三维立体(3D)腹腔镜的研究与应用进展

嵇 武

(南京军区南京总医院全军普通外科研究所，南京 210002)

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三维立体(3D)腹腔镜的研究与应用进展

嵇 武*

(南京军区南京总医院全军普通外科研究所，南京 210002)

高难度、复杂的腹腔镜手术除对手术医生的技术水平要求提高之外，对腹腔镜手术的设备和器械也提出新的需要。三维立体(3D)腹腔镜克服传统腹腔镜显示图像景深感缺失的不足，最大限度地还原腹腔镜下的真实视野，为腹腔镜技术的发展与提高提供很大的方便。前期的实验和临床应用研究证实3D腹腔镜具有缩短腹腔镜手术时间、降低腹腔镜操作难度等诸多优势。相信今后3D腹腔镜将不断普及，并有可能成为新的技术标准。

腹腔镜； 三维立体； 手术机器人

随着腹腔镜技术的不断普及，腹腔镜手术的适应证范围也在不断拓展，高难度、复杂的腹腔镜手术成功开展标志着腹腔镜技术的发展已达到一个新的高度。与此同时，对腹腔镜手术医生的技术要求也相应提高，如镜下缝合、打结、吻合技术，镜下肿瘤切除与淋巴结清扫范围判定等，而所有这些也对腹腔镜手术的设备和器械提出新的要求。在图像显示技术方面，高清(high digital，HD)技术已普遍应用，HD提供的高分辨率、放大的图像有助于复杂手术的开展。近年来兴起的三维立体(three dimension，3D)显像技术在此基础上更进一步，能提供实时、放大、立体的图像，将手术图像显示技术推到一个新的高度，前期的实验和临床应用研究证实3D腹腔镜的诸多优势[1]，引起广泛关注。本文结合国内外相关文献介绍3D腹腔镜的原理及发展状况，阐述其临床应用的优势及局限，旨在推动该项新兴技术在临床的普及应用。

1 2D显像的不足

目前，常规腹腔镜所采用的是平面二维(two dimension，2D)图像显示，型号较新的腹腔镜结合HD技术，图像分辨率可达到1920×1080像素，图像清晰度高，并可在一定范围内按比例放大，基本满足常规手术的需要。2D显像技术最大的不足在于显示图像景深感(spatial depth)的缺失，导致术者在手术过程中对一些重要的解剖结构及其相对的位置等产生视觉上的误判，从而对手术产生一些不利的影响：①轻者影响到手术的流畅性和进度，延长手术时间；②重者可引起意外出血，以及神经和脏器损伤等严重的后果；③在肿瘤根治手术时，有可能导致淋巴结清扫不彻底；④增加腹腔镜下消化道重建手术的难度。虽然熟练的腹腔镜手术医生可以根据镜头的移动方向和进度、熟悉的解剖标志、器官间的相互位置，以及一些固定结构的大小等在手术时做出关于景深的判断，以补偿立体感缺失的不足，并能在不断的实际操作中逐步适应和提高[2]。但这种能力的获得需要长时间的培训和经验的不断积累，而且这种依靠术者经验做出的适应性补偿有时并不完全可靠。

