3D腹腔鏡的研究進展

房學東

提到三維(3D)，人們往往第一聯(lián)想到的都是3D立體電影，這種新式的立體感給人一種身臨其境的感覺，那么在醫(yī)療技術日益更新的現(xiàn)在，3D系統(tǒng)能否應用在手術上呢，答案是顯而易見的，不但可以應用在手術上，還可以使術者對手術的空間及定位感更加準確。由于在二維(2D)成像系統(tǒng)缺乏足夠的深度感已經(jīng)限制了腹腔鏡的發(fā)展，尤其手術中腹腔鏡的移動、解剖結構的大小、陰影及紋理的改變等間接的影響了術者對深度感、空間定位以及準確度的判斷，所以腹腔鏡手術逐漸走入3D世界是勢在必行的。

一、3D腹腔鏡的發(fā)展史

邁入21世紀，外科發(fā)展主要的方向是細致微創(chuàng)，從久遠的開刀手術到只需在患者身上開幾個“小洞”，把腹腔鏡設備伸到患者體腔內，通過傳輸?shù)奖O(jiān)視器中的圖像，操作腹腔鏡器械來完成手術。然而，2D的高清平面顯示，不能夠滿足術者對解剖的要求，對已經(jīng)熟練運用2D技術進行外科手術的中國醫(yī)生而言，通過3D高清腹腔鏡系統(tǒng)，將踏入一個完全還原肉眼感受的立體手術時代。早在1980年，GF.Buess教授就指出，立體視覺在微創(chuàng)手術中的重要性。他開發(fā)了一種雙通道光學系統(tǒng)用于他的經(jīng)肛門內鏡微創(chuàng)手術(TEM)中。此外，用于眼科、神經(jīng)外科、耳鼻喉科(ENT)的手術顯微鏡提供了一個雙目視圖。嘗試通過顯微鏡使用相機和監(jiān)控系統(tǒng)失敗的原因在于外科醫(yī)生喜歡視覺提供的良好空間印象和直觀視圖。與此同時，幾個實驗已經(jīng)研究了在外科醫(yī)生的工作中使用各種3D系統(tǒng)的效果。因為這些早期的原型涉及一些技術缺陷，有圖像質量的損失。Muller-Richter等人得出結論，已發(fā)表的研究只有一半顯示了使用3 D的真正優(yōu)勢。然而，最新的技術發(fā)展保證了高定義3D可視化可提供與目前2 D系統(tǒng)相同的質量。然而，2D的高清平面顯示，不能夠滿足術者對解剖的要求，對已經(jīng)熟練運用2D技術進行外科手術的中國醫(yī)生而言，通過3D高清腹腔鏡系統(tǒng)，將踏入一個完全還原肉眼感受的立體手術時代。

二、3D腹腔鏡原理

腹腔鏡手術包括：導光束，攝像頭，主機，光源，氣腹機以及監(jiān)視器。3D腹腔鏡的原理：3D腹腔鏡是模仿人體左眼和右眼而采用的雙CCD攝像技術。兩組CCD采集光學信號轉化成數(shù)字信號，左CCD晶片與右CCD晶片如人體的左眼和右眼，兩組圖像組成在一起而產(chǎn)生3D效果。攝像頭將兩組數(shù)字信號傳輸至3D攝像主機。3D主機將處理過的手術視頻信號傳輸至并顯示在3D監(jiān)視器上。通過在屏幕上加放偏光板，可以向觀看者輸送偏振方向不同的畫面，當畫面經(jīng)過偏振眼鏡時，由于偏振式眼鏡的每個鏡片只能接受一個偏振方向的畫面，這樣人的左右眼就能接收兩組畫面，再經(jīng)過大腦立體合成立體影像。

3D高清可視化監(jiān)控顯示兩個獨立的影像，一個用于左眼，一個用于右眼，并通過特殊的過濾器眼鏡傳給相應的眼睛[1]。3D高清系統(tǒng)通過波長分離這兩種圖像。在這里，每種圖像由三原色紅色、綠色和藍色的部分光譜組成。用于左眼圖像的部分光譜是不同于右眼圖像的，并且是借助干涉濾光片生成的。通過這些方式，圖像被編碼，并且可以通過眼鏡分配到相應的眼睛。新攝像系統(tǒng)有反光板在觀測儀中間，用來選擇性的使光路改變。用這個反光板，左右眼成的像都可以被捕捉。這些像被傳送到3D監(jiān)測儀中的格式變換器和圖像加工控制器(可以使得兩個像在30HZ的頻數(shù)下分開)。每個像都傳送到監(jiān)測儀上或者投影到屏幕上(用特殊投影儀進行偏振處理)。參與者可以通過偏振鏡片看到3D像，這種鏡片并沒有比正常鏡片重。

