4K一體化智能腔鏡系統的探究與應用

張曉斌，張亞東，周宇

安徽醫科大學第一附屬醫院 物資設備處，安徽 合肥 230022

引言

隨著科學技術的迅猛發展，智能集中控制的理念被廣泛地應用到醫療設備中，使醫療設備實現集成化、系統化、一體化[1-2]。同時隨著4K超高清技術不斷發展，該技術也已經逐步地應用到醫療中，為臨床微創外科手術治療提供極大的便利[3]。在微創外科手術使用的醫療設備中，以腔鏡系統為代表的醫療設備將一體化智能集中控制理念和4K超高清技術應用的較為廣泛，且表現出較好的臨床應用效果[4-6]。

在應用腔鏡系統做臨床微創外科手術中，需要借助增大視野的攝像系統、輔助照明的冷光源系統、氣體膨宮增大操作空間的氣腹系統等設備進行觀察和操作[7]。傳統腔鏡系統一般分為四個獨立設備，分別為內窺鏡攝像機、CO2氣腹機、冷光源、顯示器。但傳統的腔鏡系統存在以下的不足之處：在供電方面，各設備均需單獨供電，導致線纜較多且亂；在空間放置方面，四個獨立的設備需要充分考慮合理放置的問題，且會較大的占用有限的手術室空間；在性能方面，傳統腔鏡系統的攝像系統基本上都是1080 P高清攝像機，對于細微血管、細小的神經無法精細顯現[8-10]。本文基于4K一體化智能腔鏡系統，實現腔鏡系統的一體化和細微病灶的精細顯示，有效地改善傳統微創腔鏡系統的不足之處，提高了手術的質量與效率。

1 4K一體化智能腔鏡系統的探究

1.1 系統框架

4K一體化智能腔鏡系統是集4K內窺鏡攝像模塊、冷光源模塊、CO2氣腹模塊、4K超高清27英寸顯示屏于一體的一體化設備，具有監視、存儲、傳輸、錄制等功能。其中4K內窺鏡攝像模塊采用超高清的4K攝像模組，采用全數字化CMOS攝像頭，2160 P分辨率，代表微創手術領域的最高水平。通過超高清像素3840×2160 P，能夠呈現出最微小、最細微的組織細節，同時借助強大的光敏度，即使在不利條件下，攝像機也能提供清晰的圖像。冷光源模塊中的光源采用LED發光，在安全可靠性和低功耗方面有比較明顯的優勢。CO2氣腹機是進行人工氣腹作用的主要設備。超高清27英寸顯示屏顯示器采用超高清的4K醫用顯示器。

4K一體化智能腔鏡系統各模塊的使用原理：① 4K內窺鏡攝像模塊：前面板攝像面板的母頭通過攝像頭線纜接+變焦適配器接4K內窺鏡的目鏡管端；② 4K超高清27英寸顯示屏：4K內窺鏡攝像模塊處理后的圖像信息借助本機4K超高清27英寸顯示屏展現；③ 冷光源模塊：前面板的出光口通過導光束接4K內窺鏡；④ 氣腹模塊：后面板獨立的進氣口輸入CO2氣體，可借助高壓氣腹管中央供氣室供氣也可氣罐供氣。前面板氣腹模塊出氣口，通過無菌過濾管道搭配氣腹針進行使用。系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖

1.2 使用流程

手術前：在中央供氣或是氣罐供氣管道已接好的情況下，① 將氣腹過濾組件、攝像頭、導光束依次接主機前面板對應接口；② 變焦適配器旋裝在攝像頭接口，變焦適配器外接內窺鏡（軟鏡或硬鏡），導光束連內窺鏡；③ 連接電源線，依次打開總電源開關、氣腹機開關、攝像開關、光源開關；④ 攝像機設置白平衡校準，光源調整到合適的亮度，氣腹機設置合適的壓力與流量檔位；⑤ 打開前面板氣腹模塊“START開始”開關按鍵，四個模塊均開始工作。

手術后：依次關閉氣腹機開關、攝像開關、光源開關、總電源開關，依次取下氣腹過濾組件、攝像頭、導光束即可，操作流程簡單。整個使用操作流程涉及到接線、開關以及簡單參數設置，操作流程簡單快捷。

