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摄录像机
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2003-11
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E-publication
WeBSurg.com, Nov 2003;3(11).
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02cn304a.htm
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02cn304a.htm
摄录像机
1. 引言
影像手术摄影影像系统的进展及微小化，致使复杂的内视镜手术变得可能，整个手术团队可以遵守步骤且主动参与，影像可以用内存储存或者传输给有一段距离的外科医师；技术上的进步，意指即使手术状况困难时(出血等紧急状况)，亦可以获得极佳的影像质量，使用高分辨率摄影机被视为重要的安全需求，也代表提供外科医师最好的视觉。2. 结构/功能
• 1. 概述
摄影机系统包括镜头、连接线和摄影机控制单元。镜头附着在内视镜负责抓取影像，沿着内视镜传输，并转成电子讯号。摄影机控制单元接受来自镜头的讯号，并且处理影像，以发送讯号到监视器。现代的镜头大小约相当于外科医师的手，且重量轻，能够方便操作。
镜头：
镜头包括以下重要构造：
- 相片 CCD（感光耦合组件，Charge Coupled Device）；
- 镜头与对焦环（/机械对焦）；
- 附着到内视镜的连接机制；
- 防水盒与整合电线。
相片CCD：
抓取和传递影像的重点是CCD(Charge-Coupled-Device)传感器，这是一个以透明石英包覆的整合回路，包括感光组件( (感光单元(photosites) )，将抓取到的由光子(光能)组成的光影转成负电电子(电能)，这些电子沿着摄影机线路流到摄影机控制盒进行处理。当光线撞击感光单元，产生电流，与接受的光线强度成正比。CCD使用半导体科技，整合个别感光单元的极板模式，或者使用水平和垂直摆放的显微照片传感器，这些感光单元每一个都产生单一像素讯号。(像素是影像的最小单元)。所有的感光单元的讯号聚集在一起创造像素模式，而产生屏幕上的整体影像。
• 2. CCD：基本原则
• 分辨率 1
影像中所含的像素数目越多，质量越佳，影像中所获得的信息也越详细。• 影像感测组件
影像感测组件(Image sensors)在电子学方面迅速发展进步。增加抓取和分析能力的同时，尺寸方面则减少了。CCD的大小传统上以吋来测量，其宽度与高度比是4:3，与影像监视器形状一致。起初，影像传感器是每吋的2/3 (8.8 x 6.6 mm)，之后减少到每吋的 1/2 (6.4 x 4.8 mm)，最近减少到每吋的1/3 (4.8 x 3.6 mm)或1/4 (3.2 x 2.4 mm)。
目前，CCD影像传感器提供的分辨率范围从480 x 320像素 (153,600像素)到数百万像素，这些CCDs不全都适用于手术摄影机，最好的手术用摄影机的分辨率一般在450,000像素。
• 使用的CCD数目
第一个摄影机仅使用一个CCD传感器 (单一-CCD-模拟)合并一个马赛克滤光片过滤三原色(红蓝绿)，这种系统需要4个感光单元来产生一个像素 (1红1蓝2绿)。 • 三倍CCD
所有的新的摄影机都使用三倍CCD或称3芯片系统 (模拟或数字)，包含一个分光单元，将影像的光源分成三原色，且每一个直接到各自的CCD传感器，每一个传感器适用于一个原色。 • 其它原则
