三维腹腔镜技术在一体化手术室中的应用

朱 立 周菁楠

三维腹腔镜技术在一体化手术室中的应用

朱 立①周菁楠①

腹腔镜等微创手术技术在肿瘤治疗领域飞速发展，由于原有二维腹腔镜缺乏空间感知能力已经无法满足目前手术的需要，三维腹腔镜技术应运而生并得到广泛发展。在总结传统二维腹腔镜技术与三维腹腔镜技术区别的基础上，对三维信号显示技术的分类、常见格式进行分析。介绍引入三维技术的一体化手术室构成及信号格式和信号转播方法，展望三维腹腔镜技术在手术室中的应用前景。

三维技术；一体化手术室；腹腔镜手术；信号转播

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

自1987年法国医生Mouret首创的腹腔镜胆囊切除术(laparoscopic cholecystectomy，LC)以来，随着微创技术的不断发展，腹腔镜已经得到了广泛的应用，并逐渐成为了外科领域发展的大趋势[1]。然而，根据统计资料显示，在年度共开展手术近2万人次的三等甲级医院中，腔镜手术的比例高达70%，其中胸部肿瘤外科、腹部肿瘤外科、妇瘤科以及头颈肿瘤外科等科室年手术量均位于杭州区域前列。与传统开放手术相比较，微创手术凭借着疼痛轻、术中术后出血量少以及微创伤的特点，已经被人们所接受[2]。

1 三维一体化手术室建设目的

目前，主流的微创手术仍然停留在二维腔镜阶段，作为标准的腔镜手术，其术野为二维平面图像，与实际的三维空间存在着较大的不同，操作者往往需要凭借着个人经验和熟练的手法来进行操作，这对医生提出了很高的要求[3-4]。以浙江省肿瘤医院为例，培养一名合格的腔镜主刀医生需要大量的时间，必须经过反复的理论基础知识学习和腹腔镜模拟训练、动物实验以及手术演示之后，经过考核合格后才能够成为一名腔镜医生。为了在手术过程中完整的展示出三维图像，并且降低由于在有限的空间视野内操作造成的失误，三维腔镜手术应运而生。与传统二维腔镜相比较，三维腔镜对术野距离的判断更加容易，手术操作更加精准(具有10倍的图像放大功能)，并且能够显著地缩短学习曲线，几乎适用于所有的外科微创手术领域[5-7]。

医院引进的2间STORZ一体化手术室系统，可实现多平台整合、高兼容性以及数据方便传输的三大特性。不同品牌的设备能够被整合在SCB中进行统一操作和管理，通过AIDA系统进行视频信号的采集和存储，通过AV系统对手术进行实时转播及远程示教，将三维技术引入一体化手术室成为了可能。

2 三维影像技术及三维腔镜技术

2.1 三维显示技术的分类

利用人眼间距形成“视差”，这是三维影像技术及三维腔镜技术的基础[8]。三维显示技术主要分为眼镜式三维技术(成熟)和裸眼式三维技术。其中，眼镜式三维技术又可以分为色差式、偏光式和快门式3种(如图1所示)。

图1 三维显示技术分类框图

(1)色差式三维，即波分法(红蓝分光)。利用三原色互斥的特性，在左右两张图像冲印到一张底片时，可利用色分眼镜进行完美分离。优点是眼镜价格低廉，对显示以及播放设备无任何要求，任何彩色显示设备都可以；缺点是显示效果差，图像不能全色显示，长时间观看会对人眼产生有害的影响。

(2)偏光式三维，即光分法。分为线偏振和圆偏振两种，均利用偏振光不同方向的原理[9]。优点是眼镜价格低廉，色彩损失小，无闪烁，不会造成头晕和眼疲劳；缺点是可视角度小，对显示器频率要求较高(达到240 Hz)。

(3)快门式三维，即主动式。利用时差来达到三维显示效果。优点是残影少，三维效果突出，能保持画面原始分辨率和亮度；缺点是眼镜成本高，需要充电。长时间观看易产生疲劳和晕眩，也容易受到外界光影响(易与日光灯频率互相影响)。

