Korkea väritarkkuus kudosdiagnoosissa

Teollinen endoskooppikameramoduuli on rakennettu:

• Kestävyys (värinä, putoaminen)

• Vedeneristys (IP67/IP68)

• Laajat käyttölämpötila-alueet

Mikroendoskooppikameramoduuli vie miniatyrisoinnin entisestään – usein alle 2 mm: n halkaisijaltaan erikoislääketieteen tai tarkkuusteollisuuden sovelluksiin.

Sensor
CMOS -anturit hallitsevat. Tärkeimmät tiedot:

• Resoluutio: VGA - 4K. 5 megapikselin usb-kameramoduuli tarjoaa 2592 × 1944 tarkkuutta varten.

• Pikselikoko: Suuremmat pikselit sieppaavat enemmän valoa, mikä parantaa suorituskykyä heikossa valaistuksessa.

• Kuvataajuus: Liikkuville kohteille korkeammat kuvataajuudet ovat hyödyllisiä.

Objektiivi Objektiivi
määrittää katselukulman ja tarkennuksen. Laajakulma (90°–120°) on tavallista nähdä niin paljon kuin mahdollista. Kiinteä tarkennus ja suuri syväterävyys on tyypillistä.

Kaapeli
Kaapeli kuljettaa virta-, video- ja ohjaussignaaleja. Sen on oltava joustava, kestävä ja tiivis kosteutta vastaan.

Valonlähde
Nykyaikaiset järjestelmät käyttävät LEDejä tai kuituoptiikkaa. LEDit on integroitu kärkeen; kuituoptiikka pitää kärjen pienempänä, mutta vaatii ulkoisen valolaatikon.

Lääketieteellinen vs. teollisuus: samanlaiset periaatteet, erilaiset prioriteetit

Lääketieteellinen endoskooppikameramoduuli asettaa kuvan laadun ja turvallisuuden etusijalle; teollinen endoskooppikameramoduuli asettaa etusijalle kestävyyden ja monipuolisuuden.

Role of USB
USB on suosittu teollisuus- ja kuluttajaendoskoopeissa. 5 megapikselin usb-kameramoduuli liitetään suoraan tietokoneeseen, mikä luo täydellisen tarkastusjärjestelmän ilman lisälaitteita. Nämä plug and play -moduulit ovat yleisiä autojen katsastus-, putkitöissä ja tee-se-itse-projekteissa.

Sinceren endoskooppiset kameramoduulit
Sincere valmistaa kameramoduuleja sekä lääketieteellisiin että teollisiin endoskooppisiin sovelluksiin:

• Lääketieteellinen endoskooppikameramoduuli: Sterilointiyhteensopiva, korkearesoluutioinen, bioyhteensopiva

• Teollisuuden endoskooppikameramoduuli: Kestävä, vedenpitävä (IP67/IP68), laaja lämpötila-alue

• Mikroendoskooppikameramoduuli: Ultrapienimallit (alle 2 mm)

• 5 megapikselin usb-kameramoduuli: Korkearesoluutioinen plug-and-play teolliseen tarkastukseen

Tuotantomme sisältää luokan 10/100 pölyttömät tilat ja Active Alignment (AA) täydellisen tarkennuksen.

Yhteenveto
Endoskooppinen kuvantamisjärjestelmä toimii seuraavasti:

1. Kohteen valaiseminen LEDeillä tai kuituoptiikalla

2. tarkentaminen Objektiivin läpi heijastuneen valon CMOS-moduulin kameraanturiin

3. Valon muuntaminen sähköisiksi signaaleiksi

4. Signaalien lähettäminen kaapelin kautta prosessorille

5. Raakatietojen käsittely katseltavaksi kuvaksi

6. Kuvan näyttäminen näytöllä reaaliajassa

Olipa kyseessä lääketieteellinen endoskooppikameramoduuli kirurgiaan, teollisuusendoskooppikameramoduuli putkien tarkasteluun, mikroendoskooppikameramoduuli erittäin ahtaisiin tiloihin tai 5 megapikselin usb-kameramoduuli plug-and-play-tarkastukseen, taustalla on sama periaate: kaappaa valo, muunna digitaalisiksi signaaleiksi ja näytä tulos.

Olemme Sinceressä valmistaneet CMOS-moduulikameraratkaisuja yli 30 vuoden ajan. Jos olet kehittämässä endoskooppista kuvantamisjärjestelmää, ota meihin yhteyttä keskustellaksesi kameramoduulin vaatimuksista.