Каков принцип работы системы эндоскопической визуализации?

Введение
Система эндоскопической визуализации позволяет врачам заглянуть внутрь человеческого тела, а инспекторам – внутрь механизмов без больших разрезов или разборки. Но как это на самом деле работает? За небольшой головкой камеры на кончике находится тщательно продуманная система оптики, электроники и освещения, которая захватывает и отображает изображения в реальном времени. Компания Sure уже более 30 лет производит модули камер, включая компоненты для медицинских и промышленных эндоскопов. В этой статье объясняется принцип работы системы эндоскопической визуализации.

Что такое система эндоскопической визуализации?
Система эндоскопической визуализации представляет собой комплексное решение для визуализации внутренних областей, которые иначе недоступны. Он состоит из:

• Модуль камеры на кончике

• Источник освещения

• Кабель или система передачи

• Блок управления камерой (процессор)

• Монитор

Модуль камеры — будь то модуль камеры медицинского эндоскопа или модуль камеры промышленного эндоскопа — содержит основные компоненты визуализации.

Основной принцип: свет внутрь, изображение наружу.
В самом простом виде система эндоскопической визуализации работает как любая цифровая камера:

1. Свет освещает целевую область

2. Оптика фокусирует отраженный свет на датчике.

3. Датчик преобразует свет в электрические сигналы

4. Электроника преобразует сигналы в видео

5. На дисплее отображается изображение в режиме реального времени.

Задача состоит в том, чтобы сделать все это в упаковке, достаточно маленькой, чтобы пройти через крошечные отверстия — часто всего несколько миллиметров.

Шаг 1: Освещение
Внутри полости тела или трубы темно. Система должна обеспечивать собственный свет. Освещение обычно происходит от:

• Светодиоды: крошечные фонарики, установленные вокруг объектива камеры. Распространен в современных эндоскопах — маленький, яркий, холодный.

• Оптоволокно: свет от внешнего источника проходит по оптоволоконным кабелям к наконечнику. Головка камеры становится меньше.

Для модуля камеры микроэндоскопа диаметром менее 2 мм часто используется оптоволокно, поскольку светодиоды будут слишком большими.

Шаг 2. Захват изображения через линзу
Свет, отраженный от цели, попадает в линзу на кончике. Объектив фокусирует этот свет на датчике изображения. Ключевые оптические характеристики:

• Поле зрения (FOV): насколько широкую область видит камера. Общий: от 90° до 120°.

• Глубина резкости (ГРИП): диапазон расстояний, на которых изображение выглядит резким. Большинство эндоскопов имеют большую глубину резкости (от 10 мм до бесконечности), что позволяет избежать необходимости автофокусировки.

• Фокусное расстояние: определяет увеличение и рабочее расстояние.

Объектив критичен. Технология Active Alignment (AA) обеспечивает идеальное центрирование и фокусировку объектива относительно матрицы.

Шаг 3: Преобразование света в электричество
Сфокусированный свет попадает на датчик камеры модуля cmos . КМОП-сенсоры являются стандартными для современных эндоскопов, поскольку они:

• Используйте мало энергии

• Генерировать минимальное тепло (важно внутри тела)

• Можно сделать очень маленьким

Сенсор покрыт миллионами светочувствительных пикселей. Каждый пиксель измеряет интенсивность света. Цвет фиксируется с помощью массива фильтров Байера.

Датчик преобразует свет в электрические сигналы — поток цифровых значений, представляющих изображение.

Шаг 4. Передача сигнала.
Электрические сигналы передаются от наконечника камеры к процессору через:

• Электрические провода: внутри кабеля эндоскопа.

• Гибкие печатные схемы: для очень тонких прицелов.

• Беспроводная передача: в капсульных эндоскопах.

Для модуля USB-камеры с разрешением 5 Мп, используемого при промышленном контроле, сигналы передаются через USB на компьютер. В модуле камеры медицинского эндоскопа сигналы могут проходить через специальный разъем в специальный блок управления камерой.

Шаг 5: Обработка изображения.
Необработанные данные с датчика требуют обработки. Блок управления камерой (CCU) или процессор обрабатывает:

• Демозаика: преобразование шаблона Байера в полноцветные пиксели.

• Баланс белого: настройка цветов для естественного вида.

• Шумоподавление: устранение зернистости в условиях низкой освещенности.

• Резкость: улучшение детализации краев.

