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Vision 3D
作者群
摘要
Le chapitre sur la vision 3D présente toutes les caractéristiques techniques de la 3D et de son application dans le bloc opératoire.
Les points techniques de ce chapitre sont présentés étape par étape : historique, physiologie de la vision 3D, besoins en laparoscopie, mMatériel disponible, avantages et inconvénients.
Les points techniques de ce chapitre sont présentés étape par étape : historique, physiologie de la vision 3D, besoins en laparoscopie, mMatériel disponible, avantages et inconvénients.
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媒體類型
 刊物
2005-09
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普通的
最愛
 音訊
   |
數位出版
WeBSurg.com, Sept 2005;5(09).
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02fr309a.htm
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02fr309a.htm
Vision 3D
1. Introduction
La vision en 3 dimensions (3D) apparaît comme un paramètre important influençant la qualité d’un geste contrôlé, précis et fiable. Si cela va de soi en chirurgie ouverte, une des caractéristiques de la laparoscopie est de n’offrir le plus souvent qu’une vision en 2 dimensions (2D) d’un espace de travail qui est bien en 3D. Depuis quelques années, les constructeurs développent et proposent différentes solutions afin de restituer les paramètres des 3 dimensions et surtout de palier à l’absence de profondeur induite par la 2D. La plupart de ces solutions sont basées sur une vision stéréoscopique. L’usage de ces endoscopes stéréoscopiques ne semble pourtant pas apporter les bénéfices escomptés, probablement parce que la perception de la profondeur ne se résume pas à la seule vision binoculaire.2. Historique
En 1904, L. et H. Loewenstein déposèrent un brevet allemand pour leur stéréocystoscope. Malheureusement, la mauvaise qualité des optiques empêcha une réelle utilisation de cette invention. Ce n’est que dans les années 1970 que R. Wolf mis au point et proposa un stéréo-endoscope de bonne qualité grâce à de nouvelles lentilles permettant une bonne vision. Malgré l’intérêt porté à ce nouveau matériel, il n’eut pas la diffusion espérée et les urologues continuèrent à travailler avec des endoscopes monovision. Avec l’extension de la chirurgie endoscopique à d’autres spécialités demandant la réalisation de gestes plus complexes, un nouvel engouement pour la vision 3D est apparu. Actuellement, les stéréo-endoscopes ne sont employés de routine qu’en chirurgie trans-anale. Pour les autres procédures, le matériel à disposition n’apportait pas, jusqu’à présent, une qualité suffisante pour permettre un réel bénéfice par rapport à un bon endoscope 2D pour s’imposer en pratique quotidienne.3. Physiologie vision 3D
• Vision binoculaire
• Vision
Pour appréhender avec justesse la perception des distances et des mouvements d’une image perpendiculaire à la rétine, le cerveau humain utilise différentes sources d’information spatiale pour bénéficier d’une bonne reconstruction mentale de l’image 3D. Nous allons passer en revue les différents éléments et principes impliqués.Les humains, la plupart des primates, les oiseaux de proies et les félins possèdent une vision binoculaire stéréoscopique. Comme les 2 yeux sont placés à l’avant du crâne et regardent dans la même direction, leurs champs visuels se chevauchent considérablement. Afin que les images que nous regardons ne soient pas dédoublées, le cerveau commande l’orientation des 2 yeux de telle sorte qu’ils se focalisent exactement sur le même point (point de fixation) de manière coordonnée (convergence et accommodation).
• Vision stéréoscopique
Si l’objet est situé assez près (environ < 9 mètres), la projection rétinienne de l’image de cet objet n’a pas lieu au même endroit dans chaque œil. Cette déviation est appelée disparité latérale et est due au fait que chaque œil capte les images sous un angle légèrement différent. Le cerveau est alors capable de fusionner ces 2 images différentes permettant d’avoir une vision mentale stéréoscopique contribuant à l’effet de 3D. Cette vision stéréoscopique 3D ne fonctionne cependant pas lorsque l’objet est trop éloigné, car les axes visuels des yeux sont parallèles et l’image ne se projette alors pas dans l’aire de fusion de Panum, située proche de la fovéa. Dans cette situation, le cerveau utilise d’autres informations disponibles afin de recréer une image mentale en relief. A noter que beaucoup d’autres animaux, comme les pigeons, les lapins et la plupart des poissons, sont dotés d’une vision panoramique. Leurs yeux sont placés sur les côtés de la tête, ce qui leur permet d’avoir des champs visuels très larges, mais qui se chevauchent très peu, empêchant toute vision stéréoscopique.• Interprétation de l’image
Ces informations sont données par l’image rétinienne elle-même et concernent les distances et mouvements perpendiculaires à cette image. Quelques exemples :- un objet recouvrant un autre objet se trouve forcément plus proche de l’observateur ;
- la présence d’ombres permet de situer les plans des objets les uns par rapport aux autres. Par exemple, un objet touche une surface lorsqu’il touche son ombre qui est sur la surface ;
- la taille relative d’un objet permet d’estimer sa distance si sa taille réelle est connue.
