Le moniteur vidéo

Le chapitre sur le moniteur vidéo présente toutes les caractéristiques techniques de cet instrument indispensable au bloc opératoire pour la réalisation de toute intervention en chirurgie mini-invasive. Les points techniques de ce chapitre sont présentés étape par étape : moniteurs, principes de fonctionnement, besoins en laparoscopie, matériel existant, utilisation et réglages, problèmes d’utilisation.

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Le   moniteur   vidéo

Authors
A Garcia, D Mutter
Abstract
Le chapitre sur le moniteur vidéo présente toutes les caractéristiques techniques de cet instrument indispensable au bloc opératoire pour la réalisation de toute intervention en chirurgie mini-invasive.
Les points techniques de ce chapitre sont présentés étape par étape : moniteurs, principes de fonctionnement, besoins en laparoscopie, matériel existant, utilisation et réglages, problèmes d’utilisation.
Media type
Publication
2003-10
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Audio
en fr cn


E-publication
WeBSurg.com, Oct 2003;3(10).
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02fr307a.htm

Le   moniteur   vidéo

1. Introduction
L’image chirurgicale est habituellement visionnée sur un moniteur vidéo. Ce dernier permet la restitution de l’image qui a été captée par la caméra.
2. Moniteurs
• Tubes CRT
Les tubes cathodiques CRT (Cathode Ray Tube) sont habituellement utilisés pour retransmettre cette image dans la plupart des blocs opératoires.
• Écrans LCD
L’apparition récente des écrans plats LCD (Liquid Cristal Display = affichage à cristaux liquides) n’a pas encore atteint la diffusion des moniteurs conventionnels. Le moniteur vidéo constitue, pour le chirurgien, l’élément terminal de la chaîne vidéo. Comme pour les autres éléments de cette chaîne, l’élément le plus faible détermine la qualité finale de l’ensemble, comme le maillon le plus faible d’une chaîne détermine sa résistance.
3. Principes de fonctionnement
• Principes de fonctionnement
• Reproduction de l’image
L’image est reproduite sur un moniteur vidéo à tube cathodique grâce au balayage de lignes horizontales de haut en bas d’un faisceau d’électrons générés par un ou trois canons à électrons et bombardés au travers d’un masque perforé sur la couche de luminophores (points luminescents élémentaires) recouvrant la surface de l’écran.
• Types de faisceaux
Ces luminophores sont de couleur rouge, verte et bleue et sont regroupés par triplet.
• Rouge vert bleu
Les faisceaux d’électrons « allument » chacun de ces points avec une intensité déterminée afin de recréer chaque couleur.
• Standards
Les standards européens (PAL : Phase Alternate Line, SECAM : Séquentiel Couleur A Mémoire) et américains (NTSC : National Television System Committee) diffèrent, mais les principes sont les mêmes :

- Standard PAL ou SECAM (Europe) :
- nombre de lignes horizontales par image : 625 (575 visibles) ;
- format de l’image (largeur/hauteur) : 4/3 ;
- entrelacement : 2 trames par image ;
- fréquence de rafraîchissement de la trame : 50 Hz (= 25 images par seconde).

- Standard NTSC (USA et Japon) :
- nombre de lignes horizontales par image : 525 (485 visibles) ;
- format de l’image (largeur/hauteur) : 4/3 ;
- entrelacement : 2 trames par image ;
- fréquence de rafraîchissement de la trame : 60 Hz (= 30 images par seconde).

