医疗诊断成像承诺为机器愿景提供健康的前景

在医学诊断成像领域，机器视觉图像传感器和摄像机的机会已经成熟。到2022年，全球诊断成像市场预计将达到332亿美元，原因是医疗成本不断上升，人们对早期疾病检测的意识不断提高，以及老年人口不断增加。

为了走在这些需求的前面，医院和诊所正在采用先进的视觉技术，为诊断应用提供高分辨率、高带宽、便携式解决方案，从显微镜到荧光检查，研究人员正在研究将成像技术用于诊断目的的新方法。

看到小，思考大
虽然传统上它的产品销售工业检测应用，机器视觉摄像机制造商Basler AG(阿伦斯堡，德国)冒险进入医疗/生命科学市场在2016年发布了其PowerPacks的显微镜。该套件包括一个具有最新CMOS传感器技术和USB 3.0接口的相机，以及用于精确可靠的图像采集和分析的显微软件。

“我们意识到，我们的古典机器视觉产品与医学影像市场享有普通价值，”巴斯勒医疗产品市场经理Peter Behringer说。“这些常见包括需要高可靠性和相机的长期可用性，这是一种制造于国际标准的强大设计，以及可按时交付的值得信赖的供应商。”

Behringer指出，医学成像行业由Prestige驱动的显微镜制造商主导，销售相机与其产品。“这使得客户非常努力地估计相机的价格，”Behringer说。“与这些高端品牌相比，我们的PowerPack提供了上主流相机的质量，但价格非常好。”

Basler最近向其ACE相机系列添加了20种新的高分辨率模型。可在6和12百万像素中提供，其中八个摄像机具有IMX178和IMX226滚动快门传感器，来自索尼的Starvis线，适用于荧光成像等低光应用。

同时，来自ACE L系列的12个摄像机配备了IMX253，IMX255，IMX267和IMX304来自索尼的Pregius线的全球快门传感器。提供9至12万像素的分辨率和帧率高达40 fps的模型，是眼科等田间诊断成像的理想选择。

“医生可能想要检查眼睛后部的所有微小血管都是健康的，为了做到这一点，他需要放大图像，”Behringer说。“高百万像素相机的像素尺寸很合适，而且由于全球快门技术一次性拍摄一张照片，你可以放大并看到所有细节。”

Behringer还预计，随着对更小、更便宜的便携设备的需求上升，嵌入式视觉——由平板电脑和智能手机行业的高性能芯片系统(soc)实现——将在未来几年显著影响医疗诊断成像市场。例如，内置摄像头的皮肤镜可以记录皮肤的可疑变化，同时将图像分析集成到软件中。

市场上的另一个应用是卷积神经网络。例如，如果几名医生在多幅图像中指出癌症区域，并将所有这些图像输入系统，神经网络将根据样本图像中发现的常见视觉线索学习识别癌症的标准。

Behringer说:“现在有很多新的设备，它们不仅能拍摄图像，还能给医生提供诊断建议，医生可以决定接受还是拒绝。”“这种诊断方案不会取代医生，但它将在基于摄像头的诊断应用中很好地检测病理。”这样的系统应该能让医生在不降低诊断标准的情况下为更多的病人服务。

继续移动
随着医疗客户将他们的诊断成像设备推向极限，他们产生的数据比以往任何时候都多。这意味着需要更多的带宽。Pleora Technologies(卡纳塔，安大略)的回应是提供高性能视频接口，主要设计用于x射线平板探测器(FPDs)。

Pleora Technologies的市场经理Ed Goffin说:“x射线已经从‘快照’图像发展到荧光透视，在荧光透视中，你基本上可以捕捉到身体部分或手术器械的实时全动态电影。”“这意味着产生更多像素数据，而图像源、用于处理和分析的计算机以及最终的显示面板之间存在带宽瓶颈。”

Pleora在试验中，在NBase-T接口上进行了针对FPD的应用的Gige视觉，其中每秒1千兆位（Gbps）不足，10 Gbps“是带宽过度溢出而过于昂贵，”Goffin说。“通过NBASE-T，制造商可以支持2.5和5 Gbps数据传输，同时使用较低成本，更长的猫5E布线。”

Goffin将NBASE-T技术称为“高性能成像的自然进化，这得益于其增加的带宽、低成本的电缆以及与现有GigE Vision软件的兼容性。”

Goffin还看到了更复杂的成像系统的崛起，包括多面板和移动系统，如牙科中使用的旋转成像系统，可以提供颌骨区域的全视图，以及用于3D乳房检查的断层合成。像他们的FPD兄弟，旋转系统需要更多的带宽，因为他们从快照移动到电影成像流。

