1、醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望薛林（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083）【摘 要】 介 紹 了 醫(yī) 用 3D 視 頻 內(nèi) 窺 系 統(tǒng) 所 涉 及 到 的 各 種 視 頻 采 集 、顯 示 等 技 術(shù) 的 實(shí) 現(xiàn) 方 式 ，并 詳 細(xì) 分 析 了 各 種 視 頻 采集、顯示方法的區(qū)別和特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)醫(yī)用 3D 視頻內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中視頻采集、顯示等技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行 了展望。【關(guān)鍵詞】 醫(yī)療器械；內(nèi)窺鏡；立體視頻【中圖分類號(hào)】 TN929【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 AImplementation and Future Implementation of 3D En

2、doscope Systems Used in Medical ProceduresXUE Lin（Patent Examination Center of the Patent Office, SIPO, Beijing 100083, China）【Abstract】 The present paper provides the method of video capturing and displaying for 3D endoscope systems used in medical procedures. Moreover, the paper discusses implemen

3、tation models of every method specifically and points out thepeculiarity of every method. At the same time, it prospectsand displaying in 3D endoscope systems.【Key words】 medical instrument; endoscope; stereo videothe future development and implementation of video capturing內(nèi)窺鏡技術(shù)的產(chǎn)生是醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑

4、。內(nèi)窺鏡技術(shù)的應(yīng)用使得微創(chuàng)的醫(yī)學(xué)檢查 及外科手術(shù)成為可能，大大減小了手術(shù)對(duì)病人所造成 的傷害，也降低了術(shù)后感染等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)術(shù)后 恢復(fù)的時(shí)間也更短。內(nèi)窺鏡的發(fā)展主要經(jīng)過(guò)了如下的發(fā)展階段：1806 年 ，德 國(guó) 的 Philipp Bozzini 發(fā) 明 了 用 于 人 體 腔 道 內(nèi) 部 檢 查 的 內(nèi) 窺 鏡“ 導(dǎo) 光 體 ”（Lichtleiter），其 被 認(rèn) 為 是 最 早發(fā)明的內(nèi)窺鏡；1868 年，德國(guó)的 Kussmaul 發(fā)明了硬 管式內(nèi)窺鏡；1932 年，德國(guó)的 Wolf 和 Schindler 合作發(fā) 明 了 半 可 屈 式 內(nèi) 窺 鏡 ；1957 年 ，美 國(guó) 的 Hi

5、rschowitz 研 究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了纖維內(nèi)窺鏡；1963 年，日本開(kāi)始生產(chǎn)纖 維內(nèi)窺鏡；1983 年，美國(guó) Welch Allyn 公司采用微型圖 像 傳 感 器 取 代 了 光 導(dǎo) 纖 維 ，制 造 出 了 電 子 內(nèi) 窺 鏡 。 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，應(yīng)用了高清視頻技術(shù)和 3D 視頻技 術(shù) 的 內(nèi) 窺 鏡 相 繼 誕 生 ，內(nèi) 窺 鏡 的 圖 像 質(zhì) 量 發(fā) 生 了 革 命性的變化。目前，醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡已經(jīng)在醫(yī)療應(yīng)用在發(fā)揮著越 來(lái)越大的作用。例如，已經(jīng)在世界上多個(gè)國(guó)家廣為使 用的 Intuitive Surgical 公司的“達(dá)芬奇”外科手術(shù)機(jī)器人 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是醫(yī)用 3D

6、內(nèi)窺鏡的應(yīng)用。1醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡的原理和組成3D 影像的基本成像原理在于，觀察者的左眼和右眼由于視差的原因?qū)τ谡鎸?shí)世界中的物體分別會(huì)觀察到不同的圖像，之后圖像信息經(jīng)過(guò)大腦進(jìn)行疊加重生， 會(huì)感覺(jué)到構(gòu)成了一個(gè)具有前后、上下、左右、遠(yuǎn)近等立 體方向效果的影像。醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基本原理與此類似，通過(guò)使 用立體成像技術(shù)，3D 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)能夠產(chǎn)生兩路獨(dú)立的 視頻信號(hào)，這兩路獨(dú)立的視頻信號(hào)之間存在著一定的 視差；采集到的各視頻信號(hào)并不直接向操作者顯示，而 是通過(guò)一定的顯示技術(shù)分別供操作者的左眼和右眼觀 看，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡圖像的 3D 可視化。由醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基本工作原理可以知道， 最基本的