1.3 功能

4K一體化智能腔鏡系統主要由四個模塊組成。4K內窺鏡攝像模塊借助系統顯示屏為手術操作者提供清晰的實時圖像，其功能包括圖片凍結、增益等[11]。氣腹機模塊通過CO2氣體來建立并維持病人體腔內一定的腹壓，以提供理想的視像條件和足夠的手術空間，實現膨宮功能[12-14]。冷光源模塊采用高亮度的LED發光，使用者可通過調節光輸出強弱按鈕，將光線輸出調至到適當水平，從而為內窺鏡攝像系統提供照明光源及醫用輔助照明功能[15-17]。此外，4K一體化智能腔鏡系統還具有超高清圖像輸出功能，采用HDMI2.0超高清輸出3840×2160 P，50 Hz/60 Hz，能夠外接4K超高清顯示屏，為醫生提供更好的視野效果，或外接HDMS高清管理系統，實現遠程醫療。同時具備存儲錄制功能，能夠通過外接U盤，實現視頻文件或是圖片的存儲，作為后期醫生的自我學習提升和實習醫生學習的資料。

1.4 核心優勢

（1）一體化平板設計。4K一體化智能腔鏡系統是集4K內窺鏡攝像模塊、冷光源模塊、CO2氣腹模塊、4K超高清27英寸顯示屏一體化平板嵌入式設計。整體設計更加簡潔，易操作。

（2）4K超高清顯示。攝像頭部分采用3CMOS 4K超高清傳感器技術結合4K超高清攝像模塊以及4K超高清顯示屏，弱光條件下可得到更純凈的畫質、更少的噪點。低功耗設計，不易發熱，人體工學及輕量化設計，方便操作。

（3）具有全自動恒壓氣腹功能。4K一體化智能腔鏡系統具有全自動恒壓氣腹功能，智能化技術更方便醫護人員的工作，提高手術室效率。

（4）4K專用LED冷光源。4K一體化智能腔鏡冷光源模塊采用美國進口60 W LED單芯片冷光源燈珠，提供3600流明輸出，具有功耗小、發熱量小、高亮度、光源壽命可達50000 h等優點。當今醫院常用的冷光源主要有鹵素燈冷光源、氙氣燈冷光源以及LED冷光源三種，鹵素燈冷光源、氙氣燈冷光源具有功耗大、發熱量大以及壽命短等缺點[18-19]。冷光源參數如表1所示。

表1 冷光源參數對比表

（5）實時發起遠程手術指導、示教。外接HDMS高清管理系統，可實現遠程手術指導及示教。

2 4K一體機智能腔鏡系統的特點

2.1 節約空間，改善手術室環境

4K一體化智能腔鏡系統將微創手術用到的氣腹功能、攝像功能、光源功能和顯示器，集成于一體，實現各功能參數單獨控制、實時顯示，節省了手術設備的占用空間，避免了各設備電源線的相互干擾，使手術室更加整潔，工作人員操作更加方便。傳統腔鏡系統與4K一體化智能腔鏡系統如圖2所示。

圖2 傳統腔鏡系統與4K一體化智能腔鏡系統

2.2 4K超高清成像，提高手術質量

4K一體化智能腔鏡系統從前端的圖像采集到終端的圖像顯示裝置，均采用4K超高清技術。其中獨特的NCT色彩還原技術，增強了血管顯現功能，使不同組織呈現出細微色差，讓病灶無處遁形，使醫生診斷更加精準。傳統腔鏡系統成像為像素約270萬的全高清圖像，4K一體化智能腔鏡系統成像為像素約829萬的4K超高清圖像，見圖3。

圖3 傳統腔鏡系統與4K一體化智能腔鏡系統成像對比圖

2.3 實現數據互聯互通

4K內窺鏡攝像模塊接口模式多樣化，HDMI2.0超高清輸出3840×2160 P，50 Hz/60 Hz，可以外接4K大屏，給醫生展現更好的視野效果，也可外接HDMS高清管理系統，實現遠程醫療。DVI全高清輸出1920×1080 P，50 Hz/60 Hz，匹配1080 P顯示器，兼容性更廣。攝像模塊技術參數對比如表2所示。

表2 攝像模塊技術參數對比表

2.4 提高手術室工作效率

隨著微創手術的普及，一些特殊的病患、手術部位對手術操作空間和視界精度很高，要求CO2氣腹儀能提供更為穩定清潔的氣流、氣壓，為手術實施提供更好的條件。因此，氣流、壓力控制技術的智能化發展是大勢所趨，該項技術更方便醫護人員的工作，提高了手術室效率，減少了出現差錯的可能性。氣腹機模塊技術參數對比如表3所示。

表3 氣腹機技術參數對比表

2.5 提高設備性能

LED光源降低了光熱比，降低了微創手術時由于光線長時間照射引起器官組織灼傷的可能性。與傳統的鹵素燈泡或氙燈相比，設備的可靠性、使用壽命、低功耗方面有明顯的優勢，燈泡壽命在正常使用情況下在50000 h以上。LED光源主要集中在400～800 nm可見光，復合光譜接近太陽光可見光區，色彩還原性好。冷光源技術參數對比如表4所示。

