三維腹腔鏡技術在一體化手術室中的應用

朱 立 周菁楠

三維腹腔鏡技術在一體化手術室中的應用

朱 立①周菁楠①

腹腔鏡等微創手術技術在腫瘤治療領域飛速發展，由于原有二維腹腔鏡缺乏空間感知能力已經無法滿足目前手術的需要，三維腹腔鏡技術應運而生并得到廣泛發展。在總結傳統二維腹腔鏡技術與三維腹腔鏡技術區別的基礎上，對三維信號顯示技術的分類、常見格式進行分析。介紹引入三維技術的一體化手術室構成及信號格式和信號轉播方法，展望三維腹腔鏡技術在手術室中的應用前景。

三維技術；一體化手術室；腹腔鏡手術；信號轉播

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

自1987年法國醫生Mouret首創的腹腔鏡膽囊切除術(laparoscopic cholecystectomy，LC)以來，隨著微創技術的不斷發展，腹腔鏡已經得到了廣泛的應用，并逐漸成為了外科領域發展的大趨勢[1]。然而，根據統計資料顯示，在年度共開展手術近2萬人次的三等甲級醫院中，腔鏡手術的比例高達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量均位于杭州區域前列。與傳統開放手術相比較，微創手術憑借著疼痛輕、術中術后出血量少以及微創傷的特點，已經被人們所接受[2]。

1 三維一體化手術室建設目的

目前，主流的微創手術仍然停留在二維腔鏡階段，作為標準的腔鏡手術，其術野為二維平面圖像，與實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人經驗和熟練的手法來進行操作，這對醫生提出了很高的要求[3-4]。以浙江省腫瘤醫院為例，培養一名合格的腔鏡主刀醫生需要大量的時間，必須經過反復的理論基礎知識學習和腹腔鏡模擬訓練、動物實驗以及手術演示之后，經過考核合格后才能夠成為一名腔鏡醫生。為了在手術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操作造成的失誤，三維腔鏡手術應運而生。與傳統二維腔鏡相比較，三維腔鏡對術野距離的判斷更加容易，手術操作更加精準(具有10倍的圖像放大功能)，并且能夠顯著地縮短學習曲線，幾乎適用于所有的外科微創手術領域[5-7]。

醫院引進的2間STORZ一體化手術室系統，可實現多平臺整合、高兼容性以及數據方便傳輸的三大特性。不同品牌的設備能夠被整合在SCB中進行統一操作和管理，通過AIDA系統進行視頻信號的采集和存儲，通過AV系統對手術進行實時轉播及遠程示教，將三維技術引入一體化手術室成為了可能。

2 三維影像技術及三維腔鏡技術

2.1 三維顯示技術的分類

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

圖1 三維顯示技術分類框圖

(1)色差式三維，即波分法(紅藍分光)。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，可利用色分眼鏡進行完美分離。優點是眼鏡價格低廉，對顯示以及播放設備無任何要求，任何彩色顯示設備都可以；缺點是顯示效果差，圖像不能全色顯示，長時間觀看會對人眼產生有害的影響。

(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]。優點是眼鏡價格低廉，色彩損失小，無閃爍，不會造成頭暈和眼疲勞；缺點是可視角度小，對顯示器頻率要求較高(達到240 Hz)。

(3)快門式三維，即主動式。利用時差來達到三維顯示效果。優點是殘影少，三維效果突出，能保持畫面原始分辨率和亮度；缺點是眼鏡成本高，需要充電。長時間觀看易產生疲勞和暈眩，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生視覺上的錯覺，從而將二維的屏幕畫面感知為三維圖像[10]。裸眼式三維技術最大的優勢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。在觀看的時候，需要和顯示設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和快門式三維技術尚有一定的差距，因此多用于民用電視領域。

2.2 三維信號的常見格式

三維信號的常見格式主要有水平交錯、左右格式、上下格式及棋盤格式4種。

(1)水平交錯。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格式，與二維設備兼容。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。此種格式在數據存儲和解碼上和二維的視頻完全相同，可以直接利用現有的解碼軟硬件，目前主流的三維腹腔鏡均采用此種信號格式。

(3)上下格式。該格式是基于二維算法的三維信號格式，與二維設備兼容。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。此種格式在數據存儲和解碼上和二維的視頻完全相同，可以直接利用現有的解碼軟硬件，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 三維一體化手術室的構成

一套完整的三維腹腔鏡系統主要包括1臺支持三維顯示的高清醫用級監視器、三維腔鏡主機、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“移植”到一體化手術室中，從而達到方便醫生操作且易于示教的目的。

3.1 SCB系統

在手術室中醫療設備眾多，設備的集中控制需要SCB通訊系統。通過SCB連接線，SCB通訊系統能夠自動識別已連接的設備并進行連接。用戶可以隨意增加或者減少現有設備，最多可以利用串行控制總線控制31臺設備。設備包含三維腔鏡系統、光源、氣腹機、手術床、電刀、能量平臺以及超聲刀等設備。醫生可以根據手術類別選擇需要連接的設備種類和數量(如圖2所示)。

圖2 SCB連接示意圖

3.2 信號連接

腔鏡設備連接單一顯示器的原理十分簡單，直接單信號源通過單線纜鏈接輸出到唯一的顯示終端即可。若實現單信號源輸出到多個顯示終端或者多信號源要顯示到多個顯示終端，則需要通過一體化手術室的控制機柜，對信號進行整合，實現信號格式轉換和信號自由切換[12-13]。控制機柜信號整合方式如圖3所示。

圖3 控制機柜信號整合示意圖

3.3 常見信號接口

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

3.4 信號轉播

為了實現示教以及遠程手術的目的，必然涉及到對信號進行轉播，目前主流的轉播方法有網絡轉播和光纖轉播兩種[14]。以轉播三維腔鏡信號為例，闡述兩種轉播方式的優缺點。

(1)網絡轉播。網絡轉播的優點是成本較低，且適合多點連接；缺點是信號容易受到干擾，且存在延時，一般適用于會議和非診斷級的信號傳輸。三維高清腹腔鏡輸出產生的1080P全高清信號，由于攜帶的數據量巨大，對帶寬提出了很高的要求[15-16]。網絡轉播可以分為單向傳送和雙向傳送兩種，一般在進行轉播時需要單獨租用特殊頻段的電信網絡IP，在滿足帶寬的同時避免產生干擾，如圖4所示。

圖4 網絡轉播框圖

(2)光纖轉播。光纖轉播的優點是信號比較穩定，不會被干擾，不存在延時；缺點是成本較高，不適合多點連接。光纖轉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現5～500 m內的無損傳輸，單模光纖可以實現0.5～30 km內的無損傳輸(如圖5所示)。

圖5 光纖轉播框圖

4 展望

隨著微創技術的快速發展，三維腹腔鏡技術在手術、教學和科研中的應用將會成為醫院數字化建設的新動向[17-18]。然而，三維腹腔鏡技術仍存在以下不足，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，不能長時間佩戴三維眼鏡，同時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境下進行手術。

構建三維一體化手術室有助于提高手術效率，通過還原三維圖像使醫生進行更加精準的手術，同時借助于信號的集總和轉播，能夠起到示教作用，相信三維腹腔鏡技術在一體化手術室的應用定會具有較好的前景[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浙江省腫瘤醫院設備科 浙江 杭州 310022

朱立，男，(1990- )，本科學歷，助理工程師。浙江省腫瘤醫院設備科，從事醫療設備研究和維修工作。