Sensori CCD e sCMOS, differenze in microscopia e imaging in biologia cellulare

I biologi cellulari richiedono strumenti di microscopia in grado di rilevare movimenti rapidi all’interno di una cellula con dettaglio e  in condizioni di scarsa illuminazione.

Le  telecamere CCD sono state a lungo il “gold standard” per l’imaging, ma le recenti telecamere sCMOS stanno guadagnando in popolarità, perchè ? I primi dispositivi CMOS hanno sofferto di problemi di qualità dell’immagine, ma costanti miglioramenti nel design del sensore hanno in gran parte cancellato queste carenze. scopriamo le differenze tra queste due tecnologie:

Entrambi i sensori CCD e sCMOS (vedi Figura) svolgono una funzione di base simile: Raccolgono luce per  trasformarla in segnali elettronici. I punti di forza e di debolezza delle due tecnologie relative derivano dal modo in cui leggere il segnale accumulato in un dato pixel.

Le telecamere CCD spesso utilizzano un otturatore globale in modo che ogni pixel di un’immagine sia esposto e catturato in un preciso momento. Per confezionare tali informazioni in forma digitale, i pixel vengono sequenzialmente fatte passare attraverso un unico nodo di uscita al convertitore analogico-digitale (ADC) in un processo chiamato digitalizzazione. Questi dati vengono poi inviati ad un computer per la visualizzazione e memorizzazione.

Siccome ogni pixel è esposto contemporaneamente, l’ otturatore globale è particolarmente utile quando l’immagine cambia drasticamente da un fotogramma all’altro. Tuttavia, i frame rate CCD sono limitati dalla velocità con cui i singoli pixel possono essere trasferiti e digitalizzati (più pixel devono essere trasferiti, più lento è il frame rate totale della telecamera). Questo disegno provoca un collo di bottiglia nel convertitore analogico-digitale. Milioni di pixel possono stare in una singola coda in attesa di conversione. Prima che l’esposizione possa iniziare, ogni pixel nel frame esistente deve essere elaborato. Le telecamere CCD sono in grado di catturare immagini statiche in un lasso di tempo e sono affidabili per gli studi con tempi di esposizione moderati-lunghi. Tuttavia, il ritardo nel trasferimento di carica rallenta il frame-rate totale della fotocamera.

Questo non è un problema se il proprio obiettivo è la microscopia limitata a esposizioni più lunghe, come la migrazione delle cellule lento e Western Blot. Ma i frame-rate possono influenzare la capacità dell’utente di studiare rapidamente fenomeni di cellule in rapida evoluzione, tra cui la formazione di vescicole, proteine ​​di trasporto e la propagazione delle onde di calcio. Per catturare questi eventi intracellulari,  i biologi cellulari hanno bisogno di frame-rate che si avvicinino a 100 fotogrammi al secondo (fps) o più. Con la microscopia CCD, possono essere in grado di vedere le piccole strutture delle cellule e misurare i segnali elettrochimici, ma i dati precisi circa la direzione e la velocità saranno perduti. Artefatti indesiderati come il motion blur e aliasing temporale appaiono soprattutto quandoi  frame rate sono troppo lenti per questo compito.

Una soluzione a questo problema è trovato con i chip  sCMOS, che l prevedono la presenza di un ADC alla fine di ogni colonna di pixel. Con questo design il numero di code di conversione è moltiplicato-a migliaia quando sono coinvolti un gran numero di pixel. Con gli sCMOS, l’informazione digitale per ogni fotogramma è generato rapidamente.