【作 者】曹 倫，毛昊陽(yáng)，梁向南，何裕源，朱 祥，毛亮亮，邵 輝，何 超

微創(chuàng)（上海）醫(yī)療機(jī)器人有限公司，上海市，200031

0 引言

腹腔鏡作為微創(chuàng)外科領(lǐng)域中最具代表的技術(shù)，能夠直接呈現(xiàn)內(nèi)臟器官的表面組織形態(tài)幫助醫(yī)生進(jìn)行疾病的診斷和治療。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體行業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上有兩種主流的腹腔鏡：光學(xué)腹腔鏡（以下稱(chēng)光學(xué)鏡）和電子腹腔鏡（以下稱(chēng)電子鏡）。

光學(xué)鏡由物鏡組、中繼系統(tǒng)和目鏡構(gòu)成[1]，其中中繼系統(tǒng)為棒鏡組起導(dǎo)像和修正像差的作用，分辨率高。但是光學(xué)鏡結(jié)構(gòu)固定、不能彎曲、重量大、外徑大、操作舒適性差。電子鏡通過(guò)圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)圖像處理后在監(jiān)視器中獲得真實(shí)、高清畫(huà)面[2-4]。和光學(xué)鏡相比，高清電子鏡分辨率已經(jīng)達(dá)到1 080 P可與光學(xué)鏡媲美；同時(shí)電子鏡減少了光能損失，采集到的圖像光亮度高、畫(huà)質(zhì)好；除此以外電子鏡重量輕、體積小、成本低裝配工藝簡(jiǎn)單，可以設(shè)計(jì)頭部彎曲結(jié)構(gòu)，比如：奧林巴斯Endo EYE FLEX 3D采用頭部可彎曲設(shè)計(jì)可以取消非零視向角的鏡頭加工。

傳統(tǒng)的腹腔鏡都是二維（2D）圖像，缺少腹腔內(nèi)組織的深度信息。醫(yī)生需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期嚴(yán)格的學(xué)習(xí)訓(xùn)練才能適應(yīng)，手術(shù)過(guò)程中還需要通過(guò)觸碰、透視投影、遮擋等方式大致判斷病灶位置[5]，這不僅僅會(huì)延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間，還有可能傷及組織器官。近幾年，隨著三維（3D）技術(shù)的發(fā)展，3D腹腔鏡的出現(xiàn)可以彌補(bǔ)2D腹腔鏡的缺陷。國(guó)內(nèi)外研究表明，3D成像技術(shù)在術(shù)野距離判斷[6-9]、手術(shù)正確率、手術(shù)時(shí)間、學(xué)習(xí)曲線(xiàn)[10-12]等方面均優(yōu)于2D成像技術(shù)。

目前，市場(chǎng)上流行的三維電子鏡依然被國(guó)外產(chǎn)品壟斷，主要品牌有卡爾史托斯、奧林巴斯。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有三維電子腹腔鏡上市。本文介紹的三維電子腹腔鏡系統(tǒng)基于雙目視覺(jué)原理自主設(shè)計(jì)了雙光路物鏡系統(tǒng)；采用GPU方式實(shí)現(xiàn)了1 080 P、30 Hz高清圖像實(shí)時(shí)處理。目前該三維電子腹腔鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量化生產(chǎn)，并且進(jìn)行了多例動(dòng)物試驗(yàn)，具有良好的成像效果。

1 系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 雙目立體視覺(jué)原理

雙目立體視覺(jué)基于視差原理利用兩個(gè)完全相同的攝像系統(tǒng)（焦距 f 和其他內(nèi)部參數(shù)均相同）從不同角度拍攝被測(cè)物體圖像，通過(guò)計(jì)算圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的位置視差獲取被測(cè)物體的三維信息。雙目立體視覺(jué)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是兩攝像系統(tǒng)與光軸成一定角度，另一種是兩攝像系統(tǒng)與光軸平行。本文采取后者獲取立體圖像信息。

如圖1所示，兩攝像系統(tǒng)x軸重合，軸線(xiàn)距離為b（基線(xiàn)）；y軸相互平行；光軸z與成像平面垂直。其中：左右兩攝像系統(tǒng)中心分別為各自原點(diǎn)OL、OR；像平面為CL、CR與各自原點(diǎn)距離為焦距f；空間任意一點(diǎn)P在左側(cè)攝像系統(tǒng)的坐標(biāo)為（XP，YP，ZP）；OLP、ORP與左右像面交點(diǎn)為Pl、Pr。由三角形相似原理可知：

