陳慶解放軍第174醫(yī)院，福建 廈門 361003

醫(yī)用內(nèi)窺鏡關(guān)鍵技術(shù)的研究

陳慶
解放軍第174醫(yī)院，福建 廈門 361003

本文介紹了內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀，剖析了醫(yī)用內(nèi)窺鏡發(fā)展中各部分的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括圖像采集、圖像后處理和照明方式，并對醫(yī)用內(nèi)窺鏡未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。研究內(nèi)窺鏡關(guān)鍵技術(shù)，可以提高我國的醫(yī)療水平，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)和科技的進(jìn)步，改善人民的生活質(zhì)量，具有極其重要的現(xiàn)實意義。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡；圖像采集；圖像傳感器

0 引言

隨著半導(dǎo)體和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷向周邊學(xué)科滲透，集傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代計算機技術(shù)、微電子技術(shù)等高新技術(shù)于一身的醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用非常廣泛的一種醫(yī)療儀器。醫(yī)生通過電子內(nèi)窺鏡不僅能直接觀察到人體內(nèi)臟器官的組織形態(tài)及病變情況，而且還可將觀察到的圖像進(jìn)行存儲和傳輸，以便進(jìn)一步的診療和處理，其診療優(yōu)越性已在醫(yī)學(xué)界達(dá)成共識。本文介紹了醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷程，分析了國內(nèi)外醫(yī)用內(nèi)窺鏡的技術(shù)現(xiàn)狀，剖析了醫(yī)用內(nèi)窺鏡發(fā)展中各部分關(guān)鍵技術(shù)，主要包括圖像采集、圖像后處理和照明方式，并對醫(yī)用內(nèi)窺鏡未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程

醫(yī)用內(nèi)窺鏡的歷史由來已久，伴隨著人類對自身研究的深入而逐步發(fā)展，其雛形的出現(xiàn)最早可追溯到公元前460～375年間，它是由古希臘名醫(yī)Hippocrates領(lǐng)導(dǎo)的醫(yī)療小組發(fā)明的一種直腸診視器，該診視器與今天所用的內(nèi)窺鏡非常相似[1]。在這之后內(nèi)窺鏡檢查技術(shù)沒有重大的突破，直到19世紀(jì)才進(jìn)入內(nèi)窺鏡真正的發(fā)展時期。其發(fā)展歷程一般可分為：硬管式內(nèi)窺鏡、半可屈式內(nèi)窺鏡、纖維內(nèi)窺鏡、超聲與電子內(nèi)窺鏡等階段。

硬管式內(nèi)窺鏡的起源可追溯到1795年，德國醫(yī)生Philip Bozzini在病人的肛門內(nèi)插入一根硬管，借助于蠟燭的光亮，觀察膀胱和直腸內(nèi)部病變[2]。至此一個多世紀(jì)的時間里，硬管式內(nèi)窺鏡不斷的完善與發(fā)展，但由于人體很多器官組織存在解剖上的生理彎曲，這種內(nèi)窺鏡所能獲得的診斷資料有限，病人不但很痛苦，而且由于器械很硬，造成穿孔的危險性很大。直到1932年，Schindler與器械制作師Wolf成功研制出一種半可屈式內(nèi)窺鏡，可在不同水平彎曲34°，且圖像不變形。這種內(nèi)窺鏡前端配有一光滑的金屬球，方便插入患者，減少了對患者的機體損傷，且由48個透鏡組成光學(xué)系統(tǒng)，燈泡光亮度強，醫(yī)生能清晰地觀察圖像[3]。

針對傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡照明效果差、圖像扭曲變形、內(nèi)光源有灼傷危險等缺點，1930年德國Lamm提出用直徑微小的纖維束傳導(dǎo)光源[4]。1957年，Hirschowitz及其團(tuán)隊展示了歷史上第一臺用于檢查胃、十二指腸的光導(dǎo)纖維內(nèi)鏡，為纖維內(nèi)窺鏡的發(fā)展拉開了序幕。纖維內(nèi)窺鏡以光導(dǎo)纖維為導(dǎo)光、傳像元件，運用外部強冷光源照明，加裝活檢裝置及照相機，可進(jìn)行攝像。隨著附屬裝置的不斷改進(jìn)，纖維內(nèi)窺鏡不但可用于診斷，同時還可用于消化道止血、激光治療、腫瘤狹窄處放置內(nèi)支架等手術(shù)治療。但鑒于光纖的易折斷性，圖像在傳輸中極易出現(xiàn)黑點，導(dǎo)致纖維式內(nèi)窺鏡使用壽命變短。