• Parallaxe de mouvement
Ces informations concernent les changements de positions réciproques des objets dans l’image rétinienne lorsque le point de vue des yeux change.Deux objets situés à une distance différente de l’observateur seront déplacés l’un par rapport à l’autre dans les 2 images rétiniennes en fonction de leur distance respective. La taille du déplacement relatif donne l’information sur leur position spatiale. La différence de l’écart entre les 2 images rétinienne diminue avec l’éloignement des objets pour disparaître au-delà de 9 mètres. Les 2 images rétiniennes sont alors quasi-identiques et empêchent le cerveau de faire une différence.
• Signaux visuo-moteurs
• Accommodation
Ces informations concernent les mouvements des globes oculaires et des cristallins nécessaires pour focaliser l’image rétinienne sur un objet.Il s’agit de la contraction du cristallin pour obtenir une image rétinienne nette d’un objet.
• Convergence
Il s’agit de la rotation interne sur un plan horizontal des 2 globes oculaires afin de se focaliser sur l’objet (point de fixation). L’image de l’objet est de ce fait projetée à un endroit différent dans chaque rétine (disparité latérale). Le cerveau interprète cette discordance pour évaluer la profondeur.En situation normale, l’être humain est capable d’utiliser toutes ces informations indirectes de profondeur afin de réaliser des manipulations dans l’espace avec une bonne coordination œil-main. Il est important de remarquer que la suppression de la stéréovision n’empêche pas une vision 3D. En effet, le sujet amblyope va utiliser les autres informations et se faire de nouveaux repères lui permettant une reconstruction mentale en 3D et de réaliser les mêmes gestes qu’auparavant.
Malheureusement, en chirurgie cœlioscopique standard, la plupart de ces informations font défaut, obligeant le chirurgien à apprendre à se déplacer dans un espace en 3D avec une vision en 2D. Ce handicap l’oblige à trouver d’autres informations, principalement haptiques, pour se repérer et se déplacer, rendant le geste moins rapide, moins précis et moins sûr.
• Cœlioscopie conventionnelle
• Inconvénients
La cœlioscopie réalisée de façon conventionnelle entraîne les inconvénients suivants :- Image brouillée par la buée ou des salissures :
Contrairement à l’œil humain qui est lavé régulièrement par les larmes et le battement des paupières, la présence d’un résidu sur l’extrémité de l’endoscope apparaissant au 1er plan de l’image va brouiller la vision et diminuer le contraste et les reliefs.
- Absence d’ombre sur l’image de la caméra endoscopique :
Le fait que la source de lumière soit située à l’extrémité de l’endoscope, créant un anneau de lumière intense autour de la lentille, permet une image brillante, mais en général dépourvue d’ombre. Cela écrase les différentes structures sous une lumière uniforme, restituant une image plane, sans volume.
- Absence de stéréovision ou de parallaxe de mouvement :
Les endoscopes et les caméras traditionnels sont monoculaires, empêchant toute stéréovision.
- Inadéquation de l’accommodation et de la convergence :
Lorsque le chirurgien regarde le moniteur opératoire, ses cristallins et ses globes oculaires convergent et se focalisent sur l’image de l’organe à l’écran. Or, celle-ci n’est pas située à la même distance que l’organe réel, empêchant d’utiliser ces informations visuo-motrices pour percevoir la profondeur.
• Absence de parallaxe
Lorsque l’endoscope est déplacé, la parallaxe de mouvement est négligeable. Ceci est dû d’une part aux faibles distances de déplacement possibles, mais surtout en raison de la perte d’une partie des degrés de liberté (de 6 à 4). En effet, le fait que l’endoscope ait un point de rotation au niveau de son passage dans la paroi abdominale empêche d’observer une structure anatomique avec différents points de vue tout en restant focalisé sur cette structure.Ces inconvénients rendent la perception de profondeur et la précision des mouvements complexes pour le chirurgien cœlioscopiste qui doit, surtout en début d’expérience, procéder par tâtonnement avec l’extrémité de son instrument pour atteindre sa cible, rendant le geste moins fluide et moins fiable.
