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La caméra
作者群
摘要
Le chapitre sur la caméra présente toutes les caractéristiques techniques de cet instrument utilisé dans le bloc opératoire.
Les points techniques de ce chapitre sont présentés étape par étape : fonctionnement, besoins en laparoscopie, avantages et inconvénients, utilisation et réglages, problèmes d’utilisation.
Les points techniques de ce chapitre sont présentés étape par étape : fonctionnement, besoins en laparoscopie, avantages et inconvénients, utilisation et réglages, problèmes d’utilisation.
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媒體類型
 刊物
2003-11
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普通的
最愛
 音訊
   |
數位出版
WeBSurg.com, Nov 2003;3(11).
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02fr304a.htm
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02fr304a.htm
La caméra
1. Introduction
La réalisation d’interventions chirurgicales complexes sous contrôle endoscopique a été possible grâce aux progrès de la transmission de l’image par les caméras miniaturisées. Celles-ci permettent au chirurgien de visualiser son champ opératoire de façon optimale sur un écran vidéo. Les assistants et le personnel de la salle d’opération peuvent suivre l’intervention et y participer de façon active. Cette image source peut être soit stockée sur différents supports, soit transmise à distance pour avoir un avis.2. Fonctionnement
• Description générale
Capteur CCD :Une caméra de bonne qualité doit avoir un poids et une taille limités de façon à permettre une manipulation aisée. L’acquisition et la transmission de l’image sont basées sur le capteur CCD (Charge-Coupled-Device ou en français DTC pour Dispositif à Transfert de Charge) qui est un circuit intégré recouvert de quartz transparent et constitué d’éléments photo-sensibles (photosites) qui transforment la source de l’image (photons=énergie lumineuse) en électrons (charges=énergie électrique) pouvant être transportés et codés (numérisés) par un convertisseur analogique-numérique. Chaque photosite, lorsqu’il est éclairé, va générer un courant électrique proportionnel à l’éclairement reçu. Le CCD fait appel à la technologie des semi-conducteurs et se présente sous la forme d’une matrice de capteurs individuels microscopiques alignés horizontalement et verticalement et assurant chacun la génération d’un pixel (contraction de picture element, soit le point élémentaire de l’image) à l’écran. L’ensemble des pixels affichés simultanément permet de reconstituer l’image.
• Principes du CCD
• Résolution 1
Plus le nombre de pixels reproduisant une image est important, plus l’image sera de bonne qualité avec une plus grande finesse des détails.• Capteurs
Les capteurs ont évolué de façon très rapide, comparable à l’évolution de l’électronique. Leur capacité d’analyse de la lumière augmente de façon régulière et leur taille diminue. Cette taille est mesurée en pouce. Initialement, les capteurs étaient de 2/3 de pouce (8,8 x 6,6 mm), puis de 1/2 pouce (6,4 x 4,8 mm) et plus récemment de 1/3 (4,8 x 3,6 mm) ou 1/4 de pouce (3,2 x 2,4 mm). La taille habituelle du capteur CCD est au format 4/3 correspondant à celui des moniteurs vidéos. Actuellement, les CCD offrent une résolution allant de 480 x 320 pixels (153'600 pixels) jusqu’à plusieurs millions de pixels pour les plus puissants d’entre-eux. Tous ces CCD ne sont pas adaptés à des caméras chirurgicales. La résolution habituelle des meilleures caméras chirurgicales est de l’ordre de 450’000 pixels.
• Nombre de CCD utilisés
Les premières caméras utilisaient un seul capteur CCD (mono-CCD) couplé à un filtre en mosaïque pour reproduire les 3 couleurs primaires (rouge-vert-bleu). Cela entraîne une diminution de la résolution puisqu’il faut 4 photosites (1 rouge, 2 verts et 1 bleu) pour reproduire un pixel. • Tri-CCD
Toutes les nouvelles caméras sont tri-CCD, c’est-à-dire qu’elles possèdent un prisme séparateur et 3 capteurs CCD, chacun étant dédié à une des 3 couleurs primaires. Cela permet d’utiliser au maximum la résolution du CCD pour reproduire l’image. Actuellement, seules les caméras tri-CCD devraient être utilisées en laparoscopie, car elles permettent une meilleure résolution de l’image finale avec un meilleur rendu des couleurs.• Autres principes
Codage de l’information :L’information relative à chaque pixel est codée en binaire (0 ou 1) par le convertisseur analogique-numérique. Habituellement, le codage se fait en 8 bits par pixel, soit la possibilité d’afficher 256 teintes différentes (2 à la puissance 8). Chaque pixel de couleur étant restituée à l’écran par la composition des 3 couleurs élémentaires rouge, vert et bleu, cela permet de créer jusqu’à 16,777,216 couleurs différentes (256 x 256 x 256).
