三維立體(3D)腹腔鏡的研究與應(yīng)用進(jìn)展

嵇 武

(南京軍區(qū)南京總醫(yī)院全軍普通外科研究所，南京 210002)

·專題論壇·

三維立體(3D)腹腔鏡的研究與應(yīng)用進(jìn)展

嵇 武*

(南京軍區(qū)南京總醫(yī)院全軍普通外科研究所，南京 210002)

高難度、復(fù)雜的腹腔鏡手術(shù)除對手術(shù)醫(yī)生的技術(shù)水平要求提高之外，對腹腔鏡手術(shù)的設(shè)備和器械也提出新的需要。三維立體(3D)腹腔鏡克服傳統(tǒng)腹腔鏡顯示圖像景深感缺失的不足，最大限度地還原腹腔鏡下的真實(shí)視野，為腹腔鏡技術(shù)的發(fā)展與提高提供很大的方便。前期的實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用研究證實(shí)3D腹腔鏡具有縮短腹腔鏡手術(shù)時(shí)間、降低腹腔鏡操作難度等諸多優(yōu)勢。相信今后3D腹腔鏡將不斷普及，并有可能成為新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

腹腔鏡； 三維立體； 手術(shù)機(jī)器人

隨著腹腔鏡技術(shù)的不斷普及，腹腔鏡手術(shù)的適應(yīng)證范圍也在不斷拓展，高難度、復(fù)雜的腹腔鏡手術(shù)成功開展標(biāo)志著腹腔鏡技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到一個(gè)新的高度。與此同時(shí)，對腹腔鏡手術(shù)醫(yī)生的技術(shù)要求也相應(yīng)提高，如鏡下縫合、打結(jié)、吻合技術(shù)，鏡下腫瘤切除與淋巴結(jié)清掃范圍判定等，而所有這些也對腹腔鏡手術(shù)的設(shè)備和器械提出新的要求。在圖像顯示技術(shù)方面，高清(high digital，HD)技術(shù)已普遍應(yīng)用，HD提供的高分辨率、放大的圖像有助于復(fù)雜手術(shù)的開展。近年來興起的三維立體(three dimension，3D)顯像技術(shù)在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，能提供實(shí)時(shí)、放大、立體的圖像，將手術(shù)圖像顯示技術(shù)推到一個(gè)新的高度，前期的實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用研究證實(shí)3D腹腔鏡的諸多優(yōu)勢[1]，引起廣泛關(guān)注。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)介紹3D腹腔鏡的原理及發(fā)展?fàn)顩r，闡述其臨床應(yīng)用的優(yōu)勢及局限，旨在推動(dòng)該項(xiàng)新興技術(shù)在臨床的普及應(yīng)用。

1 2D顯像的不足

目前，常規(guī)腹腔鏡所采用的是平面二維(two dimension，2D)圖像顯示，型號較新的腹腔鏡結(jié)合HD技術(shù)，圖像分辨率可達(dá)到1920×1080像素，圖像清晰度高，并可在一定范圍內(nèi)按比例放大，基本滿足常規(guī)手術(shù)的需要。2D顯像技術(shù)最大的不足在于顯示圖像景深感(spatial depth)的缺失，導(dǎo)致術(shù)者在手術(shù)過程中對一些重要的解剖結(jié)構(gòu)及其相對的位置等產(chǎn)生視覺上的誤判，從而對手術(shù)產(chǎn)生一些不利的影響：①輕者影響到手術(shù)的流暢性和進(jìn)度，延長手術(shù)時(shí)間；②重者可引起意外出血，以及神經(jīng)和臟器損傷等嚴(yán)重的后果；③在腫瘤根治手術(shù)時(shí)，有可能導(dǎo)致淋巴結(jié)清掃不徹底；④增加腹腔鏡下消化道重建手術(shù)的難度。雖然熟練的腹腔鏡手術(shù)醫(yī)生可以根據(jù)鏡頭的移動(dòng)方向和進(jìn)度、熟悉的解剖標(biāo)志、器官間的相互位置，以及一些固定結(jié)構(gòu)的大小等在手術(shù)時(shí)做出關(guān)于景深的判斷，以補(bǔ)償立體感缺失的不足，并能在不斷的實(shí)際操作中逐步適應(yīng)和提高[2]。但這種能力的獲得需要長時(shí)間的培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，而且這種依靠術(shù)者經(jīng)驗(yàn)做出的適應(yīng)性補(bǔ)償有時(shí)并不完全可靠。

