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Biomedizinische Bildgebung Kameratipps: Bei Biomedizin im Bilde

Autor / Redakteur: James Stobie* / Christian Lüttmann

Gewebeschnitte, Zellkulturen oder Blutprobe – hochauflösende Kameras können in der Biomedizin wichtige Mikroskopie-Aufnahmen liefern. Doch nicht jedes Modell ist geeignet. Worauf es bei den Kameraeinstellungen ankommt und wie man die richtige Kamera für die eigene biomedizinische Anwendung findet, zeigt dieser Leitfaden.

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Abb.1: Biomedizinische Bildgebung ist nicht nur eine Frage von guten Mikroskopen, sondern auch von leistungsstarker Kameratechnik.
Abb.1: Biomedizinische Bildgebung ist nicht nur eine Frage von guten Mikroskopen, sondern auch von leistungsstarker Kameratechnik.
(Bild: ©scyrus - stock.adobe.com)

Für biomedizinische Anwendungen in Forschung und Diagnostik müssen Bildgebungssysteme einiges leisten: Gefordert sind eine hohe räumliche Auflösung, präzise Farbwiedergabe, größere Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen und in vielen Fällen auch eine Kombination aller drei Faktoren. Hier die richtige Kamera für Mikroskopie, Histologie, Zytologie-/Zytogenetik, Epifluoreszenzaufnahmen usw. auszuwählen, ist eine Herausforderung für sich. Schließlich ist die Aufnahmetechnik für eine ordnungsgemäße Diagnose in einer klinischen Anwendung bzw. für zuverlässige Daten zu Forschungszwecken von entscheidender Bedeutung.

Wie aber findet man heraus, welche industrielle Kamera am besten zu der eigenen Anwendung passt? Auf welche Kenngrößen muss man besonders achten? In den nachfolgenden Abschnitten erörtern wir einige Aspekte, die bei der Auswahl einer industriellen Kamera für biomedizinische und biowissenschaftliche Anwendungen zu berücksichtigen sind.

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So einfach bestimmt man die Auflösung

Die erforderliche Auflösung ist abhängig von der angestrebten Vergrößerung im Verhältnis zur Größe der Kamera-Pixel. Das bedeutet, dass eine hohe Auflösung in einer Mikroskopieanwendung mit einer Kamera mit 2 bis 25 MP erreicht werden kann.

Um die beste Kameraoptionen für eine gewünschte Auflösung zu erhalten, bestimmt man zunächst die Größe der kleinsten Struktur in der Probe, die noch abzubilden sein soll. Dieser Wert muss mit den Objektiv-Vergrößerungen im verwendeten optischen System multipliziert werden. Das Ergebnis ist die Größe dieser Strukturen, wenn diese auf den Kamerasensor projiziert werden.

Wenn die Größe der Struktur mindestens dem 2,33-fachen (Nyquist-Grenzwert) der Größe eines Pixels des Kamerasensors entspricht, sollte die Kamera diese Struktur auflösen können. Ist die Struktur real beispielsweise 8 μm groß, sollte eine Kamera mit Pixeln von 3,45 μm diese Struktur noch auflösen können. Es gibt auch weitere Methoden, um die Auflösung zu messen (z. B. Linienpaare). Aber die hier vorgestellte Berechnungsmethode ist besonders einfach, um eine geeignete Kameraeinstellung für die Aufnahmen zu finden.

Die passende Beleuchtung wählen

Bei Bildgebungsanwendungen in der Histologie, Zytologie und Zytogenetik kommt ein breites Spek­trum an weißem Licht (zwischen ca. 400 und 700 nm) oder eine ausgewählte Wellenlänge innerhalb dieses Bereichs (z. B. 565 nm) zum Einsatz. Wenn die Proben nicht lebendig bzw. stationär sind, können sie hellen Lichtstärken ausgesetzt werden, ohne das Risiko, dass die Fluoreszenzfärbung der präparierten Probe ausbleicht oder die Probe gar abgetötet wird. Bei solch heller Beleuchtung ist die wichtigste Voraussetzung für die Kamera eine hohe Auflösung und Farbwiedergabe. Im Umkehrschluss gilt: Bei schwachen Lichtverhältnissen ist die Empfindlichkeit ist kein wichtiger Faktor. Wenn man nach hochauflösenden Modellen sucht, empfiehlt es sich, in den Modelldatenbanken von Herstellern wie Flir nach der Angabe der Megapixel zu sortieren.

Was steckt hinter Epifluoreszenz?

Bei Bildgebungsanwendungen mit lebenden Proben besteht die Herausforderung darin, eine Probe nicht zu stark zu belichten. Die Strahlung könnte sonst fluoreszierende Moleküle ausbleichen oder die Probe abtöten. In beiden Fällen müsste man die Probe neu vorbereiten oder sogar eine komplett neue Probe ansetzen, was in Bezug auf Material und Arbeitsaufwand teuer sein kann, besonders wenn mit sehr seltenen oder schwer zu gewinnenden Proben gearbeitet wird. Ein schonendes Aufnahmesystem, das die Qualität der Proben bewahrt, kann laufende Kosten einer Bild­gebungsanwendung reduzieren. Bei diesen Anwendungen kommt i. d. R. eine Technik namens Epi­fluoreszenz zum Einsatz. Diese kann sowohl bei stationären als auch bei lebenden Proben verwendet werden.

