Noch findet die Visualisierung bei der Laparoskopie vorwiegend mittels eines zweidimensionalen Bildes (2-D) statt. Der geübte Operateur nutzt monoskopische Raummerkmale (Größe, Relation, Schatten), um trotz der fehlenden Stereoskopie einen plastischen Eindruck zu gewinnen. Vor allem bei Manövern ohne direkten Raumbezug – beispielsweise beim Ausrichten der Nadel beim laparoskopischen Nähen – wäre eine dreidimensionale Sicht hilfreich. Folgende Übersichtsarbeit stellt die optischen und physiologischen Grundlagen sowie den Stand der Technik für die 3-D-Visualisierung in der laparoskopischen und thorakoskopischen Chirurgie dar.

In moderne Operationssäle sind hochauflösende (HD) Videosysteme integriert. Eine Kameraauflösung von bis zu 1080 Zeilen verspricht eine genauere Darstellung des Operationssitus. Sie wird bei den laparoskopischen und thorakoskopischen Operationen vom Operateur als angenehmer empfunden [13]. Der technische Fortschritt bezüglich Auflösung, Helligkeit und Verzeichnung ist im Laboraufbau messbar [11]. Die höhere Auflösung bringt monoskopische Raummerkmale, wie z. B. Schattenwurf oder Überschneidung, verstärkt zur Geltung und kann somit in bestimmten Situationen die Einschätzung von Tiefen und Entfernungen verbessern. Allerdings ist eine signifikante Verbesserung in Bezug auf Präzision und Effizienz beim Operieren nicht nachgewiesen [13]. Für eine zuverlässige und intuitive Orientierung im Raum wäre nach wie vor eine stereoskopische Darstellung (3-D) optimal. Signifikante Vorteile für die Präzision und Effizienz wurden unter experimentell standardisierten Bedingungen bereits gezeigt [2, 3, 10, 12].

Die direkte stereoskopische Sicht, d. h. 3-D-Sicht ohne Videosystem, ist in verschiedenen chirurgischen Disziplinen etabliert. Vor allem Operationen im Kopf- und Halsbereich sowie am zentralen Nervensystem werden mithilfe des Stereomikroskops durchgeführt. Auch die in der konventionellen Viszeralchirurgie verwendeten Lupenbrillen geben ein vergrößertes stereoskopisches Bild.

Die „transanale endoskopische Mikrochirurgie“ (TEM, Richard Wolf GmbH, Knittlingen) war die erste endoskopische Anwendung mit direkter stereoskopischer Sicht durch 2 Okulare [1]. Die so genannte Schattenoptik [6], die ohne Stereoskopie die plastische Bildwirkung verbessert, indem sie einen Schatten wirft, konnte sich in der klinischen Anwendung nicht durchsetzen.

Neue 3-D-Kamera- und -Monitorsysteme erlauben nun die dreidimensionale Laparoskopie und Thorakoskopie.

Dieser Artikel beschreibt die Grundlagen des stereoskopischen Sehens und der technischen Voraussetzungen. Weiter führt er in die Fachnomenklatur ein. Kursiv gedruckte Fachbegriffe werden in Tab. 1 erklärt. Schließlich werden praktische Hinweise für die 3-D-Videosicht aufgezeigt.

Tab. 1 Fachbegriffe aus der 3-D-Laparoskopie
Full size table

Physiologie des dreidimensionalen Sehens

Wenn monoskopische Raummerkmale vorliegen, kann ein Erwachsener mit nur einem Auge Form, Lage und Entfernung von Objekten im Raum einschätzen, weil er über die nötige Erfahrung verfügt, dass z. B. ein Fußball kugelförmig ist. Ein Kleinkind würde mangels Vorwissen beim ersten Anblick den Fußball nicht als Kugel, sondern als Kreisscheibe interpretieren. Optische Täuschungen, wie z. B. die anscheinend endlose Treppe (treppauf – treppab) von M.C. Escher, zeigen die Unzuverlässigkeit der monoskopischen (2-D) Raummerkmale. Für die Chirurgie ist eine verlässliche Erfassung des Situs essenziell und somit eine stereoskopische Sicht optimal.

