equip

Система формирования изображения

производить нагнетание в брюшную полость пациента газа заранее заданной температуры. Оно имеет три фиксированные настройки и может быть использовано с инсуффлятором любой модели и кон- струкции.

Другое устройство – «нагреватель» эндоскопов – аппарат, введя в который оптическую трубку, вы нагреваете рабочую часть его ствола. Примерно того же эффекта можно добиться, погрузив пе- ред введением в полость на несколько секунд дистальную часть телескопа в стакан с горячей стерильной водой. Один из способов профилактики запотевания – инсуффляция не через оптический троакар. Ряд фирм предлагает специальную смазку, снижающую запотевание. На некоторых телескопах имеется специальное при- способление – в стволе его проложен отдельный канал, заканчи- вающийся стеклоомывателем.

Действительно, после первичной инсуффляции и введения эн- доскопа в полость происходит запотевание дистальной линзы, ко- торое легко устраняется протиранием внутри (о печень, сальник, стенку кишки) или снаружи (салфеткой). В дальнейшем, по ходу операции, когда и эндоскоп, и газ набирают температуру человече- ского тела, при исправности инструментов запотевание не должно повторяться. Если такое имеет место, то оно свидетельствует об охлаждении оптики за счёт поступления в полость свежих холод- ных порций газа. Данный эффект наблюдают при утечке послед- него по ходу хирургического вмешательства из-за неисправности прокладок троакаров или других причин. То есть лучший способ профилактики запотевания – поддержание инструментов и обору- дования в безупречном состоянии.

На протяжении ХХ века различали эндоскоп диагностический и операционный. Последний имел один или два инструментальных канала (рис. 13-1). На сегодня такие устройства применяют, на-

Рис. 13-1.

Эндоскоп с инструментальным каналом

19

Глава 1

пример, в урологии для трансуретральных операций или в сосу- дистой хирургии для выполнения эндоскопической субфасциаль- ной диссекции перфорантных вен. Видеоэндохирургия использует, как правило, диагностические эндоскопы, так как необходимость в дополнительных каналах исчезла: инструменты вводят через от- дельные проколы. Кроме того, диагностическая оптика дает лучшее изображение.

Существуют «гибкие» эндоскопы для внутриполостного введе- ния. Однако их прочность оставляет желать лучшего, а стоимость в несколько раз превышает «жесткие» аналоги. Другой вариант – од- норазовые и многоразовые пластиковые эндоскопы, которые значи- тельно дешевле традиционных, но уступают им в качестве изобра- жения. Наибольшее распространение из этого семейства получил видеотроакар в сочетании с одноразовым лапароскопом.

Ряд фирм выпускает автоклавируемые эндоскопы, т. е. про- изводитель гарантирует сохранность жесткого эндоскопа при его автоклавировании­ . Однако следует помнить, что здесь речь идет о современных автоматических автоклавах, которые с большой точ- ностью выдерживают заданный режим обработки (температуру, давление и время). Кроме того, при автоклавировании эндоскопов нельзя допускать резкий нагрев и резкое охлаждение. Автоклави- рование эндоскопов допустимо только при использовании в авто- клаве дистиллированной воды, иначе будет чрезвычайно трудно очистить входное и выходное окна от выпавших солей. Поэтому не рекомендуется даже автоклавируемые эндоскопы подвергать высо- котемпературным воздействиям в отечественных автоклавах. Сле- дует также отметить, что время службы жестких эндоскопов, если их стерилизовать автоклавированием, будет намного меньше, чем в случае применения химической жидкостной стерилизации.

Большинство эндоскопов имеет наглазники стандартных разме- ров, позволяющие им одинаково легко стыковаться с эндовидео- системами любых фирм-производителей. Исключением являются эндовидеосистемы Olympus и Wolf, которые имеют оригинальные конструкции узлов захвата, не позволяющие использование любых других эндоскопов, кроме «родных».

Стремительное развитие светодиодной техники в последние годы сделало возможным появление нового поколения жестких эндос- копов – со встроенными светодиодными излучателями. Один или несколько светодиодов неразъемно встроены в конструкцию эндос- копа. Питание на них подается через электрический разъем и элект- рический кабель от блока управления питанием. Светодиоды могут

20

Система формирования изображения

Рис. 14-1.

