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Framos Fotosensorik beschleunigt die medizinische Diagnostik

| Autor / Redakteur: Ute Häußler und Marco Antoni / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Seit jeher erfassen Menschen die Welt optisch. Das Auge ist perfekt angepasst, um bei den verschiedensten Lichtverhältnissen die Umgebung zu erkennen. Gerade deswegen ist es aber nur schlecht geeignet, um absolute Helligkeitswerte zu messen. Verschiedenste Technologien wurden daher bis heute entwickelt, um dem Menschen diese Aufgabe abzunehmen bzw. diese zu automatisieren.

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(Bild: Framos)

Grundlage für Bildsensoren sind lichtempfindliche Halbleiter. In der Praxis messen sie in optischen Anwendungen Helligkeitswerte schnell, zuverlässig und ermöglichen damit Bilderkennungsalgorithmen reproduzierbare Ergebnisse. Typische Anwendungen finden sich neben Überwachungskameras, maschinellem Sehen und Gaming auch im Automotive-Bereich und der Medizintechnik.

So können mit bildgebenden Verfahren z.B. Strukturen erkannt, Verkehrsschilder und andere Verkehrsteilnehmer erfasst, Konzentrationen bestimmt oder Barcodes identifiziert werden. Diese Automatisierung verringert einerseits die Gefahr menschlicher Fehler, andererseits hilft sie, den Arbeitsaufwand zu reduzieren.

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Anforderungen im Automobil und in der Medizin

Im Automobilbereich sollen selbstfahrende Autos ihre Umgebung unter anderem mit optischen Sensoren erfassen. Diese müssen nicht nur leistungsfähig, robust und langlebig, sondern auch für eventuelle Reparaturen und z.B. Software-Optimierungen über viele Jahre verfügbar sein.

Auch im medizinischen Bereich ist die lange Verfügbarkeit und Lebensdauer wichtig. Jedes Gerät erhält hier einzeln die Zulassung, die erlischt, sobald eine Komponente verändert wird. Ein typischer Entwicklungszyklus dauert etwa fünf Jahre – jedes Bauteil sollte also viele Jahre zuverlässig funktionieren und so lange wie möglich, allermindestens jedoch bis zur Zulassung des Nachfolgemodells, lieferbar sein. Wie im automobilen Bereich basieren auch hier viele Messungen auf optischen Methoden, häufig auf der Transmission oder Reflexion einer Probe oder eines Teststreifens unter definierten Lichtbedingungen.

Fehler vermeiden, Material und Zeit sparen

Die Fotosensorik hat neben der eigentlichen Messung weitere Vorteile in der Anwendung. So kann sie ebenfalls genutzt werden, um Fehler bei der Verarbeitung einer medizinischen Probe zu vermeiden. Sie ermöglicht, mit QR- oder Barcodes markierte Proben eindeutig zu identifizieren und so dem richtigen Patienten zuzuordnen. Auch Anwenderfehler kann sie teilweise ausgleichen. Wenn z.B. ein Teststreifen nicht vollständig mit der zu prüfenden Flüssigkeit benetzt wurde, kann das ausgeglichen werden. Falls der benetzte Teil groß genug ist, wird nur die Information dieses „guten“ Teilbilds verwendet. Falls die Fläche nicht für eine sinnvolle Messung ausreicht, wird eine Fehlermeldung ausgegeben statt eines ungültigen Ergebnisses.

Die Bilderkennung spart so Zeit und Probenmaterial, was direkt auch dem Patienten und dem Arzt zugutekommt. Sie ersetzt das manuelle optische Ablesen und macht die Messung einfacher bedienbar, genauer und zuverlässiger, denn diese sind nun reproduzierbar und nicht mehr von der Tagesform des Benutzers oder den Lichtbedingungen zu verschiedenen Tageszeiten abhängig. Letztendlich wird die Diagnose schneller gestellt, die Behandlung kann früher beginnen und ist zielführender.

Welcher Sensor – CMOS oder CCD?

Die zwei gebräuchlichsten Technologien für Bildsensoren sind CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) und CCD (Charge Coupled Device). Sie messen die Intensität des Lichts mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung und ermöglichen so einer nachgeschalteten Bildauswertung die notwendige Erkennung von Mustern. In beiden Sensortypen erzeugt das einfallende Licht in Fotodioden einen seiner Helligkeit entsprechenden Strom. In den einzelnen Bildpunkten lädt dieser Strom einen Kondensator auf, dessen gespeicherte Ladung die Bildinformation darstellt. Der CCD-Sensor liest die Daten zeilenweise aus.

Der CMOS-Sensor hingegen kann jeden Pixel direkt ansprechen und so die einzelnen Pixel unabhängig voneinander oder das komplette Bild auf einmal auslesen. Er bietet auch 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.

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