视讯编码：每一像素之信息藉由模拟数字转换器转成二元编码(0或 1)，每一像素通常有八位二元编码 (8 bits)，而有 256种不同数值 (2 的八次方)，每一像素的颜色在屏幕上以三原色(红蓝绿)组合而再度产生，可以创造出多达16,777,216种不同颜色(256 x 256 x 256)。
感光度：
此一参数特别称呼为Lux，定义是摄影机需要用来产生清楚影像的最小量光线，此数目越低，摄影机所需的光线越少，理想上，必须小于1.5 Lux。最好的摄影机可以在小于1 Lux/讯号与噪声比(signal-to-noise ratio,S/N)的形况下仍是可见：
此测量方式用分贝(decibels,dB) 来定义，与摄影机讯号的扩大和处理有直接关系。比率越高，被噪声干扰的风险越低，因此讯号强度越纯，可以获得最终稳定的清晰影像。此比值不可以低于50 dB。对于照明程度低的时候，S/N比值更是重要。 有些摄影机为了改善感光度，有一个影像增强功能，这种以人工方式扩大视讯也会增加干扰，导致粒状的影像，因此，建议比较S/N比值相当之不同摄影机的感光度(Lux)。在影像的黑暗部分可以轻易地辨识干扰。举例来说，如果讯号是噪声的10倍强，噪声消失于讯号之中且不显著。另一方面，如果讯号只有两倍强，噪声就会被感知。这同样适用于声音︰当我们被寂静包围时，我们更注意到噪音﹗
• 3. CCD：结构与功能
• 1
世界上只有少数几家CCD 制造商，所有的制造商使用相同的CCDs，但是各自发展属于摄影机主要价值的讯号处理电子技术。• 2
原始的CCD使用机械式快门分开光线到感光位置，此技术目前已经被淘汰。目前的CCDs可以持续接受光线而不会受影像转换干扰。今日已有各种系统，但是最常用于影像手术的是「线间传送」（interline transfer）CCD 技术。此技术中，感光位置组织到CCD感光栅栏的栏与列中。感光位置的第一要素是从影像而来的光子，被累积的电荷攻击(光电效果)。这一包电流是给予时间(整合时间)中接受之光子量的一部分。这一包电流转入称为垂直移位寄存器（vertical shift register）的储存与传递管道。这些电流之后转成单一水平移位寄存，在垂直寄存之下。之后，来自水平寄存的所有电流在扩大与送往模拟数字转换器之前，全部送到内存缓冲器。这一系列动作，在PAL系统内以每1/50秒频率发生(NTSC 系统内以每1/60秒频率)，变更奇数和偶数线，以便和各种的影像显示系统兼容(两个交错的领域 – 请看影像监视器一章)。• 有微镜片的CCD传感器
为了挽回CCD传感器每个感光位置之间遗失的光子，在这些感光位置上每个都嵌上微型镜片，以直接浓缩所有光子到感光单元，这改善了摄影机的感光度，而无须数字讯号处置。• 4. 镜片与对焦环
来自内视镜的影像到达相片CCD之前，用CCD之前以镜片对焦。对焦环让外科医师可以调整镜片和CCD之间的距离，可以维持目标物的焦距明确。最新的系统有自动对焦机制，可以控制镜片对观察之影像改变自动反应。如果照相机装有一个机械变焦装置，照相机的焦距可能被调整。藉由移动CCD和对焦镜片离开接目镜，可以放大影像，但是术野缩小。大部分的摄影机使用数字变焦，表示摄影机控制单元的影像处理器可以简单地放大每一像素，因此虽然影像被放大而分辨率减小，导致影像降低，但使用越多变焦装置则影像更明显。耦合机制：
镜头需要确定与内视镜耦合，以确保准确传输影像，大多数内视镜的接目镜相当标准，但是每家制造商的耦合装置则有所不同。耦合装置让镜头与内视镜的接目镜间维持有一定距离。制造商设计的摄影机，以能精确地与其内视镜接合为主，因此混合使用不同的系统，有时候会降低影像质量。