In der Stereoskopie entsteht der Raumeindruck durch die sog. Parallaxe, die die seitliche Abweichung der Perspektiven des linken und des rechten Auges beschreibt. Der menschliche Augenabstand legt als Stereobasis die plastische Wirkung fest. Er beträgt bei den meisten Erwachsenen laut Dodgson [4] 50–75 mm (Mittelwert 63,36 ± 3,832 mm).

Der Betrachter visiert das Objekt an (Fixation) – was zur Konvergenz der Augen führt – und fokussiert darauf (Akkommodation). Fallen die Bilder hinreichend genau auf sog. korrespondierende Stellen der Netzhaut (Panum-Areal) verschmelzen sie im Gehirn zu einem stereoskopischen Raumeindruck. Die Fixation ist ein komplexer Lernprozess und führt nur zu einer stereoskopischen Tiefenwahrnehmung, wenn die betrachtete Szene bestimmte geometrische Bedingungen erfüllt und vom Betrachter „verstanden“ wird. Durch den Augenabstand von 5–7,5 cm werden zu nahe gelegene Objekte nur monoskopisch bzw. als Doppelbilder wahrgenommen. Weit entfernte Objekte erscheinen durch den zu geringen Unterschied der beiden erfassten Projektionen auf die Netzhaut flach und der Raumeindruck geht hierbei verloren. Der optimale Objektabstand beim Stereosehen liegt bei ca. 1–4 m.

Aufbau von 3-D-Videosystemen für die Laparoskopie

Ein 3-D-Videosystem besteht aus (Stereo-)laparoskop, Stereokamerakopf und -elektronik, Stereomonitor und -brille. Ein an das Laparoskop angekoppelter Stereokamerakopf gewinnt aus zwei Perspektiven für jedes Auge ein Videosignal und gibt sie an die Kameraelektronik weiter. Der nachgeschaltete Stereomonitor wird mittels Stereobrille betrachtet.

Grundsätzlich kann die 3-D-Sicht entweder durch zwei Stablinsenoptiken, die in einem gemeinsamen Hüllrohr nebeneinander untergebracht sind, oder – wie beim Blick durch eine große Leselupe – durch nur ein Stablinsensystem erzeugt werden.

Die Kameratechnik hat sich so weit verbessert, dass HD-Kameras – mit für die Laparoskopie ausreichender Lichtempfindlichkeit – heute in operationstauglicher Größe verfügbar sind. Hochwertige Doppelkameras für die Stereolaparoskopie sind nach wie vor vergleichsweise unhandlich. Das Einstein Vision System® (Aesculap AG & Co KG, Tuttlingen/B. Braun Melsungen AG, Melsungen) wird daher mit Haltearm angeboten. Beim „da Vinci“-System® (Intuitive Surgical, Inc., USA) übernimmt der Operationsroboter die Halteaufgabe.

Gegenwärtig existiert kein Standardanschluss für Doppelkameras, sodass zweikanalige 3-D-Systeme komplett von einem Hersteller bezogen werden müssen. Das Karl Storz 3-D-System (Karl Storz GmbH & Co. KG, Tuttlingen) verwendet eine „Chip-on-the-Tip“-Optik, bei der der Videosensor distal in die Laparoskopspitze integriert ist. Die handliche Optik liefert einen starken Raumeindruck, ist aber nur in Standardauflösung verfügbar.

Der rasanten Entwicklung der 3-D-fähigen Monitore ist es zu verdanken, dass für die Laparoskopie neue 3-D-Videosysteme angeboten werden. Welche Typen von 3-D-Monitoren jetzt zur Verfügung stehen und wie gut sie für die Laparoskopie geeignet sind, wird im Abschnitt „Monitortypen“ behandelt.

Stereoskopie durch das Laparoskop

Vergrößerung und plastische Wirkung

Der insufflierte Abdominalraum hat ein Volumen von ca. 3–5 l. Seine Organe und Strukturen werden aus wenigen Zentimetern Abstand von der Frontlinse des Laparoskops betrachtet. Für die stereoskopische Wahrnehmung dieses Makroszenarios ist der Augenabstand des Menschen als Stereobasis zu groß. Deshalb werden bei der Laparoskopie beide Perspektiven durch nur eine Optik aufgenommen. Je nach Bauweise ergibt sich damit eine kleine Stereobasis von ca. 5 mm (zweikanaliges 10-mm-Laparoskop) oder von unter 1 mm (einkanalig).

