医用内窥镜关键技术的研究

陈庆解放军第174医院，福建 厦门 361003

医用内窥镜关键技术的研究

陈庆
解放军第174医院，福建 厦门 361003

本文介绍了内窥镜的发展历程和技术现状，剖析了医用内窥镜发展中各部分的关键技术，主要包括图像采集、图像后处理和照明方式，并对医用内窥镜未来的发展方向进行了展望。研究内窥镜关键技术，可以提高我国的医疗水平，带动相关产业和科技的进步，改善人民的生活质量，具有极其重要的现实意义。

医用内窥镜；图像采集；图像传感器

0 引言

随着半导体和计算机技术的飞速发展，其应用领域不断向周边学科渗透，集传统光学技术与现代计算机技术、微电子技术等高新技术于一身的医用电子内窥镜已经成为当前应用非常广泛的一种医疗仪器。医生通过电子内窥镜不仅能直接观察到人体内脏器官的组织形态及病变情况，而且还可将观察到的图像进行存储和传输，以便进一步的诊疗和处理，其诊疗优越性已在医学界达成共识。本文介绍了医用内窥镜的发展历程，分析了国内外医用内窥镜的技术现状，剖析了医用内窥镜发展中各部分关键技术，主要包括图像采集、图像后处理和照明方式，并对医用内窥镜未来的发展方向进行了展望。

1 内窥镜的发展历程及技术现状

1.1 发展历程

医用内窥镜的历史由来已久，伴随着人类对自身研究的深入而逐步发展，其雏形的出现最早可追溯到公元前460～375年间，它是由古希腊名医Hippocrates领导的医疗小组发明的一种直肠诊视器，该诊视器与今天所用的内窥镜非常相似[1]。在这之后内窥镜检查技术没有重大的突破，直到19世纪才进入内窥镜真正的发展时期。其发展历程一般可分为：硬管式内窥镜、半可屈式内窥镜、纤维内窥镜、超声与电子内窥镜等阶段。

硬管式内窥镜的起源可追溯到1795年，德国医生Philip Bozzini在病人的肛门内插入一根硬管，借助于蜡烛的光亮，观察膀胱和直肠内部病变[2]。至此一个多世纪的时间里，硬管式内窥镜不断的完善与发展，但由于人体很多器官组织存在解剖上的生理弯曲，这种内窥镜所能获得的诊断资料有限，病人不但很痛苦，而且由于器械很硬，造成穿孔的危险性很大。直到1932年，Schindler与器械制作师Wolf成功研制出一种半可屈式内窥镜，可在不同水平弯曲34°，且图像不变形。这种内窥镜前端配有一光滑的金属球，方便插入患者，减少了对患者的机体损伤，且由48个透镜组成光学系统，灯泡光亮度强，医生能清晰地观察图像[3]。

针对传统内窥镜照明效果差、图像扭曲变形、内光源有灼伤危险等缺点，1930年德国Lamm提出用直径微小的纤维束传导光源[4]。1957年，Hirschowitz及其团队展示了历史上第一台用于检查胃、十二指肠的光导纤维内镜，为纤维内窥镜的发展拉开了序幕。纤维内窥镜以光导纤维为导光、传像元件，运用外部强冷光源照明，加装活检装置及照相机，可进行摄像。随着附属装置的不断改进，纤维内窥镜不但可用于诊断，同时还可用于消化道止血、激光治疗、肿瘤狭窄处放置内支架等手术治疗。但鉴于光纤的易折断性，图像在传输中极易出现黑点，导致纤维式内窥镜使用寿命变短。

1983年美国Welch Allyn公司研制并应用光电图像传感器（Charge Coupled Device，CCD）,代替了光导纤维导像技术，将光信号转换成为电子信号， 宣告电子内窥镜的诞生[5]。电子内窥镜插入体内的一端装有由一小块硅片集成的CCD镜头，它能将待查部位的图像转化为数字化的电信号，图像通过金属导线传送，由图像监视器接收并显示。这一技术的应用使图像的贮存、再现、会诊以及计算机管理成为可能。与以往纤维内镜相比较，电子内窥镜的图像更清晰、色泽更逼真、分辨率也更高，可供多人同时观看。2002年11月，世界上首个“高清晰内窥镜系统”诞生，之后西欧和日本等多个国家对电子内窥镜进行了多范围、多层次的研发，掀起了一股至今未衰的电子内窥镜的应用和开发热潮。

