张晓斌，张亚东，周宇

安徽医科大学第一附属医院 物资设备处，安徽 合肥 230022

引言

随着科学技术的迅猛发展，智能集中控制的理念被广泛地应用到医疗设备中，使医疗设备实现集成化、系统化、一体化[1-2]。同时随着4K超高清技术不断发展，该技术也已经逐步地应用到医疗中，为临床微创外科手术治疗提供极大的便利[3]。在微创外科手术使用的医疗设备中，以腔镜系统为代表的医疗设备将一体化智能集中控制理念和4K超高清技术应用的较为广泛，且表现出较好的临床应用效果[4-6]。

在应用腔镜系统做临床微创外科手术中，需要借助增大视野的摄像系统、辅助照明的冷光源系统、气体膨宫增大操作空间的气腹系统等设备进行观察和操作[7]。传统腔镜系统一般分为四个独立设备，分别为内窥镜摄像机、CO2气腹机、冷光源、显示器。但传统的腔镜系统存在以下的不足之处：在供电方面，各设备均需单独供电，导致线缆较多且乱；在空间放置方面，四个独立的设备需要充分考虑合理放置的问题，且会较大的占用有限的手术室空间；在性能方面，传统腔镜系统的摄像系统基本上都是1080 P高清摄像机，对于细微血管、细小的神经无法精细显现[8-10]。本文基于4K一体化智能腔镜系统，实现腔镜系统的一体化和细微病灶的精细显示，有效地改善传统微创腔镜系统的不足之处，提高了手术的质量与效率。

1 4K一体化智能腔镜系统的探究

1.1 系统框架

4K一体化智能腔镜系统是集4K内窥镜摄像模块、冷光源模块、CO2气腹模块、4K超高清27英寸显示屏于一体的一体化设备，具有监视、存储、传输、录制等功能。其中4K内窥镜摄像模块采用超高清的4K摄像模组，采用全数字化CMOS摄像头，2160 P分辨率，代表微创手术领域的最高水平。通过超高清像素3840×2160 P，能够呈现出最微小、最细微的组织细节，同时借助强大的光敏度，即使在不利条件下，摄像机也能提供清晰的图像。冷光源模块中的光源采用LED发光，在安全可靠性和低功耗方面有比较明显的优势。CO2气腹机是进行人工气腹作用的主要设备。超高清27英寸显示屏显示器采用超高清的4K医用显示器。

4K一体化智能腔镜系统各模块的使用原理：① 4K内窥镜摄像模块：前面板摄像面板的母头通过摄像头线缆接+变焦适配器接4K内窥镜的目镜管端；② 4K超高清27英寸显示屏：4K内窥镜摄像模块处理后的图像信息借助本机4K超高清27英寸显示屏展现；③ 冷光源模块：前面板的出光口通过导光束接4K内窥镜；④ 气腹模块：后面板独立的进气口输入CO2气体，可借助高压气腹管中央供气室供气也可气罐供气。前面板气腹模块出气口，通过无菌过滤管道搭配气腹针进行使用。系统框架图如图1所示。

图1 系统框架图

1.2 使用流程

手术前：在中央供气或是气罐供气管道已接好的情况下，① 将气腹过滤组件、摄像头、导光束依次接主机前面板对应接口；② 变焦适配器旋装在摄像头接口，变焦适配器外接内窥镜（软镜或硬镜），导光束连内窥镜；③ 连接电源线，依次打开总电源开关、气腹机开关、摄像开关、光源开关；④ 摄像机设置白平衡校准，光源调整到合适的亮度，气腹机设置合适的压力与流量档位；⑤ 打开前面板气腹模块“START开始”开关按键，四个模块均开始工作。

手术后：依次关闭气腹机开关、摄像开关、光源开关、总电源开关，依次取下气腹过滤组件、摄像头、导光束即可，操作流程简单。整个使用操作流程涉及到接线、开关以及简单参数设置，操作流程简单快捷。

1.3 功能

4K一体化智能腔镜系统主要由四个模块组成。4K内窥镜摄像模块借助系统显示屏为手术操作者提供清晰的实时图像，其功能包括图片冻结、增益等[11]。气腹机模块通过CO2气体来建立并维持病人体腔内一定的腹压，以提供理想的视像条件和足够的手术空间，实现膨宫功能[12-14]。冷光源模块采用高亮度的LED发光，使用者可通过调节光输出强弱按钮，将光线输出调至到适当水平，从而为内窥镜摄像系统提供照明光源及医用辅助照明功能[15-17]。此外，4K一体化智能腔镜系统还具有超高清图像输出功能，采用HDMI2.0超高清输出3840×2160 P，50 Hz/60 Hz，能够外接4K超高清显示屏，为医生提供更好的视野效果，或外接HDMS高清管理系统，实现远程医疗。同时具备存储录制功能，能够通过外接U盘，实现视频文件或是图片的存储，作为后期医生的自我学习提升和实习医生学习的资料。