表4 冷光源技術參數對比表

3 4K一體化智能腔鏡系統的應用實例

3.1 4K一體化智能腔鏡系統在臨床的應用

據不完全統計，腹腔鏡手術種類目前已有近百種，主要用于腹部外科。近年來腹腔鏡還常用于急腹癥、外傷、婦產科、泌尿科等手術[20]。實例如下：① 肝膽外科：南昌新建區人民醫院的肝膽科通過試用4K一體化智能腔鏡系統進行膽囊切除手術，現場醫生反饋清晰度很高；② 神經外科：安慶市立醫院神經外科通過試用4K一體化智能腔鏡系統進行神經內鏡下垂體瘤手術，現場醫生反饋4K一體化智能腔鏡系統清晰度很好，色彩還原性好；③ 泌尿科：安醫大一附院在臨床試用的過程中，現場醫生反映畫面清晰度不錯，色彩逼真。手術現場如圖4所示。

圖4 手術室現場圖

3.2 4K一體化智能腔鏡系統在臨床的應用效果

通過統計肝膽科的肝部分切除術、婦科子宮切除術以及心胸外科食道癌根治+肺部分切除術各10臺，分別使用4K一體化智能腔鏡系統和傳統腔鏡系統手術所用平均時間，在使傳統腔鏡系統時，肝部分切除術、子宮切除術、心胸外科食道癌根治+肺部分切除術所需平均時間分別為3、4、10 h；使用4K一體化智能腔鏡系統所需平均時間分別為2.8、3.5、8.7 h，如圖5所示。由統計數據可知，使用4K一體化智能腔鏡系統比傳統腔鏡系統在此三類手術中所需平均時間分別減少了0.2、0.5、1.3 h，故使用4K一體化智能腔鏡系統可以在一定程度上節約了手術時間，提升了手術效率。

圖5 傳統腔鏡系統與4K一體化智能腔鏡系統手術時間對比

4K一體化智能腔鏡系統在多家醫院臨床試用的過程中也出現過幾個問題，如主機外接大屏時，大屏偶爾出現雪花點。解決方案：排查分析由于手術室現場外接大屏時視頻線較長，導致信號衰減使得接收信號弱，后更換為光纖傳輸的信號線，經現場實際測試效果良好。如氣腹出氣口不匹配進口氣腹機的配件。解決方案：提供多種轉接頭，后期通過轉接頭使用效果良好。

通過對在不同醫院長期試用的8臺4K一體化智能腔鏡系統應用效果進行統計，與同家醫院正常使用的傳統1080 P腔鏡系統比較，在2020年1月至12月時間范圍內，4K一體化智能腔鏡系統的故障率在上半年與下半年均比傳統1080 P腔鏡系統低，且隨著時間的延長，試用過程中出現的故障現象逐個被解決，4K一體化智能腔鏡的故障率明顯降低，見圖6。同時，對105臺手術的跟臺滿意度反饋結果進行統計，從圖7中可以看出，4K一體化智能腔鏡系統的滿意度相比于傳統1080 P腔鏡系統較高。

圖6 2020年上、下半年設備故障率統計

圖7 使用滿意度對比統計

4 總結與展望

本文通過對4K一體化智能腔鏡系統的結構組成、使用流程、功能與核心優勢等方面的介紹，闡述了4K一體化智能腔鏡系統是一種能夠將傳統腔鏡系統中各個組成部分整合為集系統化操控、數據化處理、可不斷完善和開發的醫療設備[21]。且該系統能實現各功能參數單獨控制、實時顯示，節省了手術設備的占用空間，避免了各設備電源線的相互干擾，使得手術室更加整潔[22-23]。同時，本文以4K一體化智能腔鏡系統實際臨床應用為例，通過對臨床應用效果評價及統計數據的分析，證明了該系統能夠使醫生更加準確快捷的定位到病灶點，提高手術效率，減少手術時間，降低設備使用故障率，提升設備使用滿足度，降低手術風險[24-26]。4K一體化智能腔鏡系統利用超高清畫質和更豐富的色彩還原技術，將病變組織中更多的細節清晰真實地展現給手術醫生，使手術醫生的外科技術得到最極致的發揮，從而有效地提高治愈率和患者滿意度，對增強醫院的核心競爭力有著重要的意義。

通過4K一體化智能腔鏡系統在手術室臨床的應用效果，表明了該系統具有良好的穩定性、使用靈活性、易操作性等性能，同時能夠有效地減少醫護人員的工作量，提高醫生的手術效率。目前，4K一體化智能腔鏡系統已成功地運用到肝膽外科、神經外科、泌尿科等手術室中，并表現出良好的實際應用效果。基于以上的分析可見，隨著未來臨床手術外科技術的發展及科室實際應用的需要，4K一體化智能腔鏡系統將逐步地應用到骨科、婦產科等更多的的手術室中。