Bildsensoren in der Medizin Diagnosen automatisieren

Bild: iStock, Devrimb
06.06.2017

Für die Analyse medizinischer Proben ist das menschliche Auge nur bedingt geeignet. Es ist nicht nur anfällig für Fehler, sondern für die Messung absoluter Helligkeitswerte schlichtweg nicht geschaffen - speziell bei der Prüfung von Teststreifen ein großes Defizit. Besser eignen sich dafür optische Sensoren in Verbindung mit Bilderkennungssoftware. Sie arbeiten präzise und zuverlässig und lassen sich automatisieren.

Das menschliche Auge ist perfekt angepasst, um bei verschiedensten Lichtverhältnissen die Umgebung zu erkennen. Gerade deswegen ist es aber schlecht dazu geeignet, absolute Helligkeitswerte zu messen. Im Rahmen von Prüfverfahren, zum Beispiel bei der Analyse von Teststreifen in der medizinischen Diagnostik, ist jedoch genau diese Fähigkeit notwendig. Mit Hilfe der Fotosensorik ist es inzwischen möglich, dem Menschen diese Aufgabe abzunehmen und sie zu automatisieren.

Grundlage für Bildsensoren sind lichtempfindliche Halbleiter. Sie sind in der Lage, Helligkeitswerte schnell und zuverlässig zu messen und sorgen zudem für reproduzierbare Ergebnisse bei Bilderkennungsalgorithmen. Typische Anwendungsgebiete solcher Sensoren sind Überwachungskameras, maschinelles Sehen, Gaming und die Bereiche Automotive und Medizintechnik.

Mit bildgebenden Verfahren lassen sich Strukturen erkennen, Verkehrsschilder und andere Verkehrsteilnehmer erfassen, Konzentrationen bestimmen oder Barcodes identifizieren. Die Automatisierung verringert einerseits die Gefahr menschlicher Fehler, andererseits hilft sie, den Arbeitsaufwand zu reduzieren.

Im Automobilbereich helfen unter anderem optische Sensoren selbstfahrenden Autos bei der Erfassung ihrer Umgebung. Dazu müssen sie nicht nur leistungsfähig, robust und langlebig, sondern auch über viele Jahre hinweg verfügbar sein.

Im medizinischen Bereich ist die lange Verfügbarkeit und Lebensdauer ebenfalls sehr wichtig. Schließlich erlischt die Zulassung für ein Medizingerät, sobald eine Komponente verändert wird. Da der typische Entwicklungszyklus ungefähr fünf Jahre dauert, muss jedes Bauteil über Jahre hinweg zuverlässig funktionieren. Außerdem sollte es so lange wie möglich, mindestens jedoch bis zur Zulassung des Nachfolgemodells, lieferbar sein. Wie im automobilen Bereich basieren auch viele Messungen in der Medizintechnik auf optischen Methoden – häufig auf der Transmission oder Reflexion einer Probe oder eines Teststreifens unter definierten Lichtbedingungen.

Fehler vermeiden, Zeit sparen

Die Fotosensorik bietet neben der eigentlichen Messung noch weitere Vorteile: Bildsensoren können beispielsweise helfen, Fehler bei der Verarbeitung einer medizinischen Probe zu vermeiden. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit QR- oder Barcodes markierte Proben eindeutig identifizieren und so dem richtigen Patienten zuordnen. Auch Anwenderfehler kann die Fotosensorik teilweise ausgleichen. Wenn beispielsweise ein Teststreifen nicht vollständig mit der zu prüfenden Flüssigkeit benetzt wurde, ist die Probe nicht sofort unbrauchbar. Falls der benetzte Teil groß genug ist, nutzt die Bilderkennung nur die Information des verwendbaren Teilbilds. Reicht die Fläche hingegen nicht für eine sinnvolle Messung aus, gibt das System eine Fehlermeldung aus anstatt eines ungültigen Ergebnisses.