1.4 核心优势

（1）一体化平板设计。4K一体化智能腔镜系统是集4K内窥镜摄像模块、冷光源模块、CO2气腹模块、4K超高清27英寸显示屏一体化平板嵌入式设计。整体设计更加简洁，易操作。

（2）4K超高清显示。摄像头部分采用3CMOS 4K超高清传感器技术结合4K超高清摄像模块以及4K超高清显示屏，弱光条件下可得到更纯净的画质、更少的噪点。低功耗设计，不易发热，人体工学及轻量化设计，方便操作。

（3）具有全自动恒压气腹功能。4K一体化智能腔镜系统具有全自动恒压气腹功能，智能化技术更方便医护人员的工作，提高手术室效率。

（4）4K专用LED冷光源。4K一体化智能腔镜冷光源模块采用美国进口60 W LED单芯片冷光源灯珠，提供3600流明输出，具有功耗小、发热量小、高亮度、光源寿命可达50000 h等优点。当今医院常用的冷光源主要有卤素灯冷光源、氙气灯冷光源以及LED冷光源三种，卤素灯冷光源、氙气灯冷光源具有功耗大、发热量大以及寿命短等缺点[18-19]。冷光源参数如表1所示。

表1 冷光源参数对比表

（5）实时发起远程手术指导、示教。外接HDMS高清管理系统，可实现远程手术指导及示教。

2 4K一体机智能腔镜系统的特点

2.1 节约空间，改善手术室环境

4K一体化智能腔镜系统将微创手术用到的气腹功能、摄像功能、光源功能和显示器，集成于一体，实现各功能参数单独控制、实时显示，节省了手术设备的占用空间，避免了各设备电源线的相互干扰，使手术室更加整洁，工作人员操作更加方便。传统腔镜系统与4K一体化智能腔镜系统如图2所示。

图2 传统腔镜系统与4K一体化智能腔镜系统

2.2 4K超高清成像，提高手术质量

4K一体化智能腔镜系统从前端的图像采集到终端的图像显示装置，均采用4K超高清技术。其中独特的NCT色彩还原技术，增强了血管显现功能，使不同组织呈现出细微色差，让病灶无处遁形，使医生诊断更加精准。传统腔镜系统成像为像素约270万的全高清图像，4K一体化智能腔镜系统成像为像素约829万的4K超高清图像，见图3。

图3 传统腔镜系统与4K一体化智能腔镜系统成像对比图

2.3 实现数据互联互通

4K内窥镜摄像模块接口模式多样化，HDMI2.0超高清输出3840×2160 P，50 Hz/60 Hz，可以外接4K大屏，给医生展现更好的视野效果，也可外接HDMS高清管理系统，实现远程医疗。DVI全高清输出1920×1080 P，50 Hz/60 Hz，匹配1080 P显示器，兼容性更广。摄像模块技术参数对比如表2所示。

表2 摄像模块技术参数对比表

2.4 提高手术室工作效率

随着微创手术的普及，一些特殊的病患、手术部位对手术操作空间和视界精度很高，要求CO2气腹仪能提供更为稳定清洁的气流、气压，为手术实施提供更好的条件。因此，气流、压力控制技术的智能化发展是大势所趋，该项技术更方便医护人员的工作，提高了手术室效率，减少了出现差错的可能性。气腹机模块技术参数对比如表3所示。

表3 气腹机技术参数对比表

2.5 提高设备性能

LED光源降低了光热比，降低了微创手术时由于光线长时间照射引起器官组织灼伤的可能性。与传统的卤素灯泡或氙灯相比，设备的可靠性、使用寿命、低功耗方面有明显的优势，灯泡寿命在正常使用情况下在50000 h以上。LED光源主要集中在400～800 nm可见光，复合光谱接近太阳光可见光区，色彩还原性好。冷光源技术参数对比如表4所示。