- Standard HDTV (High Definition TeleVision = Télévision haute définition) :
- nombre de lignes horizontales par image : PAL = 1250 ; NTSC = 1050 ;
- format de l’image (largeur/hauteur) : 16/9 ;
- entrelacement : 2 trames par image ;
- fréquence de rafraîchissement de la trame : PAL = 100 Hz ; NTSC = 120 Hz.
La restitution d’une image sur un moniteur vidéo cathodique est basée sur le balayage des lignes horizontales du haut vers le bas de l’écran.
• Entrelacement
Dans un premier temps, seule une ligne sur deux est balayée (lignes impaires = trame impaire). Dans un second temps, les autres lignes sont balayées (lignes paires = trame paire). Ce principe correspond à l’entrelacement de l’image qui est ainsi constituée de deux trames successives dans le temps. En Europe, le renouvellement de l’image a lieu 25 fois par seconde sur un moniteur de 50 Hertz (capable de renouveler la trame 50 fois par seconde). L’image est reproduite par le balayage successif des 2 trames dont le renouvellement à l’écran a lieu tous les 1/50è de seconde. L’image complète (2 trames) est par conséquent renouvelée tous les 1/25è de seconde. La rétention de l’image par la rétine de l’œil (environ 1/30è de seconde) étant supérieure à la fréquence de rafraîchissement des trames, le cerveau ne perçoit pas les trames, mais seulement l’image complète reconstituée. Les phosphores ont également un effet de rétention suite à l’excitation des électrons, ce qui contribue au phénomène de persistance des trames. Ce double passage de trame évite les mouvements saccadés à l’écran et améliore la netteté de l’image. Ainsi, chaque trame (paire et impaire) correspond à une moitié d’image de 312,5 lignes, ce qui permet d’obtenir une image complète de 625 lignes (dont seulement 576 lignes sont utilisées pour l’image, les lignes restantes servant au son, à la synchronisation et à d’autres signaux, comme le télétexte). Le principe de l’entrelacement a été préféré à un balayage progressif une ligne après l’autre. En effet, dans ce dernier cas, la vitesse du balayage étant insuffisante, les premières lignes commencent à disparaître lorsque le faisceau atteint le bas de l’écran.
Le système de fonctionnement est parfaitement identique avec le standard NTSC, avec pour seule différence le nombre de lignes horizontales et la fréquence de rafraîchissement des trames et des images (due à la fréquence d’oscillation du courant électrique).
• Résolution/écran cathodique
• Moniteur 100 Hertz
Les moniteurs vidéos dédiés à l’usage chirurgical sont souvent disponibles en « 100 Hertz ». Cela signifie que l’image est renouvelée 50 fois par seconde au lieu de 25 fois par seconde pour un écran conventionnel. En d’autres termes, le balayage des trames est réalisé de façon 2 fois plus fréquente et 2 fois plus rapide. De ce fait, l’image est plus douce, plus fluide et moins scintillante, ce qui diminue la fatigue visuelle.
• Résolution
La résolution d’un écran de télévision se mesure par le nombre de lignes horizontales (= résolution verticale prédéfinie par le standard vidéo utilisé) multiplié par le nombre de lignes verticales (= résolution horizontale). Celles-ci sont déterminées par le nombre de luminophores sur chaque ligne et ainsi par la distance qui les séparent. Il s’agit, en pratique, de l’espacement maximal des lignes verticales dans le plan horizontal qui peuvent être placées sur une surface tout en distinguant les blancs des noirs. Plus ces lignes sont rapprochées, plus le nombre de lignes visibles sur une surface donnée à l’écran augmente. La mesure de la définition horizontale d’un moniteur est fournie par le fabricant qui la réalise à l’aide de mires.
Exemple:
De cette façon, une chaîne vidéo avec une définition horizontale de 300 lignes permet de distinguer au centre de l’écran sur la surface de référence des alternances verticales « noir et blanc » se répétant 300 fois. La plupart des caméras mono-CCD couleurs ont une résolution horizontale de 400 lignes. Toutefois, les caméras les plus modernes ont une résolution horizontale de 800 lignes ou parfois de 900 lignes. Une utilisation optimale de ces caméras implique l’utilisation de moniteurs de haute définition qui offrent actuellement une résolution horizontale de 800 à 900 lignes. Pour mémoire, la résolution horizontale des moniteurs de HDTV (télévision haute définition) est supérieure à 1000 lignes. Il faut cependant garder à l’esprit que la résolution verticale (= nombre de lignes horizontales) est déterminée par le standard vidéo utilisé (PAL = 625 lignes, NTSC = 525, HDTV PAL = 1250 et HDTV NTSC = 1050).
• Taille écran cathodique
La taille d’un écran vidéo (moniteur) est défini par sa diagonale (avec le cadre entourant l’écran).
Les diagonales les plus communes sont 36, 42, 51 ou 63 cm.
D’une façon générale, il est recommandé en pratique vidéo chirurgicale d’être à une distance correspondant à 4 à 5 fois la diagonale de son écran. Pour cette raison, un usage optimal en laparoscopie implique l’utilisation d’un moniteur de 51 cm. Celui-ci permet au chirurgien et à son équipe d’obtenir une vision de bonne qualité en toutes circonstances pour toute personne assistant à l’intervention et placée jusqu’à 2,5 mètres du moniteur. Le travail sur un écran de plus petite taille implique une fatigue visuelle préjudiciable.
• Connectique
Les moniteurs vidéo possèdent les mêmes connexions analogiques que les caméras cœlioscopiques afin d’être compatibles.
Les connexions suivantes existent :
- les connexions composites (BNC) où la luminance (intensité lumineuse) et la chrominance (couleur) sont mélangées en un signal unique ;
- les connexions composantes (Y/C et RGB) où ces paramètres sont partiellement séparés.
Il faut 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 un moniteur numérique, type LCD, est utilisé.