(4)裸眼式三维。利用色彩灰度的不同而使人眼产生视觉上的错觉，从而将二维的屏幕画面感知为三维图像[10]。裸眼式三维技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，但是分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在很多不足。在观看的时候，需要和显示设备保持一定的位置才能看到三维效果的图像(三维效果受视角影响较大)，三维画面和常见的偏光式三维技术和快门式三维技术尚有一定的差距，因此多用于民用电视领域。

2.2 三维信号的常见格式

三维信号的常见格式主要有水平交错、左右格式、上下格式及棋盘格式4种。

(1)水平交错。该格式是基于三维算法的三维格式，左右图像各自抽取一半的垂直方向的像素线，然后左右图像的像素线1条隔1条排列成1帧。这种格式可以直接输出到偏振三维电视上，不用再做左右图像像素线的交错排列，而且所有像素都能有效利用，不用做拉伸处理。

(2)左右格式。该格式是基于二维算法的三维信号格式，与二维设备兼容。将同步的左右图像各自在水平方向上压缩为1/2，高度不变合成为1帧。此种格式在数据存储和解码上和二维的视频完全相同，可以直接利用现有的解码软硬件，目前主流的三维腹腔镜均采用此种信号格式。

(3)上下格式。该格式是基于二维算法的三维信号格式，与二维设备兼容。将同步的左右图像各自在垂直方向上压缩为1/2，宽度不变合成为1帧。此种格式在数据存储和解码上和二维的视频完全相同，可以直接利用现有的解码软硬件，通用性比较好。

(4)棋盘格式。该格式是基于三维算法的三维格式，左右眼图像被以非常细小的棋盘格均匀分布显示在屏幕上，左右眼各占一部分棋盘格，通过眼镜的过滤，使左眼只能看到左眼图像的棋盘格，右眼只能看到右眼图像的棋盘格，最后形成立体图像。

3 三维一体化手术室的构成

一套完整的三维腹腔镜系统主要包括1台支持三维显示的高清医用级监视器、三维腔镜主机、摄像头、腔镜镜头、冷光源、光纤以及三维眼镜[11]。为了满足需要将三维腹腔镜系统“移植”到一体化手术室中，从而达到方便医生操作且易于示教的目的。

3.1 SCB系统

在手术室中医疗设备众多，设备的集中控制需要SCB通讯系统。通过SCB连接线，SCB通讯系统能够自动识别已连接的设备并进行连接。用户可以随意增加或者减少现有设备，最多可以利用串行控制总线控制31台设备。设备包含三维腔镜系统、光源、气腹机、手术床、电刀、能量平台以及超声刀等设备。医生可以根据手术类别选择需要连接的设备种类和数量(如图2所示)。

图2 SCB连接示意图

3.2 信号连接

腔镜设备连接单一显示器的原理十分简单，直接单信号源通过单线缆链接输出到唯一的显示终端即可。若实现单信号源输出到多个显示终端或者多信号源要显示到多个显示终端，则需要通过一体化手术室的控制机柜，对信号进行整合，实现信号格式转换和信号自由切换[12-13]。控制机柜信号整合方式如图3所示。

图3 控制机柜信号整合示意图

3.3 常见信号接口

在一体化手术室内有多种格式的视频信号，分别需要通过不同的信号接口来进行传输，较为常见的有DVI接口，SDI接口和VGA接口，前两种信号属于高清数字信号，VGA信号属于标清模拟信号。信号整合的目的是解决同一系统中的不同信号切换问题、解决传输过程中信号种类多样问题以及解决传输过程中线缆布设过多问题。

3.4 信号转播

为了实现示教以及远程手术的目的，必然涉及到对信号进行转播，目前主流的转播方法有网络转播和光纤转播两种[14]。以转播三维腔镜信号为例，阐述两种转播方式的优缺点。

(1)网络转播。网络转播的优点是成本较低，且适合多点连接；缺点是信号容易受到干扰，且存在延时，一般适用于会议和非诊断级的信号传输。三维高清腹腔镜输出产生的1080P全高清信号，由于携带的数据量巨大，对带宽提出了很高的要求[15-16]。网络转播可以分为单向传送和双向传送两种，一般在进行转播时需要单独租用特殊频段的电信网络IP，在满足带宽的同时避免产生干扰，如图4所示。

图4 网络转播框图

(2)光纤转播。光纤转播的优点是信号比较稳定，不会被干扰，不存在延时；缺点是成本较高，不适合多点连接。光纤转播分为多模光纤传送和单模光纤传送两种模式，其中多模光纤可以实现5～500 m内的无损传输，单模光纤可以实现0.5～30 km内的无损传输(如图5所示)。