2 3D成像原理及在腹腔镜显像技术中的应用

从原理上讲，人产生立体视觉的根本原因在于双眼的视差[3]。3D显示技术分为裸眼式显示和眼镜辅助式显示2种，裸眼式显示技术还不够成熟，目前进入临床应用的都是眼镜辅助式显示。从显示方式上，眼镜辅助式显示又分为色差式、主动式(快门式)和偏振式3种[4]。色差式显示是根据三原色互斥的特性，通过分色眼镜对图像的色彩进行分离，产生模拟的立体视觉。该法对显示及放映设备无特别要求，所需的眼镜价格低廉，但其成像有明显的色差，立体效果不佳，长时间观察对人的视觉有明显影响，所以不适合医学用途[5]。主动式显示根据时分法原理，用一台比正常帧率高2倍的高频率显示器，快速切换左右二侧的影像，同时，通过配戴特制的眼镜将左右二边镜片反复转变成透光和关闭2种状态，从而使显示器中的重叠部分分别传到左右侧眼，通过视觉残影的作用，在大脑中形成一幅3D的立体影像。该法立体效果比较突出，且能保持画面的原始亮度，不足之处是需要特制的眼镜，眼镜比较厚、重，配戴不适，成本较高，需要自带电源并预先充电，长时间观察易产生头晕、视觉疲劳等不适症状，而且容易受现场外界光源的影响。第1代3D腹腔镜采用的就是这种主动式的显示技术[6]。偏振式显示是根据偏振成像的原理，通过腹腔镜镜头前端的双摄像头同时拍摄图像，形成2个独立的视频文件，在镜头后部的CCU内对采集的图像信号进行特殊处理，通过改变液晶调制屏的偏振状态，使2个不同的偏振调制状态分别与左、右二路光学系统获得的图像同时呈现在屏幕上。当手术医生戴上一副左右眼与液晶屏幕偏振状态一致的无源偏振眼镜时，就会产生真实的3D视觉效果。该方法所需偏光眼镜价格低廉，色质损失小，画面稳定、不闪烁，不易产生视觉疲劳。但由于分光成像的缘故，所成3D图像的亮度有所降低，可视角度略有减小。目前，市场上可供的各种型号第2代3D腹腔镜普遍采用这种偏振式的显示技术[7]。

早在20世纪90年代腹腔镜技术开展之初，人们就认识到2D腹腔镜在视觉显像方面的不足。当时，全新的腹腔镜技术完全颠覆了传统手术中术者眼睛直视的方式，腹腔镜系统传输以及屏幕显示的方式造成距离感、立体感等方面的缺失使初步接触腹腔镜的手术医生难以很快适应和掌握[8]。1993年美国Baxter公司及时开发出第1代3D腹腔镜，投入临床试用并轰动一时。随后，陆续有报道第1代3D腹腔镜的临床应用效果，有些还与2D腹腔镜进行了简单的比较，结果证实3D腹腔镜能提供术中实时的立体图像显示，有助于手术医生准确判断解剖结构，加快适应腹腔镜下的操作环境[9]。但3D腹腔镜并未能如人所愿地缩短手术时间，也没有减少手术并发症的发生[10，11]。第1代3D腹腔镜采用主动式显示技术，当时还不够成熟，设备也不够完善，手术医生要佩戴特制的头套式显示器，既不方便，又容易出现头晕、目眩，甚至恶心、呕吐等不适症状，而且图像分辨率不高，全套设备的购置费用高出普通腹腔镜的数倍，加之当时开展的腹腔镜手术相对简单，对图像显示的要求不高[12，13]。因此，第1代3D腹腔镜未能在临床普及推广，此后亦未见其临床应用报道。

进入21世纪以来，腹腔镜手术在诸多领域取得突飞猛进的发展，腹腔镜技术进入新的发展阶段，复杂、高难度腹腔镜手术的开展对术中图像显示的质量与方式也提出更高的要求，传统2D显示显得力不从心。随着电子学、光学和材料科学的不断进步，3D显示技术有了飞速的进步，在众多范围的应用不断普及，已进入人们日常的娱乐和生活。近年来，为适应临床工作的需要，国外多家有实力的医疗设备公司，如Olympus、Storz、Viking和Braun等抓住机遇，积极参与研发，陆续推出各自品牌的第2代3D腹腔镜系统，并投入临床应用。第2代3D腹腔镜不仅克服2D腹腔镜的不足，还在第1代3D腹腔镜的基础上有了明显的发展，能提供真实的三维立体图像，最大限度地还原外科腹腔镜下的真实视野，从根本上解决术中由于图像景深感缺失引起的相关问题，为腹腔镜手术的顺利开展提供很大的方便。第2代3D腹腔镜普遍采用偏光式3D显示技术，手术医生佩戴偏光式眼镜，比较方便，头晕、目眩等不适症状也得以减轻，所提供的3D图像与视频信号在稳定性、流畅性和分辨率等方面得到提高，实用性明显增强[14，15]。第2代3D腹腔镜进入临床应用时间很短，手术医生对其普遍缺乏感性认知，加上个别厂家前期的一些不适当的夸大宣传，因此，在选购3D腹腔镜时需全面了解不同品牌、不同型号机器的技术特点，最好能够在不同的场合亲身参观、操作、体验，并结合单位的实际，综合考虑性能、价格、技术维护与支持、售后服务等因素，做出合理的选择。