• Гамма-коррекция: регулировка яркости для правильного отображения

Некоторые системы включают в себя цифровой зум, улучшение изображения или обнаружение тканей на основе искусственного интеллекта.

Шаг 6: Отображение
Обработанное видео отправляется на монитор. Медицинским мониторам необходимы:

• Высокое разрешение (1080p или 4K)

• Точная цветопередача

• Низкая задержка

Промышленные дисплеи могут представлять собой экран ноутбука (для модуля USB-камеры с разрешением 5 Мп ) или специальный портативный монитор.

Ключевые компоненты в деталях

Модуль камеры
Сердцем любой эндоскопической системы является модуль камеры. Модуль камеры медицинского эндоскопа предназначен для:

• Совместимость со стерилизацией (автоклав, EtO)

• Биосовместимые материалы

• Высокая точность цветопередачи для диагностики тканей

Модуль камеры промышленного эндоскопа предназначен для:

• Прочность (вибрация, падения)

• Гидроизоляция (IP67/IP68)

• Широкий диапазон рабочих температур

еще Модуль камеры микроэндоскопа больше миниатюризируется — часто диаметром менее 2 мм для специализированных медицинских или прецизионных промышленных применений.

Датчики
CMOS доминируют. Ключевые характеристики:

• Разрешение: от VGA до 4K. Модуль USB-камеры на 5 Мп обеспечивает разрешение 2592×1944 для детального осмотра.

• Размер пикселя: пиксели большего размера улавливают больше света, улучшая качество изображения при слабом освещении.

• Частота кадров: для движущихся объектов полезна более высокая частота кадров.

Объектив
Объектив определяет угол обзора и фокус. Широкоугольный режим (90–120°) позволяет увидеть как можно больше. Типичен фиксированный фокус с большой глубиной резкости.

Кабель
По кабелю передаются сигналы питания, видео и управления. Он должен быть гибким, прочным и защищенным от влаги.

Источник света
В современных системах используются светодиоды или оптоволокно. Светодиоды встроены в наконечник; оптоволокно позволяет уменьшить размер наконечника, но требует внешнего светового короба.

Медицина и промышленность: схожие принципы, разные приоритеты

В модуле камеры медицинского эндоскопа приоритет отдается качеству и безопасности изображения; отдает Модуль камеры промышленного эндоскопа приоритет прочности и универсальности.

Роль USB
USB широко используется в промышленных и бытовых эндоскопах. Модуль USB-камеры с разрешением 5 Мп подключается напрямую к компьютеру, создавая полноценную систему проверки без дополнительного оборудования. Эти модули Plug-and-Play часто используются в автомобильных инспекциях, сантехнических работах и ​​проектах DIY.

Модули эндоскопических камер компании Secretre
Мы производим модули камер как для медицинских, так и для промышленных эндоскопических применений:

• Модуль камеры медицинского эндоскопа: совместимый с стерилизацией, с высоким разрешением, биосовместимый

• Модуль камеры промышленного эндоскопа: Прочный, водонепроницаемый (IP67/IP68), широкий температурный диапазон.

• Модуль камеры микроэндоскопа: ультраминиатюрный дизайн (менее 2 мм)

• Модуль USB-камеры 5 Мп: Plug-and-Play с высоким разрешением для промышленного контроля

Наше производство включает в себя оборудование класса 10/100, защищенное от пыли, и систему Active Alignment (AA) для идеальной фокусировки.

Резюме:
Система эндоскопической визуализации работает следующим образом:

1. Подсветка цели светодиодами или оптоволоконным кабелем

2. Фокусировка отраженного света через линзу на камеры модуля cmos. датчике

3. Преобразование света в электрические сигналы

4. Передача сигналов по кабелю на процессор

5. Обработка необработанных данных в просматриваемое изображение

6. Вывод изображения на монитор в режиме реального времени

Будь то модуль камеры медицинского эндоскопа для хирургии, модуль камеры промышленного эндоскопа для проверки трубопроводов, модуль камеры микроэндоскопа для сверхузких пространств или модуль камеры USB 5 Мп для проверки по принципу «включай и работай», основной принцип один и тот же: улавливать свет, преобразовывать его в цифровые сигналы и отображать результат.

В компании Sure мы для камер с модулями cmos . уже более 30 лет производим решения Если вы разрабатываете систему эндоскопической визуализации, свяжитесь с нами, чтобы обсудить требования к модулю вашей камеры.