Goffin说:“以太网电缆和GigE Vision的网络、多播和图像触发功能的灵活性也有助于简化设计和降低成本。”Pleora的GigE Vision over NBASE-T接口将于2017年秋季部署。

尽管人们对新设备寄予厚望，但一些医院和诊所负担不起或根本不想投资于最新的诊断成像系统。因此，一个翻新市场正在形成，主要是USB3 Vision接口。根据Goffin的说法，这使得集成商可以保持高价值的成像源，但可以迁移到更低成本或更便携的计算平台。他举了一个眼科的例子，用于眼睛检查的线扫描相机的图像被转换成USB3 Vision，这样就可以在笔记本电脑上观看。

研究规则
虽然机器视觉公司为其医疗和生命科学客户开发解决方案，但学术界仍在继续探索诊断成像的愿景的更多机会。一群欧洲研究人员最近研究高光谱成像识别面部皮肤中的胆固醇。早期发现以血液中胆固醇含量高为特征的高胆固醇血症对预防心脏病的发病和发展是必要的。

该团队使用剑桥研究和仪器的Varispec液晶可调滤波器系统，仪器覆盖了400-720 nm的光谱范围，以及来自智能视觉灯的EZ安装白色LED环光（R130）拍摄仅包含的受试者的图像眼睛周围的眼睛和皮肤。

研究人员假设，肉眼成像无法检测到的眼睑上或周围的微小黄斑瘤或脂肪沉积可能与血液胆固醇水平有关。高光谱相机识别出受影响皮肤的特征光谱特征，仅能看到病变，并消除黑色素和其他发色团或有色化合物的影响。然后将这些特征与研究参与者已知的胆固醇水平进行比较。

研究人员总结说，这项研究结果“证明了高光谱成像是一种有前景的、快速检测高胆固醇血症的方法。”最终，配备这些功能的成像系统可能会像药房里的血压仪一样无处不在，在那里，消费者可以轻松、无创地检查自己的胆固醇水平，而不是传统的血检方法。

在一个文章在杂志中自然生物医学工程斯坦福大学研究人员评估了体内近红外（NIR）荧光成像，该成像提供了高分辨率，随着700-1700nm波长范围内的组织渗透深度增加。成像仪器的进步，如共焦和多光子显微镜，以及创新的NIR荧光团，可以阐明临床诊断中功能成像的新机会。

除了能够探测身体深处的生理过程之外，近红外荧光成像还无法对抗层析成像模式的负面影响，比如CT和PET扫描的电离辐射或MRI有限的空间分辨率。

为了进一步提高活体近红外荧光成像的能力，研究人员呼吁“在目前的近红外窗口甚至更远的范围内，拥有更高灵敏度和更宽光谱范围的更先进的相机”。例如，锑化铟(InSb)和碲化汞镉(HgCdTe)等半导体材料可以引入通常用于1000-1700 nm范围成像的砷化铟镓(InGaAs)相机无法实现的功能。

带来问题解决者
虽然研究可能需要数年时间才能成为现实，但机器视觉公司已坚定地立足于医疗诊断成像市场当前和未来的机遇和挑战。

与工厂地板上的机器视觉一样，医学成像客户正在转向远程支持的集成商。Pleora的Goffin报告说，来自非界性的角度来看，FPD制造商正在探索使用软件进行远程管理和诊断的方法。“如果出现故障，制造商和最终用户希望快速查明问题并纠正它，”Goffin说。

随着医学成像向网络化、多图像源系统发展，诊断诊断变得更加具有挑战性。“在很多情况下，这可能是成像源的问题，而实际上是网络或处理问题阻碍了性能，”戈芬说。远程发现并解决这个问题比派遣技术人员更快地启动和运行成像系统。”

此外，Pleora正与系统设计师合作，研究实时医学成像和基于云的分析。“例如，在成像过程中，患者的实时结果可以与存档的患者信息数据库进行比较，”戈芬说。“这类似于自动化市场上的机器学习，在那里，患者数据的全球归档可能有助于加速诊断。”

当然，政府监管在医疗器械领域一直存在。成熟的机器视觉公司完全熟悉美国FDA的严格要求，将很好地提供诊断成像解决方案。

贝林格表示:“企业很难完成认证过程，尤其是初创企业。”“医疗成像设备领域没有初创企业是有原因的，因为强大的监管障碍使得进入这个市场非常困难。”

虽然设备的最终用户负责FDA所需的性能批准，但记录良好的供应链可以帮助速度进行速度。“制定不影响性能的组成部分变化通常对工业自动化应用程序的无关紧要，但可以停止设计或导致在医疗市场中的召回，”Goffin说。

从支持高带宽旋转成像系统的视频接口到能够在护理点进行诊断的嵌入式视觉技术，机器视觉行业已准备好提供早期和准确检测疾病的医疗成像解决方案。