因此，只要找到空間中左右兩個(gè)攝像系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)攝像系統(tǒng)標(biāo)定的參數(shù)就可以獲得被測(cè)物體的三維信息。

圖1 平行光軸雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Binocular stereo vision system with parallel optical axis

1.2 系統(tǒng)組成和工作原理

三維電子腹腔鏡系統(tǒng)主要包含三維電子腹腔鏡、內(nèi)窺鏡圖像處理器兩大部分。三維電子腹腔鏡具有高分辨率三維鏡頭，能夠?qū)崟r(shí)采集手術(shù)區(qū)域的三維立體圖像信息，內(nèi)窺鏡圖像處理器包含內(nèi)窺鏡圖像處理主機(jī)、三維顯示器、二維顯示器及圖像車(chē)。所有設(shè)備都放置在圖像車(chē)上，內(nèi)窺鏡圖像處理主機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并運(yùn)用立體成像算法，將圖像信息傳遞至三維顯示器及二維顯示器。術(shù)者戴上三維顯示器標(biāo)配的三維眼鏡即可從三維顯示器上看到三維畫(huà)面。

1.2.1 雙光路物鏡系統(tǒng)

三維電子腹腔鏡實(shí)物圖如圖2所示，采用傳感器前置方案，簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕了電子鏡重量。與以往傳感器置于手柄中相比，減少手柄體積提高了操作舒適性。

圖2 三維電子腹腔鏡Fig.2 Three-dimensional electronic laparoscopy

其物鏡設(shè)計(jì)要求，如表1所示：視向角分別為0°和30°，視場(chǎng)角約為65°，鏡頭口徑小于5 mm，畸變小于25%。

表1 物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求Tab.1 System design requirements

常用腹腔鏡物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，依次為負(fù)透鏡組、正透鏡組和雙膠合透鏡組。入射光經(jīng)過(guò)負(fù)透鏡組發(fā)散，再經(jīng)過(guò)正透鏡組會(huì)聚，最后經(jīng)過(guò)雙膠合透鏡組修正像差，最終在像平面成像。負(fù)透鏡組起到擴(kuò)大視場(chǎng)角的作用。對(duì)于視向角為30°的物鏡系統(tǒng)，還需在負(fù)透鏡組前端添加轉(zhuǎn)向裝置，目前技術(shù)較為成熟的轉(zhuǎn)向棱鏡為反射式轉(zhuǎn)向棱鏡[13]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，依次分別為保護(hù)玻璃、第一物鏡、轉(zhuǎn)向棱鏡和第二物鏡。

圖3 物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of objective lens

圖4 反射式轉(zhuǎn)向棱鏡Fig.4 Reflecting steering prism

通過(guò)選擇合適的初始結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行像差分析和優(yōu)化，得到視向角為0°和30°的物鏡組。其點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)MTF曲線(xiàn)、場(chǎng)區(qū)/畸變?nèi)鐖D5所示。從圖中可以看出無(wú)論是0°還是30°視向角物鏡系統(tǒng)RMS Radius均小于5 μm，GEO Radius均小于11 μm；1/2奈奎斯特頻率處MTF大于0.2，MTF曲線(xiàn)接近衍射極限，畸變小于25%。因此，該物鏡具有較好的分辨率和成像質(zhì)量。

圖5 0o和30o視向角點(diǎn)列圖、MTF曲線(xiàn)、場(chǎng)度/畸變圖Fig.5 Spot diagram, MTF curves, field curvature and distortion map when the viewing angle is 0° and 30°

1.2.2 基于GPU的1 080 P、30 fps高清圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)

微創(chuàng)外科手術(shù)要求腹腔鏡顯示系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、高分辨率等特點(diǎn)。內(nèi)窺鏡圖像處理主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，內(nèi)窺鏡圖像處理主機(jī)前面板上有開(kāi)關(guān)按鈕，USB接口和腹腔鏡通信接口。采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到內(nèi)窺鏡圖像處理主機(jī)后，由圖像處理主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理并運(yùn)用立體成像算法在三維監(jiān)視器和二維監(jiān)視器中顯示被測(cè)物體信息。