Эндоскоп со встроенным светодиодом

располагаться как непосредственно на дистальном конце эндоско- па, если позволяет его диаметр, или на его проксимальном конце на полированном торце световодного волокна, проходящего через весь эндоскоп. Такое расположение обеспечивает минимальные по- тери света при прохождении через эндоскоп. Таким эндоскопам не нужен внешний эндоскопический осветитель, поскольку источник света находится в нем самом. Отпадает также необходимость в све- товодном кабеле. Срок службы светодиодов на порядок выше, чем срок службы любых ламп. Цена при этом существенно ниже. Све- тодиодные излучатели очень эффективно преобразуют электричес- кую энергию в световую, поэтому их питание осуществляется током небольшой мощности, что не приводит к существенному нагреву эн- доскопа. На сегодняшний день эндоскопы со встроенными светоди- одными излучателями уже получили распространение в оторинола- рингологии и гистероскопии. В лапароскопии и в других областях, где требуется большой световой поток для освещения операционно- го поля, эти эндоскопы пока не применяются из-за проблем отвода тепла от жесткого эндоскопа. На рис. 14-1 показан внешний вид эндоскопов со встроенными светодиодами.

Эндовидеосистема

Создание эндовидеосистем с миниатюрными видеоголовка- ми – главного компонента в формировании изображения – послу- жило основным толчком в развитии эндоскопической хирургии в середине 80-х годов ХХ века. Высококачественная эндовидеосисте- ма обладает видеоголовкой с минимальной массой, высоким разре- шением, способностью передавать мельчайшие нюансы объектов и высокой чувствительностью, что позволяет работать с источниками света малой мощности. Современная эндовидеосистема должна так- же обладать возможностью ускоренной отработки изменений яр- кости объекта съемки, чтобы обеспечить комфортные условия для глаз хирурга.

21

Глава 1

Рис. 15-1.

Эндовидеосистема

Основной элемент любой современной эндовидеокамеры – по- лупроводниковая фоточувствительная кремниевая пластинкакристалл, предназначенная для преобразования оптического изо- бражения, переданного эндоскопом, в электрический сигнал. Этот кристалл называют прибором с зарядовой связью (ПЗС). Принцип его работы основан на формировании и переносе­ зарядов по по- верхности или внутри полупроводникового кристалла.

Эндовидеосистема состоит из блока управления и видеоголовки, которая соединена с эндоскопом. Это классический наиболее рас- пространённый вариант эндовидеосистемы (рис. 14-1).

Основными техническими характеристиками эндовидеосистемы являются:

Световая чувствительность. Минимальный уровень осве-

щенности матрицы ПЗС, необходимый для отображения объ- екта, измеряется в люксах.

Скорость срабатывания электронной диафрагмы. Пока-

зывает, насколько быстро эндовидеосистема реагирует на изменяющиеся условия освещенности объекта. Главным об- разом, это связано с осевыми перемещениями эндоскопа в полости наблюдения. Дело в том, что освещенность объекта изменяется пропорционально квадрату расстояния до него от дистального конца жесткого эндоскопа. Таким образом, при приближении эндоскопа во время операции вплотную к неко- торой поверхности наблюдения освещенность объекта может увеличиться на несколько порядков. Эндовидеосистема же должна подстраиваться к стремительно меняющимся услови- ям освещенности, чтобы глаз хирурга не утомлялся перепа- дами яркости на экране монитора. Тем не менее, иногда эта функция мешает, например, при попадании в поле зрения блика от инструмента резко уменьшается яркость экрана, и в ряде моделей существует кнопка ее выключения.

22

Система формирования изображения

Уровень отношения шума к полезному сигналу. Измеряет-

ся в децибелах. Средние значения – около 50 дБ. Чем выше показатель, тем меньше помех и шумов присутствует в видео- сигнале, тем «чище» изображение.

Разрешающая способность. Связана с количеством отде- льных элементов – пикселов, размещенных на ПЗС-матри- це. Измеряется в телевизионных линиях, например 470 ли- ний. Нужно отметить, что количество пикселов матрицы не

всегда напрямую связано с разрешением эндовидеосистемы, поскольку есть другие факторы, существенно влияющие на качество изображения.

