视觉缓解生命科学市场的痛点

随着全球医疗保健支出预计将在目前前所未有的水平上增长4.3%，生命科学市场代表了自动化、提高生产率技术的巨大目标。仅医疗技术领域的收入预计将从2015年的3690亿美元增长到2019年的4540亿美元，而即时护理(POC)检测预计将在2021年达到283亿美元。

“在发达国家，越来越多的钱花在生命科学上，不仅针对老龄化人口，而且还使用新的治疗方法，极大地简化了医生和患者的生活，”安培全球产品战略总监卡斯滕•特劳普(Carsten Traupe)表示盟军视觉技术(Stadtroda,德国)。

然而，为了提供可行的产品和服务，该行业必须应对一系列市场压力:价格控制、人才短缺、创新需求、严格的监管和经济不确定性。

由于成像和传感器技术的进步，视觉公司比以往任何时候都更有信心帮助他们的生命科学客户应对这些需求，为研究人员和临床医生开发解决方案，最终目标是更便宜、更快和更好的病人护理。

更好的技术，更多的机会
从实验室自动化到数字放射学，机器视觉在过去的几十年里一直是生命科学市场的主要参与者。技术进步正在完善现有的应用，并为新的应用打开大门。

Allied Vision公司的Traupe说:“我们将新的索尼Pregius传感器引入到我们的新Manta相机中，即使在像显微镜这样不太有利的光线条件下，它也能提供出色的图像质量。”与传统的CCD传感器相比，CMOS传感器的动态范围提高了50%以上。

Allied Vision还推出了高性能Prosilica GT相机(高达2620万像素)的新型号，配备了ON Semiconductor的高分辨率Python CMOS传感器——这是同类产品中第一个可选的近红外版本，在近红外范围内增加了灵敏度。

除了对高分辨率、高动态范围摄像机的需求外，Allied Vision还发现对嵌入式视觉解决方案的需求也在增加，这种解决方案将传感器和图像处理以更小的形式结合在一起。其中一个例子是手持3D口腔扫描仪，它允许牙医测量缺失的牙齿，以便进行替换。3D扫描仪消除了在特殊纸张上咬下牙印的需要。Traupe说:“这与你在计量系统中看到的范式变化是一样的，你正在用非接触式3d手持扫描仪取代传统的触觉测量设备。”Traupe说:“在这种应用中，没有空间来使用固定摄像头。”“通常情况下，你需要将传感器板和图像处理板分开，而且现在没有USB电缆了，所以你需要直接将它与其他pcb的引脚连接起来。”

多光谱的多个目标
在生命科学领域获得关注的另一项技术是多光谱成像和传感技术，该技术提取特定可见光和红外波长的光谱信息。PixelteqPixelCam™系列的OEM多光谱相机使用了专利的微图案滤光片阵列技术，直接与传感器对齐。由此产生的相机提供了通过多达9个狭窄光谱波段看到的物体的全帧图像;标准模块可用于4通道可见+近红外和近红外+SWIR(短波红外)。

Pixelteq的生物医学客户依赖多光谱技术在多个应用程序中提供诊断信息。其中一个用途就是组织可视化。例如，当医学专家检查一颗可疑痣是否有癌症迹象时，多波长检测可以使其在RGB以外的皮肤上看到不同。Pixelteq生物医学市场海洋光学拉曼与多光谱传感器产品经理Jennifer Odom说:“无论你是在观察烧伤或皮肤癌，还是试图区分活的、死的和受感染的组织，多光谱都将是主要的工具。”

Odom预计，由于监管要求和审查，OEM生命科学客户将在未来1至2年内推出首批使用Pixelteq技术的产品。“从那时起，我们将开始转向更定制的版本，用户将增加频道或进一步优化波长，”她说。

Pixelteq还提供了PixelSensor，这是一组光电二极管，可以将光谱分成8个离散的彩色波段，从而创建一个多光谱探测器，收集点源光谱信息。Pixelteq计划发布该产品的一个版本，专门用于PCR(聚合酶链反应)应用的基于荧光的检测。PCR是一种将DNA片段“扩增”数百万次以检测疾病标志物的技术。奥多姆说:“这是为即时护理应用开发的增长最快的医疗诊断技术之一。”

从实验室到病人
虽然在生命科学领域的研发和实验室应用仍然是视觉系统的一个强大市场，但直接面向临床应用的应用正在出现。休伦数字病理学公司(Waterloo, Ontario, Canada)生产了TissueScope数字幻灯片扫描仪，该公司的目标是两者。在研究方面，“我们有一种独特的能力，可以自动扫描几乎任何大小的幻灯片，”休伦数字病理学主席帕特里克·迈尔斯说。“我们可以对前列腺切片进行标准活检，前列腺切片往往更大，一直到整个乳腺和脑组织。”

该公司将Teledyne DALSA的机器视觉摄像机集成到其扫描仪中，在神经科学和大脑成像领域获得了立足点，这一市场的部分驱动因素是对足球和其他运动相关脑损伤研究的投资不断增加。研究人员将把死后的大脑分成数千片，每片都以非常高的倍率数字化，然后把它们放在一起，形成一个三维地图。通过自动切片扫描，休伦可以将扫描时间从一天半缩短到30分钟。

对于临床设置，现场数字病理代表了一个增长领域。传统上，如果病理学家想要就一个特定的病例咨询同事，那张幻灯片需要物理运输。迈尔斯说:“这需要很多时间。“你让病人等待诊断结果，有时幻灯片会丢失。”然而，有了数字病理学，专家可以在任何地方通过笔记本电脑、平板电脑或手机查看数字幻灯片，为患者提供更快的诊断。

病理切片的数字化处理了这一领域面临的一个重大问题:病理学家人数的减少和癌症活检人数的增加。正如迈尔斯所说，“现在有点困难，这导致需要使用技术来提高诊断专家的效率。”

迈尔斯说，当使用数字载玻片时，病理学家需要一种“设计成与他们在显微镜下看到的图像相同的图像”的系统。“它需要具有相同的图像分辨率，色彩保真度非常重要。”

其他重要的考虑包括速度和成本。相机需要足够快，才能达到目前每分钟扫描一张幻灯片的标准。这促使人们从传统的CCD相机转向CMOS相机。迈尔斯预计，随着CMOS相机价格的持续下跌，其采用率将会上升。目前，他估计90%- 95%的病理学家仍然使用传统的扫描方法。

迈尔斯说:“但随着时间的推移，你会希望在每个实验室的每个病理学家的桌子上都有一台扫描仪。”“为了实现这一点，你需要一些规模经济，这样数字病理学才能成为一种无处不在的技术。”

监管问题也将影响数字病理学的实施。在加拿大，整片扫描仪的制造商必须获得加拿大健康二级医疗设备许可证。在欧洲销售的所有体外诊断(IVD)设备都需要CE标记。与此同时，在美国，FDA正在批准这种扫描仪为初级诊断的II类设备。

此外，采用率因国家而异。迈尔斯说，斯堪的纳维亚国家的许多医院网络几乎完全依赖数字图像进行诊断。

随着越来越多的人活到老年，心脏病和癌症等慢性疾病持续攀升，生命科学部门面临着提供负担得起、有效的医疗保健产品和服务的持续压力。在传感器和摄像机技术进步的推动下，机器视觉技术正在帮助实现这一目标，使新的具有成本效益的研究工具和护理点诊断系统得以实现，帮助患者的身体和精神恢复和恢复。