Bei der Epifluoreszenz wird eine hochenergetische Wellenlänge genutzt, um die Probe zur Emission energieärmerer Lichtwellen anzuregen. Die energiearme Wellenlänge wird gefiltert von der Kamera erfasst. Dabei ist die wichtigste Voraussetzung die Empfindlichkeit der verbauten Kamerasensoren: Nur wenn die Empfindlichkeit hoch genug ist, kann auch weniger intensives und somit weniger schädliches Licht zum Bestrahlen der Probe genutzt werden. Eine Kamera mit hoher Empfindlichkeit kann hochwertige Bilder erzeugen, selbst wenn das Emissionslicht der Probe energiearm ist.

Die drei Säulen der Empfindlichkeit

Wie erkennt man Kameramodelle mit ausgezeichneter Empfindlichkeit, die auch bei schlechten Lichtverhältnissen gut funktionieren? Hier sind drei Spezifikationen wichtig: Grenzempfindlichkeit, Quanteneffizienz und Dynamikbereich.

  • Die Grenzempfindlichkeit sollte möglichst niedrig sein. Sie bezeichnet die Anzahl an Photonen, die nötig ist, um ein Signal zu erreichen, das dem vom Sensor wahrgenommenen Rauschen entspricht.
  • Die Quanteneffizienz sollte möglichst hoch sein. Sie ist der Prozentsatz der Photonen, die bei einer bestimmten Wellenlänge in Elektronen umgewandelt werden.
  • Der Dynamikbereich sollte ebenfalls möglichst hoch sein. Er beschreibt das Signal-Rausch-Verhältnis, darunter auch das zeitliche Dunkelrauschen (Rauschsignal des Sensors ohne eingehendes Signal).

Monochrom-Modelle weisen im Vergleich zu farbigen Varianten generell eine bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen auf. Einzelheiten zur Bildqualität eines Modells liefern Hersteller in den Dokumenten zur EMVA-Bildqualität des jeweiligen Modells. Auf der Website von Kamera-Hersteller Flir sind diese Daten bei der jeweiligen Kameraserie verlinkt.

Weitere Tipps für die optimale Kamera

Wenn sowohl weißes Licht, als auch Epifluoreszenz zum Einsatz kommen soll, sind Kameramodelle mit der neuen Funktion der Umwandlungsverstärkung von Sony empfehlenswert. Mit dieser Technik wird der Sensor automatisch für hohe Empfindlichkeit oder hohe Sättigungskapazität optimiert. Eine hohe Umwandlungsverstärkung eignet sich besonders für Umgebungen mit schlechten Lichtverhältnissen, da sie das Auslese-Rauschen minimiert und so zu einer niedrigen Grenzempfindlichkeit führt. Dies ist vor allem für schwache Signale mit kurzen Belichtungszeiten wichtig, um trotzdem eine gute Bildqualität zu erzielen.

Eine niedrige Umwandlungsverstärkung sollte dementsprechend für Umgebungen mit guten Lichtverhältnissen angestrebt werden, da die Sättigungskapazität maximiert wird, was zu einem verbesserten Dynamikbereich führt.

Bei der Auswahl einer Kamera ist ein neuerer CMOS-Sensor – ein Halbleiterdetektor zur Lichtmessung – immer ein guter Ausgangspunkt. Neuere Sensoren bieten meist bessere Leistung (u. U. sogar zu einem niedrigeren Preis). Wenn für die jeweilige Anwendung der Kauf vieler Kameras über mehrere Jahre hinweg erforderlich ist (z. B. beim andauernden Einsatz eines Diagnoseinstruments), sollte eine Kamera gewählt werden, die sich nicht schon am Ende des Produktlebenszyklus befindet. Mit anderen Worten: kein Auslaufmodell, auch wenn dort der Anschaffungspreis deutlich geringer ist. Andernfalls könnte früher als gewünscht der Kauf einer Ersatzkamera nötig sein.

Sich einen Überblick verschaffen

Hersteller wie Flir bieten eine große Palette verschiedener Kameras. Bei allen industriellen Farbkameras von Flir kann bspw. die Farbwiedergabe über verschiedene Optionen für den Weißabgleich und die Verwendung einer Farbkorrekturmatrix angepasst werden. Dies ist bei der biomedizinischen Bildgebung wichtig, da die Farbgenauigkeit die Auswertung der Bilder beeinflusst. Dabei können unterschiedliche Anforderungen gestellt sein, je nachdem, ob die Auswertung visuell durch einen Menschen oder automatisiert durch einen Algorithmus erfolgt. Letzteres benötigt ein maschinenlesbares Datenformat.

Für einen Überblick der verschiedenen Kameramodelle lohnt sich oft ein Besuch der Herstellerwebseite, wo sich die einzelnen Ausführungen nach Spezifikationen wie Auflösung und Empfindlichkeit filtern und sortieren lassen.

* J. Stobie, FLIR Systems, www.flir.de/mv, MV-EUSales@flir.com

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