Postęp technologiczny i zastosowania kliniczne mikroskopów chirurgicznych o ultrawysokiej rozdzielczości

 

Mikroskopy chirurgiczneOdgrywają niezwykle ważną rolę we współczesnej medycynie, zwłaszcza w dziedzinach wymagających wysokiej precyzji, takich jak neurochirurgia, okulistyka, otolaryngologia i chirurgia małoinwazyjna, gdzie stały się niezbędnym podstawowym wyposażeniem. Dzięki możliwościom dużego powiększenia,Mikroskopy operacyjneZapewniają szczegółowy obraz, umożliwiając chirurgom obserwację szczegółów niewidocznych gołym okiem, takich jak włókna nerwowe, naczynia krwionośne i warstwy tkanek, pomagając tym samym lekarzom uniknąć uszkodzenia zdrowej tkanki podczas operacji. Szczególnie w neurochirurgii, duże powiększenie mikroskopu pozwala na precyzyjną lokalizację guzów lub chorych tkanek, zapewniając wyraźne marginesy resekcji i unikając uszkodzenia newralgicznych nerwów, co poprawia jakość rekonwalescencji pacjentów po operacji.

Tradycyjne mikroskopy chirurgiczne są zazwyczaj wyposażone w systemy wyświetlania o standardowej rozdzielczości, zapewniające wystarczającą ilość informacji wizualnych, aby sprostać złożonym potrzebom chirurgicznym. Jednak wraz z szybkim rozwojem technologii medycznej, a zwłaszcza przełomami w dziedzinie technologii wizualnej, jakość obrazowania mikroskopów chirurgicznych stopniowo stała się ważnym czynnikiem poprawy precyzji chirurgicznej. W porównaniu z tradycyjnymi mikroskopami chirurgicznymi, mikroskopy o ultrawysokiej rozdzielczości (UHD) mogą prezentować więcej szczegółów. Dzięki wprowadzeniu systemów wyświetlania i obrazowania o rozdzielczości 4K, 8K, a nawet wyższej, mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości umożliwiają chirurgom dokładniejszą identyfikację i manipulację drobnymi zmianami chorobowymi i strukturami anatomicznymi, znacznie zwiększając precyzję i bezpieczeństwo operacji. Dzięki ciągłej integracji technologii przetwarzania obrazu, sztucznej inteligencji i rzeczywistości wirtualnej, mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości nie tylko poprawiają jakość obrazowania, ale także zapewniają bardziej inteligentne wsparcie chirurgiczne, zwiększając precyzję i zmniejszając ryzyko zabiegów chirurgicznych.

 

Kliniczne zastosowanie mikroskopu ultrawysokiej rozdzielczości

Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii obrazowania, mikroskopy o ultrawysokiej rozdzielczości stopniowo odgrywają decydującą rolę w zastosowaniach klinicznych, dzięki niezwykle wysokiej rozdzielczości, doskonałej jakości obrazu i możliwości prowadzenia dynamicznych obserwacji w czasie rzeczywistym.