Die Bilderkennung spart somit Zeit und Probenmaterial, was Patienten und Ärzte entlastet. Zudem ersetzt sie das manuelle, optische Ablesen und macht die Messungen besser handhabbar, genauer und zuverlässiger. Denn diese sind nun reproduzierbar und nicht mehr von der Tagesform des Benutzers oder von den unterschiedlichen Lichtbedingungen zu verschiedenen Tageszeiten abhängig.

Die zwei gebräuchlichsten Technologien für Bildsensoren sind CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) und CCD (Charge Coupled Device). Beide Typen von Sensoren messen die Intensität des Lichts mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. Sie schaffen damit die Grundlage für eine sich daran anschließende Bildauswertung. Deren Aufgabe ist es dann, die entsprechenden Muster zu erkennen. Das einfallende Licht erzeugt in den Fotodioden der Sensoren einen der Helligkeit entsprechenden Strom. In den einzelnen Bildpunkten lädt dieser Strom einen Kondensator auf, dessen gespeicherte Ladung die Bildinformation darstellt.

CMOS- und CCD-Sensoren im Vergleich

Ein Unterschied zeigt sich jedoch bei der Informationsauswertung. Der CCD-Sensor liest die Daten zeilenweise aus. Der CMOS-Sensor hingegen kann jeden Bildpunkt direkt ansprechen und die einzelnen Pixel unabhängig voneinander oder das komplette Bild auf einmal auslesen. Zudem verfügt er über die integrierte Funktion eines A/D-Wandlers und kann daher direkt digitale Werte ausgeben. Für anspruchsvolle Anwendungen eignen sich CMOS-Sensoren tendenziell besser, da sie mehr Funktionen bieten, eine höhere Auslesegeschwindigkeit haben und sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen zuverlässiger arbeiten.

Ein Beispiel für einen Bildsensor, der auch die Anforderungen aus der Medizintechnik erfüllt, ist das von Framos vertriebene Modell MT9V024. Der Hersteller ON Semiconductor entwickelte ihn ursprünglich für die Automobilbranche. Weil die Bauteilverfügbarkeit dort noch länger gewährleistet sein muss als im medizinischen Bereich, garantiert der Hersteller, dass die Sensoren über 10 Jahre lang erhältlich sind. Der ein Drittel Zoll große CMOS-Sensor kann in einem Temperaturbereich von -30 bis 70 °C eingesetzt werden. Er ist außerdem in der Lage, auch nahes Infrarotlicht mit einer guten Empfindlichkeit zu detektieren. Das liefert einerseits mehr verwertbare Informationen für die daran angeschlossene Bilderkennung und ermöglicht andererseits eine für Menschen unsichtbare Beleuchtung per Infrarotlicht.

Schnellere Diagnosen dank Fotosensorik

Mit seiner geringen Leistungsaufnahme von 0,3 W ist der MT9V024 zudem gut für mobile Geräte geeignet. Sie erlauben es Ärzten, wichtige Gesundheitsdaten des Patienten in kurzer Zeit und unabhängig von einem Labor zu bestimmen. Ferner sind aufgrund der Linearität des Sensors sämtliche Messwerte ähnlicher Geräte miteinander vergleichbar. Die lange Verfügbarkeit garantiert zudem, dass ein defektes Gerät schnellstmöglich repariert oder ersetzt werden kann. Dank der Fotosensorik liegt die nun teilautomatisierte Diagnose des Patienten bei höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit schneller vor. Behandlungen können dadurch eher beginnen und haben gerade deshalb höhere Erfolgschancen.

Bildergalerie

  • Der CMOS-Fotosensor MT9V024 ist sehr rauscharm, liefert 60 Bilder pro Sekunde und ist auch im nahen Infrarotbereich empfindlich.

    Der CMOS-Fotosensor MT9V024 ist sehr rauscharm, liefert 60 Bilder pro Sekunde und ist auch im nahen Infrarotbereich empfindlich.

    Bild: Framos

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