三維腹腔鏡技術(shù)在一體化手術(shù)室中的應(yīng)用

朱 立 周菁楠

三維腹腔鏡技術(shù)在一體化手術(shù)室中的應(yīng)用

朱 立①周菁楠①

腹腔鏡等微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)在腫瘤治療領(lǐng)域飛速發(fā)展，由于原有二維腹腔鏡缺乏空間感知能力已經(jīng)無法滿足目前手術(shù)的需要，三維腹腔鏡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到廣泛發(fā)展。在總結(jié)傳統(tǒng)二維腹腔鏡技術(shù)與三維腹腔鏡技術(shù)區(qū)別的基礎(chǔ)上，對(duì)三維信號(hào)顯示技術(shù)的分類、常見格式進(jìn)行分析。介紹引入三維技術(shù)的一體化手術(shù)室構(gòu)成及信號(hào)格式和信號(hào)轉(zhuǎn)播方法，展望三維腹腔鏡技術(shù)在手術(shù)室中的應(yīng)用前景。

三維技術(shù)；一體化手術(shù)室；腹腔鏡手術(shù)；信號(hào)轉(zhuǎn)播

[First-author’s address]Equipment Department, Zhejiang Tumor Hospital, Hangzhou 310022,China.

自1987年法國(guó)醫(yī)生Mouret首創(chuàng)的腹腔鏡膽囊切除術(shù)(laparoscopic cholecystectomy，LC)以來，隨著微創(chuàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，腹腔鏡已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為了外科領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。然而，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在年度共開展手術(shù)近2萬人次的三等甲級(jí)醫(yī)院中，腔鏡手術(shù)的比例高達(dá)70%，其中胸部腫瘤外科、腹部腫瘤外科、婦瘤科以及頭頸腫瘤外科等科室年手術(shù)量均位于杭州區(qū)域前列。與傳統(tǒng)開放手術(shù)相比較，微創(chuàng)手術(shù)憑借著疼痛輕、術(shù)中術(shù)后出血量少以及微創(chuàng)傷的特點(diǎn)，已經(jīng)被人們所接受[2]。

1 三維一體化手術(shù)室建設(shè)目的

目前，主流的微創(chuàng)手術(shù)仍然停留在二維腔鏡階段，作為標(biāo)準(zhǔn)的腔鏡手術(shù)，其術(shù)野為二維平面圖像，與實(shí)際的三維空間存在著較大的不同，操作者往往需要憑借著個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和熟練的手法來進(jìn)行操作，這對(duì)醫(yī)生提出了很高的要求[3-4]。以浙江省腫瘤醫(yī)院為例，培養(yǎng)一名合格的腔鏡主刀醫(yī)生需要大量的時(shí)間，必須經(jīng)過反復(fù)的理論基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)和腹腔鏡模擬訓(xùn)練、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及手術(shù)演示之后，經(jīng)過考核合格后才能夠成為一名腔鏡醫(yī)生。為了在手術(shù)過程中完整的展示出三維圖像，并且降低由于在有限的空間視野內(nèi)操作造成的失誤，三維腔鏡手術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)二維腔鏡相比較，三維腔鏡對(duì)術(shù)野距離的判斷更加容易，手術(shù)操作更加精準(zhǔn)(具有10倍的圖像放大功能)，并且能夠顯著地縮短學(xué)習(xí)曲線，幾乎適用于所有的外科微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域[5-7]。

醫(yī)院引進(jìn)的2間STORZ一體化手術(shù)室系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)整合、高兼容性以及數(shù)據(jù)方便傳輸?shù)娜筇匦?。不同品牌的設(shè)備能夠被整合在SCB中進(jìn)行統(tǒng)一操作和管理，通過AIDA系統(tǒng)進(jìn)行視頻信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，通過AV系統(tǒng)對(duì)手術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播及遠(yuǎn)程示教，將三維技術(shù)引入一體化手術(shù)室成為了可能。

2 三維影像技術(shù)及三維腔鏡技術(shù)

2.1 三維顯示技術(shù)的分類

利用人眼間距形成“視差”，這是三維影像技術(shù)及三維腔鏡技術(shù)的基礎(chǔ)[8]。三維顯示技術(shù)主要分為眼鏡式三維技術(shù)(成熟)和裸眼式三維技術(shù)。其中，眼鏡式三維技術(shù)又可以分為色差式、偏光式和快門式3種(如圖1所示)。

圖1 三維顯示技術(shù)分類框圖

(1)色差式三維，即波分法(紅藍(lán)分光)。利用三原色互斥的特性，在左右兩張圖像沖印到一張底片時(shí)，可利用色分眼鏡進(jìn)行完美分離。優(yōu)點(diǎn)是眼鏡價(jià)格低廉，對(duì)顯示以及播放設(shè)備無任何要求，任何彩色顯示設(shè)備都可以；缺點(diǎn)是顯示效果差，圖像不能全色顯示，長(zhǎng)時(shí)間觀看會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生有害的影響。