圖6 內(nèi)窺鏡圖像處理主機(jī)Fig.6 Medical video system of endoscopy

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，該系統(tǒng)先由信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體圖像采集并將圖像數(shù)據(jù)傳輸至信號(hào)接收編碼模塊對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行接收和數(shù)據(jù)編碼；再經(jīng)信號(hào)解碼模塊對(duì)接收的信號(hào)解碼并將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸至信號(hào)處理模塊；最后將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至1 080 P高清3D和2D醫(yī)用監(jiān)視器。信號(hào)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)核心，主要實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)ISP算法處理、確定圖像左右、數(shù)據(jù)緩存、控制圖形界面、數(shù)據(jù)交互、2D/3D切換、白平衡等功能。

本系統(tǒng)圖像的采集和顯示分辨率均為1 920×1 080，采用3D錄播設(shè)備對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程錄制，截圖如圖8所示，整個(gè)系統(tǒng)成像清晰，滿(mǎn)足醫(yī)生手術(shù)需求；視頻幀率為30 Hz，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鏡頭移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)不會(huì)引起拖影或者模糊的現(xiàn)象，具有良好的動(dòng)態(tài)效果和穩(wěn)定性。

圖7 1 080 P、30 fps高清圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)Fig.7 Real-time image processing system with 1 080 P, 30 fps

圖8 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)截圖Fig.8 Picture of animal experiment

2 臨床應(yīng)用價(jià)值

三維電子腹腔鏡技術(shù)和傳統(tǒng)電子腹腔鏡技術(shù)相比，提高了手術(shù)成功率、減少了手術(shù)時(shí)間，醫(yī)生在三維視野內(nèi)手術(shù)操作更加精準(zhǔn)。國(guó)外MCINTIRE等[14]分析了162篇文獻(xiàn)184項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)三維電子腹腔鏡技術(shù)在空間操作、物體辨別和位置識(shí)別上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；他們還專(zhuān)門(mén)挑出與臨床相關(guān)的文章進(jìn)行分析，其結(jié)果顯示三維電子腹腔鏡技術(shù)在教學(xué)和腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)三維腹腔鏡技術(shù)雖然比較落后，但是也有很多醫(yī)師對(duì)其進(jìn)行臨床分析，比如：李漢忠[15]在3D腹腔鏡下完成62例泌尿外科手術(shù)，其中包含有腎囊腫去頂術(shù)、全膀胱切除、腎盂輸尿管成形術(shù)等等；姚健等[16]運(yùn)用3D腹腔鏡進(jìn)行了膽囊切除、胃癌肛管癌根治、闌尾切除等手術(shù)。他們的手術(shù)結(jié)果表明三維腹腔鏡性能優(yōu)于傳統(tǒng)腹腔鏡。

綜上所述，三維腹腔鏡技術(shù)對(duì)手術(shù)醫(yī)生和患者來(lái)說(shuō)都有好處：對(duì)于初學(xué)腹腔鏡的醫(yī)生來(lái)講可以幫助他們盡快熟悉腹腔鏡手術(shù)視野，提高手術(shù)準(zhǔn)確率；對(duì)于患者來(lái)說(shuō)提高了手術(shù)成功率，降低了對(duì)組織器官的傷害。

3 總結(jié)

本文提及的三維電子腹腔鏡系統(tǒng)，已經(jīng)突破理論和工藝?yán)щy實(shí)現(xiàn)了量化生產(chǎn)，并且進(jìn)行多次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，效果良好。本公司生產(chǎn)的三維電子腹腔鏡系統(tǒng)某些指標(biāo)已經(jīng)高出國(guó)外某些知名品牌。綜上，本公司生產(chǎn)的三維電子腹腔鏡具有以下優(yōu)點(diǎn)。

采用1 080 P全高清傳感器前置的方案，簡(jiǎn)化了腹腔鏡光路結(jié)構(gòu)；自行設(shè)計(jì)的物鏡系統(tǒng)提升了腹腔鏡光學(xué)分辨率。

采用GPU方式對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)1 080 P、30 Hz高分辨率腹腔鏡圖像處理，鏡頭移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)拖影或者模糊的現(xiàn)象，具有良好的動(dòng)態(tài)效果和穩(wěn)定性。

本公司生產(chǎn)的三維電子腹腔鏡彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)上市三維電子腹腔鏡缺陷，將打破國(guó)外壟斷局勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景和顯著的臨床應(yīng)用價(jià)值。