一、前言

    随着光电技术、微电子、微计算机及固体摄像器件的发展，固体摄像机的功耗越来越低，集成度越来越高，因而体积与重量越来越小，所以电视监控系统在医学中的应用越来越广泛，且种类繁多。下面简介一下医用电视监控系统的基本原理、作用，并举出几种典型应用，供大家开发医用电视监控的参考。

二、医用电视监控的作用

    医用电视监控的主要作用是将医疗仪器的光学图像转变为电视图像。与光学图像比较，电视图像的优点是：

(1)容易远距离观察与控制；

(2)可以用电子学的手段对图像进行处理以获取重要的特征信息并进行定量分析，为诊断提供数量依据；

(3)用于教学观摩便于多人同时观察而不干扰现场；

(4)可以记录以便永久保存和交流。因此，医用电视监控已经成为现代医学的必不可少的手段之一。

    医用电视监控与其它应用电视监控的主要区别是：

(1)光学系统主要是各种医用光学仪器和设备，如显微镜、内窥镜、X光机等；

(2)需要配置摄像光学接口；

(3)摄像机要适应医用光学系统的光谱特性，而且要求灵敏度高，分辨率高，体积小，重量轻

三、医用电视监控系统的基本原理

    医用电视监控是将医用光学图像转换为视频图像，实时进行屏幕放大、连续动态显示及记录的系统，除用电视镜头直接摄取医学图像的医用电视外，都需要简易或专门的摄像光学接口装置，以把医用光学系统物镜放大或缩小的像再次进行适当的缩放，投射到摄像器件感光面（固体图像传感器）上。摄像机按其工作原理对此光学图像进行光电转换和处理，输出视频图像信号，监视器显示图像。

    医用电视监控系统的原理框图示于图1。用于热图像诊断的中远红外热释电电视和用于放射线图像诊断的X光电视，可参见专门论述。本节主要介绍以与医用光学仪器相结合的医用电视监控为主要内容。

    医用光学仪器是助视仪器，都设有观察口，大多还设有照相口和（或）示教口，一般不带摄像光学接口装置，需要专门设计配置。为了进行光路适配需加转接镜，转接镜可用现行规格的目镜或物镜，转接倍数不合适时，可由目镜或物镜与缩小镜组合。调整转接镜前后位置可以改变感光面上实像的大小。

    使用电视摄像镜头时，用不着转接镜，直接与摄像机连接。

四、医用电视监控系统的几种典型应用

1、生物显微镜电视监控系统

    生物显微镜电视监控系统可以分成两种：一种是以一般染色方法染色的微生物、细胞、组织的标本作为主要观察对象的，称作一般生物显微镜电视监控系统；另一种是用于偏光、暗场、荧光及相衬显微的，称作特种生物显微镜电视监控系统。

    这种电视监控系统用于观察标本和活体组织的透射图像，大多采用彩色电视摄像机，光源为12V，100W卤素灯。采用柯勒照明器，保证视场亮度均匀。采用平场消色差或平场复消色差物镜，平场补偿目镜及消色差聚光镜，消除像差，提高像质。

    医用彩色显微测量电视监控系统是具有测量功能的的彩色显微镜电视，由一般生物显微镜、彩色摄像机、彩色监视器、测量装置组成。摄像光学接口是专门设计的、由摄像目镜（4×）、旋转棱镜、反射镜构成。光学放大的图像、经旋转棱镜（用于图像旋转）、反射镜、投射到摄像机的感光面上。旋转棱镜可使光学图像顺时针或逆时针方向旋转3600，用于图像定向，便于测量。反射镜使光学图像转为水平方向行进。该机可以观测3μm微细血管彩色图像。

（1）暗场显微镜电视监控系统

    这种电视监控系统用于观察暗背景下微粒的光衍射斑。大于0.3μm的亚超粒子，可看到其形态和大小；小于0.1μm的超微粒，可看到其存在和位置，用以判断原生质和某些病毒如钩端螺旋体病毒的存在。

