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【4K基础篇】4K超高清内窥镜摄像系统技术

发布时间:2022-04-08

一般4K超高清画质主要体现在五个方面:分辨率、色深、色域、对比度与帧数。

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分辨率:就是4K,即3840×2160像素,是传统高清1920×1080的四倍。显示器可显示的像素越多,画面就越精细,同样的屏幕区域内显示的信息也越多,所以分辨率是一个非常重要的性能指标之一。

色深:表现为超高清蓝光标准中规定色深为10bit,即能够显示10.7亿种颜色(RGB中每一个颜色有2的10次方也就是1024个等级,RGB三色则共有10.7亿(1024×1024×1024)种色彩搭配)。10bit效果色彩过渡流畅,颜色丰富饱满,而普通蓝光标准支持的是8bit色深,只有1677万种颜色,差距悬殊。


色域:BT.2020色域标准。BT.2020色彩空间已被ITU国际电信联盟组织定位4K/8K时代的一个图像信号色域标准,也是超高清蓝光的标准之一。普通蓝光标准使用的是BT.709色彩空间,它仅覆盖了BT.2020色彩空间的35.9%,后者是目前显示设备中最大的色彩空间,覆盖了CIE 1931色彩空间的75.8%。

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对比度:HDR高动态范围图像。HDR并不是超高清蓝光首先提出的概念,但它对画质的提升是至关重要的,也是超高清蓝光标准中最引人注目的地方。HDR,高动态对比度,表现在画面上就是能够同时照顾到暗部与高亮细节,带来更接近人眼视觉的动态范围。普通的电视、投影机等显示设备由于存在亮度极限,对比度表现始终有限,也就是SDR(Standard Dynamic Range)水平,一般我们手机的液晶屏幕对比度也只有1000:1。引入HDR后,可以达到更宽的100000:1对比度。

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帧数:60p。帧数代表了1秒视频内所包含的画面数量,帧数越高,人眼所观察到的画面也就更流畅,不至于有断断续续的感觉。

4K腹腔镜技术


04年,由好莱坞7大电影公司组成的数字电影推进联盟(digital cinema initiative,DCI)修订并推出了其技术文档4.0行业标准,规定数字影院清晰度分为两级,其中较高一级即DCI 4K(4 096×2 160分辨率,24帧/s)的信息量是高清电视的4倍以上。

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目前,具有4K分辨率的超高清腹腔镜凭借出色的图像细节、空间感知和色彩精确度,已能使外科医师术中所见解剖结构具备更佳的真实感和纵深感。

2018年,4K超高清腹腔镜已进入国内市场,本文字搜集一些资料的基础上,发现很多的医师有如下体会:在具有4 096×2160分辨率的超精细画面的视野下,不同组织结构的细微差异得以体现,微小血管、细微神经、平时与周围脂肪组织难以分辨的淋巴结,在4K超高清腹腔镜下清晰可辨,保证淋巴结清扫、神经血管保护的精准化操作得以真正实现,手术层面的寻找与维持也更为确切和便利。


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4K腹腔镜系统具有重要的研究价值及应用前景。目前,模拟医学、心脏外科、普外科等多种领域均开始逐步纳入4K腹腔镜设备,越来越多的领域开始接纳4K腹腔镜系统。


适应证


在普外科领域,包括肝脏、胆囊、胰腺、脾脏、胃、结直肠、阑尾、疝、甲状腺等多个亚专科,4K腹腔镜系统均可作为可选的腹腔镜手术平台。鉴于4K腹腔镜系统可提供更加高清的手术视野及更为细腻的细节分辨,在膜性解剖层面的把握,细微血管或神经的辨识、淋巴结清扫范围边界的识别等方面,优势更为突出。因此,其在胃、结直肠、胰腺、甲状腺、减重、疝等手术中的应用更具实用价值。


4K腹腔镜技术


1.1    技术基础    4K腹腔镜基本手术技术即是以普通高清腹腔镜基本手术技术为基础。参与手术医师应在腹腔镜培训中心经过专业训练、熟练掌握腹腔镜各种基本操作技能,熟知腹腔内解剖结构,且须熟练掌握对4K腹腔镜镜头的操控和使用技能。



1.2    视野显露与把握    4K腹腔镜系统与传统腹腔镜相似,根据镜头的视角,可分为0°镜和30°镜。目前,在普外科领域使用最为普及的是30°镜。在4K腹腔镜系统中采用一体化摄像系统及自动对焦系统。扶镜手可通过摄像头底座上的旋钮完成视角的变换,以调整手术视野。同时,在自动对焦后可根据术中需要通过按钮进行焦距的微调,有效减少手术视野的抖动,从而改善手术者的视觉体验,降低扶镜手操作难度。



