3D 影像

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3D   影像

Authors
A Garcia, D Mutter, I Jourdan
Media type
Publication
2005-09
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Audio
en fr cn


E-publication
WeBSurg.com, Sept 2005;5(09).
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02cn309a.htm

3D   影像

1. 引言
三维(3D)影像在进行精准手术上扮演重要角色，鉴于外科医师在开放手术时有完整3D影像，当进行腹腔镜手术时，他们无法有3D影像的立体组成，而必须学习在二维(2D)术野视线下操作，过去几年以来，制造商一直发展不同的解决办法，希望透过产生立体讯号再生深度知觉；虽然立体影像可以改善手术进行的观念已经相当清楚，但用来显示术野影像给外科医师的投射系统仍受限于现有技术而有所不足。
2. 历史回顾
在1904年，L.和 H. Loewenstein 因为立体膀胱镜获得德国的专利。
不幸地，当时的光学科技无法体现此新发明的潜力，直到1970年代时，R. Wolf 发明一种质量良好的立体内视镜，因为使用新型式的镜片而有更好的光学性质，但是此新设备却未如预期般广被使用，泌尿科医师仍继续使用单筒内视镜；随着内视镜手术扩大到其它更精细操作的专科，增加了发展3D影像的兴趣，目前，立体系统被常规用于眼科和经肛门手术，不过，在一般腹腔镜手术中，尚未充分发展到能和单筒内视镜视觉质量一样好的技术。
3. 3D影像生理学
• 双眼视觉
• 视觉
人类、大多数灵长类动物、猛禽和猫有双眼立体视觉，因为两个眼睛被安置在头颅的前面，并且朝着相同的方向看，因此他们的视野重迭。
为了避免双重影像，大脑以一个有协调性的方式(聚合与协调)聚焦在同样的点(固定的点)以控制双眼。
• 立体视觉
如果目标位置在9 公尺以内，双眼的视网膜影像投射有所不同，这种偏差称为横侧不等性，因为每个眼睛接受影像的角度有一点不同。脑部将这个不等性解读为所见物体的深度感觉，而产生立体视觉；距离越远，则立体视觉消失，这是因为眼睛的视轴几乎平行，脑部接受来自两眼的影像几乎没有差异；对于远的物体，大脑使用其它可获得的视觉暗示而产生深度感觉；我们可能注意到很多其它动物，例如鸽子、兔子和大多数的鱼，有全景的视力，它们的眼睛是在它们的头上，两眼之间的小重迭使其拥有非常广阔的视野，这使得它们不会有立体视觉。
• 影像解释
大脑利用我们的世界如何被建造的知识，去推断在视野内目标物的相关位置。
例子：
- 覆盖另一个物体的物体被视为比较接近观察者。
- 阴影表示一个物体和它的影子下方构造间的关系，例如在一个物体表面接触它的影子时，会显示与表面接触。
- 如果知道物体的真正尺寸，可以用来估计它的距离。
• 视差动作
因为视野里的物体是相对于观察者移动，大脑能确定相互之间的距离，判断这些物体彼此之间在视野内的相对距离；例如，当从火车的窗子向外望时，接近观察者的物体好像相对于地平线向后移动，且比远处的物体更迅速移动。
• 视觉动作讯号
• 协调
大脑使用眼球和晶状体的讯息加以调整而得知物体距离的线索。
晶状体收缩以获得一个靠近观察者物体的清楚视网膜图像。
• 聚合
为了聚焦在靠近观察者的物体，眼球往内转(聚合)，大脑将这个聚合动作解读为物体有多靠近观察者。
在正常状况下，人类可以使用这些深度线索达到精确的手眼协调；立体视觉是3D影像唯一的重点，即使没有它，仍会有深度感觉；此外，弱视的人将使用如前述的其它深度信息，来创造对他们的环境的心理上的3D架构，让他们可以有明显的深度感觉。