À l’arrière de ces moniteurs, il faut distinguer les connexions suivantes :
- BNC (Bayonet Neill Concelman ou British Naval Connector ou encore Bayonet Nut Connector) = Video out (mettre 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) (mettre 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 (mettre 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 dépend 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 par 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 pour une restitution correcte du blanc et fidèle des couleurs. Cependant, la résolution étant en général limitée par le moniteur, une connexion RGB n’offre en pratique pas d’amélioration notable par rapport à une connexion Y/C. Il faut noter qu’il n’est plus possible de modifier les couleurs sur le moniteur avec la connexion RGB.
• Écran plat LCD
• 1
Les écrans plats ne sont pas des moniteurs vidéo à technologie analogique, mais des moniteurs informatiques numériques.

Il faut distinguer principalement deux types d'écran LCD :
- les écrans DSTN (dual-scan twisted nematic), plus connus sous le nom d'écrans à matrice passive où l’allumage de chaque pixel (picture element = unité élémentaire de l’image) est contrôlé par la mise sous tension d’un fil horizontal et d’un autre vertical ;
- les écrans TFT (thin film transistor = fine couche de transistor) également appelés écrans à matrice active où l’allumage de chaque pixel est contrôlé par son propre transistor.
Seuls ces derniers sont utilisés pour un usage au bloc opératoire.

Le principe d’affichage est différent des moniteurs cathodiques. En effet, il n’y a plus de balayage d’un faisceau d’électrons, mais une dalle composée de cristaux liquides groupés par triplet (RGB) placée devant une source de lumière.
• 2
La résolution de ces écrans ne se calcule pas en nombre de lignes, mais en surface d’affichage maximale. Cela correspond au nombre de pixels physiquement présents sur la dalle (par exemple : 1600 x 1200). L’autre paramètre qui intervient est la distance séparant les pixels, calculée en millimètre (pitch = pas de masque). Plus ce chiffre est bas, plus les pixels sont proches, améliorant la résolution. Un bon moniteur LCD a un pas de masque inférieur à 0,28 mm.

La fréquence de rafraîchissement n’est pas dépendante de la fréquence du courant alternatif, mais la fréquence de rafraîchissement/elle est définie par le standard du signal vidéo utilisé (PAL = 25 images/secondes, NTSC = 30, HDTV PAL = 50 et HDTV NTSC = 60).

L’un des avantages de ces écrans est le faible poids et encombrement dû à l’absence de tube cathodique. Ceci permet de limiter la profondeur de l’écran ainsi que son poids. Il faut noter que leur diagonale se calcule en pouce et correspond à la surface réelle d’affichage. Un écran 19 pouces correspond à peu près à un moniteur vidéo cathodique de 51 centimètres. Un autre avantage est l’absence de balayage commun au tube cathodique, ce qui ne génère pas de fatigue oculaire, même à faible distance. En outre, il n’y a plus le rayonnement électro-magnétique direct, perceptible surtout de près. Finalement, le principe technologique d’une dalle fixe composée de cristaux liquides fait que l’image possède les mêmes qualités en tout point de l’écran. Le problème de netteté ou de distorsion en bordure de l’écran n’est plus présent.

