3D腹腔镜的研究进展

房学东

提到三维(3D)，人们往往第一联想到的都是3D立体电影，这种新式的立体感给人一种身临其境的感觉，那么在医疗技术日益更新的现在，3D系统能否应用在手术上呢，答案是显而易见的，不但可以应用在手术上，还可以使术者对手术的空间及定位感更加准确。由于在二维(2D)成像系统缺乏足够的深度感已经限制了腹腔镜的发展，尤其手术中腹腔镜的移动、解剖结构的大小、阴影及纹理的改变等间接的影响了术者对深度感、空间定位以及准确度的判断，所以腹腔镜手术逐渐走入3D世界是势在必行的。

一、3D腹腔镜的发展史

迈入21世纪，外科发展主要的方向是细致微创，从久远的开刀手术到只需在患者身上开几个“小洞”，把腹腔镜设备伸到患者体腔内，通过传输到监视器中的图像，操作腹腔镜器械来完成手术。然而，2D的高清平面显示，不能够满足术者对解剖的要求，对已经熟练运用2D技术进行外科手术的中国医生而言，通过3D高清腹腔镜系统，将踏入一个完全还原肉眼感受的立体手术时代。早在1980年，GF.Buess教授就指出，立体视觉在微创手术中的重要性。他开发了一种双通道光学系统用于他的经肛门内镜微创手术(TEM)中。此外，用于眼科、神经外科、耳鼻喉科(ENT)的手术显微镜提供了一个双目视图。尝试通过显微镜使用相机和监控系统失败的原因在于外科医生喜欢视觉提供的良好空间印象和直观视图。与此同时，几个实验已经研究了在外科医生的工作中使用各种3D系统的效果。因为这些早期的原型涉及一些技术缺陷，有图像质量的损失。Muller-Richter等人得出结论，已发表的研究只有一半显示了使用3 D的真正优势。然而，最新的技术发展保证了高定义3D可视化可提供与目前2 D系统相同的质量。然而，2D的高清平面显示，不能够满足术者对解剖的要求，对已经熟练运用2D技术进行外科手术的中国医生而言，通过3D高清腹腔镜系统，将踏入一个完全还原肉眼感受的立体手术时代。

二、3D腹腔镜原理

腹腔镜手术包括：导光束，摄像头，主机，光源，气腹机以及监视器。3D腹腔镜的原理：3D腹腔镜是模仿人体左眼和右眼而采用的双CCD摄像技术。两组CCD采集光学信号转化成数字信号，左CCD晶片与右CCD晶片如人体的左眼和右眼，两组图像组成在一起而产生3D效果。摄像头将两组数字信号传输至3D摄像主机。3D主机将处理过的手术视频信号传输至并显示在3D监视器上。通过在屏幕上加放偏光板，可以向观看者输送偏振方向不同的画面，当画面经过偏振眼镜时，由于偏振式眼镜的每个镜片只能接受一个偏振方向的画面，这样人的左右眼就能接收两组画面，再经过大脑立体合成立体影像。

3D高清可视化监控显示两个独立的影像，一个用于左眼，一个用于右眼，并通过特殊的过滤器眼镜传给相应的眼睛[1]。3D高清系统通过波长分离这两种图像。在这里，每种图像由三原色红色、绿色和蓝色的部分光谱组成。用于左眼图像的部分光谱是不同于右眼图像的，并且是借助干涉滤光片生成的。通过这些方式，图像被编码，并且可以通过眼镜分配到相应的眼睛。新摄像系统有反光板在观测仪中间，用来选择性的使光路改变。用这个反光板，左右眼成的像都可以被捕捉。这些像被传送到3D监测仪中的格式变换器和图像加工控制器(可以使得两个像在30HZ的频数下分开)。每个像都传送到监测仪上或者投影到屏幕上(用特殊投影仪进行偏振处理)。参与者可以通过偏振镜片看到3D像，这种镜片并没有比正常镜片重。

