Эндовидеокамера – критически важный инструмент современной минимально-инвазивной/эндоскопической хирургии. Она делает работу комфортной и освобождает место для манипуляций в операционном поле. Камера помогает контролировать ход операции нескольким специалистам, а также документировать ее ход для последующего анализа, демонстрации коллегам и, если это необходимо, пациентам и компетентным органам.
|
|
Эндоскопическая видеокамера |
|---|
Эндоскопические видеокамеры различаются по таким параметрам как разрешение, глубина цвета, возможность записи, и так далее. Но разберем мы два основополагающих и неочевидных параметра: типы видеосенсоров (чипов) и их количество.
Ясно, что чем выше разрешение в видеокамере и больше глубина цвета, тем лучше, адекватнее отображаемая на мониторе картинка. Однако с типом и количеством сенсоров не все так очевидно.
Тип видеосенсора (матрицы, чипа)
CCD камера
Основой таких камер является ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью, ПЗС; англ. charge-coupled device, CCD).
При съемке фотоны отраженные от изображения через микролинзу попадают в фильтр Байера (в одночиповых камерах). Он в свою очередь, отсекает часть спектра для каждого субпикселя: красного, зеленого и синего. И уже потом попадают в полупроводниковый светочувствительный материал. Каждый субпиксель отвечает только за свою часть спектра.
При поглощении фотон образует электронно-дырочную пару, которая затем разделяется под действием внешнего электрического поля, а электрон отправляется в потенциальную яму, где ожидает чтения. В CCD матрицах чтение происходит поячеечно. Определяется количество электронов в первом субпикселе. После этого специальный контроллер передвигает на одну все ячейки влево, чтобы читать следующую. Другой контроллер выполняет такие же операции по вертикали. После считывания цветовой информация каждого субпикселя информация оцифровывается процессором камеры, для формирования конечного изображения. Описание процесса занимает больше времени, чем работа сенсора: так, на обработку 5 миллионов пикселей уходят доли секунды.
Преимущества этого типа камер – низкий уровень начальных шумовых помех, высокий динамический диапазон и отсутствие эффекта «холодца» при резких движениях.
CMOS/MOS камера
Здесь используется светочувствительная матрица, которая выполнена на основе КМОП-технологии (комплементарная метал-оксид-полупроводниковая структура, англ. Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS/MOS).
Фотоны так же проходят через линзу и фильтр Байера (в одночиповых камерах), но CMOS технология сразу преобразует накопленный фотодиодом заряд в значение напряжения, то есть оцифровывает непосредственно в самом пикселе. Это дает прямой доступ к содержимому произвольного пикселя. Скорость оцифровки у такой матрицы выше, в отличии от CCD, где это происходит только после считывания полного кадра.
Преимуществами MOS/CMOS камер являются высокая частота кадров, лучшая цветопередача и низкое энергопотребление, они не боятся точечного света.
Итак, CCD камера производит оцифровку изображения после считывания всей информации кадра, это замедляет работу устройства, MOS или CMOS камера производит эти операции сразу.
Спор о том, какая технология лучше ведется много лет и, можно сказать, что оба типа сенсоров имеют и своих сторонников и своих противников, как в среде эндоскопических хирургов, так и среди, например, профессиональных фотографов.
Попробуйте ниже определить сами, какое фото сделано с помощью камеры с CCD сенсором, а какое с CMOS?
|
|
|
|---|
Количество видеосенсоров
Одночиповая камера (One Sensor Video camera)
Основным элементом таких камер является специализированная аналоговая/цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, на основе кремния, использующая уже описанные выше ПЗС - либо КМОП-технологию.
|
|
Оптическая схема одночиповой камеры |
|---|
Такая камера содержит в своем составе одну светочувствительную микросхему(чип/кристалл/сенсор) на которую через систему линз попадает свет, отраженный от объекта, а для получения цветового сигнала пиксели (точки) на кристалле перекрыты светофильтрами красного, зеленого и синего цвета (Фильтр Байера), таким образом, что одну цветную точку, на мониторе, путем вычислений, формируют четыре рядом расположенные цветные точки на кристалле (красная, две зеленых и синяя).
Трехчиповая камера (Three Sensors Video camera)
Еще до попадания в сенсор, цветовая призма со специальным покрытием разделяет спектр изображения на три цветовых канала: красный, зеленый и синий. Таким образом, каждому из трех MOS/CMOS/CCD сенсоров соответствует один цвет. Трехчиповая схема эндоскопической видеокамеры позволяет отдельно обрабатывать каждый канал, сфокусировав потенциал одной матрицы для обработки только одного цветового канала, а уже потом объединять их в готовое изображение.
Таким образом три точки (пикселя), расположенных на трех разных чипах формируют изображение одного пикселя на мониторе. Это минимум в три раза увеличивает качество передачи цветовых оттенков в сравнении с одночиповой схемой.
|
|
Оптическая схема трехчиповой камеры |
|---|
Достоинства этого типа камер – высокое качество изображения и улучшенная цветопередача, что особенно важно при сложных эндоскопических операциях в условиях дымообразования, кровотечения и при нечетких границах между тканями.
Каждая эндоскопическая видеокамера имеет свои особенности, начиная от качества цветопередачи и заканчивая ценой. Выбор видеокамеры напрямую зависит от поставленных задач и требований специалиста к параметрам изображения. Понимая значение и различия этих параметров, подобрать видеокамеру соответствующую условиям будет значительно проще.