Sensibilité à la lumière :
Ce paramètre définit la quantité de lumière minimale perçue par la caméra pour reproduire une image claire. Il se définit en Lux. Plus ce chiffre est petit, plus la caméra est performante à faible lumière. Idéalement, il devrait être inférieur à 1,5 Lux. Les meilleures sont sensibles à un éclairage inférieur à 1 Lux.
Rapport signal sur bruit (S/N Ratio) :
Cette mesure, définie en décibels (dB), est en relation directe avec l’amplification et le traitement du signal vidéo par la caméra. Plus ce rapport est élevé, moins il y a de risque que du « bruit » parasite le signal tout au long de la chaîne vidéo, permettant de garder un signal pur et clair avec une image finale stable et cohérente. Ce rapport devrait se situer au minimum à 50 dB. Il est particulièrement important de le comparer pour des niveaux de lumières faibles. Certaines caméras, afin d’améliorer leur sensibilité à la lumière, augmentent le gain de lumière. Cette amplification artificielle du signal vidéo entraîne l’apparition de parasites (bruit). Il faut donc comparer la sensibilité à la lumière de différentes caméras à un rapport signal-bruit équivalent. Le bruit est plus facile à repérer dans les parties sombres de l’image : par exemple, si le signal est dix fois plus fort que le bruit, le bruit est noyé dans le signal et ne se voit pas. Si au contraire, le signal n’est que deux fois plus fort, le bruit devient perceptible. C’est la même chose pour le son : on entend le bruit plus facilement dans le silence !
L’évolution des technologies appliquées aux caméras chirurgicales permet d’obtenir une image d’excellente qualité, même lorsque les conditions opératoires sont difficiles (hémorragie, urgence, etc.). L’utilisation d’une caméra de technologie optimale doit donc être considérée comme un impératif de sécurité, ainsi qu’un instrument de confort pour l’opérateur.
• Structure et fonction/CCD
• 1
Il n’existe que quelques producteurs de CCD dans le monde. Tous les constructeurs utilisent les mêmes CCD en développant leur « électronique de traitement » propre, ce qui constitue la principale valeur ajoutée des caméras.• 2
Principe théorique de fonctionnement d’un capteur CCD à transfert interligne :Les photosites sont organisés en colonnes et lignes sur la matrice CCD.
Chaque photosite est constitué de 2 éléments :
- un élément d’analyse qui crée une intensité électrique ;
- un élément qui reçoit et qui stocke la charge électrique avant de la transférer.
Cycle de fonctionnement d’un capteur CCD :
1. Génération d’électrons à partir des photons reçus : effet photo-électrique
2. La charge électrique est proportionnelle à la quantité de photons reçus en un temps donné (temps d’intégration)
3. Accumulation des électrons au niveau de l’électrode intégrée
4. Transfert de la charge électrique de chaque photosite dans un registre vertical qui la transforme en tension. Chaque tension de registre vertical est ensuite transférée dans un registre horizontal.
5. Les tensions électriques de chaque ligne de registre horizontal sont ensuite envoyées vers la mémoire tampon avant d’être amplifiées et codées en signal numérique vidéo par un convertisseur analogique-numérique.
Cette séquence a lieu chaque 50è de seconde avec un système PAL (1/60 de seconde en NTSC), en alternant les lignes paires et impaires, afin d’être compatible avec les différents systèmes vidéos de reproduction de l’image sur un moniteur (image entrelacée de 2 trames successives).
• Capteur CCD/micro-lentilles
Technologie Hyper-CCD (Hyper-HAD™)Afin de récupérer les photons « perdus » entre chaque photosite sur le capteur CCD, des micro-lentilles sont gravées sur chacun de ces photosites afin de diriger et de concentrer tous les photons sur les cellules photosensibles. Ceci permet d’améliorer la sensibilité de la caméra à la lumière, sans traitement numérique du signal.