1.3    屏幕成像距离    为将4K高清的成像技术优势最大化,与传统的高清显示器相比,4K腹腔镜系统所用监视器尺寸更大,为31英寸或55英寸(16∶9)的监视器。由于屏幕大小较前发生变化,因此,手术医师与屏幕之间的最佳观赏距离亦发生改变。目前,4K腹腔镜系统推荐使用不低于55英寸的监视器,以达到最佳视觉效果。建议荧幕放置距离手术医师150~200 cm区域实施手术,以减少术者眼疲劳度。



1.4.1    技术特点    可为术者提供更加清楚的手术视野及生动画面,显著增强的真实度与充分的放大倍数可为术者带来更加良好的定位,从而提高手术的精细程度。细腻的解剖成像可提高术者的解剖辨识程度,从而更加顺利地完成精细解剖。因此,4K腹腔镜系统较传统高清腹腔镜系统辨识度更高,发生操作错误概率更低,可协助医师轻易辨认重要解剖结构与周边组织的关系。此外,4K腹腔镜的放大优势,可使眼疲劳程度较传统高清腹腔镜有所缓解。1.4.2    在不同手术中的优势


1.4.2.1    胃部手术    4K腹腔镜系统在胃癌手术中的主要优势在于对腹腔镜下各解剖层面及血管的辨识度大大增强。在行幽门下区淋巴结清扫时提高对胃系膜与横结肠系膜融合部的辨认,使得层面的分离更为精准,避免结肠系膜血管损伤影响结肠血供;对位于胃网膜右静脉后方、胰腺表面的胰十二指肠上前静脉分支可更为清晰的辨认和预判,在处理胃网膜右静脉时可避免这些分支不必要的损伤;处理胃网膜右动脉根部,并清扫淋巴结时,对胰腺组织与淋巴脂肪组织之间的辨别更加清晰确切,可有助于避免对胰腺的误损伤;在清扫淋巴结时,可充分辨识与保护肝总动脉表面迷走神经分支;在清扫淋巴结时,对于胰腺上缘的Gerota筋膜,即该组淋巴结的后界,能有更为清晰的辨别,从而使该组淋巴结的清扫达到更为标准的边界要求;4K的放大效果可使边界更加清晰,避免对解剖组织误判后造成门静脉的损伤。此外,4K腹腔镜系统手术视野色彩层次更为丰富,可有助于分辨胰腺组织、脂肪组织的细微差别。




1.4.2.2    结肠手术    自完整结肠系膜切除理念兴起以来,结肠癌手术中的解剖重点之一即对膜结构的辨别分离及对系膜的完整解剖。4K腹腔镜系统可更为清晰呈现“黄白交界”特性的膜与膜之间的交界线;通过对膜表面微血管走向的清晰辨识,可进一步加强对膜的辨认能力,使术者更加精准地进行完整系膜切除。在4K高清腹腔镜系统下,手术医师更容易辨认结肠系膜、Toldts间隙、Gerotas间隙、胰十二指肠前筋膜等结构,可在更好地完成完整系膜切除的同时,保护胰十二指肠、生殖血管、输尿管等重要解剖结构,降低手术风险,提高手术的安全性及肿瘤学根治性。




1.4.2.3    直肠手术    在进行直肠肿瘤根治术时全直肠系膜切除的完成度对病人的术后至关重要。在平面的寻找和维持过程中,不同解剖层面之间的微血管结构更为清晰。因此,对指导辨认、寻找、维持正确的解剖层面提供了更为确切客观的视觉依据。此外,上腹下神经丛、腹下神经、盆神经丛和神经血管束等容易损伤的神经结构在4K视野的解剖过程中可得到更为清晰的显示,因此,有助于术中更为精准的保护这些神经。4K腹腔镜系统相比于传统2D腹腔镜系统可更加清楚地显示狭窄盆底空间的结构,对于直肠系膜终点的位置、肛提肌裂孔、肛管内外括约肌间隙等解剖结构的观察更为精确,有助于超低位直肠癌保肛手术的精准解剖。