1.2 技术现状

从医用内窥镜的发展来看，新产品、新技术层出不穷，微型图像传感器和成像技术均在不断发展，其最新产品的成像分辨率达到100万像素以上。Olympus在2006年率先推出1080i HDTV高清晰电子内窥镜，2007年Pentax和Storz公司也相继推出了百万像素的高清内窥镜。高清视频图像分辨率更高，能够分辨更多的细节，可更容易识别潜在的病灶，是未来内窥镜发展的方向。在图像处理和信息提取方面，目前所使用的最新技术包括：放大成像、窄带光谱成像技术、自体荧光显像、近红外成像、多功能成像技术等。

2 关键技术

纵观医用内窥镜的发展历程和技术现状，其关键技术主要包括图像采集、图像后处理和照明方式。

2.1 图像采集

图像采集系统一般包括成像镜头、微型图像传感器、采集和处理电路等部分组成。

2.1.1 成像镜头

成像镜头设计经历了从传统的、非球面镜头到最新的液体透镜的阶段。非球面具有可以消除球差、减少镜片数量、缩小镜头体积等优点，应用在内窥镜镜头中具有较为理想的效果；液体透镜受到当前技术发展的限制，在内窥镜中还只有较少量的应用。各种光学镜头种类繁多，主要参数也不尽相同，合适的参数指标应根据不同接口、光敏面光学格式、焦距、光圈、视场、F数等来确定。

2.1.2 图像传感器

图像传感器是感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件的不同，可分为电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）和金属氧化物半导体元件（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）两大类[6]。在纤维内窥镜中，图像传感器位于插管的远端；而在硬管内窥镜中，传感器位于插管的近端，往往就在摄像头的内部，可通过向摄像头输送电力和在两个单元之间传输数据的电缆将该摄像头连接至摄像头的控制单元。

CCD于1969年在贝尔实验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素，具有高解析度、动态范围广、低失真等优点[7]。CCD可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上，医用内窥镜上使用的图像传感器属于面型CCD。国外最新的电子内窥镜采用高性能CCD图像传感器生成原始图像，随后再传输到下游的图像处理链中，最后传输给摄像头控制单元。图像传感器采用标准的拜尔模板，通过镜头阴影和失真模块来最大程度地减少噪声并实现均匀一致的图像。色彩过滤器阵列（Color Filter Array，CFA）能够完成像素之间的插补，并将拜尔图像转换到RGB（Red Green Blue）色域。随后再用RGB图像对自动曝光、增益、白平衡以及对焦等其他参数自动进行控制。

与CCD相比，CMOS具有体积小、耗电量低、成本低等优点，且CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步[8]。另外，CMOS传感器的最大优势是具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制等，都可集成在一颗晶片上，甚至所有的晶片包括后端晶片（BackendChip）、快闪记忆体（FlashRAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。

2.1.3 采集和处理电路

医生使用静态图像能够迅速捕获并共享对象组织的图像。内置于某些图像传感器中的传感器控制电路包含一个静态图像捕获电路。在其他系统中，这项功能通常由下游执行，即在执行图像增强功能之后进行。静态图像捕获功能既可用硬件、也可用软件执行，图像一般在由医生保存到磁盘上之前都保存在本地存储器中。传统采集和处理电路的主要技术难题之一是要最大限度地缩小机械外形和电子线路的尺寸，以实现更高的易用性。随着现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Logic Gate Array，FPGA）和数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术的发展与应用，通过功能集成和使用更小尺寸的组件封装可以缩小电气组件的尺寸，从而帮助系统设计人员缩小总体机械外形，这样图像处理的某些工作，如畸变校正、白平衡、图像增强等就可以由硬件来完成[9-10]。

2.2 图像后处理

内窥镜生成的是缓慢移动对象的视频，保持视频的清晰至关重要，因为运动产生的模糊会给对象组织的对比度造成不良影响，从而难以执行准确的诊断。极高帧速率的图像传感器有助于解决运动模糊问题，但却不能彻底解决。使用降噪算法，可实现进一步的改进。在使用较低帧速率的小型应用中，降噪算法在提升图像质量方面发挥着关键性的作用[11]。时间降噪即基于运动的降噪技术通常最适合于需要解决运动问题的内窥镜应用。在时间滤波技术中，可为单个像素创建随时间变动而变化的噪声模型，然后采用低通滤波器来消除像素的快速变动。这些快速变动主要是由运动造成的，因此通过滤波，只有与对象相关的缓慢移动像素才可以通过，从而获得干净清晰的图像。

另外边缘增强也是一种非常重要的图像处理技术，因为其能帮助医生更全面地查看组织中的非正常现象[12-13]。例如，仅根据颜色难以将细小的血管与周边组织区分开来，但可以采用边缘增强技术生成对比度较强烈的血管视图，以供医生分析之用。此外，边缘增强还常用于改进组织纹理图像以及粘膜表面图像的视图质量。

