第二节　摄像系统及图像记录设备

摄像系统用于将内镜下人体图像真实还原并显示到显示设备上，由于必须采用专用的人工光源，为保证内镜成像的效果及高度还原的色彩，上述设备的设计及参数设置与其他领域的同类设备，在参数设置和调校上存在较大不同，因此使用替代设备无法保证成像质量并存在安全隐患。

基本的内镜摄像系统包括医用内镜摄像机，冷光源及专用显示器。扩展的图像设备还包括用于存储图片和记录影像的图像存储设备及用于输出报告的图像工作站设备以及用于术中图像传输和转播的专用设备（图2-2-1）。

一、医用内镜摄像系统

医用内镜摄像机，包括图像处理及输出图像信号的摄像主机，摄像头及联线，用于连接内镜及调节焦距或可变焦的镜头卡口（国内一般采用如图2-2-1中的通用喇叭口形C-MOUNT制式接口）。

自1970年电荷耦合器件（charge-couple device，CCD）诞生以来，由于CCD元件兼有光电转换与扫描的双重特性，在电视摄像技术中迅速推广应用（图2-2-2）。早期内镜技术发展中，为了获得内镜手术中的图片或图像，采用了照相或胶片摄像技术，这些技术均存在体积过大，成本昂贵的缺点，CCD技术的出现，拓宽了医用内镜发展的思路。经过多年的研究，1983年美国WELCH-ALLYN公司推出世界上首台采用CCD成像的电子内镜，该镜前端装有高敏感度微型CCD元件，将所获得的光学图像信号转变成为电视上可看到的图像，并应用于临床。之后西欧和日本一些公司对相关的产品和技术进行了大范围、深层次的研究和开发，并于80年代末、90年代初，陆续推出了成熟的产品用于医用内镜领域，并极大地推动了内镜技术在临床的普及和发展。

初期的技术，采用单个CCD元件将观察到的图像由光信号转换成电信号（摄像头）并通过专用电缆（摄像头连接线）传输到视频中心进行处理（摄像主机）（图2-2-3），再通过输出接口及与视频接口连接的视频线将图像送达显示设备及图像处理设备进行显示和处理。

单个CCD可以是单色的（获得黑白图像）或彩色的（获得彩色图像），为了获得色彩还原度更好的摄像系统，采用特殊设计的光学分光棱镜，将白光分解成红、绿、蓝三基色，并用三片单色CCD分别采集3个颜色的信号，最后送至视频中心进行处理（摄像主机）并合成彩色信号输出，这就是三晶片摄像系统（图2-2-4）的原理，三晶片摄像系统采用3个单色CCD成像元件，及3个图像信号处理电路，并增加了信号合成电路，因此设备相对于采用单个彩色CCD成像的单镜片摄像系统要复杂和昂贵的多，但获得的图像色彩及层次感要优于同样分辨率的单晶片摄像系统，需要注意的是，采用同样尺寸的CCD，单晶片的分辨率由于每个成像素由至少RGB3个像素点组成，而三晶片使用的单色CCD每个成像素由一个像素点组成，因此三晶片摄像的分辨率要高于单晶片1.7倍左右。但人眼分辨率有限，基本上无法分辨300电视线以内的区别，用于内镜的摄像系统分辨率最低不得低于300电视线。

近十年来，随着互补性金属氧化物半导体（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS）成像技术的发展，越来越多的内镜厂家采用CMOS成像元件替代CCD，用于内镜摄像系统。原因在于高质量的CCD元件制作技术，只有少数几个日本厂商例如索尼、松下等掌握，而且CCD制造工艺较复杂，成品率低，因此采用CCD的摄像头价格都会比较贵。而CMOS元件经过过去十几年的技术改进，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，原有信噪比（S/N）较低的缺点，通过图像后处理技术，也已达到高质量成像的要求，由于CMOS低廉的价格以及规格齐全，供货稳定，未来在医用摄像领域将获得更加广泛的应用。

CMOS摄像头同样有单晶彩色及三晶彩色摄像系统，由于CMOS技术可以轻易获得百万甚至千万像素，因此CMOS摄像头采用单晶片即可获得全高清图像（1920×1080逐行扫描，要求200万以上像素）。未来4K（3840×2160P）以上的摄像系统预计将全部采用CMOS技术，所以CMOS摄像系统是未来的摄像技术。