1.4.2.4    胰腺手术    由于需要离断的分支血管众多、周围解剖结构复杂、术后重建方式繁多,胰腺手术是腹腔镜手术中的难点。4K腹腔镜提高了清晰度,可缓解部分难点。4K腹腔镜系统下,手术医师不仅可以精确识别胰腺周围胃及结肠相关系膜层面的解剖,辨认淋巴结脂肪组织并行精确清扫,还可更加清晰地识别门静脉、脾血管至胰腺腺体周围的各细小分支,术者可精准完成对每个分支血管的解剖及结扎,降低出血风险。另外,4K腹腔镜系统下,手术医师可清楚地看清胰腺、胰管、胆管等结构,从而保证高质量的消化道重建。此外,4K腹腔镜由于放大效果显著,在胰腺手术的缝合打结精细操作时可提高手术者的视野距离感,可达到或接近于3D腹腔镜的效果。




1.4.2.5    疝手术    (1)腹股沟疝:腹股沟区的解剖是手术中的难点,疝囊旁有精索、圆韧带、生殖血管等经过,先天性或发病时间较久者,其疝囊与囊内组织关系致密、剥离困难,故术者对解剖的识别尤为重要。在4K腹腔镜摄像显示系统下,腹膜、腹膜前筋膜、腹横筋膜、腹膜前脂肪之间的关系更为清晰,可指导术者避免进入错误层次,有利于疝囊的剥离;剥离疝囊时,更易于辨认毗邻的解剖结构如精索血管、输精管等,手术医师可精确分离疝囊,避免损伤周边结构。同时对死亡冠、危险三角等区域的解剖辨识更为清晰,增强手术的安全性。(2)切口疝或造口旁疝:4K腹腔镜系统的放大及高清视野,对肠管粘连组织的层面辨识更确切,使肠粘连的分离更为安全。(3)食管裂孔疝:有助于辨别纵隔内疝囊和胸膜;在缝合膈肌角时可有助于避免误伤深部腹主动脉;有助于保护迷走神经。


TAPP疝气修补术


1.4.2.6    甲状腺手术    4K腹腔镜系统对于甲状腺手术的优势主要体现在:甲状旁腺的色泽往往与脂肪或部分甲状腺组织相仿,易引起误损伤。在4K腹腔镜系统更高的色彩辨析度下,对甲状旁腺的辨识可更为确切,有助于对该腺体的保护;4K视野下可对甲状旁腺的细微血管加以识别,从而保护甲状旁腺的微小血管;保护胸腺组织时,须行精准的膜解剖操作,而4K腹腔镜视野下被膜增厚明显,对于膜解剖的辨识度更有优势。此外,4K视野下,甲状腺背侧靠近喉返神经周围的细微血管,以及喉返神经入喉处的解剖结构显示更为清晰,可避免该处血管的出血,而导致手术层面和手术视野的污染,造成对神经的误损伤。同时,4K腹腔镜细腻的分辨能力,对清扫淋巴结时的神经保护亦有重要意义。

  1.4.2.7    减重手术    在胃转流手术中,4K腹腔镜系统下的操作,可有助于明确识别无血管平面,实现无血管切      开;胃后隧道的建立,胃后血管的离断更加精准,在存在大量脂肪组织的情况下,加强识别HIS角的能力,以完成胃袋    构  建;有利于在较小空间内完成胃-空肠吻合,且对腹腔镜下的缝合更具优势,容易调整持针器与缝针之间的方向,    便于缝针在器械间的传递。

  1.4.2.8    肝脏手术    4K腹腔镜提供的高分辨率图像可以更有助于辨认肝脏表面病灶。由于具有更高的色彩区分      度,可有助于更为精确的划分并确定解剖切除平面。此外,在切除过程中,可明确区分组织结构,有利于识别肝脏断    面中各级胆管与血管,从而更为精准的夹闭并切断相应血管和胆管。


4K腹腔镜的优势


4K腹腔镜系统可提供更好的分辨率(2160 x 3840)、超高清50帧速度、视角操作协调度、视敏度、颜色分辨率,抑制噪点和闪烁点,与传统普通的2D内窥镜摄像系统系统比较,可为手术医师带来更好的手术视野,脏器的位置与周边组织的脉络显示的更清晰。同时大幅度降低了手中出血率和术后并发症的发生率。


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总结

目前国内市场的4K腹腔镜系统仍以进口产品为主,但国内企业的4K产品也已开始投入市场。然而,真正的4K系统应当从图像采集、数据处理到图像显示全程超高清。目前国际上更有设备制造厂商把3D结合4K的腹腔镜作为研发目标并已付诸实施,这些热点技术的结合值得期待。4K腹腔镜时代已经来临。


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