尖端芯片视频技术如何促进医疗和工业成像

东芝成像系统部门的销售和市场总监Paul Dempster向AZoM讲述了东芝最新的超小型IK-CT2芯片尖端相机的灵感、挑战和应用。

东芝成像系统部门以其高清和超高清4K 3芯片技术摄像机而闻名。这些相机的哪些特点使东芝成像有别于其竞争对手?

世界上只有少数几家公司有能力制造3芯片技术的摄像机。装配是一个关键因素，但同样重要的是后端数字图像处理，能够最大限度地利用三个传感器。我们专注于1/3“格式传感器，使我们能够设计高性能相机块，实现与更大尺寸相机相当的成像性能，并结合一个图像传感器。这对于外科和医疗技术应用来说是一个优势，在这些应用中，小的形状因素至关重要，但成像性能需要尽可能好。

东芝成像公司最新开发的技术是晶片上(COT)摄像机。3-Chip技术是如何导致Chip-on-Tip技术的发展的?

我们的相机开发是客户驱动的，我们已经开发了几个远程尖端或芯片尖端技术的相机。之前的这些相机模型都是基于ccd的解决方案，成本相当高。我们面临的挑战是为医疗成像应用开发一种基于cmos的小格式产品，我们可以利用我们的制造专业知识、图像处理和医疗成像经验。我们的3芯片技术并没有推动我们的COT发展，但我们在医学成像和数字信号处理方面的传统帮助我们在最新的COT发展中取得了非凡的成绩。

这项新技术与目前的3芯片技术有何不同?

在我们的三片芯片产品中，我们需要小心地对齐三个高百万像素传感器，这样就有了一个关键的组装元件，以及数字图像处理，以利用这三个传感器。在COT系统中，摄像机通过一个非常小的传感器和封装实现了可能的最佳性能，这个传感器和封装可以安装在一个1.0毫米直径的孔中。装配和光学对准尤其关键;再加上我们的图像处理，它们结合在一起，最大限度地利用了一个220 x 220像素的传感器，这是一个相当了不起的成就。虽然最终的图像结果明显低于超高清4K相机的整体分辨率，但当COT相机用于它原本打算用于的近距离成像应用时，图像质量同样令人惊叹。

对比图显示了5个COT供应商和各自公司数据表的规格。(图片来源:东芝影像公司)

这项新技术与其他成像系统(如纤维镜)有何不同?

顾名思义，尖端芯片将成像传感器直接放置在设备的远端，因此光学和传感器位于尖端。在光纤镜中，一束玻璃或塑料光纤被组合在一起，在近端通过观察者的眼睛或安装摄像机可以看到这些光。在光纤镜中，一些光纤可以用来传输用于照明的光，另一些用于传输反射的图像。纤维镜的直径可以非常小，小于0.5毫米，然而，这些超小镜的分辨率和视野也相应的小，可能只有3000根纤维。在直径为1.0 mm的纤维镜中，与CT2相同的相对尺寸通常会有一束大约10,000根纤维。这与CT2的48400像素相比。此外，在纤维镜中，可以看到每一根纤维的边缘，有时会产生透过窗纱的效果，在窗纱的图像中可以看到屏幕的轮廓。

使用COT，像素的边缘没有线条，所以图像看起来更清楚，分辨率通常也提高了。随着时间的推移，光纤镜也会随着仪器的弯曲而损坏，玻璃纤维会破坏光的传输，当足够多的纤维被损坏时，图像的清晰度和灵敏度将会恶化。当使用COT技术时，不会发生纤维断裂的影响。可以添加一个高分辨率摄像机的近端端纤维镜可能促进监视器上显示或记录的图像,但纤维可能是可见的轮廓和整体解决范围将不会改善和解决纤维仍然有限。

东芝的IK-CT2芯片式摄像机与目前市场上的其他COT摄像机有何不同?

东芝的CT2集成了一个非常小的0.7 mm x 0.7 mm CMOS传感器，是目前最小的传感器之一。CT2采用背面照明(BSI) CMOS传感器设计，提高了光敏度。它的工作频率为59.94 Hz，被认为是全动态视频，成像非常流畅，没有涂抹或撕裂。CT2的220 x 220像素矩阵比早期的小传感器尝试更高，再加上它的多元素玻璃镜头和图像处理，结果是一个优秀的图像。这是所有设计元素的累积效应，在一个令人难以置信的小包装中产生了卓越的分辨率、鲜艳的颜色、卓越的灵敏度和低噪音。整个尖端组件将适合于1.0 mm直径的孔，而刚性尖端的长度只有2.3 mm，因此它可以支持高度专业化的器械、小型化的外科或工业检测设备的设计。

东芝成像公司的IK-CT2是一款超小型COT视频摄像机系统，配有0.7 x 0.7 mm背面发光CMOS传感器，分辨率为220 x 220像素。显示与LED照明选项。(图片来源:东芝影像公司)