(2)偏光式三維，即光分法。分為線偏振和圓偏振兩種，均利用偏振光不同方向的原理[9]。優(yōu)點(diǎn)是眼鏡價(jià)格低廉，色彩損失小，無閃爍，不會(huì)造成頭暈和眼疲勞；缺點(diǎn)是可視角度小，對(duì)顯示器頻率要求較高(達(dá)到240 Hz)。

(3)快門式三維，即主動(dòng)式。利用時(shí)差來達(dá)到三維顯示效果。優(yōu)點(diǎn)是殘影少，三維效果突出，能保持畫面原始分辨率和亮度；缺點(diǎn)是眼鏡成本高，需要充電。長(zhǎng)時(shí)間觀看易產(chǎn)生疲勞和暈眩，也容易受到外界光影響(易與日光燈頻率互相影響)。

(4)裸眼式三維。利用色彩灰度的不同而使人眼產(chǎn)生視覺上的錯(cuò)覺，從而將二維的屏幕畫面感知為三維圖像[10]。裸眼式三維技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)便是擺脫了眼鏡的束縛，但是分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足。在觀看的時(shí)候，需要和顯示設(shè)備保持一定的位置才能看到三維效果的圖像(三維效果受視角影響較大)，三維畫面和常見的偏光式三維技術(shù)和快門式三維技術(shù)尚有一定的差距，因此多用于民用電視領(lǐng)域。

2.2 三維信號(hào)的常見格式

三維信號(hào)的常見格式主要有水平交錯(cuò)、左右格式、上下格式及棋盤格式4種。

(1)水平交錯(cuò)。該格式是基于三維算法的三維格式，左右圖像各自抽取一半的垂直方向的像素線，然后左右圖像的像素線1條隔1條排列成1幀。這種格式可以直接輸出到偏振三維電視上，不用再做左右圖像像素線的交錯(cuò)排列，而且所有像素都能有效利用，不用做拉伸處理。

(2)左右格式。該格式是基于二維算法的三維信號(hào)格式，與二維設(shè)備兼容。將同步的左右圖像各自在水平方向上壓縮為1/2，高度不變合成為1幀。此種格式在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解碼上和二維的視頻完全相同，可以直接利用現(xiàn)有的解碼軟硬件，目前主流的三維腹腔鏡均采用此種信號(hào)格式。

(3)上下格式。該格式是基于二維算法的三維信號(hào)格式，與二維設(shè)備兼容。將同步的左右圖像各自在垂直方向上壓縮為1/2，寬度不變合成為1幀。此種格式在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解碼上和二維的視頻完全相同，可以直接利用現(xiàn)有的解碼軟硬件，通用性比較好。

(4)棋盤格式。該格式是基于三維算法的三維格式，左右眼圖像被以非常細(xì)小的棋盤格均勻分布顯示在屏幕上，左右眼各占一部分棋盤格，通過眼鏡的過濾，使左眼只能看到左眼圖像的棋盤格，右眼只能看到右眼圖像的棋盤格，最后形成立體圖像。

3 三維一體化手術(shù)室的構(gòu)成

一套完整的三維腹腔鏡系統(tǒng)主要包括1臺(tái)支持三維顯示的高清醫(yī)用級(jí)監(jiān)視器、三維腔鏡主機(jī)、攝像頭、腔鏡鏡頭、冷光源、光纖以及三維眼鏡[11]。為了滿足需要將三維腹腔鏡系統(tǒng)“移植”到一體化手術(shù)室中，從而達(dá)到方便醫(yī)生操作且易于示教的目的。

3.1 SCB系統(tǒng)

在手術(shù)室中醫(yī)療設(shè)備眾多，設(shè)備的集中控制需要SCB通訊系統(tǒng)。通過SCB連接線，SCB通訊系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別已連接的設(shè)備并進(jìn)行連接。用戶可以隨意增加或者減少現(xiàn)有設(shè)備，最多可以利用串行控制總線控制31臺(tái)設(shè)備。設(shè)備包含三維腔鏡系統(tǒng)、光源、氣腹機(jī)、手術(shù)床、電刀、能量平臺(tái)以及超聲刀等設(shè)備。醫(yī)生可以根據(jù)手術(shù)類別選擇需要連接的設(shè)備種類和數(shù)量(如圖2所示)。

圖2 SCB連接示意圖

3.2 信號(hào)連接

腔鏡設(shè)備連接單一顯示器的原理十分簡(jiǎn)單，直接單信號(hào)源通過單線纜鏈接輸出到唯一的顯示終端即可。若實(shí)現(xiàn)單信號(hào)源輸出到多個(gè)顯示終端或者多信號(hào)源要顯示到多個(gè)顯示終端，則需要通過一體化手術(shù)室的控制機(jī)柜，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)格式轉(zhuǎn)換和信號(hào)自由切換[12-13]?？刂茩C(jī)柜信號(hào)整合方式如圖3所示。