（2）荧光显微镜电视监控系统

    这种电视系统用于观察紫外、紫蓝光激发的物体自身荧光和色素荧光染色的继发荧光的图像，应用于微生物、组织抗原的临床诊断。荧光是彩色可见光，荧光与背景的反差很大，比普通显微镜大一百倍，但亮度不高。荧光消退，磷光持续较久。光源只用于激发荧光。

    采用彩色摄像机，无荧光消色差高倍物镜、暗场透射照明器或明场落射照明器。紫外线截止滤色片对于目视观察和彩色摄像都是必需的。

（3）相衬显微镜电视监控系统

    这种电视系统用于观察在透明背景下透明活生物体（如培养皿中的细菌）的图像。相衬显微镜利用生物体和背景的直射和衍射的相位差，形成它们的反差。只要物体各部份有0.001μm的光程差，就能反映出来，应用于血液、组织、微生物、寄生物诸学科研究。

（4）偏光显微镜电视监控系统

    这种电视监控系统用于观察活体、非活体的偏振光图像，应用于通过齿、头发、指甲、卵巢、活细胞等结晶内含物，神经纤维和动物肌肉的结构细节，进行复性过程的研究，还可区分正常细胞和肿瘤细胞。

    采用黑白摄像机，使用偏光物镜、偏光目镜、明场透射照明器。

2、手术显微镜电视监控系统

    显微手术电视监控系统用于各科显微手术的示教和研究。

    手术显微镜与电视系统有关的主要特点为：观察放大倍数小，MOE=4~40×，其中4~10×用于初查，10~16×用于手术，16~40×用于术后细查；视场大，DEO =15~40mm；各路一致的立体像；照明适中，不得过强、过热，EO=5000~10,000lx左右。

    基于上述特点，对于单一的二维电视而言，不能实现立体像，但是照度能满足要求，色重现基本能实现。唯一的困难是在观察倍数低、视场大的场合，特别是在初查时，现行制式电视无法满足电视与目视具有同样的视场和分辨力的要求，，只有适当提高观察倍数，缩小观察视场；提高摄像倍数，降低视场比，才能解决视场和分辨力的矛盾。总之，显微手术电视监控系统要选用高分辨力彩色摄像机和监视器。

    摄像接口装置是长度可调、内无杂散光的连接筒，用摄像目镜取代示教镜。

3、眼底电视监控系统

    眼底是指人眼后部包括黄斑、视神经乳头、视网膜动静脉在内的小区，它是诊断眼病和早期诊断多种疾病的重要依据，是微循环研究的重要对象。由于视频图像信号的特点，眼底电视系统得到了发展，在图像的实时性、连续性、动态化以及二次加工应用等方面，都是眼底照相机所不具备的，因而可以获得更加丰富的眼底信息。

    眼底电视系统分为一般眼底电视摄像（或称为眼底电视摄像）和眼底荧光电视摄像，前者摄取白光照明眼底而反射的图像，后者摄取外部注射的荧光素钠在眼底动静脉内发生的荧光图像。

（1）一般眼底电视监控系统

    这种电视监控系统主要用于诊断眼疾，还用于糖尿病、高血压症、肾病等疾病的早期诊断及其教学示教与资料保存。采用彩色摄像机，用100W以上的卤素灯照明眼底，一般须散瞳（人在完全放松状态下，瞳孔直径扩大到7mm。散瞳后，可达到8mm）。CCD固体黑白摄像机因其光谱响应波长延伸到1.1μm 近红外区，而被用作暗室使用的红外眼底电视。人眼瞳孔在暗室会自然扩大到8mm，故无须散瞳。这种摄像机还被用于视力仪中。

（2）眼底荧光电视监控系统

    这种电视用于实时连续显示和记录变化迅速的眼底彩色荧光图像。从肘静脉注射荧光素钠后，经血液循环首先在眼底动脉中出现，随后进入毛细血管。同时，微静脉出现荧光并迅速扩展到静脉血管。其间，眼底发生荧光的过程只有五、六秒钟，此后二十分钟是荧光减弱消退过程。