7、醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡包括 3D 視頻信號(hào)的采集系統(tǒng) 和 3D 圖像顯示系統(tǒng)兩大部分。3D 視頻信號(hào)采集系統(tǒng)包括位于內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端的照明 系統(tǒng)、光學(xué)鏡頭系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)。當(dāng)內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端被 放置到人體內(nèi)部需要檢查的部位附件之后，光學(xué)鏡頭 系統(tǒng)借助于內(nèi)窺鏡的照明系統(tǒng)能夠?qū)Ω信d趣的組織部 位進(jìn)行拍攝；圖像傳輸系統(tǒng)通常使用圖像傳感器和圖 像編碼芯片。圖像傳感器一般使用 CCD 等微型圖像捕投稿網(wǎng)址 http:/www.VideoE.cn |電視技術(shù)第 37 卷第 S2 期（總第 421 期） 457T ECHNOLOGY RESEARCH 技術(shù)研究獲裝置，將光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)；視頻編碼信號(hào)能夠把圖

8、像的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、壓縮，從而使得數(shù) 據(jù)能夠高質(zhì)量地傳輸并顯示出來(lái)。在使用醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)時(shí)，例如操作“達(dá)芬奇” 外科手術(shù)機(jī)器人時(shí)，操作者通常坐在遠(yuǎn)離手術(shù)床的圖 像工作站，通過(guò)操作計(jì)算機(jī)上的人機(jī)交互裝置對(duì)機(jī)器 人 進(jìn) 行 控 制 。 其 中 在 操 作 者 處 ，病 人 的 3D 圖 像 通 過(guò) 兩 個(gè) 獨(dú) 立 的 顯 示 器 分 別 顯 示 對(duì) 應(yīng)于左眼和右眼的圖 像1。由于應(yīng)用了 3D 內(nèi)窺鏡的技術(shù)“，達(dá)芬奇”能夠完成 許多傳統(tǒng) 2D 內(nèi)窺鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的更加復(fù)雜的外科手術(shù)。隨著電子與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字成像元件不斷進(jìn)步。特別是近年來(lái)，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)的推 動(dòng)下，高清視頻與立體電視技

9、術(shù)得到的很大的發(fā)展。 這些技術(shù)都對(duì)醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡的進(jìn)步起了極大的推動(dòng) 作用。在 3D 視 頻 的 顯 示 方 面 ，醫(yī) 用 3D 內(nèi) 窺 鏡 系 統(tǒng) 使 用 的 技 術(shù) 與 消 費(fèi) 類 電 子 產(chǎn) 品 所 使 用 的 顯 示 技 術(shù) 基 本相同。3D 視頻的顯示技術(shù)是在直接面對(duì)操作者的終端上 所采用的顯示技術(shù)，其主要類型包括眼鏡式 3D 顯示技 術(shù)和裸眼式 3D 顯示技術(shù)。其中，眼鏡式 3D 顯示技術(shù) 是通過(guò)佩戴眼鏡的方式來(lái)觀看 3D 顯示內(nèi)容的技術(shù)，而 裸眼式 3D 顯示技術(shù)是指不需要佩戴眼鏡或其他類似 工具，而直接通過(guò)眼睛觀察到 3D 顯示內(nèi)容的技術(shù)。眼鏡式 3D 顯示技術(shù)主要包含四種

10、實(shí)現(xiàn)方式：1）分色式：分別用不同的顏色對(duì)左眼圖像和右眼 圖像進(jìn)行顯示，觀看者需佩戴相應(yīng)的補(bǔ)色眼鏡來(lái)進(jìn)行 觀察，獲得 3D 顯示感覺(jué)。2）分光式：也被稱為光偏振式，其原理為是采用 偏振片使得不同偏振方向的光進(jìn)入不同的眼睛，經(jīng)偏 振眼鏡的“檢偏作用”，左眼和右眼分別接收左眼圖像 和右眼圖像，再經(jīng)過(guò)大腦合成，產(chǎn)生立體感。3）分時(shí)式：又可以稱為“主動(dòng)快門(mén)式技術(shù)”，該方 法是將左、右眼的圖像按照幀或場(chǎng)的順序在顯示器上 交替顯示，同時(shí)觀看者佩戴眼鏡，該眼鏡上設(shè)置有快 門(mén)，該快門(mén)受顯式控制設(shè)備中發(fā)出的紅外信號(hào)控制，并 與顯示器中交替顯示的左、右眼圖像相對(duì)應(yīng)，此時(shí)，觀 看者通過(guò)左右眼分別接收到顯示器顯示的左右