三、3D腹腔鏡的優(yōu)勢

3D腹腔鏡手術為術者還原了一個真實視覺中的三維立體手術視野，相當于術者及助手進入患者體內進行操作，可以在各種臟器之間查找有病變的部位，再進行精確的切除及重建。當手術中需要縫合打結的時候，往往需要準確的判斷縫合位置的深淺，此時3D呈現(xiàn)的立體影像對術者而言具有十分大的幫助，可以很清晰的分辨空間臟器的深度感及立體感。真實3D效果極大提高了復雜手術操作的精度、同時縮短了簡單手術操作的時間?？赡茉谀壳斑M行的大多數(shù)手術中，3D高清技術使在不導致?lián)p傷的基礎上加快工作速度成為可能。然而，在復雜手術操作中，3D高清技術增加了患者的安全性。隨著使用3D高清技術進行常規(guī)開腹的復雜手術的嘗試不斷增加，這一結果至少將增加二者的相關性。新的3D攝影系統(tǒng)通過更靈敏的對深度的感覺和很少的眩暈增加了腹腔鏡檢查的準確性。作者希望3D腹腔鏡檢查系統(tǒng)能提供更好的深度感覺和準確性。腹腔鏡手術的引入對胃腸外科患者帶來了新的理念及利益，同時，不可否認的是對胃腸外科手術產(chǎn)生了深遠的影響。常規(guī)的2D腹腔鏡已經(jīng)受限于缺乏深度感和空間定位。這一缺點可能會影響手術效果、手術時間或并發(fā)癥的發(fā)生。深度感、空間分辨率和精確度可通過三維(3D)視覺得到改善。特別是在復雜的任務中，如內縫合和精確解剖等需要高超的技藝以及深度感。為了補償這一缺憾，二維成像技術使用類似運動視差、相對位置、解剖結構大小、明暗的陰影、組織學分級等，積累腹腔鏡手術的經(jīng)驗能夠提高單眼的提示[2-3]?？梢约僭O這些適應能夠說明與2D成像相關的高級視覺中樞再校準的解讀與永久輸入所造成的精神疲勞和緊張的原因。3D視覺提供了增加的深度感和精確度的優(yōu)勢，并分別輸入兩個獨立的圖像使之在皮層水平達到神經(jīng)總和。

以往比較2D和3D成像的研究，由于受限于當時所用的技術，許多研究均表明其性能上沒有差異。偏光眼鏡為每只眼睛提供獨立的影像，左右眼分別從攝像機上獲取獨立的影像，每個圖像都是真正的全高清分辨。Falk and associates顯示，與KARL STORZ內窺鏡攝像系統(tǒng)相似的da Vinci機器人的三維系統(tǒng)，使用能夠增加峰值速度、加速性能并降低減速率的運動分析來縮短性能時間。與2D視覺相比，使用3D視覺能夠使操作者達到更精確的調整。3D成像系統(tǒng)最突出優(yōu)勢在于深度覺和空間方位。而使用3D的術者均表示其具有更好的空間分辨率和深度感的主觀印象支持了這一假設。這樣的優(yōu)勢在實際條件下可能更為真實，如內縫合或困難的剝離等復雜而詳細的技能，盡管這是一個主觀的判斷，但所有使用3D系統(tǒng)的專家仍表示，3D系統(tǒng)可以減少傳統(tǒng)2D系統(tǒng)所產(chǎn)生的精神疲勞和緊張，因此更為舒適。

綜上所述，“在腹腔鏡3D出現(xiàn)之前，外科手術診療經(jīng)歷了傳統(tǒng)的開放式手術以及目前常見的2D腹腔鏡微創(chuàng)手術[4-5]。而3D系統(tǒng)結合了兩者的優(yōu)勢：首先能夠呈現(xiàn)傳統(tǒng)手術的立體感、層次感；其次可減少對患者的生理創(chuàng)傷，使手術更精準、更安全”。3D成像系統(tǒng)能夠改善腹腔鏡操作中的空間定位和深度感，尤其對于專業(yè)的腹腔鏡外科醫(yī)生。相信在未來的幾年當中，腹腔鏡手術將進入3D時代。這項技術綜合了光學、影像醫(yī)療科技，能完整地呈現(xiàn)手術視野的空間立體感，從而節(jié)約手術時間，提高手術效果，或將成為手術發(fā)展的一次革新。

[1] Parker AJ.Binocular depth perception and the cerebral cortex.Nat Rev Neurosci，2007，8：379-391.

[2] Falk V，Mintz D，Gru¨ nenfelder J，et al.Influence of threedimensional vision on surgical telemanipulator performance.Surg Endosc，2001，15：1282-1288.

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[4] 朱甲明，房學東，劉選文，等.微創(chuàng)外科在胃癌診斷及治療中的進展.腹腔鏡外科雜志，2012，9：647-650.

[5] 王錫山.3D腹腔鏡技術在微創(chuàng)外科中的現(xiàn)狀與思考.中華結直腸疾病電子雜志，2014,3(3)：177-179.