三、3D腹腔镜的优势

3D腹腔镜手术为术者还原了一个真实视觉中的三维立体手术视野，相当于术者及助手进入患者体内进行操作，可以在各种脏器之间查找有病变的部位，再进行精确的切除及重建。当手术中需要缝合打结的时候，往往需要准确的判断缝合位置的深浅，此时3D呈现的立体影像对术者而言具有十分大的帮助，可以很清晰的分辨空间脏器的深度感及立体感。真实3D效果极大提高了复杂手术操作的精度、同时缩短了简单手术操作的时间。可能在目前进行的大多数手术中，3D高清技术使在不导致损伤的基础上加快工作速度成为可能。然而，在复杂手术操作中，3D高清技术增加了患者的安全性。随着使用3D高清技术进行常规开腹的复杂手术的尝试不断增加，这一结果至少将增加二者的相关性。新的3D摄影系统通过更灵敏的对深度的感觉和很少的眩晕增加了腹腔镜检查的准确性。作者希望3D腹腔镜检查系统能提供更好的深度感觉和准确性。腹腔镜手术的引入对胃肠外科患者带来了新的理念及利益，同时，不可否认的是对胃肠外科手术产生了深远的影响。常规的2D腹腔镜已经受限于缺乏深度感和空间定位。这一缺点可能会影响手术效果、手术时间或并发症的发生。深度感、空间分辨率和精确度可通过三维(3D)视觉得到改善。特别是在复杂的任务中，如内缝合和精确解剖等需要高超的技艺以及深度感。为了补偿这一缺憾，二维成像技术使用类似运动视差、相对位置、解剖结构大小、明暗的阴影、组织学分级等，积累腹腔镜手术的经验能够提高单眼的提示[2-3]。可以假设这些适应能够说明与2D成像相关的高级视觉中枢再校准的解读与永久输入所造成的精神疲劳和紧张的原因。3D视觉提供了增加的深度感和精确度的优势，并分别输入两个独立的图像使之在皮层水平达到神经总和。

以往比较2D和3D成像的研究，由于受限于当时所用的技术，许多研究均表明其性能上没有差异。偏光眼镜为每只眼睛提供独立的影像，左右眼分别从摄像机上获取独立的影像，每个图像都是真正的全高清分辨。Falk and associates显示，与KARL STORZ内窥镜摄像系统相似的da Vinci机器人的三维系统，使用能够增加峰值速度、加速性能并降低减速率的运动分析来缩短性能时间。与2D视觉相比，使用3D视觉能够使操作者达到更精确的调整。3D成像系统最突出优势在于深度觉和空间方位。而使用3D的术者均表示其具有更好的空间分辨率和深度感的主观印象支持了这一假设。这样的优势在实际条件下可能更为真实，如内缝合或困难的剥离等复杂而详细的技能，尽管这是一个主观的判断，但所有使用3D系统的专家仍表示，3D系统可以减少传统2D系统所产生的精神疲劳和紧张，因此更为舒适。

综上所述，“在腹腔镜3D出现之前，外科手术诊疗经历了传统的开放式手术以及目前常见的2D腹腔镜微创手术[4-5]。而3D系统结合了两者的优势：首先能够呈现传统手术的立体感、层次感；其次可减少对患者的生理创伤，使手术更精准、更安全”。3D成像系统能够改善腹腔镜操作中的空间定位和深度感，尤其对于专业的腹腔镜外科医生。相信在未来的几年当中，腹腔镜手术将进入3D时代。这项技术综合了光学、影像医疗科技，能完整地呈现手术视野的空间立体感，从而节约手术时间，提高手术效果，或将成为手术发展的一次革新。

[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.

[3] Dion YM，Gaillard F.Visual integration of data and basic motor skills under laparoscopy.Influence of 2-D and 3-D video-camera systems.Surg Endosc，1997，11：995-1000.

[4] 朱甲明，房学东，刘选文，等.微创外科在胃癌诊断及治疗中的进展.腹腔镜外科杂志，2012，9：647-650.

[5] 王锡山.3D腹腔镜技术在微创外科中的现状与思考.中华结直肠疾病电子杂志，2014,3(3)：177-179.