不幸地，标准的腹腔镜手术中，缺少这些信息，外科医师必须学习在2D影像下进行手术，这个不利条件使得外科医师需利用触觉信息来产生空间感，使得操作上较慢；较不精准且较不安全。
• 传统腹腔镜手术
• 缺点
传统腹腔镜手术有以下缺点：
- 影像起雾或模糊：
不像人眼可以固定地用眨眼和眼泪清洁，内视镜镜头的残留物会导致视线模糊及减少对比度和清晰度。
- 内视镜影像缺少影子：
光源是由内视镜顶端之镜头外围的光环投射，这使得影像相当明亮，但是缺少影子，各种解剖构造在相同的光线下看起来变得像是一片平坦。
- 缺少立体影像：
传统内视镜和摄影机是单眼的，不可能有立体影像。
- 不适当的聚合和调节：
当医师看着影像监视器，其晶状体和眼球适应了与屏幕的距离，而这个距离和腹腔镜术野内物体的实际距离没有对应关系，大脑无法用此信息来判断术野内物体的深度。
• 缺乏视差移动
当移动内视镜时，是缺少视差移动的，这一部分是因为内视镜可疑动的距离有限，另外也与腹腔镜可被移动的程度有限有关(只有 4 度自由度，而非6度)；事实上，因为腹腔镜中心轴在前腹壁，外科医师无法维持聚焦在一个解剖构造以及获得不同视角。
这些缺点致使深度知觉和精准移动对腹腔镜外科医师来说变得更复杂，医师必须以尝试错误的方式移动器械到达目标物，这会导致操作时稍微不顺和不准确。
4. 视觉状况
为了弥补这些与深度知觉有关信息的不足，发展了许多方式来改善3D效果。

创造阴影：
有两种技术：
- 从套管导入第二个光源，提供一个额外的间接光线；
- 配备有第二光源的内视镜，在内视镜顶端有不同轴线的光源。
藉由加入间接光源，阴影被投射到所看的构造上，创造一个新的深度感觉。

立体视线：
分别传送两个不同的影像到两眼，以创造双眼视觉。
立体内视镜包括两个5 mm 光学系统，组装在有两个摄影机的单一内视镜，每一个摄影机从各自的影像传输线接收影像。这个系统仿真人眼在看小范围的情况，两个摄影机所接收的影像稍有不同，因为两个镜头之间的距离平均只有6 mm，相当于两眼之间距离的1/10，可以产生有效立体影像的距离只有10 cm；另一个缺点是，这两个光学系统必须在一个正常尺寸的内视镜(10-12 mm)上，因此减少了光线传递的质量，另外，无法避免地，就是这些系统更昂贵。

为了避免立体内视镜的这些缺点和高花费，有些系统使用配备有棱镜的单一内视镜，棱镜可以将影像分成两个独立的影像，之后再送往两个摄影机，其余的影像处理和立体内视镜系统相同，此一系统可以获得较佳的影像分辨率和较高的亮度，3D效果明显但不真实。

数字影像处理：
肉眼察觉的对比度优于处理过的明亮度变化，数字影像处理增加了对比度和轮廓，可以帮助组织边缘清楚，因而以人工方式建立3D效果。

对于较旧的摄影机，利用分辨率和色彩演译达到此效果，新的摄影机不再有此缺点，最新一代的数字摄影机预期可以提供更进步更好的影像处理，可以在无损质量的情况下建立3D效果。

