【医学探索家】论道内窥镜——CCD及CMOS技术探讨

电子摄像技术的引入，无疑突破了医学内窥镜在光学技术下的桎梏，让内窥镜技术跨入飞跃式发展。当然人们对内窥镜影像的追求，也不断进入了更高清，更精细的技术深海，也使得各大厂家争相投入，出现百花齐放的景象。

作为技术亦是设备的发展，无疑离不开其应用需求。小编认为，内窥镜设备在手术领域的应用，是术者对高清影像需要的感官体验，可以用以下五个维度来体现：图像细节、画面亮度、组织色彩、立体感和抗干扰。

作为影像呈现的核心部件，图像传感器是各大品牌研发和宣传的焦点。CCD与CMOS两大方向的比拼，也是大家所关心的话题。

众所周知，CCD与CMOS都是目前普遍应用的电子成像技术，其主要功能是，将物体的光学信息，转化为电信号（模拟信号），最终实现计算机数字编码（数字信号），用于影像的处理与传输。

小编倒是认为，CCD和CMOD这两项技术都在不断完善和进步过程中，在医用内窥镜的比较，应考虑其应用环境。

通常来说，内窥镜设备应用的典型特点是：手持摄像头高度集成而小巧，持续使用时间长，这就需要考虑设备因功耗产生的发热问题。

其实这个话题，应该每一位读者都应该经历过，比如我们时刻使用的智能手机，如果长时间玩游戏，发烫后就容易导致死机。在电脑CPU领域，Intel也一直以低功耗完胜竞争对手AMD。

CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）

优点：传感器设计简单，技术成熟，研发成本低

缺点：高功耗，曝光时间长的时候温升大、噪点相对严重

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补式金属氧化物半导体）

优点：低功耗，长时间曝光温升低、性能稳定

缺点：新型CMOS技术研发成本较高

这是由于CCD和CMOS两者的核心架构不同所引起的。

CCD是光电转化后，存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂而且速度较慢。

而CMOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度也比CCD快很多。

对于这个耗费脑力的问题，简单方法就是上动态图：

看清楚了吧，CCD就是光电转化后挨个排队，进入放大电路进行模数转化，到达数字编码；而CMOS的放大电路集成在芯片中，在芯片内就能完成数字编码。

所以呢，采用CCD的信号系统，需要再配置模拟信号处理电路，通常的方式有两种：摄像头内置，或者主机处理。

（一）模数转换摄像头内置

容易导致摄像头超重和发烫，导致长时间使用后图像的抗噪能力下降。临床使用的体现在于：长时间手术后，医生持镜握持感差，图像噪点随连续使用时间而增加后视觉疲劳。

（二）模数转化在主机中处理

摄像头连接线传输模拟信号，易干扰导致设备抗噪能力差，信噪比基本上只能达到50dB。

概括来说，尽管CCD技术相对成熟，但是模数转化的高功耗，导致CCD摄像系统的信噪比普遍偏低，目前最优秀的水平也就达到60dB，而且持续烤机后，因发热导致抗噪能力持续下降。

CMOS技术功耗更低（同等条件下CMOS功耗是CCD的1/3以下），那么现状如何呢？近几年的CMOS技术快速发展，一改往日成像色彩差成品低端等形象，并逐步从大尺寸传感器（单反相机）领域向下突破，其信噪比也能达到突破性的70dB以上。

因此，在高集成度的内窥镜摄像头中，CMOS芯片级数字编码能力，充分体现了低功耗、不发热，高信噪比的特点，并且在低照度条件下也能呈现凸显图像细节。

简单地说，CMOS技术从摄像系统源头就开始处理数字信号，其稳定性更加突出。具体在手术过程中，医生需要观看的手术图像全程都能保持初始的高清状态，其舒适度大幅提升。

在低照度的弱光环境下，新型CMOS技术的高感光度的表现们还是有目共睹的，可以完全满足内窥镜在各种复杂腔体内的应用，并获得清晰的手术影像。

现在，CMOS在视频领域的应用已经大步迈开，并对CCD迎头赶上。从技术发展的趋势来看，CMOS数字处理能力将进一步获得开拓，在CMOS芯片中集成H.264高清编码器，并对图像的宽动态功能的提升，已经进入实际应用阶段。

最后，小编想要传达给大家的是，无论哪项技术的应用，关键的还是要看技术发展与应用环境的匹配度。无论是CCD还是CMOS，最终还是需要实际应用来检验技术革新后的成果，终端使用者也将根据实际体验来选择自己真正需要的产品和技术。

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