2 3D成像原理及在腹腔鏡顯像技術(shù)中的應(yīng)用

從原理上講，人產(chǎn)生立體視覺的根本原因在于雙眼的視差[3]。3D顯示技術(shù)分為裸眼式顯示和眼鏡輔助式顯示2種，裸眼式顯示技術(shù)還不夠成熟，目前進(jìn)入臨床應(yīng)用的都是眼鏡輔助式顯示。從顯示方式上，眼鏡輔助式顯示又分為色差式、主動(dòng)式(快門式)和偏振式3種[4]。色差式顯示是根據(jù)三原色互斥的特性，通過分色眼鏡對圖像的色彩進(jìn)行分離，產(chǎn)生模擬的立體視覺。該法對顯示及放映設(shè)備無特別要求，所需的眼鏡價(jià)格低廉，但其成像有明顯的色差，立體效果不佳，長時(shí)間觀察對人的視覺有明顯影響，所以不適合醫(yī)學(xué)用途[5]。主動(dòng)式顯示根據(jù)時(shí)分法原理，用一臺比正常幀率高2倍的高頻率顯示器，快速切換左右二側(cè)的影像，同時(shí)，通過配戴特制的眼鏡將左右二邊鏡片反復(fù)轉(zhuǎn)變成透光和關(guān)閉2種狀態(tài)，從而使顯示器中的重疊部分分別傳到左右側(cè)眼，通過視覺殘影的作用，在大腦中形成一幅3D的立體影像。該法立體效果比較突出，且能保持畫面的原始亮度，不足之處是需要特制的眼鏡，眼鏡比較厚、重，配戴不適，成本較高，需要自帶電源并預(yù)先充電，長時(shí)間觀察易產(chǎn)生頭暈、視覺疲勞等不適癥狀，而且容易受現(xiàn)場外界光源的影響。第1代3D腹腔鏡采用的就是這種主動(dòng)式的顯示技術(shù)[6]。偏振式顯示是根據(jù)偏振成像的原理，通過腹腔鏡鏡頭前端的雙攝像頭同時(shí)拍攝圖像，形成2個(gè)獨(dú)立的視頻文件，在鏡頭后部的CCU內(nèi)對采集的圖像信號進(jìn)行特殊處理，通過改變液晶調(diào)制屏的偏振狀態(tài)，使2個(gè)不同的偏振調(diào)制狀態(tài)分別與左、右二路光學(xué)系統(tǒng)獲得的圖像同時(shí)呈現(xiàn)在屏幕上。當(dāng)手術(shù)醫(yī)生戴上一副左右眼與液晶屏幕偏振狀態(tài)一致的無源偏振眼鏡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生真實(shí)的3D視覺效果。該方法所需偏光眼鏡價(jià)格低廉，色質(zhì)損失小，畫面穩(wěn)定、不閃爍，不易產(chǎn)生視覺疲勞。但由于分光成像的緣故，所成3D圖像的亮度有所降低，可視角度略有減小。目前，市場上可供的各種型號第2代3D腹腔鏡普遍采用這種偏振式的顯示技術(shù)[7]。