Okulistyka

Chirurgia okulistyczna wymaga precyzyjnego działania, co nakłada na nią wysokie wymagania techniczne.mikroskopy chirurgiczne okulistyczneNa przykład, w przypadku nacięcia rogówki laserem femtosekundowym, mikroskop chirurgiczny może zapewnić duże powiększenie, aby obserwować komorę przednią, centralne nacięcie gałki ocznej i sprawdzać położenie nacięcia. W chirurgii okulistycznej oświetlenie ma kluczowe znaczenie. Mikroskop nie tylko zapewnia optymalne efekty wizualne przy niższym natężeniu światła, ale także wytwarza specjalne czerwone odbicie światła, które wspomaga cały proces operacji zaćmy. Co więcej, optyczna tomografia koherentna (OCT) jest szeroko stosowana w chirurgii okulistycznej do wizualizacji podpowierzchniowej. Może ona zapewnić obrazy przekrojowe, przezwyciężając ograniczenia samego mikroskopu, który nie może zobaczyć drobnych tkanek z powodu obserwacji czołowej. Na przykład Kapeller i wsp. użyli wyświetlacza 4K-3D i tabletu do automatycznego stereoskopowego wyświetlania diagramu efektów zintegrowanego z mikroskopem OCT (miOCT) (4D-miOCT). Na podstawie subiektywnych opinii użytkowników, ilościowej oceny wydajności i różnych pomiarów ilościowych, wykazali oni wykonalność wykorzystania wyświetlacza 4K-3D jako substytutu 4D-miOCT w mikroskopie światła białego. Ponadto, w badaniu Lata i wsp., poprzez zebranie przypadków 16 pacjentów z jaskrą wrodzoną z towarzyszącym okiem byczym, użyli mikroskopu z funkcją miOCT do obserwacji procesu chirurgicznego w czasie rzeczywistym. Poprzez ocenę kluczowych danych, takich jak parametry przedoperacyjne, szczegóły chirurgiczne, powikłania pooperacyjne, ostateczna ostrość wzroku i grubość rogówki, ostatecznie wykazali, że miOCT może pomóc lekarzom w identyfikacji struktur tkankowych, optymalizacji operacji i zmniejszeniu ryzyka powikłań podczas zabiegu. Jednak pomimo stopniowego stawania się OCT potężnym narzędziem pomocniczym w chirurgii witreoretinalnej, szczególnie w skomplikowanych przypadkach i nowatorskich operacjach (takich jak terapia genowa), niektórzy lekarze kwestionują, czy może ono rzeczywiście poprawić efektywność kliniczną ze względu na wysoki koszt i długą krzywą uczenia się.

Otolaryngologia

Chirurgia otolaryngologiczna to kolejna dziedzina chirurgii, w której wykorzystuje się mikroskopy chirurgiczne. Ze względu na obecność głębokich ubytków i delikatnych struktur w rysach twarzy, powiększenie i oświetlenie mają kluczowe znaczenie dla wyników operacji. Chociaż endoskopy czasami zapewniają lepszy obraz wąskich obszarów chirurgicznych,mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczościoferują percepcję głębi, umożliwiając powiększenie wąskich obszarów anatomicznych, takich jak ślimak i zatoki, pomagając lekarzom w leczeniu schorzeń takich jak zapalenie ucha środkowego i polipy nosa. Na przykład Dundar i in. porównali wpływ metod mikroskopowych i endoskopowych w chirurgii strzemiączka w leczeniu otosklerozy, zbierając dane od 84 pacjentów zdiagnozowanych z otosklerozą, którzy przeszli operację w latach 2010–2020. Używając zmiany różnicy przewodnictwa powietrznego–kostnego przed i po operacji jako wskaźnika pomiarowego, końcowe wyniki wykazały, że chociaż obie metody miały podobny wpływ na poprawę słuchu, mikroskopy chirurgiczne były łatwiejsze w obsłudze i miały krótszą krzywą uczenia się. Podobnie w prospektywnym badaniu przeprowadzonym przez Ashfaq i in. zespół badawczy wykonał parotidektomię wspomaganą mikroskopem u 70 pacjentów z guzami ślinianki przyusznej w latach 2020–2023, koncentrując się na ocenie roli mikroskopów w identyfikacji i ochronie nerwu twarzowego. Wyniki wskazały, że mikroskopy mają istotne zalety w poprawie przejrzystości pola operacyjnego, dokładnej identyfikacji głównego pnia i gałęzi nerwu twarzowego, redukcji trakcji nerwu i hemostazy, co czyni je ważnym narzędziem zwiększającym wskaźniki zachowania nerwu twarzowego. Ponadto, w miarę jak operacje stają się coraz bardziej złożone i precyzyjne, integracja rozszerzonej rzeczywistości (AR) i różnych trybów obrazowania z mikroskopami chirurgicznymi umożliwia chirurgom wykonywanie zabiegów pod kontrolą obrazu.