为了检测病灶特征，需对图像进行处理和信息提取。目前由于内窥镜的分辨率较高，只要对传统白光照明条件下的图像边缘稍加增强，就可通过肉眼直接观察到某些病灶的位置。但对于有些不明显的或早期病变则需要借助假彩色成像、数字滤波等技术，如窄带成像（Narrow-band Imaging，NBI）能够增强微小血管的结构特征，可发现早期癌症等微小病变部位[14]；i-scan或智能分光比色技术（Fuji Intelligent Chromo Endoscopy，FICE）能增强表面、血管和凹陷处的结构特征；自发荧光成像技术（Auto Fluorescence Imaging，AFI）可实现强化肿瘤性病变部位色调，近红外成像技术可实现粘膜深部的血管及血流的红外线观察[15]。

2.3 照明方式

光源的作用是在采用内窥镜进行检查和治疗的过程中进行对象照明。光源通过光缆连接到摄像头，而光则随后通过另一组光缆传输到内窥镜的另一端。光单元通常由氙灯或者金属卤素灯泡构成，主要由功率电子系统组成。 此外，光单元一般还具备简单的用户界面，可对亮度、功率和系统状态进行控制。部分光源可通过以太网或者其他通信协议连接到图像管理单元，因而能够由使用图像管理接口的操作人员进行远程控制。该接口必须是实时可用的，且必须在系统其他部分停止工作时也处于工作状态，这样该接口就可以根据命令唤醒光源。虽然可以采用多个专用标准产品（Application Specific Standard Product，ASSP）来实现每一项功能，但FPGA也可用单芯片解决方案来满足所有的用户接口和通信要求。低功耗、高性能和高度的互连灵活性优势，非常适用于管理光源中的逻辑要求。

作为医用内窥镜的关键技术之一，照明色彩的还原性是否良好直接关系到整个内窥镜的性能。氙灯可满足内窥镜照明的需求而被普遍采用，一般光源端装有准直镜头，再会聚耦合到光纤，经光纤传入到内窥镜末端，再经照明镜头进行照明。随着高亮LED技术的发展，LED合光后表现出优良的特性，使用LED作为内窥镜照明已成为可能。

3 医用内窥镜应用现状及发展方向

目前，以内窥镜系统为核心的微创技术已推广到耳鼻喉科、普外科、妇产科、胸外科、泌尿外科、儿科等多个科室，从简单的腹腔镜下息肉摘除到心脏搭桥均有涉及，几乎所有传统的普通外科手术都可以通过内窥镜微创手术完成。内窥镜微创技术已成为消化、呼吸、泌尿、耳鼻喉科等系统疾病诊断治疗不可或缺的一项技术。

随着微电子技术、计算机技术、超声技术等各种先进的科学技术向医学领域的不断渗透，医用内窥镜的发展趋向于小型化、多样化，诸如超声内窥镜、微型内窥镜、激光内窥镜、三维内窥镜等均在研制发展中，并已逐步应用于临床。美国等一些西方发达国家正在研制一种内窥镜手术机器人，来完成内窥镜的操作，甚至手术器具的操作。借助于机器人动作精确、工作可靠的优点，可使内窥镜手术更具安全性、准确性和便利性，大大减轻了医务人员的劳动强度。

4 结语

内窥镜凝集了最尖端的影像技术，提供的画像精度使诊断极其微小的病变成为了可能。视频内窥镜、电子内窥镜、超声内窥镜的出现开辟了现代医学内镜的新纪元，内窥镜从检查、诊断时代进入了治疗、手术的时代。

从目前对内窥镜装置的研究发展趋势来看，人们越来越倾向于将内窥镜装置微型化。此外，随着现代设计理念的不断进步以及新技术新材料尤其是电子行业的发展，国内外内窥镜系统在经历了几代人的努力后已完成了跨越式的发展。新型照明光源的应用以及高度集成化、电子化、智能化设计将是未来内窥镜发展的必然趋势。

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《中国医疗设备》杂志研究论著栏目简介

其为通过实验研究或科学实践总结的研究成果，实验数据详实，有分析和结论，应为具有创新性、实用性和科学性的稿件。如生物医学工程、医疗仪器设备、计算机应用和医学新技术等学科领域中的研究创新成果，新发明、新方法、新技术、新理论等。本栏目特别欢迎本学科领域的国家级、省（市）级的立项研究课题产出的论文，也欢迎本学科或相关学科研究生的学位论文。

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

作者邮箱：cedychenjl@163．com