摄像系统通常采用不同制式的图像输出接口，如表2-2-1。

近几年来，3D内镜（图2-2-5）在临床的使用受到越来越多的重视，由于体积的限制，目前高清3D内镜主要应用于直径较大的腹腔镜系统，相信随着技术的进步和发展，经皮脊柱内镜也将进入高清3D时代，未来随着高清3D裸眼液晶显示器技术的成熟，3D内镜将日益普及。

二、冷光源

医用内镜光源自始至终伴随着内镜技术的发展，从初期的蜡烛、反射自然光、近代的灯泡到现代的各种电光源技术，从普通光源逐渐进化到冷光源，灯泡技术也从各种卤素灯、氙灯到近年逐渐发展成熟的LED灯光源。

光源的性能对摄像系统成像质量至关重要，光源的色温及光通量及显色性是评价光源性能的重要指标。为了获得与人眼在日光下同样的色彩，高质量的光源必须满足色温接近日光（5600K）及显色指数达到90%以上（SFDA标准），同时足够的光通量也是影响成像质量的重要参数。现在临床使用的内镜冷光源主要有以下几种：

1.卤素光源

采用无机卤素及金属卤素灯泡，优点是整机和灯泡成本低，发热量少，缺点是色温偏低（3000～4500K），成像偏黄。

2.氙光源（图2-2-6）

采用氙灯泡，优点成像质量接近日光，显色指数接近99%，缺点是成本高，发热量大。

3.LED光源

采用新型LED灯泡，优点灯泡寿命长，超过30 000小时，缺点是显色指数偏低，目前能达到92%。

采用何种光源需参考各种因素，但卤素光源优点不突出，色温偏低，将被逐渐淘汰。

与光源配套的光纤应注意光纤与镜子连接的出光口直径与镜子光纤接口的入光口直径一致，以避免光通量不足或过度发热损坏光纤连接部位。

三、显示设备

医用内镜显示设备由于使用环境的要求，与普通显示设备不同，尤其在色彩还原、亮度控制的设定等，对高亮区和暗区的GAMMA设定有特殊的要求，同时需满足医用电子设备的安全规范，因此合格的内镜显示器价格相对昂贵。

现有医用显示器在淘汰了CRT显像管后进入了液晶时代，根据背光板的类型可分为LCD和LED两种，LCD需要上万伏高压启动，体积较大，LED背板相对轻薄且色彩更加丰富。而采用主动发光的OLED面板是未来液晶显示屏的发展方向。2D显示器将向4K、8K更高分辨率发展。3D显示屏会随着3D内镜的普及而发展，目前医用3D显示器包括偏振光式（红蓝眼镜）及主动电子快门式，均存在一定缺点且需配戴专用3D眼镜（图2-2-7），而裸眼3D显示器技术（图2-2-8）也正在快速发展和成熟中。

四、图像记录及处理

图像记录设备包括存储和打印报告的图文工作站。图像存储包括静态图片采集（图2-2-9）及动态图像记录，以往多采用外部设备用于图像存储，随着技术发展及价格降低，新一代设计的摄像系统多具备图像采集功能，并可通过USB接口直接存储到外部存储设备上，极大地简化和方便了临床的使用。

用于编辑、存储和输出手术记录的图文工作站设备多采用标准的电脑系统（图2-2-10），通过内置的图像采集卡及专业的软件对手术过程及结果进行编辑记录并输出手术报告，一般同时具有录像功能。这一技术及设备非常成熟相对价格较低，对临床也有很大的实用价值。

五、图像的联网功能

由于一体化内镜手术室概念（图2-2-11）的普及，现代内镜设备均具有联网功能，允许将内镜设备及手术室设备联网操作，并通过HIS（hopital information system）系统及PACS（picture archiving and communication system）系统与院内及院外组网，传输手术图像和信息，但由于联网的标准不统一，造成资源浪费且增加操作复杂性。但图像信息的联网，未来对于机器人辅助手术和虚拟交互式技术的发展具有重要意义，相信随着联网标准的统一及外来技术的发展，联网功能将越来越重要。

（胡善云）