Глава 2 Инструменты и оборудование Оптические системы, видеокамеры

Выполнение сложных лапароскопических и торакоскопических вмешательств требует хорошего изображения внутренних органов на экране монитора. Основным оборудованием операционной является лапароскопическая стойка (рис.1), в состав которой входит эндовидеосистема, состоящая из лапароскопа, оптической системы с миниатюрной видеокамерой, источника света, световода и монитора видеоизображения.

Рис.1. Лапароскопическая стойка

Лапароскоп (торакоскоп) представляет собой оптическую трубку с системой миниатюрных линз, которые передают изображение органов брюшной или грудной полости на видеокамеру.

Одним из наиболее выдающихся достижений в оперативной лапароскопии и эндоскопии является открытие, сделанное в 1952 г. Британским физиком Hopkins, который доказал возможность передачи изображения через лапароскоп путем использования системы стержневых линз (рис.2). До этого для производства лапароскопов использовали конвенциальную систему линз, предложенную Max Nitre в 1879 г. Эта система состояла из стеклянных линз, находящихся у окуляра и объектива лапароскопа с большой прослойкой воздуха между ними. В системе стержневых линз, преложенной Hopkins, длинные стеклянные оптические стержни занимают большую часть эндоскопа и между ними находятся небольшие воздушные линзы. Благодаря этому индекс рефракции становится значительно выше, чем в системе с окулярными и объективными линзами, что позволяет передавать изображение со значительно большей разрешающей способностью.

Рис.2. Конструкция лапароскопов:

1 – системы Max Nitre

2 – системы Hopkins

Другим преимуществом системы стержневых линз является увеличение апертуры изображения, т.е. поле зрения в эндоскопах данной системы значительно расширяется. В эндоскопах конструкции Nitre количество оптических линз было большим, требовалась прецизионная точность их установки внутри трубки. В этих эндоскопах наблюдалось искажение изображение, связанное с отражением лучей света от поверхности трубки внутри длинного воздушного пространства между линзами. Применение системы длинных стержневых линз уменьшает до минимума воздушную прослойку между линзами, что практически исключает возможность рассеивания света внутри эндоскопа. Это приводит к повышению четкости изображения к практически полному отсутствию его искажений.

В системе Hopkins используют прецизионно отполированные оптические линзы, которые в 10 раз длиннее своего диаметра, что значительно облегчает сборку эндоскопа.

В настоящее время система стержневых линз Hopkins применяется во всех ригидных эндоскопах, которые удовлетворяют самым высоким требованиям современной диагностики, имеют высокую яркость изображения, практически не отличающуюся от реальной, минимальные искажения. Кроме того, становится возможным уменьшение диаметра эндоскопа без уменьшения четкости, яркости и поля зрения, что в настоящее время используется в разработке оптики Hopkins–II.

В настоящее время перед разработчиками оптических систем остаются не полностью решенными две проблемы. Первая заключается в значительной потере яркости света в месте состыковки фиброволокна с узлом эндоскопа, предназначенным для передачи света. Разные фирмы решают эту проблему по–разному. Одни – увеличивают размер узла телескопа для передачи света, другие в конструкцию вводят специальную концентрирующую свет линзу таким образом, чтобы фокус линзы располагался на узле телескопа, предназначенном для передачи света, третьи применяют более мощные источники света (ксеноновые лампы). Но все эти конструкции не полностью удовлетворяют требованиям эндоскопической хирургии.

Вторая проблема состоит в искажении периферических областей поля зрения. Эта проблема в настоящее время частично решена фирмой Olympus за счет введения в телескоп специальной линзы, устраняющей искажение изображения.

Большинство лапароскопов позволяют получить изображение внутренних органов, когда они находятся на расстоянии около 5 см от объекта. Направление оси зрения в современных лапароскопах составляет 0, 30, 45, 75. В лапароскопе с торцевой оптикой ось зрения равна 0. Такие лапароскопы называются также прямыми. В остальных случаях лапароскопы называются косыми (рис.3). Косая оптика более функциональна и удобна при выполнении сложных оперативных вмешательств, так как позволяет рассмотреть объект с разных сторон при неизменной точке введения инструмента. Поле зрения в современных лапароскопах с косой оптикой составляет 120, поэтому поворачивая эндоскоп, можно получить панорамную картину с полем зрения 180.

Рис.3. Лапароскопы с прямой и скошенной оптикой

Созданы операционные лапароскопы с инструментальным каналом, позволяющие производить вмешательство и наблюдать за ходом его выполнения из одного троакарного отверстия (рис.4).