1983年美國Welch Allyn公司研制并應(yīng)用光電圖像傳感器（Charge Coupled Device，CCD）,代替了光導(dǎo)纖維導(dǎo)像技術(shù)，將光信號轉(zhuǎn)換成為電子信號， 宣告電子內(nèi)窺鏡的誕生[5]。電子內(nèi)窺鏡插入體內(nèi)的一端裝有由一小塊硅片集成的CCD鏡頭，它能將待查部位的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的電信號，圖像通過金屬導(dǎo)線傳送，由圖像監(jiān)視器接收并顯示。這一技術(shù)的應(yīng)用使圖像的貯存、再現(xiàn)、會診以及計算機管理成為可能。與以往纖維內(nèi)鏡相比較，電子內(nèi)窺鏡的圖像更清晰、色澤更逼真、分辨率也更高，可供多人同時觀看。2002年11月，世界上首個“高清晰內(nèi)窺鏡系統(tǒng)”誕生，之后西歐和日本等多個國家對電子內(nèi)窺鏡進(jìn)行了多范圍、多層次的研發(fā)，掀起了一股至今未衰的電子內(nèi)窺鏡的應(yīng)用和開發(fā)熱潮。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

從醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展來看，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮，微型圖像傳感器和成像技術(shù)均在不斷發(fā)展，其最新產(chǎn)品的成像分辨率達(dá)到100萬像素以上。Olympus在2006年率先推出1080i HDTV高清晰電子內(nèi)窺鏡，2007年P(guān)entax和Storz公司也相繼推出了百萬像素的高清內(nèi)窺鏡。高清視頻圖像分辨率更高，能夠分辨更多的細(xì)節(jié)，可更容易識別潛在的病灶，是未來內(nèi)窺鏡發(fā)展的方向。在圖像處理和信息提取方面，目前所使用的最新技術(shù)包括：放大成像、窄帶光譜成像技術(shù)、自體熒光顯像、近紅外成像、多功能成像技術(shù)等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

縱觀醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括圖像采集、圖像后處理和照明方式。

2.1 圖像采集

圖像采集系統(tǒng)一般包括成像鏡頭、微型圖像傳感器、采集和處理電路等部分組成。

2.1.1 成像鏡頭

成像鏡頭設(shè)計經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的、非球面鏡頭到最新的液體透鏡的階段。非球面具有可以消除球差、減少鏡片數(shù)量、縮小鏡頭體積等優(yōu)點，應(yīng)用在內(nèi)窺鏡鏡頭中具有較為理想的效果；液體透鏡受到當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的限制，在內(nèi)窺鏡中還只有較少量的應(yīng)用。各種光學(xué)鏡頭種類繁多，主要參數(shù)也不盡相同，合適的參數(shù)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)不同接口、光敏面光學(xué)格式、焦距、光圈、視場、F數(shù)等來確定。

2.1.2 圖像傳感器

圖像傳感器是感受光學(xué)圖像信息并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分，根據(jù)元件的不同，可分為電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）和金屬氧化物半導(dǎo)體元件（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）兩大類[6]。在纖維內(nèi)窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠(yuǎn)端；而在硬管內(nèi)窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內(nèi)部，可通過向攝像頭輸送電力和在兩個單元之間傳輸數(shù)據(jù)的電纜將該攝像頭連接至攝像頭的控制單元。

CCD于1969年在貝爾實驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產(chǎn)，從初期的10多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬像素，具有高解析度、動態(tài)范圍廣、低失真等優(yōu)點[7]。CCD可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機（DSC）、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上，醫(yī)用內(nèi)窺鏡上使用的圖像傳感器屬于面型CCD。國外最新的電子內(nèi)窺鏡采用高性能CCD圖像傳感器生成原始圖像，隨后再傳輸?shù)较掠蔚膱D像處理鏈中，最后傳輸給攝像頭控制單元。圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的拜爾模板，通過鏡頭陰影和失真模塊來最大程度地減少噪聲并實現(xiàn)均勻一致的圖像。色彩過濾器陣列（Color Filter Array，CFA）能夠完成像素之間的插補，并將拜爾圖像轉(zhuǎn)換到RGB（Red Green Blue）色域。隨后再用RGB圖像對自動曝光、增益、白平衡以及對焦等其他參數(shù)自動進(jìn)行控制。

與CCD相比，CMOS具有體積小、耗電量低、成本低等優(yōu)點，且CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步[8]。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢是具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制等，都可集成在一顆晶片上，甚至所有的晶片包括后端晶片（BackendChip）、快閃記憶體（FlashRAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達(dá)到降低整機生產(chǎn)成本的目的。