    显然，电视对显示和记录眼底荧光在最初阶段的激烈变化是非常方便的，可以判断血管破裂、渗漏、可以诊断一般难以发现的眼底微血管瘤、视网膜炎、视神经乳头炎、中央静脉阻塞等。

4、微循环电视监控系统

    微循环（显微镜）电视监控系统是对人体甲擘、球睫膜、耳垂等部位以及实验动物甲囊、肠系膜等部位的微细血管进行图像放大、显示、记录的装置。观测人指甲擘的微循环电视监控系统已大量用于门诊。

    一般采用彩色摄像机，唯有对于甲擘因其反差太小，只能用在10×以下的物镜的场合。此时，因其视场较大，使得甲擘绊子较多、图像很小，观测颇感吃力。用于人体如甲擘，须用长工作距离物镜。

    因为人的红血球吸收主谱线（415，515，575nm）与75W汞灯的发光主谱线（430，540，570nm）相近，所以用220V的75W汞灯作主光源。

    微循环诊断与研究已不满足于直观分析，还促使发展了微循环测量电视。用于甲擘高倍率测量，还是用高灵敏度、高分辨力的黑白摄像机为好（如采用最小照度为0.01 lx，水平清晰度为600线的）。采用长窗口采样、区域数字化技术和相关测量方法而开发的微循环测量电视系统，可自动测量10~150μm的微血管直径，和2mm / S以内的血流速度及血液流量，并将各种分析结果打印或描迹输出。

5、无影灯手术电视监控系统

    无影灯手术电视监控系统主要用于手术示教和重放教学。采用彩色摄像机和变焦镜头，通常采用6×变焦镜头，例如焦距变化范围为12.5~75mm。由12孔无影灯照明手术区，灯距离手术台面900~1000mm时，台面照度高达30,000~70,000lx。照明面直径100~200mm可调。2/ 3英寸彩色摄像机（现多用1/2英寸的CCD摄像机）摄取的手术面直径为DCL/fo=146~188mm，式中DC=11mm 1000m，fo=12.5~75mm。

    摄像机安装方式有灯载式、架载式、移动式（立柱式和车载式）、头盔式等，它们的主要优缺点是，灯载式的摄像机与无影灯装成一体，便于调准，但灯重增加且易受遮挡；架载式与移动式安装方便，位置均可移动，既可观察手术部位又可观察手术全景，但不易对准，易受遮挡；头盔式摄像机装于手术操作者头上，不易受遮挡，但随头部动，图像晃动。

    医院采用最多的是灯载式。把12孔无影灯中央的风扇拆下，将其出风口扩大，用支架装上摄像机，重心居中，便于平衡。在灯内两侧各装一个风扇，以冷却灯和摄像机。镜头上加装密封防潮玻璃罩，以适应手术室消毒液蒸发渗入。由于灯加重了，须将制动机构拧紧。为减轻灯的负重，应选用轻型摄像机，使其与镜头（重1kg左右）合计重量在1.5kg左右为好。

    监视器除手术室监视用的放在手术现场外，其它均放在远离现场的控制室、教室、办公室、会议室等地。

    近几年来发展了多机系统、多用途系统和多功能系统。小系统用模拟方式控制，大系统用计算机控制。其组成除视频系统外，还扩充了音频系统如通话对讲，解说收听，录放重播等。控制方式由一多控制向多一控制、矩阵式控制发展。视频系统扩充了汉字、时间、日期显示和多画面、动静画面显示。