相比之下，大多数COT成像传感器都是1毫米× 1毫米或更大，或者是基于CCD技术。CCD传感器通常成本较高，需要更多的支持电子设备来控制它们，因此可用的选项较少。CMOS具有成本较低的优势，在许多情况下更容易集成图像处理路径。东芝CT2最大的优点是它的尺寸非常小，1.0 mm传感器需要1.4 mm开口，而1.0 mm传感器需要1.4 mm开口，这在开发超小型仪器时非常重要。此外，60帧/秒的视频输出可以实现无模糊的实时成像，这被认为优于30帧/秒的选项。有一些尝试引入小于0.7毫米的成像传感器，然而，这些早期的传感器像素密度较低，图像质量在灵敏度、分辨率和噪声方面真的不是很好。

当看到IK-CT2尖端芯片摄像头时，首先突出的是它的尺寸。它的大小和分辨率是多少?

IK-CT2是一款1.0 mm的相机，包括一个0.7 mm x 0.7 mm CMOS BSI传感器和带有独立视频处理单元的多元素玻璃镜头。视频输出为VGA，有一个220 x 220的活动视频区域。

IK-CT2的小尺寸对其分辨率有何影响?现在还有可能捕捉到非常详细的图像吗?

相机设计和传感器开发始终是实现最大像素尺寸的平衡行为，这将提高光敏度和降低噪声，而像素密度(传感器上的像素数量)将有助于图像大小和分辨率。光学有助于管理相机的功能。在CT2的情况下，视野相当大，在120度，但景深很小，在3毫米到50毫米。与典型的高清或4K摄像机相比，其视场通常小于60度，但景深可能在几英寸到无穷大之间。由于光学特性，CT2适用于分辨率和细节最大化的近距离应用。COT相机的许多应用包括观察管状结构，管状结构的直径只有2毫米到5毫米，沿着管状结构的边缘观察是最关键的因素。在这个应用中，广角视图有助于清晰地看到侧面，而且由于相机非常接近侧面，所以分辨率在相机的工作焦距范围内。

你认为这种尺寸和分辨率的相机在医疗行业有什么应用呢?

CT2和其他这种尺寸的摄像机使超小型化的手术和治疗仪器得以发展。在某些情况下，它允许开发支持创新医疗技术的新仪器。在其他情况下，它允许开发改进的仪器，使用更小的配置提供可比的性能。这些可以应用于几乎任何外科或治疗应用，包括泌尿外科、耳鼻喉科、女性健康、神经外科、肺科、骨科、牙科、心脏和心律。它还可以应用于检查应用，如柔性scope的全腔检查和外科器械的检查，作为医疗器械无菌处理的一部分。

你能举例说明东芝COT摄像机将如何帮助医疗成像任务吗?

CT2已经在支持缩小仪器尺寸的应用，允许进入比以前更深的人体解剖区域。在其他应用中，已经使用了基于光纤镜的仪器，通过实现基于CT2的COT技术，图像质量得到了极大的改善。

COT技术可能会产生哪些新的工业内窥镜应用?

在工业领域，基于纤维镜的孔镜得到了广泛的应用。COT技术将允许开发光纤镜的替代解决方案，提供提高分辨率、灵敏度、记录和处理的潜力。目前已经有许多基于COT技术的低成本消费者级和专业级的管道、建筑和房屋检查系统。在更高端的，系统的机械零件的检查，涡轮机和各种机器的过程监控是可能的。

医生拿着一个用于内窥镜检查的发光探针。(图片来源:东芝影像公司)

展望未来，你认为这项技术将如何改变成像类和传感器类?

在我看来，可能会有两个方向的发展，包括尺寸更小的成像传感器，以及小传感器包中的更高像素数(接近高清格式)。然而，总是有权衡的。增加像素数需要减少像素大小，这会影响图像质量、灵敏度和噪声。这将是一个具有挑战性的努力，传感器制造商优化最小的尺寸，同时保留最好的成像特性。另一个关键因素将是光学方面。目前，主要有三种透镜技术:传统玻璃光学、塑料光学和晶圆尺寸。每一种都有其优点和利弊。晶圆级光学镜片目前已经有，但光学性能不如玻璃技术镜片。这种尺寸的塑料透镜是可能的，但体积并不足以支持加工费用，光学性能仍然低于玻璃光学。模制玻璃提高了成本，并保留了光学质量，但仍可能比晶圆规模或模制塑料更昂贵。 As these technologies advance, I would expect these to allow new camera formats and achieve cost targets while optimizing image performance. As costs come down, it opens increasing options for single-use devices and the proliferation of incorporating vision into an expanding range of applications in industrial, health-tech, and therapeutics.

我们的读者在哪里可以找到更多关于东芝成像和IK-CT2尖端芯片摄像机的信息?

www.toshibacameras.com

关于保罗的法官

Paul Dempster是东芝成像系统部门的销售和市场总监，负责支持美洲医疗设备制造商、分销商和视频技术工业集成商。保罗在外科成像、诊断成像和核心成像技术的集成方面有丰富的经验，以开发市场领先的产品。