KI-Mikroskop

KI-Mikroskop zur Untersuchung von Urinsedimenten

mit CNN-basiertem Bildverarbeitungssystem von Basler und Opto

Bei einer Urinsedimentanalyse untersuchen Labormitarbeiter die festen Bestandteile einer Urinprobe unter dem Mikroskop, um Erkrankungen der Niere oder der Harnorgane zu diagnostizieren. Manuelle Untersuchungen unter dem Mikroskop sind jedoch in der Regel fehleranfällig und nehmen wertvolle Zeit in Anspruch. Viele Laboratorien setzen daher automatisierte Systeme ein. Diese unterscheiden sich in Bezug auf die geforderte Leistung, Funktionalität, Komplexität und Baugröße und damit auch hinsichtlich des integrierten Bildverarbeitungssystems. Das unten abgebildete AI-Digitalmikroskop von Opto ist mit einem auf einem Convolutional Neural Network (CNN) basierenden Embedded Vision System von Basler ausgestattet. Das kostengünstige und leistungsstarke Mikroskop ist ein wichtiger erster Schritt zur Automatisierung von Laboranalysen und -prozessen.

Wo liegt das Problem?

Laboranalysen müssen zunehmend schnell und kostengünstig bereitgestellt werden, natürlich ohne Abstriche bei der Zuverlässigkeit. Entscheidend ist die Integration der richtigen, d.h. aufeinander abgestimmten Hard- und Softwarekomponenten. Hier wird sie mit einem CNN-basierten Analysealgorithmus auf dem passenden Embedded Vision System von Basler realisiert, komplett integriert in ein kompaktes, robustes Imaging Modul Profil M von Opto.

Die Lösung

Die Demo bietet ein zuverlässiges und kostengünstiges CNN-basiertes Bildverarbeitungssystem, das sich für Aufgaben wie die automatisierte mikroskopische Untersuchung von Urinsedimenten eignet. 

Die Einzigartigkeit der Lösung liegt in der Integration eines Hochleistungs-Durchlichtmikroskops aus der Opto-Imaging-Module-Familie und dem extrem leistungsfähigen Vision-System, bestehend aus einem 5 MP Farbkameramodul und dem Embedded Vision Processing Board - beide von Basler entwickelt. Das Kernelement des preis-/leistungsoptimierten Boards ist der i.MX 8M Plus von NXP®. 

Das Digitalmikroskop verfügt über eine 20-fache Vergrößerung (200-fach bei einem Standard-Desktop-Gerät) und einen integrierten Durchlicht-LED-Kondensor, der auf die Anwendung der Urinsedimentanalyse optimiert ist. Die Kamera und die Verarbeitungsplatine sind vollständig in den Aluminiumrahmen des Mikroskops integriert und können über eine Einkabel-USB-3.0-Verbindung gesteuert werden. Das Ergebnis ist ein ultrakompakter, kantenverarbeitender KI-Mikroskopsensor für den Einsatz in Hochdurchsatzmaschinen oder in einem Point of Care (POC) Analysegerät.

Das hier vorgestellte KI-Mikroskop wird mit einer intuitiven Benutzeroberfläche für die Urinsedimentanalyse und einem vortrainierten CNN für die wichtigsten Marker zur Klassifizierung der Urinprobe für die weitere Diagnostik ausgestattet sein. Die On-Board-Software koordiniert die Bildaufnahme und -verarbeitung und regelt die LED. Das verwendete Kameramodul verfügt über einen Bildsignalprozessor (ISP), der alle Schritte der Bildvorverarbeitung durchführt. Die anschließende Inferenz des CNN wird auf einem speziellen Prozessor des i.MX 8M Plus System on Chip (SoC) durchgeführt, der so genannten Neural Processing Unit (NPU). Mittels Hardware-Beschleunigung übernimmt die NPU die typischerweise rechenintensiven Aufgaben für das CNN, was die Ausführung besonders effizient macht. 

Um dieses Paket Plug&Play-fähig zu machen, bietet die Opto GmbH als Dienstleistung für die OEM-Integration eine individuelle Trainingshilfe für das CNN und Unterstützung bei der Integration in lokale Netzwerkarchitekturen an. Wir können bestehende Algorithmen anpassen, um eine spezifische Vorklassifizierung der Patientenproben zu automatisieren.