3 3D腹腔镜的实验与临床应用研究

3D腹腔镜的实验研究大多采用腹腔镜模拟训练器完成，也有一些研究采用小型动物模型，实验研究的结果证实3D腹腔镜具有以下效果：①有利于腹腔镜下的手术操作。Alaraimi 等[16]在腹腔镜模拟训练器下采用经典的美国胃肠道与内镜外科医师学会(Society of American Gastrointestinal and Endoscopic Surgeons，SAGES)建立的腹腔镜外科学基础(foundamental laparoscopic surgery, FLS)技能组合的操作，如传递钉子、图案的剪切缝合、打结等进行实验，记录完成的时间、重复及失误次数等指标，结果显示3D腹腔镜组较2D腹腔镜组中位完成时间缩短(216 min vs. 247 min，P=0.266)，中位重复次数明显减少(108次 vs. 121次，P=0.008)，中位失误次数明显减少(27 次vs. 105次，P<0.001)。有动物实验[17]采用新西兰兔，在3D腹腔镜下完成肠切除吻合、Nissen胃底折叠等手术操作，结果显示与2D腹腔镜相比，3D腹腔镜可以显著缩短腹腔镜手术时间，无论是专家[(23.01±5.65)min vs. (29.51±7.51) min，P<0.01]还是住院医师[(27.95±3.69)min vs. (33.95±6.21)min，P<0.05]。②使用时术者会有一些不适的感受，如轻～中度的眩晕、头痛、视觉疲劳等，尤其近距离观察、镜头移动较快、长时间使用时。Zhou等[18]的一项19位腹腔镜使用者的交叉对照研究结果表明，虽然相对于2D腹腔镜，3D腹腔镜更容易产生一些眼部不适症状，但是绝大多数人表示这些不适感能够接受，今后也愿意继续使用。③降低腹腔镜操作的难度，明显缩短腹腔镜手术的学习曲线。Usta等[19]的一项由24位腹腔镜使用者参与的随机对照研究显示，3D腹腔镜提供的实时、放大、立体的图像，降低腹腔镜下操作的难度，对复杂手术的开展尤为有利。

临床调查研究表明，以简单的腹腔镜胆囊切除术为例，绝大多数手术意外事件的发生与术中视觉图像质量不好有关[10]。熟练的腹腔镜手术者可以通过训练获得经验，弥补2D显像的不足，但更多的临床研究表明3D腹腔镜的应用能明显降低手术操作出错的概率[20]。第1代3D腹腔镜除易被使用者掌握和接受外，并无其他明显的技术优势，未能在临床中广泛应用。2012年以来，第2代3D腹腔镜在腹部外科、心胸外科、泌尿外科、妇科等领域推广应用，报道的结果证实3D腹腔镜有以下几方面的优势[19，20]。①还原真实的视野，提供高清、放大、立体的图像，超越人眼的极限，精确显示手术区域内的组织层次与解剖结构，帮助术者快捷准确地识别，最大限度地避免血管、神经的损伤，使操作更精准，缩短手术时间，减少出血量，降低手术并发症发生率，保证手术安全，提高手术疗效。②放大的3D图像有助于术者根据准确的空间定位做出正确的判断与处置，在对组织的牵引方向和力度方面特别有帮助，更有利于完成精细的淋巴结清扫，保证肿瘤根治手术的安全与彻底。③有利于消化道的重建。腹腔镜下完成消化道的重建通常使用线性吻合器完成，在术者与助手配合过程中，需要确定吻合器和器官的相对方向与距离。2D腹腔镜下由于缺乏立体定位感觉，只有依靠术者的经验完成，容易操作不当。3D腹腔镜可以弥补这样的不足，有利于更好地完成吻合操作，保证手术的精度和安全。如果采用腹腔镜下手工缝合方式完成消化道重建，3D腹腔镜的技术优势愈加明显。④方便手术的转播、演示和教学。第2代3D腹腔镜配备完善的图像采集、加工系统，兼容性更好，手术转播过程中减少图像传输的延迟、失真，手术演示效果好。⑤适应性快，降低手术难度，对腹腔镜经验不足者的帮助更大。第2代3D腹腔镜可以显著降低复杂手术的学习曲线，缩短学习周期。⑥3D腹腔镜不增加手术器械、耗材等手术的直接费用，与普通腹腔镜手术费用相同。