改善摄影机屏幕的分辨率：
影像的分辨率越佳，就可以看得越详细，这有助于增加3D感觉，目前摄影系统的分辨率，PAL标准约为600水平线(NTSC 标准约为500线)，比肉眼的分辨率低，高分辨率系统如 HDTV (高分辨率电视/High Definition TeleVision)，PAL影像有1250水平线(NTSC 影像有1050线)，可以改善3D感觉；目前，这些系统类型是昂贵且很少用于消化道手术。
5. 可用材料
• 创造阴影
• 选项 1
有许多技术发展用来产生3D 影像，以下仅为简列。
创造阴影
- 从套管导入第二光源；
• 选项2
- 内建有第二光源的内视镜：MGB的 ‘’Shadow Telescope’’ 。
这是建立深度感觉一个比较经济的方式，但很少使用。
• 立体视觉：创造影像
基于立体视觉的原则，不同的系统被发展用来创造3D影像。
- 有两个光学系统的真实立体内视镜(有两个影像管)和两个摄影机，每个摄影机接收单一影像管的影像。
- 内建有可以将影像分成两个影像的棱镜的单一内视镜，这两个影像送往两个摄影机。
为了让大脑创造3D影像，分开的影像必须分别投射到双眼，存在3个投影系统。
• 立体视觉：显示屏
• 头座
有分开的整合屏幕头座：每一个影像投射在每只眼睛前面小的、彩色的LCD屏幕，影像是小的且LCD屏幕分辨率有限，因此降低了影像质量，其它缺点包括外科医师在视觉上切除手术空间之外的事实，且必须配戴头座。
• 活动镜片
活动遮幕镜片：每一影像 (右边和左边)分别投射到刷新率100 Hz的PAL系统屏幕(NTSC系统则是120 Hz)。使用一个红外线传递器产生与刷新率同步的讯号，外科医师戴液晶眼镜，清澈与不透光交替，以使每一影像只被适当的眼睛看见。每个眼睛接受的有效影像刷新率为50 Hz(PAL系统)或者60Hz (NTSC系统)。闪烁无法察觉，可以避免眼睛疲劳。之后大脑利用两个不同的影像重建3D影像，液晶眼镜有引起视觉疲劳的缺点。
• 被动式眼镜
被动式偏光眼镜：两个影像以100 Hz的交替频率投射在单一屏幕，屏幕前的一个主动偏光滤镜将影像先垂直偏光再水平偏光；外科医师配戴被动偏光眼镜，其中一个镜片视垂直偏光，另一个是水平偏光，每个眼睛只接受两个影像其中之一。影像明亮度减少约50%，导致在缺乏对比之下产生一个模糊影像，这个系统也会引起视觉疲劳。
这些系统都提供3D效果，或多或少成功。不幸地，影像质量仍然不如2D系统。
• 数字影像处理
今日所有的摄影机都可以增加对比度和促进影像的数字效果，以能更佳地分辨平面和以人工创造深度感觉。
最新的数字摄影机提供多重影像处理特征，改善彩色演译和3D效果，数字科技的主要好处是可以储存信息而无任何破坏。

拜数字科技之赐，现在的摄影机可以产生接近真实的高质量影像，可以适应手术时遇到的不同状况 (预设的参数可以根据手术和内视镜类型而调整)，处理这幅图像获得准确的颜色是可能的，类似于在开放手术期间察觉的颜色，并且将构造接近摄影机时产生之折射所造成的眩目影像限制在最低程度，维持好的，总亮度并在阴影区增加对比。
6. 优点/缺点
产生3D影像的技术是可行且持续改善的，这些系统的优点在实验状态被介绍，但在临床则尚未获证实，目前的3D投影系统仍比不上最新一代的2D摄影机，目前3D系统所导致的视觉疲劳是一个考虑因素，此外，相关花费也比较多。

除非有研究可以证明这些系统在临床上有优势，否则，将仅局限于少数特定运用(例如冠状动脉和管状微缝合)。
7. 结论
腹腔镜手术时没有3D影像是外科医师需面临的一项挑战，随着他们的经验增加，可以发现新的空间标记，再者，数字摄影机的持续进步，改善了数字影像处理的深度知觉，相较之下，目前的立体系统仍导致显着的视觉疲劳，且其复杂度及增加的花费，使它们目前没有比较占优势；技术进步获得耐受度佳的高质量立体系统，可以在未来被常规使用。