Все современные эндовидеосистемы, как правило, обладают воз- можностью регулировки цветового тона красного и синего цветов, автоматической системой настройки «баланса белого». Наличие ре- гулировки «баланса белого» связано с разными «цветовыми темпе- ратурами» различных типов осветителей. Поскольку даже заметные для глаз голубоватый оттенок света ксеноновых ламп и желтоватый оттенок галогеновых искажают истинную цветопередачу, видеока- мера проводит их коррекцию. Она «запоминает» существующие на тот момент отличия видеосигнала от реального белого цвета и про- изводит настройку электронного светофильтра.

Современные компьютерные технологии позволяют также про-

изводить дополнительную цифровую обработку видеосигнала:

Enhancement – усиливает контрастность краев объектов и структур, что делает картинку более четкой, более резкой («цифровая дополнительная настройка на резкость»).

Gain – микропроцессорное усиление яркости изображения позволяет с большим комфортом оперировать в условиях сниженной освещенности. Однако нельзя забывать, что при прочих равных условиях данное цифровое усиление яркости

ведет к снижению контрастности объекта.

Классическая эндовидеосистема обладает в качестве приемника излучения одной цветной ПЗС-матрицей и называется одночиповой.

Цветность при этом достигается за счет цветовой решетки, поме- щенной перед чипом, что позволяет отдельному пикселу восприни- мать только красный, зеленый либо синий цвета, а общая цветная картинка создается сложением трех отдельных в процессоре.

Позднее появились так называемые трехчиповые видеосистемы, которые имеют три черно-белых ПЗС-матрицы. При этом свет от объекта, поступающий в видеоголовку, с помощью призменного

23

Глава 1

спектроделителя делится на три части, соответствующие красной, зеленой и синей области спектра. Они проецируются на три разде- льных кристалла­ матричных ПЗС, каждый из которых формирует свой электронный сигнал. Это позволяет увеличить разрешающую способность эндовидеосистемы, поскольку черно-белые ПЗС-матри- цы имеют большую разрешающую способность и чувствительность, чем цветные. Видеоголовки этих эндовидеосистем более громоздки, требуют применения­ сложной и дорогой оптики, сложны в изготов- лении. Поэтому трехчиповые эндовидеосистемы достаточно дороги и вследствие этого не нашли широкого распространения, хотя и обладают разрешающей способностью стандарта высокой четкости

HD или Full HD.

Дальнейшая эволюция медицинских эндовидеокамер стала воз- можной с появлением системы высокого разрешения, которые дают возможность регистрировать видео в формате HDTV (HighDefinition TeleVision). Это новый стандарт видеосигнала, который обеспечивает изображение высокой четкости по сравнению с суще- ствующими аналоговыми и цифровыми ТV-стандартами. Это целое направление, включающее аппаратуру, носители, форматы записи, обработки, хранения, передачи и воспроизведения видео высокого разрешения.

Стандартные форматы высокой чёткости:

720p: 1280х720 точек, «построчная развёртка», частота — 50 или 60 кадров в секунду;

1080i: 1920х1080 точек, «чересстрочная развёртка», часто- та — 25 или 30 кадров (50 или 60 полукадров) в секунду;

1080p: 1920х1080 точек, «построчная развёртка», частота — 24, 25 или 30 кадров в секунду.

Изображение в HDTV намного четче стандартного. Стоит учи- тывать, что на обычном мониторе разница между стандартным и HDTV-форматом будет несущественна. Поэтому полную разницу можно ощутить лишь если HDTV поддерживается как видеокаме- рой, так и всеми остальными составляющими видеосистемы: мони- тором, устройством записи и т. д.

Цифровой интерфейс позволяет полностью избавиться от цифроаналоговых преобразований на всём пути прохождения сигнала. Применение цифрового процессинга позволяет в режиме реального времени вносить корректировку в цифровой поток видеоматрицы, тем самым улучшая выводимое на монитор изображение. Цифровая обработка позволяет в широком диапазоне изменять контрастность изображения, корректировать четкость и цветность, подавлять

24

Система формирования изображения

«шумы», использовать параметры двухмерных изображений для воспроизведения третьего измерения.