Die Perspektive des Operateurs durch das Laparoskop gleicht der einer Maus in ihrer Höhle. Weil der menschliche Augenabstand der inhärente Größenmaßstab für das Stereosehen ist (Vergrößerung der Tiefe = Verhältnis aus Augenabstand zu Stereobasis der Optik), erscheint die Tiefe des Operationsgebiets mehr als 10-fach vergrößert. Wenn Bildbreite und -höhe um den gleichen Faktor vergrößert werden wie die Bildtiefe, ergibt sich eine natürliche plastische Wirkung (PW; [5]). Beim Einsatz eines einkanaligen Laparoskops wirken die Organe im Vergleich zur Natur flacher. Die etablierten zweikanaligen Laparoskope produzieren eine übersteigerte Raumwirkung. 3-D-Videosystemen mit ein- und zweikanaligen Laparoskopen haben die in Tab. 2 aufgeführten Vor- und Nachteile.

Tab. 2 Eigenschaften von ein- und zweikanaligen Laparoskopen
Full size table

Höhenfehler

Stereoskopische Informationsfehler stören den Raumeindruck und können zu Störungen des Wohlbefindens (Kopfschmerzen, Schwindelgefühl, Übelkeit) führen [8]. Sie treten auf, wenn linkes und rechtes Auge widersprüchliche Bildinformationen erhalten, z. B. wenn linkes und rechtes Bild in der Höhe nicht übereinstimmen (Höhenfehler).

Bei zweikanaligen Laparoskopen müssen deshalb beide Bildkanäle präzise aufeinander abgestimmt sein. Mechanische oder thermische Belastungen (Sterilisation) können zur Dejustage führen. Es empfiehlt sich, vor jeder Operation den Stereomonitor ohne Brille zu betrachten, um sicherzustellen, dass weder in der Bildmitte, noch in den Ecken, Höhenfehler auftreten. Das 3-D-Videosystem des Operationsroboters „da Vinci“ bietet die Möglichkeit, einen geringen Höhenversatz elektronisch zu kompensieren.

Komfortzonen bei laparoskopischen Operationen

Der Raum, der stereoskopisch wahrgenommen werden kann, ist physiologisch begrenzt. Weil Objekte im Unendlichen mit parallel ausgerichteten Augen betrachtet werden, können auf einem Stereomonitor die zugehörigen Bilder für linkes und rechtes Auge mit einer sog. Querdisparität, die dem Augenabstand entspricht, angezeigt werden. Überschreitet die Querdisparität den Augenabstand, führt dies zu einer unergonomischen Divergenz der Augen. Für eine Divergenztoleranz von 0,5° (entspricht 5 mm pro Meter Monitorabstand) kann bei Chirurgen eine maximale Disparität von 60 mm angenommen werden. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei 3-D-Systemen die Monitorgröße und der Abstand des Monitors zum Chirurgen auf die Aufnahmebedingungen abgestimmt sein müssen. Mendiburu definiert für den Betrachter im 3-D-Kinosaal verschiedene Komfortzonen [9]. Diese gelten im übertragenen Sinne auch für den 3-D-Operationssaal [7]. Zu nahe wie auch „zu ferne“ Objekte stören die Raumwahrnehmung, führen zu Doppelbildern und zu starker mentaler Belastung.

Kommt es während der Operation zu einer sog. Scheinfenster-Verletzung, beispielsweise weil sich ein Instrument zu nahe an der Frontlinse befindet, kann zur Abhilfe die Optik etwas zurückgezogen werden [7].

Wenn Störungen der 3-D-Sicht unvermeidlich sind, beispielsweise bei Rauchschwaden durch Hochfrequenzeinsatz im Vordergrund, hilft zeitweiliges Umschalten in den 2-D-Modus. Zur zwischenzeitlichen mentalen Entlastung kann dies auch bei einfachen Arbeitsschritten erfolgen.