6、内窥镜电视监控系统

    医用内窥镜是伸入人体内部腔囊式器官诸如喉、支气管、食道、胃肠、腹腔、子宫以及心血管等内部，观察其组织和病灶，进行诊断、治疗的光学仪器。

（1）纤维内窥镜电视监控系统

    纤维内窥镜种类繁多，已成为呼吸道、消化道及其它器官的普及仪器，许多加装了电视摄像机。

    纤维内窥镜用纤维束把物镜的像传送给目镜，并用纤维束导光实现外照明。为提高透光率和分辨力，传像纤维束排列成六角形蜂窝状，截面呈方形。

    纤维内窥镜电视是将彩色摄像机通过摄像接口接在观察口或示教口，摄取内窥镜图象，并以视频信号形式用电缆送给监视器显示。

    若摄像目镜为3×，传像束截面为2.2×2.2mm，则在摄像机感光面上的象大小为6.6×6.6mm，用于感光面为6.4×4.8mm2的1/2英寸摄像机是合适的，用于感光面为8.8×6.6mm的2/3英寸摄像机嫌欠缺些，左右两侧各有1.1mm的空白。若移动摄像目镜使像的尺寸扩大为8.8×8.8mm，便可覆盖2/3英寸摄像机感光面了。

    现多用1/2英寸CCD固体彩色摄像机，其摄像头外型尺寸为φ17×48mm，重量只有20g，水平分辨力至少为380线以上，窥镜光源能满足摄像照度要求。

（2）电子内窥镜电视监控系统

电子内窥镜又称电子内镜，主要由内窥镜、视频处理器（二者相当于分离型微型摄像机）、监视器（相当于电子目镜）三部分组成。此外，还有录像机、照相机等记录装置。

电子内窥镜彩色成像方法有两种：

① 同时制

    同时制与现在单片式（固体）或过去单管式彩色摄像机的色成像方法一样，用附加在摄像器件感光面前面的条纹滤色片把彩色光学图像进行编码的方法，将受滤色片调制的彩色光学图像传递给CCD感光面。它只需要白光照明，因此照明系统简单。但是，条纹滤色片使色信息有所损失。

    内窥镜输出的彩色视频信号经过色分离电路分离出R、G、B视频信号，再经过A/D变换，将其数字信号分别同时存入R、G、B三个存贮器。然后，同时取出并经D/A变换，输出R、G、B三路模拟视频信号，送给监视器显示，或送给录像机（VTR）、视频磁盘（VD）记录。

② 面顺序制

    用R、G、B三基色滤色片转盘把白光分解为三基色光，并顺序地进行照明的方法，把分解的R、G、B三种颜色的光学图像顺序地投射到CCD摄像器件的感光面上。它需要白光的分解和周期性的顺序变换，因此照明系统复杂。但是，R、G、B光学图像全部作用在感光面上，不会使色信息丢失。

    内窥镜顺序输出的R、G、B视频信号依次经过A/D变换，将其数字信号顺序地分别存入相应的存贮器。然后，同时取出并经D/A变换，输出R、G、B三路模拟视频信号，送给监视器显示，或送给VTR、VD记录。

两种制式均可编码合成一路彩色全电视信号输出，也可直接输出数字信号，用于计算机图像处理。

    目前电子内窥镜有用于上消化道、结肠、十二指肠等品种。近来主要厂家都给电视摄像机与纤维内窥镜（目镜口或示教口）之间配置了电视连接器，把二者连接起来成为纤维内窥镜电视系统。韦尔奇一阿林公司又开发了激光结肠电子内窥镜。

五、结束语

    由上看出，电视监控技术在医学上的应用已相当广泛，还有牙科也应用很多，这里就不一一细说了。随着光电技术及固体图像传感器的发展，尤其CMOS摄像机的低成本、低功耗、高集成与小型化等方面比CCD摄像机更具优势。如以设计和制造半导体存贮器件闻名的美光公司曾设计“药丸式摄像机”，并成功地将一个超低功耗的微型CMOS图像传感器放在一个特制的药丸内，病人服下此药丸后可让医生清楚地看到胃里的情况，从而更好地实现治疗。此外，心脏外科医生还可以在患者胸部安装一个这种CMOS的小“硅眼”，以在手术后的关键时刻监视手术效果。因此可以预料，CMOS影像传感技术在医学领域将有很好的发展空间。相信不久，电视监控技术在医学领域的应用会更加广泛。