При выборе эндовидеосистемы необходимо обращать внимание на величину фокусного расстояния объектива видеоголовки, чтобы добиться оптимального размера изображения операционного поля, передаваемого жестким эндоскопом, на экране монитора. Это зави- сит прежде всего от области применения эндовидеосистемы. Так в лапароскопии хирурги отдают предпочтение изображению, полно- стью заполняющему экран монитора (без срезанных углов), хотя по факту при этом происходит потеря части информации, пере- данной через лапароскоп, но остающейся за пределами экрана. В рино- и артроскопии врачи предпочитают созерцать все изображе- ние, передаваемое эндоскопом на экран монитора. В этом случае «картинка» представляет собой круг в центре экрана, и изображе- ние, переданное эндоскопом, отображается без потерь. Если эндо- видеосистема имеет объектив с переменным фокусным расстоянием (zoom-объектив), то хирург может самостоятельно подобрать раз- мер изображения на экране в зависимости от используемого жест- кого эндоскопа.

Таким образом, при выборе эндовидеокамеры следует адек- ватно оценивать не только цену комплекта (блок управления, го- ловка, шнур), но и чувствительность (не < 2 лк), разрешающую способность, отношение сигнала к «шуму» (50 дБ и более), нали- чие дополнительных вариантов цифровой обработки видеосигнала. Проведя сравнение по техническим характеристикам и стоимости, хирург подходит к непосредственному выбору аппарата. И здесь сравнивается удобство в работе. Головка камеры должна быть ком- пактной, легкой, удобно лежать в руке. Наличие дополнительной защиты кабеля в месте выхода из головки снижает вероятность его механической поломки, что также важно, поскольку замена повреж- денного кабеля – весьма дорогая манипуляция. Одним из главных факторов, обеспечивающих долговечность эксплуатации эндовидео­ системы, является бережное отношение к кабелю видеоголовки. Нельзя тянуть и дергать за него, допускать его скручивание и на- матывание с малым радиусом кривизны! Следует упомянуть, что примерно 70 % ремонтов эндовидеосистем связано с выходом из строя кабеля видеоголовки!

Практически все современные видеокамеры водонепроницаемы, что позволяет проводить их стерилизацию в химических растворах. Ни в коем случае нельзя применять для стерилизации видеокамер автоклавирование, так как может произойти их разгерметизация,

25

Глава 1

выход из строя электроники и оптики. Наиболее простой способ соблюдения асептики при работе с видеокамерой — помещение её перед операцией в стерильный­ матерчатый чехол.

Как бы привлекательна ни была эндоскопическая хирургия, су- ществует ряд ограничений, связанных с механической природой са- мого оборудования. К ним относят потерю непосредственного кон- такта с тканями, ограничения объёма движений (лапароскопические инструменты вращаются в четырех плоскостях, тогда как человечес- кая рука в семи), во время операции хирург получает двухмерное изображение с монитора (2D vision), координация движений услож- нена, так как надо двигать инструмент в противоположном направ- лении от нужного вам объекта. С целью совершенствования малоин- вазивных технологий и преодоления недостатков лапароскопических инструментов были созданы роботизированные механизмы.

Хирургическая система Da Vinci, разработанная в последнее десятилетие, состоит из эргономичной консоли хирурга, стойки с четырьмя интерактивными роботизированными руками у операци- онного стола, высокопроизводительной системы обзора InSite® и патентованных инструментов EndoWrist®. Вооруженные современ- нейшей роботизированной технологией движения рук хирурга мас- штабируются, фильтруются и равномерно преобразуются в точные движения инструментов EndoWrist. В итоге создается интуитивный интерфейс с превосходными хирургическими возможностями. Хи- рургическая система позволяет врачам выполнять операции с не- превзойденным удобством. С хирургом, сидящим за консолью в нескольких шагах от пациента, Da Vinci переводит движения рук хирурга в соответствующие микродвижения инструментов внутри тела пациента.

Система Da Vinci обеспечивает лучшую визуализацию, доступ, точность и контроль, чем открытая операция, позволяя хирургу вы- полнять процедуры через разрезы размером 1–2 см.

Цифровое приближение обеспечивает высокое увеличение изоб- ражения ткани. Эффект присутствия в сочетании с эффектом уве- личения обеспечивает хирургу превосходный обзор и уверенность в результате. Улучшенная визуализация позволяет хирургам анали- зировать тонкие ткани с высокой точностью даже в ограниченном пространстве, таком, например, как грудная клетка, полости жи- вота или таза. Такая точность позволяет хирургу минимизировать травмы окружающих тканей, например нервно-сосудистых пучков возле простаты во время операции рака предстательной железы.