早在20世紀(jì)90年代腹腔鏡技術(shù)開展之初，人們就認(rèn)識到2D腹腔鏡在視覺顯像方面的不足。當(dāng)時(shí)，全新的腹腔鏡技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)手術(shù)中術(shù)者眼睛直視的方式，腹腔鏡系統(tǒng)傳輸以及屏幕顯示的方式造成距離感、立體感等方面的缺失使初步接觸腹腔鏡的手術(shù)醫(yī)生難以很快適應(yīng)和掌握[8]。1993年美國Baxter公司及時(shí)開發(fā)出第1代3D腹腔鏡，投入臨床試用并轟動(dòng)一時(shí)。隨后，陸續(xù)有報(bào)道第1代3D腹腔鏡的臨床應(yīng)用效果，有些還與2D腹腔鏡進(jìn)行了簡單的比較，結(jié)果證實(shí)3D腹腔鏡能提供術(shù)中實(shí)時(shí)的立體圖像顯示，有助于手術(shù)醫(yī)生準(zhǔn)確判斷解剖結(jié)構(gòu)，加快適應(yīng)腹腔鏡下的操作環(huán)境[9]。但3D腹腔鏡并未能如人所愿地縮短手術(shù)時(shí)間，也沒有減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生[10，11]。第1代3D腹腔鏡采用主動(dòng)式顯示技術(shù)，當(dāng)時(shí)還不夠成熟，設(shè)備也不夠完善，手術(shù)醫(yī)生要佩戴特制的頭套式顯示器，既不方便，又容易出現(xiàn)頭暈、目眩，甚至惡心、嘔吐等不適癥狀，而且圖像分辨率不高，全套設(shè)備的購置費(fèi)用高出普通腹腔鏡的數(shù)倍，加之當(dāng)時(shí)開展的腹腔鏡手術(shù)相對簡單，對圖像顯示的要求不高[12，13]。因此，第1代3D腹腔鏡未能在臨床普及推廣，此后亦未見其臨床應(yīng)用報(bào)道。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，腹腔鏡手術(shù)在諸多領(lǐng)域取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，腹腔鏡技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段，復(fù)雜、高難度腹腔鏡手術(shù)的開展對術(shù)中圖像顯示的質(zhì)量與方式也提出更高的要求，傳統(tǒng)2D顯示顯得力不從心。隨著電子學(xué)、光學(xué)和材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，3D顯示技術(shù)有了飛速的進(jìn)步，在眾多范圍的應(yīng)用不斷普及，已進(jìn)入人們?nèi)粘５膴蕵泛蜕?。近年來，為適應(yīng)臨床工作的需要，國外多家有實(shí)力的醫(yī)療設(shè)備公司，如Olympus、Storz、Viking和Braun等抓住機(jī)遇，積極參與研發(fā)，陸續(xù)推出各自品牌的第2代3D腹腔鏡系統(tǒng)，并投入臨床應(yīng)用。第2代3D腹腔鏡不僅克服2D腹腔鏡的不足，還在第1代3D腹腔鏡的基礎(chǔ)上有了明顯的發(fā)展，能提供真實(shí)的三維立體圖像，最大限度地還原外科腹腔鏡下的真實(shí)視野，從根本上解決術(shù)中由于圖像景深感缺失引起的相關(guān)問題，為腹腔鏡手術(shù)的順利開展提供很大的方便。第2代3D腹腔鏡普遍采用偏光式3D顯示技術(shù)，手術(shù)醫(yī)生佩戴偏光式眼鏡，比較方便，頭暈、目眩等不適癥狀也得以減輕，所提供的3D圖像與視頻信號在穩(wěn)定性、流暢性和分辨率等方面得到提高，實(shí)用性明顯增強(qiáng)[14，15]。第2代3D腹腔鏡進(jìn)入臨床應(yīng)用時(shí)間很短，手術(shù)醫(yī)生對其普遍缺乏感性認(rèn)知，加上個(gè)別廠家前期的一些不適當(dāng)?shù)目浯笮麄?，因此，在選購3D腹腔鏡時(shí)需全面了解不同品牌、不同型號機(jī)器的技術(shù)特點(diǎn)，最好能夠在不同的場合親身參觀、操作、體驗(yàn)，并結(jié)合單位的實(shí)際，綜合考慮性能、價(jià)格、技術(shù)維護(hù)與支持、售后服務(wù)等因素，做出合理的選擇。

3 3D腹腔鏡的實(shí)驗(yàn)與臨床應(yīng)用研究

3D腹腔鏡的實(shí)驗(yàn)研究大多采用腹腔鏡模擬訓(xùn)練器完成，也有一些研究采用小型動(dòng)物模型，實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果證實(shí)3D腹腔鏡具有以下效果：①有利于腹腔鏡下的手術(shù)操作。Alaraimi 等[16]在腹腔鏡模擬訓(xùn)練器下采用經(jīng)典的美國胃腸道與內(nèi)鏡外科醫(yī)師學(xué)會(huì)(Society of American Gastrointestinal and Endoscopic Surgeons，SAGES)建立的腹腔鏡外科學(xué)基礎(chǔ)(foundamental laparoscopic surgery, FLS)技能組合的操作，如傳遞釘子、圖案的剪切縫合、打結(jié)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄完成的時(shí)間、重復(fù)及失誤次數(shù)等指標(biāo)，結(jié)果顯示3D腹腔鏡組較2D腹腔鏡組中位完成時(shí)間縮短(216 min vs. 247 min，P=0.266)，中位重復(fù)次數(shù)明顯減少(108次 vs. 121次，P=0.008)，中位失誤次數(shù)明顯減少(27 次vs. 105次，P<0.001)。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[17]采用新西蘭兔，在3D腹腔鏡下完成腸切除吻合、Nissen胃底折疊等手術(shù)操作，結(jié)果顯示與2D腹腔鏡相比，3D腹腔鏡可以顯著縮短腹腔鏡手術(shù)時(shí)間，無論是專家[(23.01±5.65)min vs. (29.51±7.51) min，P<0.01]還是住院醫(yī)師[(27.95±3.69)min vs. (33.95±6.21)min，P<0.05]。②使用時(shí)術(shù)者會(huì)有一些不適的感受，如輕～中度的眩暈、頭痛、視覺疲勞等，尤其近距離觀察、鏡頭移動(dòng)較快、長時(shí)間使用時(shí)。Zhou等[18]的一項(xiàng)19位腹腔鏡使用者的交叉對照研究結(jié)果表明，雖然相對于2D腹腔鏡，3D腹腔鏡更容易產(chǎn)生一些眼部不適癥狀，但是絕大多數(shù)人表示這些不適感能夠接受，今后也愿意繼續(xù)使用。③降低腹腔鏡操作的難度，明顯縮短腹腔鏡手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。Usta等[19]的一項(xiàng)由24位腹腔鏡使用者參與的隨機(jī)對照研究顯示，3D腹腔鏡提供的實(shí)時(shí)、放大、立體的圖像，降低腹腔鏡下操作的難度，對復(fù)雜手術(shù)的開展尤為有利。