• Connectiques
• 1
Toutes les caméras existantes sur le marché chirurgical sont composées de connectiques de différents types. Il y a les connexions composites (BNC) où la luminance (intensité lumineuse) et la chrominance (couleur) sont mélangées en un signal unique et les connexions composantes (Y/C et RGB) où ces paramètres sont partiellement séparés. A noter que sur les nouvelles caméras numériques, il existe des sorties numériques type DVI (Digital Video Interface = interface vidéo numérique) qui permettent de transmettre le signal directement en numérique, sans le convertir en analogique. Ce type de connexion n’a de sens que si l’on utilise un moniteur numérique, type LCD.On distingue à l’arrière de ces caméras des connexions :
- BNC (Bayonet Neill Concelman) = Video out (image prise BNC);
- Y/C = S-vidéo = S-VHS : 2 câbles séparés, un pour l’intensité lumineuse, l’autre pour les couleurs, qui sont mélangées (Y = luminance signal de synchronisation, C = chrominance) (image connexion Y/C) ;
- RGB (rouge-vert-bleu) : 3 connecteurs BNC de la même longueur, un pour chaque couleur élémentaire. La luminance n’est pas véhiculée, mais calculée par addition des trois couleurs selon la formule : Y = 1 = blanc = 0,3 R 0,59 V 0,11 B (image connexion RGB) ;
- RGB-S : 4è câble véhiculant le signal de synchronisation des images, utilisé pour synchroniser entre eux différents équipements vidéo (image).
De ces différentes connexions déprendra la qualité de l’image transmise. Sur le plan électronique, la qualité de l’image dépend de la quantité d’informations transmises entre l’image captée par la caméra et reçue le moniteur, ainsi que par la qualité du traitement (codage) apporté au signal. De façon succincte, il faut considérer que la qualité la plus basse est obtenue par une connexion composite BNC, la qualité optimale étant obtenue par une connexion composante RGB, à condition que l’étalonnage de toute la chaîne vidéo soit parfait si l’on veut obtenir la restitution correcte du blanc et fidèle des couleurs. La résolution étant en général limitée par le moniteur, il n’y a en pratique pas d’amélioration notable avec une connexion RGB par rapport à une connexion Y/C. Avec la connexion RGB, il n’est plus possible de modifier les couleurs sur le moniteur.
• Traitement de l’image
Sur le boîtier électronique des caméras de dernière génération, on trouve différents commutateurs : White Balance : cela permet avant de débuter l’intervention de réaliser une balance des blancs afin d’accorder le blanc correct (Y = 1) de la caméra en fonction de la température de couleur de la lumière froide. Ce réglage doit se faire quand la source de lumière a atteint sa température de fonctionnement, soit environ après 5 minutes.
Gain : en l’activant, cela permet d’amplifier artificiellement le signal vidéo, donc de lui donner plus de puissance. Il y a souvent plusieurs niveaux d’amplification, allant de 5 à 15 dB, par exemple. Cela peut sembler utile si l’image est sous-exposée. Cependant, le gain a comme inconvénient majeur de produire une augmentation équivalente du bruit de fond, le rendant souvent visible, surtout dans les zones sombres de l’image.
Shutter : en l’activant, cela permet d’obturer électroniquement le temps « d’impression » de la surface photo-électrique du capteur CCD et donc de réduire la luminosité lorsque la quantité de lumière est trop forte. Une fonction mécanique similaire existe sur certaines sources de lumière froide, permettant de moduler la quantité de lumière afin d’éviter une surexposition. Il ne faut activer qu’un seul des deux et si possible celui de la caméra, qui offre un réglage plus pointu.
Auto Focus : il permet d’avoir une adaptation automatique de la netteté en fonction de la distance entre la caméra et l’objet situé au centre de l’image. En pratique, cela est souvent plus gênant qu’utile, car la netteté se dérègle chaque fois qu’un instrument, par exemple, passe dans le champ de vision.
Spécialité : sélectionne différentes tables de paramètres du traitement numérique de l’image pré-réglés en usine en fonction du type de chirurgie et donc de l’environnement, du type de couleur rencontrée et du type d’endoscope utilisé.
Enhancement : améliore par palier la netteté de l’image par rehaussement numérique des contours. Un traitement excessif de l’image rend les contours très durs et artificiels.