Neurochirurgia

Zastosowanie technologii ultra-wysokiej rozdzielczościmikroskopy chirurgiczne w neurochirurgiiPrzeszła od tradycyjnej obserwacji optycznej do digitalizacji, rzeczywistości rozszerzonej (AR) i inteligentnego wsparcia. Na przykład Draxinger i in. wykorzystali mikroskop połączony z samodzielnie opracowanym systemem MHz-OCT, dostarczając trójwymiarowe obrazy o wysokiej rozdzielczości przy częstotliwości skanowania 1,6 MHz, skutecznie pomagając chirurgom w odróżnianiu guzów od zdrowych tkanek w czasie rzeczywistym i zwiększając precyzję chirurgiczną. Hafez i in. porównali wydajność tradycyjnych mikroskopów i ultrawysokiej rozdzielczości systemu obrazowania mikrochirurgicznego (Exoscope) w eksperymentalnej chirurgii pomostowania naczyniowo-mózgowego, stwierdzając, że chociaż mikroskop miał krótszy czas szwów (P < 0,001), Exoscope radził sobie lepiej pod względem rozmieszczenia szwów (P = 0,001). Ponadto Exoscope zapewniał wygodniejszą pozycję chirurgiczną i wspólne pole widzenia, oferując korzyści dydaktyczne. Podobnie Calloni i in. porównali zastosowanie Exoscope i tradycyjnych mikroskopów chirurgicznych w szkoleniu rezydentów neurochirurgii. Szesnastu rezydentów wykonywało powtarzalne zadania rozpoznawania struktur na modelach czaszki, używając obu urządzeń. Wyniki pokazały, że chociaż nie było istotnej różnicy w całkowitym czasie operacji między nimi, Exoscope lepiej radził sobie z identyfikacją głębokich struktur i był postrzegany przez większość uczestników jako bardziej intuicyjny i wygodny, z potencjałem, by w przyszłości stać się powszechnym narzędziem. Najwyraźniej mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości, wyposażone w wyświetlacze 4K, mogą zapewnić wszystkim uczestnikom lepszą jakość obrazów chirurgicznych 3D, ułatwiając komunikację chirurgiczną, przekazywanie informacji i zwiększając efektywność nauczania.

Chirurgia kręgosłupa

Ultra-wysoka rozdzielczośćmikroskopy chirurgiczneOdgrywają kluczową rolę w chirurgii kręgosłupa. Zapewniając trójwymiarowe obrazowanie o wysokiej rozdzielczości, umożliwiają chirurgom dokładniejszą obserwację złożonej struktury anatomicznej kręgosłupa, w tym subtelnych elementów, takich jak nerwy, naczynia krwionośne i tkanki kostne, zwiększając tym samym precyzję i bezpieczeństwo operacji. W przypadku korekcji skoliozy, mikroskopy chirurgiczne mogą poprawić ostrość widzenia chirurgicznego i możliwości precyzyjnej manipulacji, pomagając lekarzom precyzyjnie identyfikować struktury nerwowe i chore tkanki w wąskim kanale kręgowym, a tym samym bezpiecznie i skutecznie przeprowadzać zabiegi dekompresji i stabilizacji.