摄影机盒与线路：
摄影机盒设计用来保护盒内的电子和镜片系统，需要可以禁得起清洁步骤和一定程度的机械压力，使用特殊合金和塑料建造之坚固有阻抗力的盒子，频繁的用法难免会导致盒子的表面损坏，不过，盒子的明显损害应该要修理，以避免其内的精细电子构造受到损害。
• 5. 摄影机控制单元
• 控制单元
一旦CCD 产生影像讯号，传递到摄影机控制单元，在送往屏幕之前扩大讯号并处理。输出的讯号必须传递影像亮度和红、蓝、绿三色之平衡的讯息。工业标准白幕亮度为 6500°K。将此定义为 1Y (Yref)。任何时间的亮度(Y)可以用以下公式计算 ：Y = 0.3R 0.59G 0.11B
当影像亮度为6500°K ，则
0.3R 0.59G 0.11B = 1 = Yref
大部分的摄影机控制单元的功能，包括最重要的白平衡和快门控制；随着数字影像处理的发展，衍射和曝光过度等难题可以获得解决，而获得好的整体亮度以及增加阴影区域的对比度。
摄影机输出：
摄影机经由一条有护罩的线路连接到摄影机控制单元，每个制造商有独特的多脚座(multipin socket)，位置通常在摄影机控制单元前面与该线路连接；摄影机有防水帽，以免水在清洁步骤时渗入电路。
视讯输出：
影像监视器的连接位置通常在摄影机控制单背面，因为视讯传递有各种不同标准，通常在摄影机控制单元背面提供可能的连接选择。
• 关联1
RGB (红绿蓝)：每个颜色的视讯由独立、有包覆的线路传输，然后在第四条线路(RGB-S)同步化。亮度(Y) 则根据前述的公式计算。使用四个独立的 BNC (Bayonet Neill Concelman) 接头连接。【译注：BNC(Bayonet Neill Concelman)：一种卡拴式(Bayonet)的同轴接头，以发明人的名字(Neill Concelman)命名】
• 关联2
Y/C 或者S-video = S-VHS：这代表两个独立讯号，一个是灯光强度和同步化 (Y)，一个是色差 (C)。使用以上公式利以足够信息计算每一原色的单一讯号。线路通常被包覆住且里面有四条线(供每一讯号)，使用一个四脚连接器(有些制造商使用6脚座而在额外的线路携带额外的讯号)。
合成影像：
这沿着一个包覆线路携带一个单一模拟讯号，光强度和色差的讯号合并成单一讯号，使用一BNC连接器。
数位：
数字输出连接(即DVI)：由于必须连接到LCD 或计算机屏幕，此型之连接未被广泛使用；目前显示器质量低于传统的阴极射线管（Cathode-ray tube/ CRT）屏幕，此连结可以在数字媒体纪录而不会损及讯号。
影像传输质量依所用的连接器而定。从电子观点，每一单位时间从摄影机监控单元发送越多信息到屏幕的话，影线的潜在质量就越好；因此，在理论上，除非没有校准和适当系统，BNC连接的单一线路至少有最低的质量，而RGB连接会有适当的质量。不过，因为分辨率一般受限于屏幕，相较于Y/C连接，以RGN连接并不会有明显的改善。必须注意的是，以RGN连接时，色彩并无法在屏幕上修饰。
• 影像处理
虽然较旧的系统提供有限的影像控制，如白平衡和快门控制，最新一代的摄影机则提供更多变化的影像处理功能：白平衡：压下时设定影像输出讯号到白 (Y = 1)，正确的讯号是设定到白，摄影机必须用操作光源照着一个白色的物体。一旦设定，达到光源状况的正确色彩平衡，当光源到达操作温度时必须加以调整，约在开启后5分钟。
加强：使用增益调整可以人工方式扩大视讯，加强强度。通常有多种扩大程度，例如范围从5到15 dB。在曝光不够时这方式将会有所帮助。不过，增益加强控制有一个严重缺点：噪声增加程度和讯号加强程度一样，产生一种粒状的图案，在影像的黑暗区域特别清晰可见。