Il y a également de plus en plus souvent une fonction zoom utilisable directement depuis la tête de caméra. Ce zoom est en général numérique. Cela signifie que l’agrandissement de l’image est réalisé par grossissement des pixels avec recadrage et non par écartement de lentilles. De ce fait, la résolution et la netteté de l’image se dégradent assez rapidement, expliquant un facteur d’agrandissement limité à 1,5 fois en général.
3. Besoins en laparoscopie
Les systèmes optiques permettent au chirurgien d’avoir un accès visuel sur son champ opératoire. Ces systèmes optiques doivent être de la meilleure qualité possible. Une caméra devrait être changée tous les 3 à 4 ans. Il s’agit du délai à partir duquel l’amélioration technique devient significative et à partir duquel l’image fournie par la caméra s’altère par l’usure naturelle. Avec les caméras entièrement numériques, les progrès technologiques seront probablement plus lents.4. Avantages et Inconvénients
- Mono versus tri-CCD- Analogique versus numérique
Lorsque l’on parle de numérique, il faut comprendre qu’il peut s’agir de deux aspects techniques différents :
- le traitement numérique de l’image : cela permet une augmentation du contraste et un rehaussement digital des contours de l’image afin de mieux individualiser les plans et ainsi de créer artificiellement un effet de relief sans perte de qualité.
- la connexion de sortie numérique (type DVI) : ce type de connexion est peu utilisé, car il nécessite d’être branché sur un moniteur numérique type LCD, dont la qualité de restitution de l’image reste inférieure à un moniteur vidéo classique à tube cathodique. Cette connexion peut permettre un enregistrement sur un support numérique sans dégradation du signal.
5. Utilisation et réglages
• Utilisation et réglages
Réglages :L’utilisation des caméras endoscopiques est relativement simple, toutes les connectiques étant normalisées. Le seul réglage qui est à effectuer sur la plupart des caméras est celui de la balance des blancs. Ces caméras acceptent des sources lumineuses dont la température de couleurs peut varier entre 2500 et 6000 degrés Kelvin pour la plupart d’entre elles. Avant de débuter une intervention chirurgicale, il faut impérativement faire concorder le blanc « idéal » de la caméra avec celui fourni par la source de lumière. En cas de mauvais réglage de la balance des blancs, ou de réalisation de la balance des blancs avant une montée en température correcte de la source de lumière, l’image pourra apparaître avec des erreurs chromatiques (trop verte, trop rouge).
Maintenance :
Les systèmes optiques permettent au chirurgien d’avoir un accès visuel sur son champ opératoire. Ces systèmes optiques doivent être de la meilleure qualité possible. Une caméra devrait être changée tous les 3 à 4 ans. Il s’agit du délai à partir duquel l’amélioration technique devient significative et à partir duquel l’image fournie par la caméra s’altère par l’usure naturelle. Avec les caméras entièrement numériques, les progrès technologiques seront probablement plus lents.
Stérilisation :
Il est impératif que les caméras soient utilisées de façon stérile au niveau du champ opératoire. La plupart des caméras acceptent une stérilisation par trempage dans le glutaraldehyde à 2,5 %. Ce mode de stérilisation altère l’aspect esthétique des caméras. Au cas où une caméra ne serait plus étanche, la stérilisation par trempage va détruire les composants électroniques. L’absence d’étanchéité d’une caméra doit imposer un retour chez le constructeur afin d’y remédier.
Avantage :
L’avantage de la stérilisation par trempage au glutaraldehyde à 2,5 % est de pouvoir changer les optiques facilement au cours de l’intervention. Ceci est particulièrement intéressant lorsqu’on utilise successivement des optiques de 5 millimètres, 10 millimètres ou angulés à 20 ou 30 degrés et optiques droits à 0 degré.
Inconvénient :
L’inconvénient est l’altération et le vieillissement prématurés de la caméra.
Utilisation de gaines protectrices :
L’utilisation de gaines protectrices est la solution la plus souvent retenue par la plupart des équipes pour protéger leurs caméras. Différents modèles existent sur le marché et la plupart de ceux-ci permettent une protection tout à fait satisfaisante de la caméra.
Avantages :
- la caméra est prête instantanément ;
- pas de délai de trempage ;
- bonne préservation de l’aspect de la caméra.
Inconvénient :
- impossibilité de changer rapidement d’optique au cours d’une procédure chirurgicale en cas de nécessité d’optique angulée, ou en cas de défaut d’optique, sauf en cas d’utilisation d’une bague de raccordement ;
- problème occasionnel de buée entre la caméra et l’optique, difficile à nettoyer correctement.