Sun i wsp. porównali skuteczność i bezpieczeństwo przedniej chirurgii szyi wspomaganej mikroskopem i tradycyjnej chirurgii otwartej w leczeniu kostnienia tylnego więzadła podłużnego kręgosłupa szyjnego. Sześćdziesięciu pacjentów podzielono na grupę wspomaganą mikroskopem (30 przypadków) i grupę chirurgii tradycyjnej (30 przypadków). Wyniki wykazały, że grupa wspomagana mikroskopem miała lepsze wyniki w zakresie śródoperacyjnej utraty krwi, pobytu w szpitalu i bólu pooperacyjnego w porównaniu z grupą chirurgii tradycyjnej, a wskaźnik powikłań był niższy w grupie wspomaganej mikroskopem. Podobnie, w chirurgii spondylodezy kręgosłupa, Singhatanadgige i wsp. porównali efekty zastosowania ortopedycznych mikroskopów chirurgicznych i chirurgicznych szkieł powiększających w minimalnie inwazyjnej przezotworowej spondylodezie lędźwiowej. Badanie objęło 100 pacjentów i nie wykazało istotnych różnic między obiema grupami w zakresie łagodzenia bólu pooperacyjnego, poprawy czynnościowej, poszerzenia kanału kręgowego, szybkości zrostu ani powikłań, ale mikroskop zapewniał lepsze pole widzenia. Ponadto mikroskopy w połączeniu z technologią rozszerzonej rzeczywistości (AR) są szeroko stosowane w chirurgii kręgosłupa. Na przykład Carl i wsp. zastosowali technologię rozszerzonej rzeczywistości (AR) u 10 pacjentów, wykorzystując zamontowany na głowie wyświetlacz mikroskopu chirurgicznego. Wyniki pokazały, że AR ma duży potencjał zastosowania w chirurgii zwyrodnieniowej kręgosłupa, szczególnie w złożonych sytuacjach anatomicznych i edukacji rezydentów.

 

Podsumowanie i perspektywy

W porównaniu z tradycyjnymi mikroskopami chirurgicznymi, mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości oferują liczne zalety, takie jak wiele opcji powiększenia, stabilne i jasne oświetlenie, precyzyjne systemy optyczne, większe odległości robocze oraz ergonomiczne, stabilne statywy. Ponadto, ich opcje wizualizacji o wysokiej rozdzielczości, a zwłaszcza integracja z różnymi trybami obrazowania i technologią rozszerzonej rzeczywistości (AR), skutecznie wspomagają zabiegi wspomagane obrazowaniem.

Pomimo licznych zalet mikroskopów chirurgicznych, wciąż napotykają one na poważne trudności. Ze względu na swoje duże rozmiary, mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości stwarzają pewne trudności operacyjne podczas transportu między salami operacyjnymi i pozycjonowania śródoperacyjnego, co może negatywnie wpływać na ciągłość i wydajność zabiegów chirurgicznych. W ostatnich latach konstrukcja mikroskopów została znacząco zoptymalizowana, a ich nośniki optyczne i tubusy soczewek binokularowych umożliwiają szeroki zakres regulacji pochylenia i obrotu, co znacznie zwiększa elastyczność operacyjną sprzętu i ułatwia chirurgowi obserwację i operowanie w bardziej naturalnej i wygodnej pozycji. Ponadto, ciągły rozwój technologii wyświetlaczy przenośnych zapewnia chirurgom bardziej ergonomiczne wsparcie wizualne podczas operacji mikrochirurgicznych, pomagając zmniejszyć zmęczenie operacyjne, poprawić precyzję chirurgiczną i utrzymać wydajność chirurga. Jednak ze względu na brak konstrukcji nośnej, wymagana jest częsta regulacja ostrości, co sprawia, że ​​stabilność technologii wyświetlaczy przenośnych jest gorsza niż stabilność konwencjonalnych mikroskopów chirurgicznych. Innym rozwiązaniem jest ewolucja struktury sprzętu w kierunku miniaturyzacji i modularności, aby dostosować ją bardziej elastycznie do różnych scenariuszy chirurgicznych. Jednak redukcja wolumenu często wiąże się z precyzyjnymi procesami obróbki i drogimi zintegrowanymi komponentami optycznymi, co podnosi rzeczywisty koszt produkcji sprzętu.