快门：电动启动快门减少CCD的总时间，可以建立一个电位，而在光线太强的时候而减少亮度。通常也可以减少光源亮度(详见“冷光源”一章)。不过，这两种调控方式在自动系统中只能做到一种，最好设定摄影机快门在自动模式，因为可以提供比较精准的调整。
自动对焦：自动对焦摄影机根据摄影机和影像中央的物体之间的距离对焦。实务上，妨碍可能甚于帮助，因为任何东西会进入视野内，例如器械或套管会造成不必要的焦距改变。
特征：不同的工厂所预设的影像处理参数不同，这些是设计来适应各种手术的不同视线状况，考虑术野中各种颜色和各种内视镜。
促进：数字影像处理可以增加对比和数字促进影像轮廓，为了更佳分辨平面，没有损失质量的情况下以人工方式建立深度感觉。不过，过度的影像处理会使轮廓看起来僵硬做作。
变焦：新的系统提供变焦功能，可以从镜头操作。这种变焦一般不是真正的光学变焦(移动镜片)而是数位变焦。以放大视轴和缩小影像方式达成变焦。因此，影像的分辨率和敏锐度迅速下降，放大倍素通常限制在1.5倍。
捕捉影像：此功能也可以从镜头控制，让医师对讯号对摄影机控制单元捕捉单一画面 (通常以 jpeg 档案形式)到储存装置 (通常是可移动式记忆卡) 或者直接发送影像到打印装置。
3. 腹腔镜需求
为了维持适当的视线状况，摄影机必须每3到4年更换一次。这些时间之后，正常的损耗会改变摄影机的影像。此外，技术上的进步相当迅速，这些老旧的摄影机会被更好的系统所取代。不过，未来，特别是全数字摄影机，技术上的进步或许会变慢。4. 摄影机系统选择
摄影机系统是设计来从内视镜将影像转换成高质量视讯，各种系统之间的构造上的差异很小(例如额外的影像控制按钮)。所有新的摄影机系统都是三芯片设计，单一芯片系统仅存在于操作设定。镜头可以是直角耦合机制，并用一个棱镜将影像弯曲90度。这些通常使用在泌尿科，镜头不会阻塞医师的视线。新的摄影机系统提供数字影像输出。当这些系统连接到可以接受数字讯号的监视器和纪录装置，具免于传输视讯时损失的好处。目前多数的监视系统仍使用需要模拟讯号的影像技术。随着LCD计算机屏幕等技术改善，未来使用数字讯号、纯数字系统可以取代传统的数字模拟系统。在选择摄影机系统时，医师必须考虑其所使用的整个影像链。这个摄影机系统必须和医师的内视镜、光源系统和监视器一起测试。之后在医师最常工作的情况下进行质量评估。5. 优点/缺点
单一芯片和3芯片：对于特定尺寸的CCD 和感光位置密度，3芯片系统可以产生比单一芯片多4倍的分辨率。因为制造商试着让其生产的摄影机大小可以越小，目前的3芯片摄影机的最终影像可以产生更好的分辨率，色彩的准确度也更好。
数字输出和模拟输出：
数字传递视讯在传递时的损失比较小，不过，目前可以直接显示数字影像的屏幕质量不如标准的模拟式屏幕。但是，高质量数字纪录装置可以在数字计算机系统上观看和编辑。
手动对焦和自动对焦：
今日所使用的大多数摄影机系统只有手动对焦，这使得操作者必须停止动作来进行调整焦距。新的系统提供自动对焦的选择，摄影机操作者不用再担心焦距。不过，自动对焦会对术野内的器械或套管产生不必要的对焦反应。
6. 实际议题
• 1. 实际议题
设定：因为所有连结标准化，内视镜摄影机很容易使用的。唯一需要调整的是白平衡，这些摄影机可以使用的光源色温在2500到6000°K。开始手术之前，必须调整摄影机的系统白设定到光源所提供的实际白。如果白平衡未正确校准，或如果在光源抵达操作温度前即调整的话，影像会出现色差 (例如太绿或太红)。
维持：
为了维持适当的视线状态，摄影机必须每3到4年更新一次。超过这年限，摄影机的正常耗损会影响其产生的影像。此外，技术上的进步相当迅速，这些老旧的摄影机会被更好的系统所取代。不过，未来，特别是全数字摄影机，技术上的进步可能会变慢。