臨床調(diào)查研究表明，以簡單的腹腔鏡膽囊切除術(shù)為例，絕大多數(shù)手術(shù)意外事件的發(fā)生與術(shù)中視覺圖像質(zhì)量不好有關(guān)[10]。熟練的腹腔鏡手術(shù)者可以通過訓(xùn)練獲得經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)2D顯像的不足，但更多的臨床研究表明3D腹腔鏡的應(yīng)用能明顯降低手術(shù)操作出錯(cuò)的概率[20]。第1代3D腹腔鏡除易被使用者掌握和接受外，并無其他明顯的技術(shù)優(yōu)勢，未能在臨床中廣泛應(yīng)用。2012年以來，第2代3D腹腔鏡在腹部外科、心胸外科、泌尿外科、婦科等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，報(bào)道的結(jié)果證實(shí)3D腹腔鏡有以下幾方面的優(yōu)勢[19，20]。①還原真實(shí)的視野，提供高清、放大、立體的圖像，超越人眼的極限，精確顯示手術(shù)區(qū)域內(nèi)的組織層次與解剖結(jié)構(gòu)，幫助術(shù)者快捷準(zhǔn)確地識別，最大限度地避免血管、神經(jīng)的損傷，使操作更精準(zhǔn)，縮短手術(shù)時(shí)間，減少出血量，降低手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率，保證手術(shù)安全，提高手術(shù)療效。②放大的3D圖像有助于術(shù)者根據(jù)準(zhǔn)確的空間定位做出正確的判斷與處置，在對組織的牽引方向和力度方面特別有幫助，更有利于完成精細(xì)的淋巴結(jié)清掃，保證腫瘤根治手術(shù)的安全與徹底。③有利于消化道的重建。腹腔鏡下完成消化道的重建通常使用線性吻合器完成，在術(shù)者與助手配合過程中，需要確定吻合器和器官的相對方向與距離。2D腹腔鏡下由于缺乏立體定位感覺，只有依靠術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)完成，容易操作不當(dāng)。3D腹腔鏡可以彌補(bǔ)這樣的不足，有利于更好地完成吻合操作，保證手術(shù)的精度和安全。如果采用腹腔鏡下手工縫合方式完成消化道重建，3D腹腔鏡的技術(shù)優(yōu)勢愈加明顯。④方便手術(shù)的轉(zhuǎn)播、演示和教學(xué)。第2代3D腹腔鏡配備完善的圖像采集、加工系統(tǒng)，兼容性更好，手術(shù)轉(zhuǎn)播過程中減少圖像傳輸?shù)难舆t、失真，手術(shù)演示效果好。⑤適應(yīng)性快，降低手術(shù)難度，對腹腔鏡經(jīng)驗(yàn)不足者的幫助更大。第2代3D腹腔鏡可以顯著降低復(fù)雜手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線，縮短學(xué)習(xí)周期。⑥3D腹腔鏡不增加手術(shù)器械、耗材等手術(shù)的直接費(fèi)用，與普通腹腔鏡手術(shù)費(fèi)用相同。