Kolejnym wyzwaniem dla mikroskopów chirurgicznych o ultrawysokiej rozdzielczości są oparzenia skóry spowodowane oświetleniem o dużej mocy. Aby zapewnić jasne efekty wizualne, zwłaszcza w obecności wielu obserwatorów lub kamer, źródło światła musi emitować silne światło, które może poparzyć tkanki pacjenta. Donoszono, że okulistyczne mikroskopy chirurgiczne mogą również powodować fototoksyczność powierzchni oka i filmu łzowego, prowadząc do zmniejszenia funkcji komórek oka. Dlatego optymalizacja zarządzania światłem, dostosowanie rozmiaru plamki i natężenia światła do powiększenia i odległości roboczej, jest szczególnie ważna w przypadku mikroskopów chirurgicznych. W przyszłości obrazowanie optyczne może wprowadzić technologie obrazowania panoramicznego i rekonstrukcji trójwymiarowej, aby poszerzyć pole widzenia i dokładnie odtworzyć trójwymiarowy układ pola operacyjnego. Umożliwi to lekarzom lepsze zrozumienie ogólnej sytuacji pola operacyjnego i uniknięcie pominięcia ważnych informacji. Jednak obrazowanie panoramiczne i rekonstrukcja trójwymiarowa wymagają akwizycji, rejestracji i rekonstrukcji obrazów o wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym, generując ogromne ilości danych. Stawia to niezwykle wysokie wymagania dotyczące wydajności algorytmów przetwarzania obrazu, mocy obliczeniowej sprzętu i systemów pamięci masowej, zwłaszcza podczas operacji, gdzie kluczowe znaczenie ma wydajność w czasie rzeczywistym. To sprawia, że ​​wyzwanie to staje się jeszcze poważniejsze.

Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii, takich jak obrazowanie medyczne, sztuczna inteligencja i optyka obliczeniowa, mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości wykazały ogromny potencjał w zakresie zwiększania precyzji, bezpieczeństwa i doświadczenia operacyjnego podczas zabiegów chirurgicznych. W przyszłości mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości mogą rozwijać się w następujących czterech kierunkach: (1) Miniaturyzacja i modularność w produkcji sprzętu powinny być osiągane przy niższych kosztach, co umożliwi zastosowanie kliniczne na dużą skalę; (2) Opracowywanie bardziej zaawansowanych trybów zarządzania światłem w celu rozwiązania problemu uszkodzeń świetlnych spowodowanych przedłużającą się operacją; (3) Projektowanie inteligentnych algorytmów pomocniczych, które są jednocześnie precyzyjne i lekkie, aby spełnić wymagania sprzętowe w zakresie wydajności obliczeniowej; (4) Głęboka integracja rozszerzonej rzeczywistości (AR) i robotycznych systemów chirurgicznych w celu zapewnienia wsparcia platformy dla zdalnej współpracy, precyzyjnej obsługi i zautomatyzowanych procesów. Podsumowując, mikroskopy chirurgiczne o ultrawysokiej rozdzielczości będą ewoluować w kompleksowy system wspomagania operacji, który integruje poprawę jakości obrazu, inteligentne rozpoznawanie i interaktywne sprzężenie zwrotne, pomagając w budowaniu cyfrowego ekosystemu dla przyszłej chirurgii.

Niniejszy artykuł przedstawia przegląd postępów w zakresie kluczowych technologii mikroskopów chirurgicznych o ultrawysokiej rozdzielczości, ze szczególnym uwzględnieniem ich zastosowania i rozwoju w procedurach chirurgicznych. Dzięki zwiększeniu rozdzielczości, mikroskopy o ultrawysokiej rozdzielczości odgrywają kluczową rolę w takich dziedzinach jak neurochirurgia, okulistyka, otolaryngologia i chirurgia kręgosłupa. W szczególności integracja technologii precyzyjnej nawigacji śródoperacyjnej w zabiegach minimalnie inwazyjnych zwiększyła precyzję i bezpieczeństwo tych procedur. W przyszłości, wraz z rozwojem sztucznej inteligencji i technologii robotyki, mikroskopy o ultrawysokiej rozdzielczości zapewnią bardziej wydajne i inteligentne wsparcie chirurgiczne, napędzając rozwój zabiegów minimalnie inwazyjnych i zdalnej współpracy, a tym samym zwiększając bezpieczeństwo i wydajność chirurgii.