Doppelbilder

Doppelbilder (Ghosting) entstehen durch eine unvollständige Trennung der beiden Bildkanäle (Übersprechen) – besonders an kontrastreichen Kanten. Ghosting ist unphysiologisch und stört das stereoskopische Raumsehen stark. In der Natur tritt ein ähnlicher Effekt beispielsweise bei einer bewegten Wasseroberfläche im Gegenlicht auf. Durch dieses Glitzern kann der stereoskopische Raumeindruck komplett verloren gehen. Das Ghosting hängt im Wesentlichen vom verwendeten 3-D-Monitor ab. Den stärksten Ghosting-Effekt gibt es bei der Anzeige von hellen Punkten auf dunklem Grund, wie es in der Laparoskopie häufig auftritt, weil sich die quasi punktförmige Beleuchtung auf feuchtem Gewebe oder konvexen Instrumentenoberflächen spiegelt. Die hohen Kontraste erfordern eine hohe Kanaltrennung zur Vermeidung störenden Übersprechens.

Monitortypen

2-D-Monitore

In den Operationssälen haben sich Flachbildschirme mit hoher Auflösung und kompakter Bauweise etabliert. Sie sind flimmerfrei und haben eine optimale Geometrie. Allerdings sind hochwertige Modelle erforderlich, um die Bildqualität klassischer Röhrenmonitore bezüglich Helligkeit, Kontrast, Farbraum, Ruckelfreiheit und Richtungsunabhängigkeit der Farben zu erreichen. Flachbildschirme gibt es in den Bauarten Plasmamonitor, LCD und organischer LED-Monitor (OLED-Monitor). Plasmabildschirme sind zwar schnell, ruckelfrei und blickrichtungsunabhängig, jedoch können sie „einbrennen“ und sind für manchen Operationssaal zu groß. Mittlerweile gibt es hinreichend farbtreue LCD-Monitore, die als Medizingeräte zugelassen sind. Die neuen OLED-Monitore aus organischen halbleitenden Dünnschichtleuchtelementen sind sehr leuchtkräftig, zeigen aber alterungsbedingte Farbverschiebungen. Sie können in Zukunft die LCD ablösen.

3-D-Monitore

Bei Operationsmikroskopen, bei der transanalen endoskopischen Mikrochirurgie und bei der Bedienkonsole des Operationsroboters „da Vinci“ blickt der Operateur für die 3-D-Ansicht direkt in 2 Okulare.

Die übrigen 3-D-Videosysteme verwenden spezielle 3-D-Monitore. Die im Folgenden beschriebenen 3-D-Monitor-Typen unterscheiden sich darin, wie jedem Auge getrennt die zugehörige Perspektive gezeigt wird. Bei den gängigen 3-D-Systemen ist hierfür eine 3-D-Brille erforderlich. Die Bildtrennung führt zu einem Helligkeitsverlust, der durch Abdunkeln des Operationssaals kompensiert werden kann.

Shutter-Systeme

Die ersten 3-D-Monitore für die Laparoskopie (ab 1996) setzten auf die sog. Shutter-Technik in Kombination mit Computermonitoren. Für eine flackerfreie Anzeige benötigen diese eine Bildrate von mindestens 100 Hz, weil linkes und rechtes Bild abwechselnd mit 2-mal 50 Hz angezeigt werden. Zur Bildtrennung schalten die Shutter-Brillen synchron mit den Bildwechseln am Monitor abwechselnd das linke und das rechte Brillenglas schwarz (Abb. 1). Die den Augen abwechselnd angebotenen Bilder verschmelzen im visuellen Kortex zu einem räumlichen Bewegtbild.

Abb. 1
figure 1

a Schnelles LCD oder Plasmamonitor, b abwechselnd linkes und rechtes Bild, c Shutter-Brille

Full size image

Aufgrund ergonomischer und qualitativer Einschränkungen dieser Wiedergabetechnik konnte sich die 3-D-Technik damals nicht durchsetzen.

