河北医科大学第四医院050011
【摘要】电视腹腔镜外科手术在我国各大中型医院已经较为普及，目前技术发展水平下，平面图像（二维）的腹腔镜已经达到了全高清（1920X1080）的分辨水平，并实现了色彩的高度还原。随着立体三维内窥镜投入使用，在相同的三维成像和还原原理下，如何达到更高的分辨率和色彩还原度，消除操作者的眩晕感觉，本文从产品结构和原理上加以阐述。
【关键词】外科手术；腹腔镜；三维成像
电视腹腔镜系统的基本原理和结构
内窥镜与图像的采集
1.十九世纪六七十年代，人类开始用肉眼通过光学镜头观察人体腔内的器官并进行简单的手术。二十世纪六十年代，人类将电视技术应用于内窥镜。早期的电视内窥镜产品分辨率都比较低，但是从用眼睛通过光学镜头观察和操作到通过电视屏幕观看是一个巨大的技术飞跃。
2.将腔内的图像变成电视屏幕上显示，必须要有将亮度和色彩信号转换为电信号的传感器，目前最常用的是CCD。CCD把光信号转换为电信号后，经过一系列处理后变成视频信号，再由显示器显示出图像，观察者可以用眼睛方便直接地观看。
电视腹腔镜的主要性能指标
1.CCD，是英文ChargeCoupledDevice即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。
2.衡量CCD好坏的指标有很多，如像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数量是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数量的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。对CCD而言，一张标准的五寸照所需的像素在六百万左右。
3.单CCD摄像机是指摄像机里只有一片CCD并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用CCD上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难以两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平的高要求。为了解决这个问题，便出现了3CCD摄像机。
■单CCD在感光点上加上滤镜，只能接收三原色的其中一种色彩。单CCD摄录机的每个感光点上都要加上「红」、「绿」、「蓝」三原色中其中一种色彩的滤镜，然后将每个感光点感测到的单一色彩讯号与邻近感光点的色彩讯号混合，例如红色感光点讯号混合邻近的蓝色及绿色感光点讯号，以估计出原来的色彩
3CCD原理
和单CCD相比，由于3CCD分别用3个CCD转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单CCD来的自然，亮度以及清晰度也比单CCD好。但由于使用了三片CCD，3CCD摄像机的价格要比单CCD贵很多，所以只有专业级以上的摄像机才会使用3CCD。
３ＣＣＤ摄像头比单晶片摄像头先进，图像色彩更丰富、层次感更强。
2D（二维）与3D（三维）电视腹腔镜的结构差别
二维腹腔镜，是通过一个通道将CCD采集到的图像的光信号转化为模拟电信号，再处理转换为视频信号显示在监视器上。因为清晰度需求一再提高，不断有新技术得以应用，从开始低分辩率到高分辩率，信号处理也从最初的模拟信号发展为将模拟信号通过A/D转换为数字信号进行更复杂，更快速的处理。目前行业将分辩率为1920X1080像素的图像称为全高清图像（FULLHD），全高清技术在二维腹腔镜上也有应用，这种应用可以是单CCD也可以是３CCD。为了同时得到高分辨率和色彩的丰富还原，3CCD是更佳选择。把光线分为三组原色进行独立处理，然后还原。即红，蓝，绿，由三组单独的CCD采集信号后在三组单独的处理通道进行处理，在变成电视信号之前，再将三个信号组成还原色彩后的一组信号，这三个CCD分别处理的红，蓝，绿信号都是高清的，既能照顾到色彩又能实现高分辨率。
三维腹腔镜需要用两个通道收集图像，有限的空间内对CCD的要求就更高了，早期只能用单CCD来处理，分辨率有限，不能达到丰富色彩和高分辨率的兼顾。随着技术的发展，三维腹腔镜图像传感器也开始应用3CCD，图像采集方法跟二维是一样的，但三维增加了左眼和右眼分别成像，利用人体双目视差与融合的原理，采集两组图像，进行A/D模数转换，图像数字处理，最后通过HDMI数字接口传送到三维立体显示器上，用3D眼镜进行观察，在观察者脑部形成三维图像，由此实现立体影像观察。
三维腹腔镜图像采集部分大致分为两种，通过光学柱状腔镜和Chipintip电子芯片腔镜。两者的主要区别在于CCD的位置，Chipintip电子芯片腔镜的CCD位于镜体的前端，分别抓取右眼用和左眼用影像。然后处理这两组影像来构成3D影像。另外一种方式是用光学柱状透镜，将图像投射到腔镜后端的CCD上采集图像。
两种结构产品的差异在于chipintip产品受到CCD体积的限制，不易达到全高清图像质量，大部分的全高清三维腹腔镜都是用光学柱镜将腔内图像投射到腔镜外末端连接的CCD上进行转换及处理。
接触患者的腔镜部分需要每次手术前拆离摄像头进行灭菌处理。
国内腔镜领域使用者目前有习惯把利用光学柱镜的内窥镜称为光学镜，把chipintip的芯片内窥镜称为电子镜。
目前市场上3CCD高清三维腹腔镜，是一个新的发展领域。传统的腔镜厂家并未取得太大优势。美国的Viking与韩国的SOMETECHInc是这个领域的后起之秀。TrueEyesystem是SOMETECH公司基于多年医学图像产品的研发经验推出的一款3CCD全高清三维腹腔镜。通过两组独立的光学柱镜体，将腔内图像投射到摄像头对应的的两个通道3CCD上，然后进行A/D模数转换，图像数字处理，通过HDMI数字接口传送到三维显示器上，操作者通过三维偏振眼镜观看，在脑部形成三维影像，由此实现立体影像观察。
SOMETECHInc.公司三维腹腔镜的技术特点及优势
1.ＳＯＭＥＴＥＣＨ三维腹腔镜由于应用了长景深的高分辨率光学柱状透镜，3CCD全高清影像处理系统，配合ＬＥＤ自然色温冷光源，操作者除了得到全高清的三维立体图像外，舒适度大为提高，消除了早期产品的眩晕感觉
2.应用三维腹腔镜系统进行手术操作能获得更明显的视野纵深感和更强的空间定位性，从而在一些重要血管的分离裸化和淋巴结清扫等过程中，达到更加精准的效果；
3.腹腔镜下进行离断标本或判断距离时，三维腹腔镜因其具有充分的立体视野，对切缘或操作距离的把握可能更为精准；
4.在腹腔镜下完成一些精细定向操作，如腹腔镜下的手工缝合操作、精细吻合操作以及消化道重建时，立体视野的优势更为明显，对缝合时持针器械的换手操作、持针器打结时的三维立体判断都有非常重要的帮助。
5.三维腹腔镜由于更接近立体真实的视觉，因此，在手术中操作更便利，发生操作错误更少，即使是无腹腔镜经验者亦能感觉到更易掌握，学习曲线更短，更易为无腹腔镜手术经验者接受。