表4 冷光源技术参数对比表

3 4K一体化智能腔镜系统的应用实例

3.1 4K一体化智能腔镜系统在临床的应用

据不完全统计，腹腔镜手术种类目前已有近百种，主要用于腹部外科。近年来腹腔镜还常用于急腹症、外伤、妇产科、泌尿科等手术[20]。实例如下：① 肝胆外科：南昌新建区人民医院的肝胆科通过试用4K一体化智能腔镜系统进行胆囊切除手术，现场医生反馈清晰度很高；② 神经外科：安庆市立医院神经外科通过试用4K一体化智能腔镜系统进行神经内镜下垂体瘤手术，现场医生反馈4K一体化智能腔镜系统清晰度很好，色彩还原性好；③ 泌尿科：安医大一附院在临床试用的过程中，现场医生反映画面清晰度不错，色彩逼真。手术现场如图4所示。

图4 手术室现场图

3.2 4K一体化智能腔镜系统在临床的应用效果

通过统计肝胆科的肝部分切除术、妇科子宫切除术以及心胸外科食道癌根治+肺部分切除术各10台，分别使用4K一体化智能腔镜系统和传统腔镜系统手术所用平均时间，在使传统腔镜系统时，肝部分切除术、子宫切除术、心胸外科食道癌根治+肺部分切除术所需平均时间分别为3、4、10 h；使用4K一体化智能腔镜系统所需平均时间分别为2.8、3.5、8.7 h，如图5所示。由统计数据可知，使用4K一体化智能腔镜系统比传统腔镜系统在此三类手术中所需平均时间分别减少了0.2、0.5、1.3 h，故使用4K一体化智能腔镜系统可以在一定程度上节约了手术时间，提升了手术效率。

图5 传统腔镜系统与4K一体化智能腔镜系统手术时间对比

4K一体化智能腔镜系统在多家医院临床试用的过程中也出现过几个问题，如主机外接大屏时，大屏偶尔出现雪花点。解决方案：排查分析由于手术室现场外接大屏时视频线较长，导致信号衰减使得接收信号弱，后更换为光纤传输的信号线，经现场实际测试效果良好。如气腹出气口不匹配进口气腹机的配件。解决方案：提供多种转接头，后期通过转接头使用效果良好。

通过对在不同医院长期试用的8台4K一体化智能腔镜系统应用效果进行统计，与同家医院正常使用的传统1080 P腔镜系统比较，在2020年1月至12月时间范围内，4K一体化智能腔镜系统的故障率在上半年与下半年均比传统1080 P腔镜系统低，且随着时间的延长，试用过程中出现的故障现象逐个被解决，4K一体化智能腔镜的故障率明显降低，见图6。同时，对105台手术的跟台满意度反馈结果进行统计，从图7中可以看出，4K一体化智能腔镜系统的满意度相比于传统1080 P腔镜系统较高。

图6 2020年上、下半年设备故障率统计

图7 使用满意度对比统计

4 总结与展望

本文通过对4K一体化智能腔镜系统的结构组成、使用流程、功能与核心优势等方面的介绍，阐述了4K一体化智能腔镜系统是一种能够将传统腔镜系统中各个组成部分整合为集系统化操控、数据化处理、可不断完善和开发的医疗设备[21]。且该系统能实现各功能参数单独控制、实时显示，节省了手术设备的占用空间，避免了各设备电源线的相互干扰，使得手术室更加整洁[22-23]。同时，本文以4K一体化智能腔镜系统实际临床应用为例，通过对临床应用效果评价及统计数据的分析，证明了该系统能够使医生更加准确快捷的定位到病灶点，提高手术效率，减少手术时间，降低设备使用故障率，提升设备使用满足度，降低手术风险[24-26]。4K一体化智能腔镜系统利用超高清画质和更丰富的色彩还原技术，将病变组织中更多的细节清晰真实地展现给手术医生，使手术医生的外科技术得到最极致的发挥，从而有效地提高治愈率和患者满意度，对增强医院的核心竞争力有着重要的意义。

通过4K一体化智能腔镜系统在手术室临床的应用效果，表明了该系统具有良好的稳定性、使用灵活性、易操作性等性能，同时能够有效地减少医护人员的工作量，提高医生的手术效率。目前，4K一体化智能腔镜系统已成功地运用到肝胆外科、神经外科、泌尿科等手术室中，并表现出良好的实际应用效果。基于以上的分析可见，随着未来临床手术外科技术的发展及科室实际应用的需要，4K一体化智能腔镜系统将逐步地应用到骨科、妇产科等更多的的手术室中。