26

Система формирования изображения

При этом роботохирургия имеет высокую стоимость, требует зна- чительного времени на установку и демонтаж аппарата в день опе- рации, специальное помещение. Преимущества системы Da Vinci наиболее ярко проявляют себя при выполнении сложных эндоско- пических операций (радикальная лапароскопическая простатэкто- мия, аорто-коронарное шунтирование).

Видеолапароскоп. Видеолапароскоп – это эндоскоп, у которого ПЗС-матрица располагается непосредственно за объективом жес- ткого эндоскопа. В этом случае изображение операционного поля минует вносящую искажения оптическую систему лапароскопа. Это позволяет немного повысить чувствительность и четкость изображе- ния на выходе эндовидеосистемы. Существуют приборы с изгибае- мым дистальным концом.

Камера, отфильтровывающая дым, – безусловный прорыв в технологии передачи изображения. Новая цифровая видеокамера VapClear обладает уникальной, не имеющей аналогов функцией подавления визуальных помех, таких как дым, пары, взвесь кро- ви и т. п. За счет технологии динамического усиления диапазона (Dynamic Range Enhancement) происходит отфильтровка движу- щихся частиц – «шумового сигнала», – и на экран монитора выво- дится изображение, свободное от них. Данная функция позволяет уменьшить время операций, во время которых осуществляется ча- стая коагуляция или в жидкой среде, где присутствуют посторон- ние взвеси. Отпадает необходимость производить десуффляцию (при лапароскопии) или активное промывание зоны вмешательства (в гинекологии, урологии, артроскопии).

Стереоскопическая эндовидеосистема даёт ощущение трёхмер-

ного объёмного­ изображения. Примером подобной эндовидеосисте- мы является стереоскопическая эндовидеосистема OTV-S5 фирмы OLYMPUS. Эта система включает стереолапароскоп, совмещенную с ним стереовидеокамеру, электронное устройство обработки сигна- ла, монитор изображения и специальные очки. Стереоизображение может быть получено только при фокусировании взгляда на мони- торе. Отведение взгляда от экрана (например, при смене инстру- ментов) приводит к неприятному ощущению мерцания­ в глазах. Стереоизображение не даёт существенных преимуществ по сравне- нию с обычной моносистемой, и все известные эндохирургические операции выполнимы­ при двухмерном изображении. Кроме того,

27

Глава 1

стоимость стереооборудования­ в несколько раз превосходит стои- мость традиционного.

В последнее время появились стереоскопические эндовидео­ системы, в которых изображение подается на стереоочки, которые представляют собой два миниатюрных цветных жидкокристалли- ческих монитора. В этой системе нет эффекта мерцания, и хирург менее подвержен усталости при работе, так как нет необходимости поворачивать голову в сторону монитора во время операции. Одна- ко эта система в настоящий момент еще достаточно дорога.

Соединение видеосистемы с монитором

При наличии у видеосистемы видеовыхода RGB соединение с монитором нужно производить именно по этому выходу, так как это обеспечивает наилучшее качество изображения. При отсутствии данного выхода применяют выход S-video (S-VHS). Данный выход должны иметь все современные видеосистемы. В эндовидеосисте- мах высокой четкости сигнал передается через разъем HDMI по кабелю такого же стандарта.

Видеомонитор

Это устройство для отображения видеоинформации – последнее звено в цепи передачи изображения. Размер экрана по диагонали у мониторов варьирует от 14 до 40 дюймов и более. В настоящее вре- мя в эндохирургии в основном используются жидкокристалличес- кие мониторы. В эндохирургии предпочтителен монитор с размером экрана по диагонали 21 дюйм (рис. 1-1). Но выбор определяется не только размером экрана. Только одна компания Sony предлагает более 30 моделей профессиональных видеомониторов с разбросом цен от 700 до 4 000 долларов.

Важным критерием при выборе является количество видеока- налов. Для целого ряда комплектаций может хватить и одного. Например, у вашей эндовидеокамеры два видеовыхода: один со- единяется с монитором, другой – с системой архивации изобра- жений. При этом иное оборудование, требующее подачи на него видеосигнала, не используется или присоединяется последователь- но от видеовыхода­ системы архивации. Даже если у видеокамеры только один видеовыход, видеосигнал можно подавать от монитора на систему записи с незначительной потерей качества. Два видео- канала монитору требуются в том случае, если вы подключаете к

28