4. Besoins en laparoscopie
Pour compenser le manque d’informations nécessaires à la perception de la profondeur, plusieurs solutions ont été développées pour permettre d’améliorer le relief. Création d’ombres :
Deux solutions techniques existent :
- soit une seconde source de lumière intégrée à un trocart, ce qui permet un éclairage indirect additionnel ;
- soit un endoscope pourvu d’une deuxième source de lumière, d’orientation différente de la source axiale située à son extrémité.
Le fait d’ajouter une lumière indirecte en plus de la source située à l’extrémité de l’endoscope permet de projeter des ombres sur les structures visualisées, recréant ainsi une nouvelle sensation de profondeur.
Stéréovision :
Deux images distinctes sont envoyées séparément à chaque œil afin de recréer une vision binoculaire.
Un stéréo-endoscope consiste en 2 systèmes optiques de 5 mm réunis dans un seul endoscope monté d’une double caméra, chacune recevant l’image d’une optique. Les inconvénients principaux sont la distance entre les 2 optiques (6 mm en moyenne, soit 1/10 de la distance chez l’homme) rendant la zone de travail effective proche et réduite et le fait que les 2 systèmes doivent tenir dans un endoscope de taille normale (10-12 mm), diminuant ainsi le diamètre de chaque canal et réduisant d’autant la quantité de lumière transmise. Cette technologie demande beaucoup de précision, entraînant un surcoût non négligeable de ce type d’endoscope. Les images recueillies par les 2 caméras ont donc un point de vue légèrement différent, comme les images rétiniennes en situation « ouverte ».
Afin d’éviter les inconvénients et le surcoût des stéréo-endoscopes, certains systèmes utilisent un mono-endoscope doté d’un prisme au niveau de l’oculaire qui sépare l’image en 2 pour l’envoyer à 2 caméras. Le reste du traitement de l’image est identique au système complètement stéréoscopique. Si cela permet d’obtenir une meilleure définition de l’image avec plus de luminosité, l’effet 3D est moins franc du fait que les 2 images sont identiques.
Traitements numériques de l’image :
L’œil humain perçoit mieux les contrastes que les variations progressives de luminosité. L’augmentation du contraste et le rehaussement digital des contours par traitement numérique de l’image permettent de mieux individualiser les plans et ainsi de créer artificiellement un effet de relief.
Sur les anciennes caméras, cet effet se faisait aux dépens de la définition et du rendu des couleurs. Les nouvelles caméras n’ont plus cet inconvénient et la dernière génération de caméras numériques laisse espérer un traitement évolué et performant de l’image permettant de créer artificiellement du relief sans perte de qualité.
Amélioration de la résolution du système caméra-moniteur :
Plus la définition d’une image est bonne, plus il existe de détails visibles. Cela permet d’augmenter la perception du relief. La définition des systèmes vidéo actuels est d’environ 600 lignes horizontales pour la norme PAL (environ 500 lignes pour la norme NTSC), ce qui est très inférieur à celle de l’œil. L’utilisation d’un système haute définition comme la TVHD (TéléVision Haute Définition) dont la résolution horizontale est de 1250 lignes pourrait améliorer la perception du relief. Ces systèmes sont pour l’instant cher et peu courant en chirurgie digestive.
5. Matériel disponible
• Création d’ombres
• Option 1
Plusieurs technologies ont été développées afin de recréer une image « 3D ». La liste des technologies décrites ici n’est pas exhaustive.Création d’ombres :
- seconde source de lumière intégrée au trocart ;
• Option 2
- endoscope pourvu d’une deuxième source de lumière : « Shadow Telescope » de MGB.C’est un moyen économique de recréer une nouvelle sensation de profondeur, mais peu utilisé.
• Stéréovision : création de l’image
Différents systèmes ont été développés afin d’obtenir une image en relief à partir du principe de la stéréovision.- les vrais stéréo-endoscopes avec 2 systèmes optiques montés d’une double caméra, chacune recevant l’image d’une optique ;
- les mono-endoscopes doté d’un prisme au niveau de l’oculaire séparant l’image en 2 pour l’envoyer à 2 caméras.
Pour que le cerveau soit capable de créer une image en relief, il faut qu’il puisse percevoir chaque image séparément. Au moins trois procédés existent.