同時(shí)，我們也應(yīng)看到第2代3D腹腔鏡在臨床的實(shí)際應(yīng)用時(shí)間不長，有些方面還不夠完善，需要進(jìn)一步改進(jìn)[21]。①使用不太方便：第2代3D腹腔鏡結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，普遍比傳統(tǒng)腹腔鏡笨重；手術(shù)醫(yī)生需要配戴特制的偏光眼鏡，對于原本就需要配戴眼鏡者尤感不便；另外，3D腹腔鏡是新的設(shè)備，其調(diào)試、操作和保養(yǎng)等需要專門的培訓(xùn)。②產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在不足：第2代3D腹腔鏡普遍采用0°鏡頭，除個(gè)別品牌型號外，絕大部分鏡頭不能旋轉(zhuǎn)，術(shù)者在使用時(shí)感覺不適應(yīng)，在狹小空間，如盆腔內(nèi)操作時(shí)尤為明顯。③存在一定的不適感：長時(shí)間手術(shù)操作或鏡頭移動(dòng)快時(shí)，術(shù)者會(huì)有不同程度的眩暈、視覺疲勞等不適癥狀，在開始使用時(shí)，都會(huì)有一段逐漸適應(yīng)的過程。有些型號的3D腹腔鏡可以在2D和3D模式之間轉(zhuǎn)換，有經(jīng)驗(yàn)的術(shù)者可以根據(jù)術(shù)中的情況靈活選擇，減輕不適感。④價(jià)格高：相對目前主流的2D腹腔鏡，第2代3D腹腔鏡購置費(fèi)用高，是前者的3～4倍。

4 前景展望

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)微創(chuàng)技術(shù)的進(jìn)步，腹腔鏡手術(shù)的目的不僅僅是減少手術(shù)的創(chuàng)傷，更重要的是追求更好的手術(shù)效果。在圖像顯示技術(shù)上，從2D到3D是一場視覺的革命，3D技術(shù)在手術(shù)中的應(yīng)用為復(fù)雜、高難度腹腔鏡手術(shù)的開展提供了有力的保障。在應(yīng)用第1代3D腹腔鏡時(shí)，并未顯示出比2D腹腔鏡更明顯的優(yōu)勢。隨后出現(xiàn)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人則借鑒、應(yīng)用3D顯示的理念和技術(shù)，掀起一場新的微創(chuàng)技術(shù)革命[22]。近年來，第2代偏振式3D腹腔鏡進(jìn)入臨床應(yīng)用，其在分辨率、安全性、舒適性等方面得到明顯改善，實(shí)用性大為提高。與達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)相比，3D腹腔鏡靈活方便，無須特別安裝、調(diào)試和定位，鏡頭輕便易控制、活動(dòng)范圍大，而且購置、設(shè)備維護(hù)等費(fèi)用低(約為前者的1/6)，無額外的一次性手術(shù)消耗(每臺機(jī)器人手術(shù)3萬～5萬元人民幣)。從目前實(shí)際情況看，手術(shù)機(jī)器人尚難以在短期內(nèi)普及，絕大部分常規(guī)并不需要在手術(shù)機(jī)器人下完成手術(shù)。3D腹腔鏡今后的發(fā)展方向可能在：①開發(fā)出新型的3D腹腔鏡，擁有4 K、8 K甚至更高分辨率CCD芯片的3D腹腔鏡正在研制開發(fā)中，新的系統(tǒng)將具備更強(qiáng)大的功能，提供全高清的3D圖像，達(dá)到甚至超過當(dāng)前達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的視覺效果。②顯示技術(shù)方面，多點(diǎn)裸眼顯示技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，以及便攜式無源偏振眼鏡將在保證顯示效果的前提下，讓使用更方便。③設(shè)計(jì)更加合理、人性化，滿足臨床實(shí)際需要，使用者更舒適。④在不斷普及的基礎(chǔ)上，降低購置的價(jià)格，進(jìn)一步推動(dòng)3D腹腔鏡普及，使其成為腹腔鏡手術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)。

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22 Sinha R, Sanjay M, Rupa B, et al. Robotic surgery in gynecology. J Minim Acess Surg,2015,11(1):50-59.

(修回日期：2016-03-23)

(責(zé)任編輯：李賀瓊)

Progress of Application and Research of Three Dimensional Laparoscopy

JiWu.

ResearchInstituteofGeneralSurgery,NanjingGeneralHospitalofNanjingMilitaryCommand,Nanjing210002,China

JiWu,E-mail:jiwuvip@hotmail.com

Laparoscopy; Three dimension; Surgical robot

A

1009-6604(2016)06-0481-04

10.3969/j.issn.1009-6604.2016.06.001

2016-02-27)

*通訊作者，E-mail:jiwuvip@hotmail.com

【Summary】 The development of high-difficulty and complex laparoscopic surgery not only requires the improvement of surgeons’ technique ability, but also instrumental innovations in this field keeping up with demands. Three-dimensional laparoscopy overcomes the shortcomings of conventional laparoscopy such as loss of spatial depth, restores the real vision under laparoscopy uttermost and provides great convenience for the development of laparoscopic technique. Preliminary experiments and clinical applications have demonstrated many advantages of three-dimensional laparoscopy, such as shortening operating time and reducing difficulty. It is believable that the three-dimensional laparoscopy will widespread in the future and become new technique standard.