同时，我们也应看到第2代3D腹腔镜在临床的实际应用时间不长，有些方面还不够完善，需要进一步改进[21]。①使用不太方便：第2代3D腹腔镜结构较复杂，普遍比传统腹腔镜笨重；手术医生需要配戴特制的偏光眼镜，对于原本就需要配戴眼镜者尤感不便；另外，3D腹腔镜是新的设备，其调试、操作和保养等需要专门的培训。②产品设计上存在不足：第2代3D腹腔镜普遍采用0°镜头，除个别品牌型号外，绝大部分镜头不能旋转，术者在使用时感觉不适应，在狭小空间，如盆腔内操作时尤为明显。③存在一定的不适感：长时间手术操作或镜头移动快时，术者会有不同程度的眩晕、视觉疲劳等不适症状，在开始使用时，都会有一段逐渐适应的过程。有些型号的3D腹腔镜可以在2D和3D模式之间转换，有经验的术者可以根据术中的情况灵活选择，减轻不适感。④价格高：相对目前主流的2D腹腔镜，第2代3D腹腔镜购置费用高，是前者的3～4倍。

4 前景展望

科学技术的发展不断推动微创技术的进步，腹腔镜手术的目的不仅仅是减少手术的创伤，更重要的是追求更好的手术效果。在图像显示技术上，从2D到3D是一场视觉的革命，3D技术在手术中的应用为复杂、高难度腹腔镜手术的开展提供了有力的保障。在应用第1代3D腹腔镜时，并未显示出比2D腹腔镜更明显的优势。随后出现的达芬奇手术机器人则借鉴、应用3D显示的理念和技术，掀起一场新的微创技术革命[22]。近年来，第2代偏振式3D腹腔镜进入临床应用，其在分辨率、安全性、舒适性等方面得到明显改善，实用性大为提高。与达芬奇机器人手术系统相比，3D腹腔镜灵活方便，无须特别安装、调试和定位，镜头轻便易控制、活动范围大，而且购置、设备维护等费用低(约为前者的1/6)，无额外的一次性手术消耗(每台机器人手术3万～5万元人民币)。从目前实际情况看，手术机器人尚难以在短期内普及，绝大部分常规并不需要在手术机器人下完成手术。3D腹腔镜今后的发展方向可能在：①开发出新型的3D腹腔镜，拥有4 K、8 K甚至更高分辨率CCD芯片的3D腹腔镜正在研制开发中，新的系统将具备更强大的功能，提供全高清的3D图像，达到甚至超过当前达芬奇手术机器人的视觉效果。②显示技术方面，多点裸眼显示技术的研发与应用，以及便携式无源偏振眼镜将在保证显示效果的前提下，让使用更方便。③设计更加合理、人性化，满足临床实际需要，使用者更舒适。④在不断普及的基础上，降低购置的价格，进一步推动3D腹腔镜普及，使其成为腹腔镜手术的新标准。

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(修回日期：2016-03-23)

(责任编辑：李贺琼)

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)

*通讯作者，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.