Rozwój obrazowania optycznego w mikroskopach chirurgicznych opartych na wideo

W medycynie chirurgia jest niewątpliwie podstawową metodą leczenia zdecydowanej większości chorób, a zwłaszcza odgrywa kluczową rolę we wczesnym leczeniu raka. Kluczem do sukcesu chirurgicznego jest wyraźna wizualizacja zmian patologicznych po preparowaniu.Mikroskopy chirurgiczneSą one szeroko stosowane w chirurgii medycznej ze względu na silne poczucie trójwymiarowości, wysoką rozdzielczość i wysoką rozdzielczość. Jednak struktura anatomiczna części patologicznej jest skomplikowana i złożona, a większość z nich przylega do ważnych tkanek narządów. Struktury o rozmiarach od milimetra do mikrometra znacznie przekraczają zakres, który może zaobserwować ludzkie oko. Ponadto tkanka naczyniowa w ludzkim ciele jest wąska i gęsta, a oświetlenie jest niewystarczające. Każde niewielkie odchylenie może spowodować uraz pacjenta, wpłynąć na efekt operacji, a nawet zagrozić życiu. Dlatego badania i rozwójOperacyjnymikroskopyprzy odpowiednim powiększeniu i wyraźnych obrazach wizualnych jest tematem, który naukowcy nadal dogłębnie zgłębiają.

Obecnie technologie cyfrowe, takie jak obraz i wideo, transmisja informacji oraz rejestracja fotograficzna, wkraczają do mikrochirurgii z nowymi korzyściami. Technologie te nie tylko znacząco wpływają na styl życia człowieka, ale także stopniowo integrują się z mikrochirurgią. Wyświetlacze o wysokiej rozdzielczości, kamery itp. mogą skutecznie sprostać obecnym wymaganiom dotyczącym precyzji chirurgicznej. Systemy wideo z matrycami CCD, CMOS i innymi czujnikami obrazu jako powierzchniami odbiorczymi stopniowo znalazły zastosowanie w mikroskopach chirurgicznych. Mikroskopy chirurgiczne wideoSą niezwykle elastyczne i wygodne w obsłudze dla lekarzy. Wprowadzenie zaawansowanych technologii, takich jak system nawigacji, wyświetlacz 3D, obraz o wysokiej rozdzielczości, rzeczywistość rozszerzona (AR) itp., które umożliwiają dzielenie się widokiem z wieloma osobami podczas zabiegu, dodatkowo wspomaga lekarzy w lepszym wykonywaniu zabiegów śródoperacyjnych.

Obrazowanie optyczne mikroskopu jest głównym czynnikiem decydującym o jakości obrazowania mikroskopowego. Obrazowanie optyczne mikroskopów chirurgicznych wideo charakteryzuje się unikalnymi cechami konstrukcyjnymi, wykorzystując zaawansowane komponenty optyczne i technologie obrazowania, takie jak matryce CMOS lub CCD o wysokiej rozdzielczości i kontraście, a także kluczowe technologie, takie jak zoom optyczny i kompensacja optyczna. Technologie te skutecznie poprawiają klarowność i jakość obrazu mikroskopów, zapewniając dobrą jakość obrazu podczas operacji chirurgicznych. Ponadto, dzięki połączeniu technologii obrazowania optycznego z przetwarzaniem cyfrowym, uzyskano dynamiczne obrazowanie w czasie rzeczywistym i rekonstrukcję 3D, zapewniając chirurgom bardziej intuicyjne doświadczenie wizualne. Aby jeszcze bardziej poprawić jakość obrazowania optycznego mikroskopów chirurgicznych wideo, naukowcy stale badają nowe metody obrazowania optycznego, takie jak obrazowanie fluorescencyjne, obrazowanie polaryzacyjne, obrazowanie multispektralne itp., w celu zwiększenia rozdzielczości i głębi obrazu mikroskopów; Wykorzystanie technologii sztucznej inteligencji do postprodukcji danych obrazowania optycznego w celu zwiększenia klarowności i kontrastu obrazu.

