CCD (Charge-coupled Devices) é uma tecnologia usada em microscopia óptica para registrar imagens de estruturas orgânicas e inorgânicas em detalhes. Este artigo discutirá esses dispositivos e por que eles são vantajosos para a captura de imagens de células biológicas.

O que são dispositivos CCD?

Inventados na década de 1960, os dispositivos de carga acoplada (CCDs) são circuitos integrados que contêm uma série de capacitores ligados. Na imagem digital, a carga elétrica é transferida entre capacitores vizinhos sob o controle de um circuito externo. Os sensores de imagem CCD não são a única tecnologia de captura de imagens disponível para os pesquisadores, mas se tornaram a ferramenta mais utilizada em aplicações médicas, profissionais e científicas devido às suas vantagens na captura de dados de imagem de alta qualidade.

Um detector de fótons CCD é um wafer de silício fino com uma matriz de várias regiões sensíveis à luz (chegando a milhares ou milhões) dispostas geometricamente regularmente. Essas regiões capturam informações visuais na forma de uma carga elétrica localizada que varia com a intensidade da luz incidente. A imagem resultante, gerada rapidamente, lida como um valor de intensidade no local da imagem correspondente, é formada a partir de pixels. A informação é então interpretada pelo software.

Existem muitos tipos de sensores de imagem CCD disponíveis comercialmente no mercado que são usados ​​para diferentes aplicações. Estes incluem CCDs de multiplicação de elétrons, CCDs de transferência de quadros, CCDs intensificados e CCDs de canal enterrado. Os CCDs podem capturar informações de luz fora do espectro de luz visível, incluindo raios X, UV e infravermelho próximo. Os chips CCD podem ser projetados para exibir diferentes características espectrais. O supercapacitor de óxido de metal é a base de um sensor CCD.

Vantagens e desvantagens dos sensores CCD

Como qualquer tecnologia, existem várias vantagens e desvantagens nos sensores CCD. Devido às suas desvantagens, os sensores CMOS estão substituindo cada vez mais os sensores CCD para certas aplicações, mas os sensores CCD ainda são usados ​​em pesquisas médicas e científicas.

As vantagens dos sensores CCD incluem menor ruído e maior sensibilidade devido ao seu fator de preenchimento mais alto, menos pixels defeituosos devido à sua estrutura simples e melhor homogeneidade de imagem. As desvantagens incluem maior consumo de energia, mais efeitos de floração e manchas devido à superexposição em comparação com os sensores CMOS, leitura mais lenta, maior complexidade dos sistemas de detecção de imagem e custo mais alto.

Usando CCDs em Ciências Médicas e da Vida

Os CCDs são uma tecnologia chave na microscopia óptica moderna e nos sistemas de imagem. Eles têm aplicações significativas nas ciências da vida e nas áreas médicas, fornecendo imagens sensíveis e em tempo real de estruturas biológicas delicadas, como órgãos, tecidos e células. As informações podem ser capturadas por milhões de pixels e interpretadas por software de computador para fornecer imagens cristalinas em um nível de detalhe que não é possível com técnicas de imagem analógicas.

Outra característica fundamental dos CCDs que os tornam ideais para imagens de estruturas biológicas é sua capacidade de gerar imagens de amostras rapidamente. Isso permite a geração de imagens de estruturas vivas dinâmicas, o que significa que os processos biológicos e a estrutura dos sistemas biológicos podem ser analisados ​​e interpretados por pesquisadores médicos e de ciências da vida.

Usando CCDs para capturar imagens de células

As células são estruturas biológicas dinâmicas e vivas. As estruturas podem ser coradas com produtos químicos fluorescentes para criar imagens de células e fornecer informações sobre as interações bioquímicas que ocorrem dentro delas. A imagem fluorescente de células vivas requer um equilíbrio entre a aquisição de imagens de alta qualidade e evitar a superexposição à luz, fotobranqueamento e fototoxicidade. Os sensores de imagem CCD são adequados para esta tarefa.

Escolher o dispositivo certo e considerar suas configurações de aquisição determinam a qualidade de uma imagem que pode ser capturada de uma amostra fluorescente com um sensor de imagem CCD. A alta sensibilidade e o baixo ruído inerentes a uma câmera CCD são vantajosos para microscopia fluorescente e imagens de células vivas. Isso permite que eles capturem a mais alta qualidade de informação possível, detectando o nível ideal de fótons. As câmeras monocromáticas são a melhor escolha para capturar fluorescência, pois não há matriz de filtros de cores. Isso permite que mais fótons alcancem o detector, melhorando a sensibilidade de captura da imagem.

Em uma câmera CCD, são criadas imagens em preto e branco das células, mas filtros de cores podem ser colocados sobre os pixels, o que permite a leitura de uma única cor primária – vermelho, verde ou azul – de cada pixel. No entanto, sua taxa de quadros e ruído de leitura mais alto limitam o uso de imagens de fluorescência.

As câmeras EMCCD são uma variante dos sensores CCD ideais para imagens com pouca luz e detecção de fluorescência de molécula única. Esses sensores CCD incluem um registrador EM que adiciona elétrons à amostra e amplifica o sinal antes da leitura. As câmeras EMCCD são adequadas para aplicações que normalmente seriam limitadas por ruído de leitura. No entanto, as câmeras EMCCD tendem a ser maiores e mais caras do que outros tipos de câmeras CCD.

Além disso, os sensores sCMOS são cada vez mais usados ​​por suas vantagens em relação às câmeras CCD. Em uma câmera sCMOS, cada pixel é amplificado individualmente por seu próprio amplificador dedicado. Esses dispositivos têm uma taxa de quadros mais alta do que os sensores CCD e um ruído de leitura mais baixo. Os sensores sCMOS têm alta resolução e um grande campo de visão. Eles são normalmente usados ​​para imagens de fluorescência de alta qualidade e podem ser usados ​​em conjunto com o armazenamento de pixels em ambientes com pouca luz.

Resumindo

Os sensores CCD têm muitos usos, incluindo visão de máquina, astronomia, ciência de alimentos, bem como ciências da vida e aplicações médicas. Eles podem capturar imagens de alta resolução de sistemas celulares dinâmicos ao vivo, ajudando os pesquisadores a elucidar informações que de outra forma seriam difíceis de analisar com sistemas analógicos de captura de imagens. No entanto, eles sofrem de algumas limitações, o que os levou a serem substituídos por sensores cMOS em algumas aplicações.

Artigo retirado de News Medical.