Il existe cependant des inconvénients. En premier lieu, la qualité d’affichage reste inférieure. Cela est principalement dû au temps de réponse de chaque pixel. En effet, lorsque l’image change rapidement, le risque est d’observer une forte rémanence de l’image avec l’impression que « ça ne suit pas ». L’autre inconvénient majeur reste l’angle de vision. Cela était flagrant avec les écrans à matrice passive qui devenaient illisibles si l’observateur n’était pas exactement en face. D’énormes progrès ont été réalisés et les écrans actuels à matrice active dépassent souvent 70° de couverture, tant horizontalement que verticalement. En pratique, la qualité de l’image se dégrade progressivement au fur et à mesure que l’on s’éloigne du centre de l’écran, rendant son usage peu agréable si on n’est pas en face. Finalement, le principe même de fonctionnement fait qu’il est difficile d’obtenir des noirs vraiment noirs et le contraste est souvent en retrait par rapport aux tubes cathodiques, offrant un rendu des couleurs qui est inférieur. En outre, cette technologie est plus fragile que les tubes cathodiques et il n’est pas rare de voir apparaître progressivement des pixels, voire des lignes entières qui ne s’allument plus. Cette rupture de l’alimentation du pixel est définitive et irréparable.
• Écran plasma
• 1
La technologie plasma permet la réalisation d’écrans plats de grande taille, en général au format 16/9. Un écran plasma est constitué d'un gaz rare injecté entre deux vitres parallèles couvertes d'une grille d'électrodes. Excitée par un courant électrique, une décharge s'applique à la surface de la grille et un rayon ultraviolet est émis. Ce rayon excite les phosphores associés à chaque électrode causant une émission de lumières. L'affichage d'une couleur dépend du pigment appliqué aux phosphores.
• 2
La qualité de visualisation des écrans plasma est supérieure aux écrans plats LCD. En revanche, elle reste encore en retrait par rapport aux écrans cathodiques, principalement en ce qui concerne le contraste et le rendu des couleurs.