2.1.3 采集和處理電路

醫(yī)生使用靜態(tài)圖像能夠迅速捕獲并共享對象組織的圖像。內(nèi)置于某些圖像傳感器中的傳感器控制電路包含一個靜態(tài)圖像捕獲電路。在其他系統(tǒng)中，這項功能通常由下游執(zhí)行，即在執(zhí)行圖像增強功能之后進(jìn)行。靜態(tài)圖像捕獲功能既可用硬件、也可用軟件執(zhí)行，圖像一般在由醫(yī)生保存到磁盤上之前都保存在本地存儲器中。傳統(tǒng)采集和處理電路的主要技術(shù)難題之一是要最大限度地縮小機械外形和電子線路的尺寸，以實現(xiàn)更高的易用性。隨著現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Logic Gate Array，F(xiàn)PGA）和數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過功能集成和使用更小尺寸的組件封裝可以縮小電氣組件的尺寸，從而幫助系統(tǒng)設(shè)計人員縮小總體機械外形，這樣圖像處理的某些工作，如畸變校正、白平衡、圖像增強等就可以由硬件來完成[9-10]。

2.2 圖像后處理

內(nèi)窺鏡生成的是緩慢移動對象的視頻，保持視頻的清晰至關(guān)重要，因為運動產(chǎn)生的模糊會給對象組織的對比度造成不良影響，從而難以執(zhí)行準(zhǔn)確的診斷。極高幀速率的圖像傳感器有助于解決運動模糊問題，但卻不能徹底解決。使用降噪算法，可實現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。在使用較低幀速率的小型應(yīng)用中，降噪算法在提升圖像質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用[11]。時間降噪即基于運動的降噪技術(shù)通常最適合于需要解決運動問題的內(nèi)窺鏡應(yīng)用。在時間濾波技術(shù)中，可為單個像素創(chuàng)建隨時間變動而變化的噪聲模型，然后采用低通濾波器來消除像素的快速變動。這些快速變動主要是由運動造成的，因此通過濾波，只有與對象相關(guān)的緩慢移動像素才可以通過，從而獲得干凈清晰的圖像。

另外邊緣增強也是一種非常重要的圖像處理技術(shù)，因為其能幫助醫(yī)生更全面地查看組織中的非正?，F(xiàn)象[12-13]。例如，僅根據(jù)顏色難以將細(xì)小的血管與周邊組織區(qū)分開來，但可以采用邊緣增強技術(shù)生成對比度較強烈的血管視圖，以供醫(yī)生分析之用。此外，邊緣增強還常用于改進(jìn)組織紋理圖像以及粘膜表面圖像的視圖質(zhì)量。

為了檢測病灶特征，需對圖像進(jìn)行處理和信息提取。目前由于內(nèi)窺鏡的分辨率較高，只要對傳統(tǒng)白光照明條件下的圖像邊緣稍加增強，就可通過肉眼直接觀察到某些病灶的位置。但對于有些不明顯的或早期病變則需要借助假彩色成像、數(shù)字濾波等技術(shù)，如窄帶成像（Narrow-band Imaging，NBI）能夠增強微小血管的結(jié)構(gòu)特征，可發(fā)現(xiàn)早期癌癥等微小病變部位[14]；i-scan或智能分光比色技術(shù)（Fuji Intelligent Chromo Endoscopy，F(xiàn)ICE）能增強表面、血管和凹陷處的結(jié)構(gòu)特征；自發(fā)熒光成像技術(shù)（Auto Fluorescence Imaging，AFI）可實現(xiàn)強化腫瘤性病變部位色調(diào)，近紅外成像技術(shù)可實現(xiàn)粘膜深部的血管及血流的紅外線觀察[15]。

2.3 照明方式

光源的作用是在采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查和治療的過程中進(jìn)行對象照明。光源通過光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過另一組光纜傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡的另一端。光單元通常由氙燈或者金屬鹵素?zé)襞輼?gòu)成，主要由功率電子系統(tǒng)組成。 此外，光單元一般還具備簡單的用戶界面，可對亮度、功率和系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行控制。部分光源可通過以太網(wǎng)或者其他通信協(xié)議連接到圖像管理單元，因而能夠由使用圖像管理接口的操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該接口必須是實時可用的，且必須在系統(tǒng)其他部分停止工作時也處于工作狀態(tài)，這樣該接口就可以根據(jù)命令喚醒光源。雖然可以采用多個專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（Application Specific Standard Product，ASSP）來實現(xiàn)每一項功能，但FPGA也可用單芯片解決方案來滿足所有的用戶接口和通信要求。低功耗、高性能和高度的互連靈活性優(yōu)勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