Рис.4. Операционный лапароскоп

Большинство лапароскопов имеет диаметр 10 мм. Этот размер в настоящее время является стандартом для выполнения большинства лапароскопических и торакоскопических операций. Однако разработаны и выпускаются лапароскопы диаметром 4 и 5 мм. В последние годы сконструированы диагностический лапароторакоскоп диаметром всего 2 мм, позволяющий получить четкую панорамную картину. Такие лапароскопы используют в диагностических целях. При этом эндоскоп вводят через толстую иглу, с помощью которой пунктируют брюшную или грудную полость. Миниатюризация эндоскопической техники позволяет также выполнять минилапароскопические и миниторакоскопические вмешательства, после которых практически не остается рубцов.

В последние годы некоторые фирмы ("Olympus") начали выпускать безлинзовые видеолапароскопы. В этих устройствах видеокамера расположена в дистальном конце лапароскопа. Подобная система позволяет повысить качество изображений во время лапароскопических и торакоскопических операций, отсутствует необходимость в адаптере к видеосистеме. Кроме того, выпускаются образцы с изгибаемым в двух плоскостях дистальным концом (рис.5).

Рис.5. Видеолапароскоп с изгибаемым концом

Для получения хорошего изображения важную роль играет высококачественная миниатюрная видеокамера (рис.6). Современная высококачественная камера должна обладать минимальной массой, высокой разрешающей способностью, возможностью передавать мельчайшие подробности изображения внутренних органов при минимальном освещении объекта. Основной элемент любой эндовидеокамеры – это полупроводниковая фоточувствительная кремниевая пластинка, которая преобразовывает оптическое изображение, передаваемое лапароскопом, в электрический сигнал. Принцип работы кремниевой пластинки (чипа) основан на формировании и переносе электрических зарядов по поверхности или внутри полупроводникового кристалла. Минимальный уровень освещения – это нижний порог освещенности объекта, при котором видеокамера генерирует сигнал, позволяющий различать объекты во время операции. В современных видеокамерах этот параметр составляет около 3 люкс. Современные одноматричные (одночиповые) видеокамеры имеют разрешающую способность до 430 – 450 ТВЛ (телевизионных линий). В последнее время созданы трехматричные (трехчиповые) видеокамеры с разрешающей способностью 550 – 600 ТВЛ. Качество изображения в этих видеокамерах несколько лучше нежели у одночиповых, однако они имеют больший вес, более громозки и значительно дороже, поэтому широкого распространения не нашли.

Рис.6. Операционная одночиповая видеокамера

В последние годы создана стереоскопическая эндовидеосистема, позволяющая получать ощущение трехмерного объемного изображения. Эта система включает стереолапароскоп, совмещенную с ним стереовидеокамеру, электронное устройство обработки сигнала, монитор изображения и специальные очки (рис.7). Стереоизображение может быть получено только при фокусировании взгляда на мониторе. Поэтому даже опытным лапароскопическим хирургам требуется специальное обучение для работы со стереоскопической системой. Широкого распространения стереоскопическая эндовидеосистема в настоящее время не получила, но ведутся работы по совмещению стереоскопической системы с компьютерной робототехникой, позволяющей выполнять сложные эндоскопические операции, управляя не инструментами, а специальными манипуляторами, расположенными перед стереоскопическим экраном. Несомненно, такие новые компьютерные роботосистемы – это будущее эндоскопической хирургической техники, хотя уже сейчас ими пользуются в некоторых клиниках США и Европы. Интересно отметить, что хирургу, выполняющему операцию с помощью робототехники, нет необходимости мыться на операцию и одевать стерильный халат и перчатки, так как работая манипуляторами у монитора компьютерной робототехнической системы, он прямо не соприкасается с пациентом.

Рис.7. Стереовидеосистема

Источник света служит для освещения внутренних полостей для проведения эндохирургических вмешательств. Свет в брюшную или грудную полость подается от источника света через гибкий световод, который соединяется с лапароскопом. Световодный жгут требует бережного обращения так как при резких перегибах повреждаются тонкие стеклянные волокна, находящиеся внутри световода. Источником света в осветителе может быть галогеновая или ксеноновая лампы. Галогеновая лампа дешевле, однако имеет ряд недостатков: малый ресурс работы (не более 100 ч.), желто–красный спектр излучения, который искажает истинную окраску объектов. В ксеноновой лампе спектр излучения приближается к естественному. Ресурс работы ксеноновой лампы в 10 раз выше, чем у галогеновой, т.е. составляет 1000 ч. Источник света с ксеноновой лампой позволяет получать большую освещенность объекта при меньших затратах энергии. Выходная освещенность источника света регулируется как вручную, так и автоматически от сигнала видеокамеры. Чем темнее изображение, тем больше света автоматически выдает источник света.

Видеомонитор представляет собой телевизор, позволяющий получить несколько увеличенное изображение внутренних органов. Медицинский монитор отличается от бытового телевизора большей разрешающей способностью ( 500 - 600 ТВЛ) и полностью отвечает стандарту электробезопасности. Размер экрана монитора может варьироваться, однако чаще предпочтительнее использовать мониторы с размером экрана по диагонали 21 дюйм.