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单孔电视辅助胸腔镜手术的几何特征

Published at: 2015年第1卷第S1期

关键词:

《单孔胸腔镜手术》连载005

第一部分:总论

第四章:单孔电视辅助胸腔镜手术的几何特征

Luca Bertolaccini1 , Gaetano Rocco 2 , Andrea Viti 3 , Alberto Terzi3

1 Division of Thoracic Surgery, S. Croce e Carle Hospital, Via Michele Coppino 26, 12100 Cuneo, Italy;  2 Division of Thoracic Surgery,

National Cancer institute – Pascale Foundation, Naples, Italy;  3 Division of Thoracic Surgery, S. Croce e Carle Hospital, Cuneo, Italy

Correspondence to: Luca Bertolaccini, M.D, Ph.D. Division of Thoracic Surgery, S. Croce e Carle Hospital, Via Michele Coppino 26,12100 Cuneo, Italy.

摘要

单孔电视辅助胸腔镜手术(单孔VATS)就准确性与效果而言,可与传统电视辅助胸腔镜手术相媲美。在传统三孔胸腔镜手术中,呈平行四边形的几何构型与光源相互干扰,产生一个具有扭转角的视野平面,不利于二维监视器的观察。单孔VATS的潜在优势不仅在于其肋间切入(减少术后疼痛),更在于其器械沿着矢状面所能达到的转化。相应地,单孔技术使得单孔VATS器械与图像平面平行,以从足侧到头侧的透视角度处理病变,从而达到术中的可视化投射平面。因此,利用单孔VATS的独特空间特性,外科医生能像开胸手术一般,将手术支点带入胸腔内,处理目标病变。

1 前言

单孔VATS的外科技术和最新适应证已被详细报道。但是,由于缺乏对单孔手术几何学优势的认识,胸外科医生并没有完全理解单孔VATS的潜力。

2 几何学的含义

由于VATS的设计理念与直观视觉效果关系密切,故VATS的几何结构几乎等同于直视下的场景。数学模型是一类最基本、已经被人们广为接受的科学知识。几何学是数学领域中与视觉相关的科学。视觉是我们与外界联系的一种重要感知。换言之,如果视觉所捕捉的图像与先前我们所认识的客观实体相匹配,那么视觉即是对早期图像记录的再次构建。

根据Herodotus所说,几何学首先兴起于埃及:“据说Sesostri国王(公元前2000年)为所有埃及人分配土地,每人 都有一块等大的正方形土地,Sesostri国王按年度从每块土地中获取贡物。如果河流泛滥造成了土地损失,那么行政人员会调查损失程度,并根据损失程度调整贡物的收取。所以在我看来,几何学首先发明于埃及,之后才传播至希腊。”

自小学起,我们就熟知欧几里得几何学以及其对现实世界的精彩描述。来自亚历山大港的欧几里得是古代最杰出的数学家,他的数学专著《几何原本》举世闻名,并作为数学教学的核心知识流传了2000年。《几何原本》中描述了几何学的构筑基石,例如:点(空间中只有位置,没有大小的图形),直线(由无穷多的点组成,没有厚度,沿着一定方向和其相反方向无限延伸),平面(在二维空间长和宽无限延伸,没有厚度)和射线(直线上的一点和它在一个方向无限延伸所组成的图形)。另外,《几何原本》描述了五个假设。第五个假设即所谓的平行线法则,即过一点有且只有一条直线与已知直线平行。直到十九世纪该假设才被推翻,非欧几里得几何学开始兴起。在欧几里得几何学中,物体的边长是固定的,两条直线相交产生交角,而在同一平面内永不相交的两条直线称为平行线。

3 三孔胸腔镜的几何结构

但在VATS手术成像中,我们清晰地认识到了欧几里得几何学的不足:物体的边长和直线的交角角度不再固定, 并且平行线也可能相交。Lobacevskian几何学推翻了欧几里得第五假设,取而代之的是:已知一条直线与一个不在直线上的点,有无数条通过该点的直线与已知直线平行。

因此,传统三孔胸腔镜手术的菱形几何构型使得手术器械可从不同方向聚合到病变位置,并与光源相互影响。 在解析几何中,菱形与已知坐标轴位置的普通平行四边形是相似的(图1)。