图5 光纤转播框图

4 展望

随着微创技术的快速发展，三维腹腔镜技术在手术、教学和科研中的应用将会成为医院数字化建设的新动向[17-18]。然而，三维腹腔镜技术仍存在以下不足，如需要在一定距离以上佩戴三维眼睛观看才有效果，显示器的中心必须与人眼水平，不能长时间佩戴三维眼镜，同时由于容易受到外来光线的干扰，因此需在全黑或者较暗的环境下进行手术。

构建三维一体化手术室有助于提高手术效率，通过还原三维图像使医生进行更加精准的手术，同时借助于信号的集总和转播，能够起到示教作用，相信三维腹腔镜技术在一体化手术室的应用定会具有较好的前景[19-20]。

[1]徐大华.从微创外科技术应用纵观微创外科理念发展[J].中国微创外科杂志，2011，11(2)：102-103.

[2]赵大川，黄宗海，邹兆伟.3D腹腔镜系统的临床应用进展[J].南方医科大学学报，2014(4)：594-596.

[3]姚健，桑晓梅，罗黔.3D高清腹腔镜手术的临床应用探讨[J].西部医学，2013，25(4)：513-514.

[4]艾星，滕竞飞.3D腹腔镜技术的发展状况、主要优势及临床应用[J].武警医学，2014(12)：1189-1192.

[5]练向群，包娟，张莹，等.3D腹腔镜系统在外科手术中的应用[J].医疗卫生装备，2014，35(11)：134-136.

[6]李化升，罗超，杨华，等.3D高清腹腔镜成像系统在泌尿外科手术中的初步应用[J].广西医学，2015(2)：176-177.

[7]仲辉.现代化手术室设备管理探讨[J].中国医学装备，2014，11(3)：78-80.

[8]刘峰，李振叶，张洁，等.3D视频数字化手术室系统的设计与应用[J].中国数字医学，2014，9(12)：17-19.

[9]陈广飞，周丹，张茜.达芬奇手术机器人系统在医疗中的应用[J].机器人技术与应用，2011(4)：11-13.

[10]王锡山.3D腹腔镜技术在微创外科中的现状与思考[J].中华结直肠疾病电子杂志，2014(3)：15-17.

[11]杜祥民，张永寿.达芬奇手术机器人系统介绍及应用进展[J].中国医学装备，2011，8(5)：60-63.

[12]秦军，周腾贤，赖昌生，等.3D高清腹腔镜在直肠癌手术中的临床应用[J].右江民族医学院学报，2014(5)：737.

[13]项楠，方驰华，范应方，等.三维可视化技术联合3D腹腔镜在肝胆外科的应用[J].中华消化外科杂志，2014，13(4)：306-309.

[14]方驰华，方兆山，范应方，等.三维可视化、3D打印及3D腹腔镜在肝肿瘤外科诊治中的应用[J].南方医科大学学报，2015(5)：639-645.

[15]Tanagho YS，Andriole GL，Paradis AG，et al.2D versus 3D visualization：impact on laparoscopic proficiency using the fundamentals of laparoscopic surgery skill set[J].J Laparoendosc Adv Surg Tech A，2012，22(9)：865-870.

[16]Storz P，Buess GF，Kunert W，et al.3D HD versus 2D HD：surgical task efficiency in standardised phantom tasks[J].Surgical Endoscopy，2012，26(5)：1454-1460.

[17]张保，司马晋.3D腹腔镜的运用现状[J].临床外科杂志，2014，22(2)：83-86.

[18]董振环，张海燕，李铁军，等.三维腹腔镜与二维腹腔镜临床应用优势比较[J].中国医学装备，2016，13(8)：35-37，38.

[19]杨国华.一体化手术室是设备数字化集成的新模式[J].中国医学装备，2007，4(10)：20-22.

[20]马潞林，颜野.3D腹腔镜的原理及临床应用前景[J].现代泌尿生殖肿瘤杂志，2014(2)：65-68.

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浙江省肿瘤医院设备科 浙江 杭州 310022

朱立，男，(1990- )，本科学历，助理工程师。浙江省肿瘤医院设备科，从事医疗设备研究和维修工作。