作為醫(yī)用內(nèi)窺鏡的關(guān)鍵技術(shù)之一，照明色彩的還原性是否良好直接關(guān)系到整個內(nèi)窺鏡的性能。氙燈可滿足內(nèi)窺鏡照明的需求而被普遍采用，一般光源端裝有準(zhǔn)直鏡頭，再會聚耦合到光纖，經(jīng)光纖傳入到內(nèi)窺鏡末端，再經(jīng)照明鏡頭進(jìn)行照明。隨著高亮LED技術(shù)的發(fā)展，LED合光后表現(xiàn)出優(yōu)良的特性，使用LED作為內(nèi)窺鏡照明已成為可能。

3 醫(yī)用內(nèi)窺鏡應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

目前，以內(nèi)窺鏡系統(tǒng)為核心的微創(chuàng)技術(shù)已推廣到耳鼻喉科、普外科、婦產(chǎn)科、胸外科、泌尿外科、兒科等多個科室，從簡單的腹腔鏡下息肉摘除到心臟搭橋均有涉及，幾乎所有傳統(tǒng)的普通外科手術(shù)都可以通過內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)完成。內(nèi)窺鏡微創(chuàng)技術(shù)已成為消化、呼吸、泌尿、耳鼻喉科等系統(tǒng)疾病診斷治療不可或缺的一項技術(shù)。

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、超聲技術(shù)等各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷滲透，醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展趨向于小型化、多樣化，諸如超聲內(nèi)窺鏡、微型內(nèi)窺鏡、激光內(nèi)窺鏡、三維內(nèi)窺鏡等均在研制發(fā)展中，并已逐步應(yīng)用于臨床。美國等一些西方發(fā)達(dá)國家正在研制一種內(nèi)窺鏡手術(shù)機器人，來完成內(nèi)窺鏡的操作，甚至手術(shù)器具的操作。借助于機器人動作精確、工作可靠的優(yōu)點，可使內(nèi)窺鏡手術(shù)更具安全性、準(zhǔn)確性和便利性，大大減輕了醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。

4 結(jié)語

內(nèi)窺鏡凝集了最尖端的影像技術(shù)，提供的畫像精度使診斷極其微小的病變成為了可能。視頻內(nèi)窺鏡、電子內(nèi)窺鏡、超聲內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)開辟了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)內(nèi)鏡的新紀(jì)元，內(nèi)窺鏡從檢查、診斷時代進(jìn)入了治療、手術(shù)的時代。

從目前對內(nèi)窺鏡裝置的研究發(fā)展趨勢來看，人們越來越傾向于將內(nèi)窺鏡裝置微型化。此外，隨著現(xiàn)代設(shè)計理念的不斷進(jìn)步以及新技術(shù)新材料尤其是電子行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在經(jīng)歷了幾代人的努力后已完成了跨越式的發(fā)展。新型照明光源的應(yīng)用以及高度集成化、電子化、智能化設(shè)計將是未來內(nèi)窺鏡發(fā)展的必然趨勢。

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《中國醫(yī)療設(shè)備》雜志研究論著欄目簡介

其為通過實驗研究或科學(xué)實踐總結(jié)的研究成果，實驗數(shù)據(jù)詳實，有分析和結(jié)論，應(yīng)為具有創(chuàng)新性、實用性和科學(xué)性的稿件。如生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療儀器設(shè)備、計算機應(yīng)用和醫(yī)學(xué)新技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域中的研究創(chuàng)新成果，新發(fā)明、新方法、新技術(shù)、新理論等。本欄目特別歡迎本學(xué)科領(lǐng)域的國家級、?。ㄊ校┘壍牧㈨椦芯空n題產(chǎn)出的論文，也歡迎本學(xué)科或相關(guān)學(xué)科研究生的學(xué)位論文。

Research on Key Technologies of the Medical Endoscope System

CHEN Qing
The 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

With introduction of the development and technological status of endoscope systems, this paper analyzes the key technologies of each component of medical endoscope systems in their development, including image acquisition, image processing and lighting. Then, remarks are made on the future prospect of development directions. Studies on the endoscopic technologies can contribute to promoting medical quality, related industries and technological progress, as well as people’s living quality in China, which is of greatl practical significance.

medical endoscope; image acquisition; image sensors

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.020

1674-1633(2015)04-0068-03

2014-08-10

2014-09-01

作者郵箱：cedychenjl@163．com