• Stéréovision et projection/image
• Casque
Casque avec écrans séparés intégrés : chaque image est projetée sur un petit écran LCD couleur placé juste devant chaque œil. Les images sont petites et la résolution des écrans LCD est limitée. De ce fait, la qualité de l’image s’en ressent. Un autre inconvénient est que le chirurgien est totalement coupé visuellement du reste de la salle et qu’il doit porter un casque.• Lunettes actives
Lunettes actives obturantes : chaque image (droite et gauche) est projetée en alternance sur le moniteur avec une fréquence de rafraîchissement de 100 Hertz, soit 50 images par seconde avec le système PAL (120 Hz, 60 images/seconde, système NTSC) afin que l’œil ne puisse pas détecter de scintillement et se fatiguer. De manière synchronisée avec le moniteur via rayon infra-rouge, les lunettes à cristaux liquides portées par le chirurgien vont alternativement passer d’un état transparent à un état opaque de telle sorte que chaque œil ne perçoive que les images qui lui sont destinées. Le cerveau reconstruit alors l’image en 3D à partir des 2 images alternées de manière imperceptible. Les verres à cristaux liquides ont l’inconvénient d’entraîner une fatigue visuelle. • Lunettes passives
Lunettes passives polarisantes : un filtre polarisant est placé sur le moniteur et va polariser chaque image projetée en alternance en image droite et gauche selon un axe opposé. Le chirurgien porte des lunettes avec des verres polarisés opposés pour chaque œil permettant de laisser passer l’image correspondante. Une réduction de la luminosité de l’image d’environ 50% rend l’image très terne et sans contraste, sans compter la fatigue visuelle entraînée.Tous ces systèmes donnent avec plus ou moins de réussite une image en relief. Malheureusement, en pratique, leur qualité reste inférieure à une bonne vision en 2D.
• Traitement numérique/image
Toutes les caméras actuelles permettent d’augmenter le contraste et de rehausser les contours par traitement numérique de l’image afin de mieux individualiser les plans et créer artificiellement un effet de relief.Les plus récentes caméras numériques offrent de multiples traitements de l’image afin d’améliorer la qualité du rendu et de l’effet de relief. L’avantage principal du numérique est la conservation de l’information sans dégradation puisqu’elle est codée sous forme de chiffres. Cela permet de traiter et de transmettre le signal sans ajouter de bruit. Il est donc intéressant de numériser l’information le plus tôt possible afin d’éviter toute perte ou distorsion.
Grâce à la technologie numérique, les caméras permettent d’obtenir une image de qualité, la plus proche de la réalité, adaptable aux différentes situations rencontrées (tables de paramètres pré-réglées en fonction du type de chirurgie, d’endoscope, etc.). Il est possible de traiter l’image pour obtenir des couleurs réalistes, proches de celles rencontrées en chirurgie ouverte, de limiter la surbrillance renvoyée par une structure proche de la caméra, tout en gardant une bonne luminosité globale et en augmentant le contraste dans les zones d’ombres.
6. Avantages et inconvénients
Les technologies « 3D » permettent le rendu d’images dont « l’effet 3D » s’améliore continuellement. Le bénéfice de ces méthodes n’est pas évalué, car elles restent peu performantes par rapport à la vision directe. Il faut toujours les comparer aux caméras 2D de dernière génération dont la qualité s’améliore sans cesse, rendant le bénéfice de la 3D moins évident. La plupart des études sont partagées quant à un éventuel avantage significatif par rapport à la 2D. Une conclusion reste presque unanime : la fatigue visuelle générée par ces différents systèmes ainsi qu’un surcoût important par rapport au matériel « standard ». De plus, la plupart de ces systèmes ont été testés « en laboratoire » sur un petit nombre de sujet, utilisant des tâches très précises faisant appel précisément à la coordination œil-main. La situation de laboratoire est parfois bien éloignée de la réalité quotidienne.En résumé, dans l’attente d’étude montrant la supériorité de ces systèmes en situation normale, ils restent pour l’instant limités à quelques applications particulières (microsutures coronariennes, tubaires, etc.). Le progrès de la technologie vidéo associée à la plus grande expérience des opérateurs et à la connaissance des principes de base de la 3D permettent d’améliorer sensiblement la perception du relief, sans avoir recours à un matériel spécifique compliqué.
7. Conclusions
Si la perte de la vision 3D en laparoscopie est vécue comme une difficulté supplémentaire en début d’expérience, l’expertise croissante des chirurgiens permet de trouver de nouveaux repères spatiaux. En ajoutant les progrès continus des systèmes vidéo et la venue du « tout numérique » qui permettent d’améliorer la perception du relief et de la profondeur par traitement digital de l’image, les systèmes actuels de vision stéréoscopique entraînent encore une fatigue importante et ont une complexité et un surcoût notable par rapport aux bénéfices démontrés. Le développement de systèmes plus simples et efficaces, ou moins coûteux, pourrait facilement trouver leur place en routine.