• Bagues de raccordement
Certains constructeurs proposent une bague de raccordement stérile à placer entre la caméra et l’optique. En théorie, ces bagues sont très pratiques puisqu’elles permettent de changer d’optique lorsqu’elles sont raccordées à la caméra. En réalité, elles éloignent la tête de la caméra de l’optique de 2 centimètres et induisent une diminution du champ opératoire, une diminution de la luminosité et une perte de qualité de vision. Nous ne recommandons pas l’utilisation de ce système permettant de raccorder stérilement l’optique à la caméra après la gaine stérile.6. Problèmes d’utilisation
Les principaux problèmes pouvant survenir à l’usage d’une caméra sont le plus souvent liés à des problèmes de connectique. Une intervention chirurgicale ne doit pas être débutée avant l’obtention d’une image de qualité parfaite. Les principales erreurs et dysfonctionnements de la caméra sont :Absence d’images : Problème de caméra non branchée, connexions non effectuées, câbles de connexion défectueux, lumière froide non connectée à l’endoscope, moniteur non connecté.
Solution : Vérifier toutes les connexions, « en suivant le chemin que doit prendre l’image » et s’assurer que tous les éléments sont alimentés. Il est souvent utile de dessiner un schéma simple du câblage des différents éléments vidéo de la colonne, ce qui permet à chacun de s’y retrouver.
Problème colorimétrique majeur (image saturée dans les teintes bleues, vertes, rouges). Ce type d’erreur chromatique survient le plus souvent avec les caméras RGB et met en avant soit une balance des blancs mal réalisée, soit la rupture d’une des connexions : rupture du câble acheminant le rouge, le vert ou le bleu.
Solution : refaire une balance des blancs, changer le câble.
Image trop sombre : une image trop sombre peut être liée à un défaut de l’optique, un défaut du câble ou à une rupture partielle de la conduction de la luminance à travers un câble Y/C.
Image en noir et blanc : ce problème peut venir d’un mauvais réglage de la couleur sur le moniteur ou d’un défaut ou d’une rupture du câble véhiculant la chrominance lors d’une connexion Y/C.
Neige ou bruit important : ce problème peut apparaître si le gain ou le « enhancement » sont poussés au maximum.
Image floue, sans clarté : il faut s’assurer que la netteté est correctement effectuée et sinon, vérifier que les optiques ne sont pas sales (y compris au niveau du raccord caméra-endoscope).
Image non centrée : il faut s’assurer que l’endoscope est correctement placé dans le coupleur de la caméra.
Il peut y avoir encore les problèmes suivants :
- mauvais réglage du moniteur corriger les réglages.
- défaut du capteur RGB ou de la tête de caméra retour au constructeur.
- fréquemment, rupture de la conduction électrique liée à une flexion trop prononcée du câble ou à un choc direct (roue de chariot, etc.) retour au constructeur.
7. Conclusions
L’évolution des caméras analogiques se fait vers des caméras à traitement numérique, voire des caméras entièrement numériques. Elles offrent de multiples traitements de l’image afin d’améliorer la qualité du rendu et de l’effet de relief, avec pour avantage principal la conservation de l’information sans dégradation puisqu’elle est codée sous forme de chiffres. Cela permet de traiter et de transmettre le signal sans ajouter de bruit. Il est donc intéressant de numériser l’information le plus tôt possible afin d’éviter toute perte ou distorsion.Grâce à la technologie numérique, les nouvelles caméras permettent d’obtenir une image de qualité, la plus proche de la réalité, adaptable aux différentes situations rencontrées (tables de paramètres préréglés en fonction du type de chirurgie, d’endoscope, etc.). Il est possible de traiter l’image pour obtenir des couleurs réalistes, proches de celles rencontrées en chirurgie ouverte, de limiter la surbrillance renvoyée par une structure proche de la caméra, tout en gardant une bonne luminosité globale et en augmentant le contraste dans les zones d’ombres.
Les caméras miniaturisées permettent au chirurgien de visualiser son champ opératoire de façon optimale sur un écran vidéo. Leur qualité s’améliore constamment. Le traitement numérique permet une augmentation du contraste et un rehaussement digital des contours de l’image afin de mieux individualiser les plans. Cela facilite une meilleure perception de la profondeur, améliorant la précision et la sécurité des gestes, justifiant de rechercher la meilleure image possible.