圖3 控制機(jī)柜信號(hào)整合示意圖

3.3 常見信號(hào)接口

在一體化手術(shù)室內(nèi)有多種格式的視頻信號(hào)，分別需要通過不同的信號(hào)接口來進(jìn)行傳輸，較為常見的有DVI接口，SDI接口和VGA接口，前兩種信號(hào)屬于高清數(shù)字信號(hào)，VGA信號(hào)屬于標(biāo)清模擬信號(hào)。信號(hào)整合的目的是解決同一系統(tǒng)中的不同信號(hào)切換問題、解決傳輸過程中信號(hào)種類多樣問題以及解決傳輸過程中線纜布設(shè)過多問題。

3.4 信號(hào)轉(zhuǎn)播

為了實(shí)現(xiàn)示教以及遠(yuǎn)程手術(shù)的目的，必然涉及到對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)播，目前主流的轉(zhuǎn)播方法有網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播和光纖轉(zhuǎn)播兩種[14]。以轉(zhuǎn)播三維腔鏡信號(hào)為例，闡述兩種轉(zhuǎn)播方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，且適合多點(diǎn)連接；缺點(diǎn)是信號(hào)容易受到干擾，且存在延時(shí)，一般適用于會(huì)議和非診斷級(jí)的信號(hào)傳輸。三維高清腹腔鏡輸出產(chǎn)生的1080P全高清信號(hào)，由于攜帶的數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)帶寬提出了很高的要求[15-16]。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播可以分為單向傳送和雙向傳送兩種，一般在進(jìn)行轉(zhuǎn)播時(shí)需要單獨(dú)租用特殊頻段的電信網(wǎng)絡(luò)IP，在滿足帶寬的同時(shí)避免產(chǎn)生干擾，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播框圖

(2)光纖轉(zhuǎn)播。光纖轉(zhuǎn)播的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)比較穩(wěn)定，不會(huì)被干擾，不存在延時(shí)；缺點(diǎn)是成本較高，不適合多點(diǎn)連接。光纖轉(zhuǎn)播分為多模光纖傳送和單模光纖傳送兩種模式，其中多模光纖可以實(shí)現(xiàn)5～500 m內(nèi)的無損傳輸，單模光纖可以實(shí)現(xiàn)0.5～30 km內(nèi)的無損傳輸(如圖5所示)。

圖5 光纖轉(zhuǎn)播框圖

4 展望

隨著微創(chuàng)技術(shù)的快速發(fā)展，三維腹腔鏡技術(shù)在手術(shù)、教學(xué)和科研中的應(yīng)用將會(huì)成為醫(yī)院數(shù)字化建設(shè)的新動(dòng)向[17-18]。然而，三維腹腔鏡技術(shù)仍存在以下不足，如需要在一定距離以上佩戴三維眼睛觀看才有效果，顯示器的中心必須與人眼水平，不能長(zhǎng)時(shí)間佩戴三維眼鏡，同時(shí)由于容易受到外來光線的干擾，因此需在全黑或者較暗的環(huán)境下進(jìn)行手術(shù)。

構(gòu)建三維一體化手術(shù)室有助于提高手術(shù)效率，通過還原三維圖像使醫(yī)生進(jìn)行更加精準(zhǔn)的手術(shù)，同時(shí)借助于信號(hào)的集總和轉(zhuǎn)播，能夠起到示教作用，相信三維腹腔鏡技術(shù)在一體化手術(shù)室的應(yīng)用定會(huì)具有較好的前景[19-20]。

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Application of 3D laparoscopic technology in the integration of operation room/

ZHU Li,ZHOU Jing-Nan// China Medical Equipment,2016,13(12):163-165.

Laparoscopic minimally invasive surgery technology is rapidly developing in the tumor treatment field. Due to the lack of space perception of the previous 2 D laparoscopic surgery, it has been unable to meet the current needs, and then 3 D laparoscopic technology emerged and got widely development. This paper summarizes the difference between the 3 D laparoscopic technique and traditional 2 D laparoscopic technology, and then analyzes the classification of 3 D signal display technology and common format. At the same time, this paper introduces the integration operating room structure with 3 d technology, signal format, and signal transmitting method. Finally, this paper prospected the application foreground for 3 D laparoscopic technology in the operating room.

3D technology; Integrated operation room; Laparoscopic surgery; Signal transmitting

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.12.047

1672-8270(2016)12-0163-03

R197.39

A

2016-07-14

①浙江省腫瘤醫(yī)院設(shè)備科 浙江 杭州 310022

朱立，男，(1990- )，本科學(xué)歷，助理工程師。浙江省腫瘤醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備研究和維修工作。