11、眼圖 像，再經(jīng)過(guò)大腦合成，可產(chǎn)生立體的顯示感。4）頭盔式：將 3D 顯示的顯示屏幕和眼鏡合二為 一，形成觀察者頭戴 式 的 結(jié) 構(gòu) ，觀 察 者 通 過(guò) 觀 看 頭 盔 式 裝 置 所 攜 帶 的 眼 鏡 上 顯 示 的 不 同 內(nèi) 容 ，產(chǎn) 生 立 體 感 。 這 種 顯 示 方 式 只 用 于 一 人 觀 察 ，但可 以 更 好 地 排 除 外 界 干 擾 ，適 于 精 確 的 交互操作。在裸眼 3D 顯示技術(shù)中，也包含四種 主要的實(shí)現(xiàn)方式：1）光壁障式：也被稱為視差屏障或 視差障柵式，其利用顯示面板間的視差障 壁，在 3D 顯示模式下，應(yīng)該由左眼看到的 圖像顯示在液晶屏上時(shí)，不透明的條紋

12、會(huì) 遮擋右眼；同理，應(yīng)該由右眼看到的圖像23D 視頻的采集與顯示3D 內(nèi)窺鏡已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，其圖像采集的基本用的是一對(duì)相互平行的光路系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生視角存在略微差異的光學(xué)圖像。如圖 1 所示，3D 內(nèi)窺鏡的光路系統(tǒng)2 與 2D 內(nèi)窺鏡 的光路系統(tǒng)基本相同，應(yīng)用的都是英國(guó)物理學(xué)家 Har old Hopkins 所發(fā)明的棒狀透鏡系統(tǒng)3，如圖 2 所示。使 用這樣的棒狀透鏡系統(tǒng)，不僅使得內(nèi)窺鏡的圖像質(zhì)量 大大提高，還使得內(nèi)窺鏡的裝配變得更加容易。早期 的 3D 內(nèi)窺鏡采用棒狀透鏡系統(tǒng)組成的雙光路系統(tǒng)，用 于經(jīng)肛門(mén)的直腸檢查。圖 1 3D 內(nèi)窺鏡的光路系統(tǒng)與 2D 內(nèi)窺鏡的光路系統(tǒng)（專利截圖）圖

13、2 棒狀透鏡系統(tǒng)（專利截圖）458電視技術(shù)第 37 卷第 S2 期（總第 421 期）| 投稿網(wǎng)址 http:/www.VideoE.cn T技術(shù)研究ECHNOLOGY RESEARCH顯示在液晶屏上時(shí)，不透明的條紋會(huì)遮擋左眼，通過(guò)將左眼和右眼的可視畫(huà)面分開(kāi)，使觀者看到 3D 影像。2）透鏡式：也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡 3D 式， 其是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡，使液晶 屏的像平面位于透鏡的焦平面上，這樣在每個(gè)柱透鏡 下面的圖像的像素被分成幾個(gè)子像素，這樣透鏡就能 以不同的方向投射每個(gè)子像素。于是雙眼從不同的角 度觀看顯示屏，就看到不同的子像素，以此來(lái)產(chǎn)生立體 的顯示效果。3）指向光

14、源式：搭配兩組 LED，配合快速反應(yīng)的 LCD 面板和驅(qū)動(dòng)方法，讓 3D 內(nèi)容以排序方式進(jìn)入觀看 者的左右眼互換影像產(chǎn)生視差，進(jìn)而讓人眼感受到 3D 顯示效果。4）多層顯示式：其通過(guò)在一個(gè)顯示器內(nèi)放置兩個(gè) 或更多的顯示面板，這些面板之間存在一定的間隔，并 且利用特定的顯示控制裝置將影像從一個(gè)移動(dòng)到另一 個(gè)顯示面板，使得兩個(gè)面板顯示的是同一幅圖像，但具 有不同的景深，使得觀看者在不使用眼鏡的情況下，觀 看到的文字、圖像及視頻均具有 3D 立體影像的效果。應(yīng)用光學(xué)相干斷層成像術(shù)（OCT）：光學(xué)相干斷層成像術(shù)能夠透過(guò)組織實(shí)現(xiàn)高分辨率的 3D 成像。具有 特定波長(zhǎng)的近紅外光能夠穿透數(shù)毫米的人體組織，從