消毒：
当摄影机和术野接触的时候，无菌是重要的。大多数摄影机可以用2.5% glutaraldehyde浸没而达到无菌。这种消毒方式会改变摄影机的外观，但是只要摄影机是防水的，并不会有损害。在清洁之前，电子连接必须加以封缄。如果液体渗入摄影机，电子零件会受损。此时，必须将摄影机送回制造商修复。
优点：从摄影机移除镜头是简单的；
缺点：摄影机过早更换和老旧，以及损坏之风险。
使用保护鞘 ：
大多数手术团队使用保护鞘保护他们的摄影机。市面上有各种模式，大多数有令人满意的保护效果。
优点：
- 摄影机随时备用；
- 不需要消毒；
- 较不会破坏和损伤风险。
缺点：
- 手术时无法迅速更换内视镜，除非使用环状转接头 (如下所述)。
在摄影机和内视镜之间的雾的偶发问题难以矫正。
• 2. 使用环状接头
有些制造商提供一个消毒的环状接头，可以放置在摄影机和内视镜之间。理论上，这些环状接头非常实用，因为它们可以使医师改变接到摄影机上的内视镜。实际上，从内视镜移开镜头2 cm 会缩小视野，减少亮度和损失影像质量。7. 操作问题
使用摄影机时发生的主要操作问题通常与连接问题有关，除非已经有最好的影像质量，否则不能开始手术。摄影机有关的主要错误和功能异常如下 ：无影像：
摄影机没有插上插头或开关没有打开、接线松脱、线路瑕疵、光源未接到内视镜、未连接屏幕。
主要的色度问题(影像蓝、绿、红色调饱和)：
此类的色差大多发生在RGB摄影机，可能是白平衡不佳所致，或者因为连接不好：输送红、蓝绿、的管线破裂。解决：再度调整白平衡，更换管线。
影像太暗：
影像太暗和内视镜或光源缺损、线路缺损、或者讯号通过Y/C线路时有一部分传输失败。血液会很快的吸收光线，所以出血的术野通常看起来暗暗的－总得维持极佳的止血！
黑白影像：
这个问题可能是因为屏幕之色彩调整差，或者因为Y/C连接的色度传输缺损。
明显的噪声、粒状影像：
如果扩大控制增加到最大时，这个问题会发生。间歇干扰来自手术室内的其它电子装置(例如启动的电烧机器)。如果线路有完整包覆，就不会发生这种干扰。
影像模糊不清晰：
确认摄影机正确对焦，确认镜头有无脏污灰尘。
影像未在中间：
确认内视镜和摄影机有正确地耦合。
质量不佳的影像通常是因为一个无法在手术室无法校正的简单问题，需要进行系统性回顾影像链。从光源开始，接着是光沿着线路、内视镜到达术野；确认镜片在内视镜两端；确认镜头末端的镜片和内视镜耦合到摄影机；确认焦距；确认摄影机线路和摄影机连接之整合性；确认影像控制单元有足够动力进行白平衡，正确设定快门和扩大器；确认录像连接和摄影机控制单元；寻找线路将视讯传递到屏幕时的损害；最后，确认屏幕，首先是你有的是哪一种类型(RGB, Y-C, 合成)，之后是哪种管路(A 或B)；确认正面底座和背面上之连接相配；确认影像设定 (色彩平衡、亮度、对比)，除非你有RGB 连接。将屏幕去磁(解高斯)。
画一张简单的图标，显示出你所用之影像内视镜系统所需要的连接，将会对你有所帮助。
8. 结论
微型摄影机为外科医生提供术野的最佳视线，模拟式照相机被数字处理照相机和全数字相机所取代。数字系统提供多元影像处理特征，透过更好的色彩演译和改善影像轮廓而改善影像质量。另外，它们可以在没有任何破坏的情况下储存视觉信息 ，因此可以无噪音输送那些视频信号。 幸好有数字科技，新的摄影机可以产生高质量的逼真影像，可以用于各种手术状况。影像处理可以产生整体明亮度好的影像，即使有不同的光线，对比度和准确色彩都可再现。
外科医师对术野之视线准确度的改善，致使手术能更精准与安全地进行。