Les écrans plasma sont trop grands pour être utilisés en pratique dans une salle d’opération de taille classique et aucun n’est aux normes médicales en 2003.
4. Besoins en laparoscopie
Un usage laparoscopique idéal tend vers l’utilisation de systèmes vidéo les plus performants possibles. À l’origine de la laparoscopie, de nombreux équipements étaient proposés avec des moniteurs avec une résolution verticale de 625 lignes (standard PAL) et une résolution horizontale de 300 à 400 lignes. Du fait que les capteurs CCD ont augmenté la qualité des images à la source, il est recommandé d’utiliser des moniteurs ayant des résolutions horizontales de 800 à 900 lignes. Idéalement, un moniteur de laparoscopie devrait avoir une résolution la plus proche de celle de la caméra pour parer à une dégradation évitable/éventuelle du signal.
5. Matériel existant
Les caractéristiques des moniteurs se définissent en fonction de la diagonale de l’écran, de la résolution horizontale et des possibilités de réglage. Chaque réglage du moniteur est effectué en fonction de l’image source. Idéalement, il est recommandé pour un usage laparoscopique standard, de travailler sur un moniteur d’une diagonale d’écran de 51 cm, pour un rafraîchissement d’image à 100 Hertz et pour une résolution horizontale de 800 lignes. Ces capacités permettent actuellement un très bon rendu de l’image proposée par la plupart des caméras endoscopiques.
6. Utilisation et réglages
• Installation
L’installation des moniteurs dans la salle d’opération dépend de la fréquence d’utilisation de la laparoscopie. Habituellement, un moniteur est installé sur une colonne de chirurgie laparoscopique et se déplace ainsi avec le matériel. Il est recommandé d’avoir un deuxième moniteur en salle d’opération qui permet, lorsqu’il est installé à l’opposé du premier moniteur, d’offrir une image bien orientée à l’assistant de l’intervention. Il permet en outre à tout le personnel de la salle d’opération, ainsi qu’aux anesthésistes, de suivre le geste chirurgical, quelle que soit leur position et d’adapter leurs actions au déroulement de l’intervention. Idéalement, un troisième moniteur fixe reproduisant le geste chirurgical peut être placé à un endroit pré-défini dans la salle d’opération.
• Durée de vie
Contrairement à une croyance établie dans le monde chirurgical, la durée de vie d’un moniteur CRT n’est pas éternelle. L’alignement du faisceau d’électrons qui balaye l’écran après avoir traversé le masque perforé de répartition se dérègle progressivement. Le canon perd également de sa puissance et la couche phosphorescente sur l’écran s’altère progressivement, surtout si une image fixe est affichée de manière prolongée (mire). Il faut noter qu’un moniteur vidéo a perdu sa pleine capacité au-delà de 6000 heures de fonctionnement, tout en sachant que les tubes sont prévus pour un fonctionnement global de l’ordre de 20’000 heures. Celles-ci sont atteintes au bout de 3 à 6 ans pour la plupart des utilisateurs étant donné que le moniteur est souvent allumé de façon beaucoup plus longue que la durée réelle de l’intervention. Pour cette raison, un recalibrage du canon à électrons par le fabricant est nécessaire. Si sa puissance est devenue trop faible ou si la couche phosphorescente est altérée, il faut changer de moniteur.
• Température de couleur
Comme cela est expliqué dans les chapitres des sources lumineuses et des caméras, les réglages des différents composants de la chaîne vidéo doivent être adaptés à la température de couleur de la source lumineuse. La plupart des interventions chirurgicales sont aujourd’hui réalisées avec des sources lumineuses halogène à arc ou xénon à arc ayant un rayonnement de l’ordre de 5600 à 6000 degrés Kelvin. La plupart des écrans vidéos sont réglés autour de 6500 degrés Kelvin. De ce fait, aucunes modifications particulières de l’écran ne sont à apporter. Il faut juste s’assurer de ce réglage de base. Le réglage de la température de couleur des écrans informatiques (9500 degrés Kelvin) est pour sa part supérieur et nécessite une adaptation. Ces réglages se font généralement via le menu du moniteur sous sélection de la température de la couleur (prière de se reporter à la documentation du fabricant).
• Réglages possibles
La plupart des moniteurs ont des réglages similaires. Ces réglages portent sur :
- la couleur ou chrominance (colour ou chroma) : règle la quantité globale de couleur dans l’image. Ce réglage est inopérant si le moniteur est relié à la source par une connexion RGB.
- la phase (phase) : fait virer la couleur chair vers le violet ou le vert (ne fonctionne qu’en standard NTSC non RGB).
- le contraste (contrast) : modifie l’écart de luminosité entre la zone la plus sombre et la plus claire d'une image. Cela modifie également la reproduction et la vision des couleurs.
- la luminosité (bright) : règle la quantité globale de luminosité dans l’image. Elle peut, dans une certaine mesure, compenser un défaut de lumière, mais amène un certain flou et une certaine pâleur dans l’image altérant la qualité de la vision.
- l’ouverture (aperture) : permet d’adoucir ou de durcir les bords de l’image (netteté). Ce réglage est surtout visible en présence de texte à l’écran. Il est inopérant si l’entrée est en RGB.
- le degauss : permet de démagnétiser le tube cathodique dans les situations où un champ magnétique indésirable entraîne une distorsion de l’image ou des couleurs. Il faut noter qu’une démagnétisation automatique a lieu lors de la mise sous tension du moniteur. Un délai de 10 minutes doit être respecté entre chaque démagnétisation.
- les sélecteurs d’entrées (Line A, B, RGB) : permet de choisir le canal correspondant à la connexion utilisée pour la source vidéo (BNC, Y/C, RGB).
7. Problèmes d’utilisation
En dehors de la perte du faisceau d’électrons avec perte totale de l’image, peu d’altérations affectent le moniteur. La principale anomalie est due au positionnement du moniteur à proximité d’une source électro-magnétique ou d’une masse métallique. Ceci entraîne une déviation du faisceau d’électron sur l’écran responsable d’un halo coloré, le plus souvent vert. La solution consiste à éloigner l’écran de la source de déviation des électrons. En cas d’altération de la vision, le moniteur doit être renvoyé au constructeur pour contrôle et recalibrage. Si l’origine du problème est la défectuosité du tube cathodique, cela nécessite son changement et par conséquent, en raison de son coût, le remplacement de tout le moniteur.
8. Conclusions
Le moniteur, élément final de la chaîne vidéo, est souvent le facteur limitant de cette chaîne. Il ne faut pas le négliger. Sa qualité et sa résolution doivent être équivalentes à celles de la caméra afin d’offrir un confort d’utilisation optimal au chirurgien.