15、 而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定結(jié)構(gòu)的組織內(nèi)部的成像，例如視網(wǎng)、動(dòng)脈 和皮膚等。對(duì)組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像使得對(duì)青光眼之類 的疾病的早期診斷成為可能。當(dāng)這種成像技術(shù)與醫(yī)用3D 內(nèi)窺鏡技術(shù)結(jié)合之后，就可以實(shí)現(xiàn)更多種疾病的檢 查及早期診斷。熒光標(biāo)記及成像術(shù)：熒光標(biāo)記用的染料能夠附著 或聚集于病變組織處，通過(guò)采用特定波長(zhǎng)的射線照射 激發(fā)染料，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病變組織的精確檢查與診斷。 這種成像技術(shù)與醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)很 多癌癥及腫瘤的早期診斷。設(shè)備的微型化：醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡的成像及顯示系統(tǒng) 目前體積還顯得過(guò)于龐大，隨著電子技術(shù)及微機(jī)械技 術(shù)的發(fā)展，其整體的體積有望進(jìn)一步微型化。當(dāng)成像 系統(tǒng)，以及相應(yīng)的處置結(jié)構(gòu)

16、實(shí)現(xiàn)足夠的微型化之后，醫(yī) 用 3D 內(nèi)窺鏡可以在耳鼻喉、神經(jīng)外科及泌尿外科等領(lǐng) 域得到更廣泛的應(yīng)用。3醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡的發(fā)展方向隨著微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、高清視頻和 3D 視參考文獻(xiàn)：1杜志江. 達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)分析J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2011（4）：14-16.ASAHI OPTICAL Co. Ltd. 立 體 視 內(nèi) 視 鏡 ：日 本 ，JP 特 許 第3718272 號(hào)P.2005-01-01.HOPKINS H H. Optical system having cylindrical rod- like lens es: US 3257902EB/OL.2013- 06

17、- 20. ents/US3257902.頻 等 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ，醫(yī) 用 3D 內(nèi) 窺 鏡 也 將 不 斷 地 向 前 發(fā)展，以最終取代現(xiàn)有的常規(guī) 2D 內(nèi)窺鏡。從醫(yī)用內(nèi)窺鏡 的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡可能會(huì)向以下幾個(gè)方 向發(fā)展。應(yīng)用 LED 照明：在醫(yī)用 3D 內(nèi)窺鏡中使用 LED 照明 可以獲得更好的照明效果，以及更精確地光譜控制特 性。這對(duì)于需要使用熒光對(duì)比劑增強(qiáng)特定組織觀察的 手術(shù)過(guò)程尤其重要。當(dāng)更適于內(nèi)窺鏡使用的 LED 照明 設(shè)備研制出來(lái)之后，現(xiàn)有的將光導(dǎo)纖維與鎢絲燈或氙 燈相結(jié)合的照明方式將被徹底取代。23作者簡(jiǎn)介：薛 林（1981 ），助理研究員，主要從事醫(yī)療器械領(lǐng)域的專利 審查工作。責(zé)任編輯：任健男收稿日期：2013-07-10（上接第 453 頁(yè)）域，盡早對(duì)自己的發(fā)明創(chuàng)造申請(qǐng)專利就顯得更加重要，如果申請(qǐng)的技術(shù)被證實(shí)了其專利性和實(shí)用價(jià)值，將會(huì) 對(duì)一個(gè)公司的發(fā)展有著決定性的影響。希望中國(guó)的發(fā) 明者們?cè)俳釉賲枺谙嚓P(guān)方面也能出現(xiàn)可以向其他國(guó) 家公司收取專利費(fèi)用授權(quán)專利，不用總向別人支付專 利使用費(fèi)。南理工大學(xué)，2012.趙