Shutter-basierte 3-D-Monitore flackern im Zusammenspiel mit Leuchtstoffröhren im Operationssaal und sind nicht als Medizinprodukt zugelassen.

Polarisationsmonitore

Polarisationsmonitore verwenden Polarisationsfilter, die zeilenweise auf die ungeraden und geraden Pixelzeilen aufgebracht sind (Abb. 2). Beide Perspektiven werden gleichzeitig, polarisiert und zeilenweise verschränkt angezeigt. Die Bildtrennung erfolgt durch passende Polfilterbrillen. Derzeit gibt es nur Modelle mit halbierter vertikaler Auflösung (1920 × 540 Bildpunkte) und sie zeigen Ghosting im Prozentbereich, das bei Reflexen vor dunklem Grund stören kann. Vorteilhaft sind ihre flache Bauweise und geringe Kosten. Gegenwärtig verwenden fast alle Medizingerätehersteller Polarisationsmonitore.

Abb. 2
figure 2

a 3-D-Monitor mit zeilenweiser Polarisation, b verschieden polarisierte Bilder, c passive Polfilterbrille

Full size image

Wellenlängenmultiplexmonitor

Im Kinobereich hat sich neben der Shutter- und der Polfiltertechnik die sog. Wellenlängenmultiplextechnik etabliert (patentiert von der Infitec GmbH, Ulm). Zur Bildtrennung tragen die verwendeten Videoprojektoren wie auch die Brillen Interferenzfarbfilter (Abb. 3). Mit dieser Technik ist eine gute Bildqualität ohne merkliches Ghosting möglich. Die Umsetzung zum Medizinprodukt fehlt noch.

Abb. 3
figure 3

a Wellenlängenmultiplex-3-D-Monitor, b Videoprojektoren, c Interferenzfilterbrille, d Spiegel, e Mattscheibe

Full size image

Zusammenfassung und Ausblick

Die neuen 3-D-HD-Systeme für die Laparoskopie machen Kompromisse zwischen Handlichkeit und Bildqualität sowie zwischen Raumeindruck und Drehbarkeit der gewinkelten Optik.

Für Chirurgen, die kein Problem mit der Einhaltung der Nahpunktweite haben und sich nicht an einer Stereobrille stören, gibt es hochwertige zweikanalige 3-D-Komplettsysteme – gegebenenfalls mit Kamerahaltearm. Eine starke Raumwirkung ist auch mit einem kompakten „Chip-on-the-Tip“-3-D-System erhältlich, wenn auch vorerst nur mit Geradeausblick. Die einkanalige Lösung empfiehlt sich für einen unübersichtlichen Situs, bei dem eine gewinkelte Optik nahe ans Gewebe herangeführt und gedreht werden soll.

Seitens der Monitore stehen bislang nur Polfilter-LCD als Medizinprodukte zur Verfügung, die noch mit halbierter Auflösung arbeiten. Die von der Unterhaltungsindustrie angebotenen 3-D-Monitore sind wegen des Ghosting-Effekts im Allgemeinen für den medizinischen Einsatz unbrauchbar. Die zukünftige Einführung von noch höher auflösenden Monitoren (Digital-Cinema 4K) wird Polarisationsmonitore mit voller HD-Auflösung auch im 3-D-Modus ermöglichen.

Dank kliniktauglicher 3-D-Monitor-Lösungen kann die Stereoskopie nun in der laparoskopischen Chirurgie Fuß fassen, um das Operieren noch sicherer, intuitiver und effizienter zu machen.

Fazit für den praktischen Einsatz

  • Moderne 3-D-HD-Systeme mit verschiedenartigen Optiken sind kommerziell verfügbar. Bislang dominieren 3-D-Monitore mit Polfilterbrillen.

  • Bei den verbreiteten zweikanaligen Optiken ist auf Intaktheit und Sauberkeit beider Frontlinsen achten.

  • Für einen komfortablen Raumeindruck ist ein Mindestabstand einzuhalten. Falls verfügbar, kann ein gewinkeltes Endoskop, über das die Instrumente z. B. mehr von oben betrachtet werden, helfen.

  • Bei gestörtem Raumeindruck hilft es, zwischendurch in den 2-D-Modus umschalten.