图1 在三孔VATS中,呈菱形的几何构型与光源相互干扰,产生一个新的具有扭转角的视野平面,不利于二维监视器的观察

 

4 单孔胸腔镜的几何结构

投影几何学很好地反映了VATS的成像过程,因为其不仅是转化信号和旋转,还包括透视射影等更高级的转换形式。我们必须从欧几里得几何学着手去理解为什么投影几何学对于体现单孔VATS的视觉优势十分重要。两条直线 (二维几何学中)几乎总是相交于一点。为了将这一点解释清楚,将平行线的交点定为“在无穷远处”,这些无穷远的点加强了欧几里得平面,并称之为“理想点”。加上这些理想点之后,我们熟悉的欧几里得空间转变成另一种新型的几何物体,即投影空间。射影空间是欧几里得空间的延伸,在此空间内两条直线总能相交于一点,也可能是无穷远点。在二维投影空间里,无穷远点构成一条直线,通常称之为无穷远线。在三维空间里,无穷远点构成无穷远平面。在现实世界中并没有无穷远点、无穷远线及无穷远平面。所以,虽然我们常提及射影空间,但我们知道在某种程度上无穷远线和无穷远平面只是个概念。通常情况下,我们既会在适当的时候把投影空间内的所有点视为等同,也会在必要时在空间内选出无穷远线。单孔胸腔镜要求胸腔镜器械与矢状面呈90°角,因此手术器械以垂直的、从足侧到头侧的透视角度处理病变。为了避免相互干扰,运用可在不同平面多角度独立旋转的器械和前端开口的器械至关重要。从三维世界到二维影像是丢失了一个维度的投射过程。该过程的常用建模方法是中心投射法,该方法将空间内的射线从现实三维世界中通过固定点提取,该固定点即所谓的“投射中心”。 射线贯穿空间中的特定平面称为影像平面。射线与图像平面的贯穿点代表该点的图像。如果三维结构位于一个平面上,则转换过程没有维度丢失。为了保证影像投射,可能将沿着该射线的所有点都视为相同。我们可以进一步认为通过投射中心的射线代表成像点。因此,所有成像点的组合等同于所有通过摄像机中心的射线的组合。所以从空间中同一点得到的两个图像在投射上是相同的。

因此,单孔VATS技术建立在与传统三孔VATS 完全不同的几何概念上。实际上,单孔VATS处理肺部病变的方法与开胸手术相似。因为病变与摄像机位于同一轴线,所以需先用手术钳从肺实质中垂直夹起病变组织,然后用切割缝合器(或在监视下用弯钳)在人造的锥形肺实质区的根部实施切除。手术器械沿着可视胸腔镜平行方向插入胸腔,其方式类似于开胸手术。在单孔VATS手术中,病变位于齐次坐标的射影平面,并代表无穷远点(图2)。 单孔VATS 优势的极线几何学解释是:利用现有的二维监视器,从矢状位接近病变可保持术中投射平面的可视化深度。


图2 单孔VATS沿矢状面以从足侧到头侧的透视角度到达病变,术中保持投射平面的可视化深度

5 结论

标准的三孔VATS视野呈菱形几何构型,并与手术光源相互干扰,具有术野扭转的特点,不利于通过常用监视器观察。相反,单孔VATS从矢状面接近病变,以从足侧到头侧的透视角度处理病变,使得投射平面在术中保持了可视化深度。在单孔VATS中,器械与图像平面平行,使得外科医生能将手术支点带入胸腔内。

6 致谢

声明:作者宣称无任何利益冲突。

参考文献

 

点击 《胸腔镜到单孔胸腔镜肺叶切除术的演化: 革新背后的故事》 阅读上期连载内容。

 

作为对单孔技术发展一个较为全面的阶段性总结,AME出版社专著出版的《单孔胸腔镜手术》(Uniportal Video-Assisted Thoracic Surgery)一书,超过100位不同国家的单孔胸腔镜技术开拓者对单孔胸腔镜技术的理论与实践进行了探讨,共同分享了世界各国所进行的单孔胸腔镜技术经验,旨在引领未来单孔胸腔镜技术的发展潮流。

doi: 

10.3978/kysj.2014.1.2189
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