We wczesnych zabiegach chirurgicznychmikroskopy binokularowebyły używane głównie jako narzędzia pomocnicze. Mikroskop binokularowy to instrument, który wykorzystuje pryzmaty i soczewki w celu uzyskania widzenia stereoskopowego. Może zapewnić postrzeganie głębi i widzenie stereoskopowe, których nie mają mikroskopy monokularowe. W połowie XX wieku von Zehender był pionierem w stosowaniu lup binokularowych w medycznych badaniach okulistycznych. Następnie firma Zeiss wprowadziła lupę binokularową o odległości roboczej 25 cm, kładąc podwaliny pod rozwój nowoczesnej mikrochirurgii. Jeśli chodzi o obrazowanie optyczne binokularowych mikroskopów chirurgicznych, odległość robocza wczesnych mikroskopów binokularowych wynosiła 75 mm. Wraz z rozwojem i innowacją instrumentów medycznych wprowadzono pierwszy mikroskop chirurgiczny OPMI1, a odległość robocza mogła osiągnąć 405 mm. Powiększenie również stale rośnie, a opcje powiększenia stale się zwiększają. Dzięki ciągłemu rozwojowi mikroskopów binokularowych, ich zalety, takie jak żywy efekt stereoskopowy, wysoka przejrzystość i duża odległość robocza, sprawiły, że binokularowe mikroskopy chirurgiczne są szeroko stosowane w różnych oddziałach. Nie można jednak ignorować ograniczeń związanych z ich dużymi rozmiarami i małą głębokością, a personel medyczny musi często kalibrować i ustawiać ostrość podczas operacji, co zwiększa poziom trudności zabiegu. Ponadto chirurdzy, którzy przez długi czas koncentrują się na obserwacji i obsłudze instrumentów wizualnych, nie tylko zwiększają swoje obciążenie fizyczne, ale także nie przestrzegają zasad ergonomii. Lekarze muszą utrzymywać ustaloną pozycję ciała podczas przeprowadzania badań chirurgicznych pacjentów, a ponadto wymagana jest ręczna regulacja, co w pewnym stopniu zwiększa poziom trudności operacji.

Po latach 90. XX wieku systemy kamer i przetworników obrazu zaczęły stopniowo integrować się z praktyką chirurgiczną, wykazując znaczący potencjał zastosowań. W 1991 roku Berci innowacyjnie opracował system wideo do wizualizacji obszarów chirurgicznych, z regulowanym zakresem odległości roboczej 150–500 mm i obserwowalnymi średnicami obiektów w zakresie 15–25 mm, przy zachowaniu głębi ostrości 10–20 mm. Chociaż wysokie koszty utrzymania obiektywów i kamer w tamtym czasie ograniczały powszechne zastosowanie tej technologii w wielu szpitalach, naukowcy kontynuowali poszukiwania innowacji technologicznych i zaczęli opracowywać bardziej zaawansowane mikroskopy chirurgiczne oparte na wideo. W porównaniu z binokularowymi mikroskopami chirurgicznymi, które wymagają długiego czasu na utrzymanie tego niezmiennego trybu pracy, może to łatwo prowadzić do zmęczenia fizycznego i psychicznego. Mikroskop chirurgiczny typu wideo wyświetla powiększony obraz na monitorze, unikając długotrwałego przyjmowania złej postawy przez chirurga. Mikroskopy chirurgiczne oparte na wideo uwalniają lekarzy od konieczności przyjmowania jednej postawy, umożliwiając im operowanie na obszarach anatomicznych za pomocą ekranów o wysokiej rozdzielczości.

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem technologii sztucznej inteligencji, mikroskopy chirurgiczne stopniowo stawały się coraz bardziej inteligentne, a mikroskopy chirurgiczne oparte na technologii wideo stały się produktami powszechnego użytku na rynku. Obecny mikroskop chirurgiczny oparty na technologii wideo łączy technologie wizji komputerowej i głębokiego uczenia (Deep Learning), aby umożliwić automatyczne rozpoznawanie, segmentację i analizę obrazu. Podczas zabiegu chirurgicznego, inteligentne mikroskopy chirurgiczne oparte na technologii wideo mogą pomóc lekarzom w szybkiej lokalizacji chorych tkanek i poprawie dokładności operacji.

W procesie rozwoju od mikroskopów binokularowych do mikroskopów chirurgicznych opartych na wideo, nietrudno zauważyć, że wymagania dotyczące dokładności, wydajności i bezpieczeństwa w chirurgii rosną z dnia na dzień. Obecnie zapotrzebowanie na obrazowanie optyczne mikroskopów chirurgicznych nie ogranicza się do powiększania struktur patologicznych, ale jest coraz bardziej zróżnicowane i wydajne. W medycynie klinicznej mikroskopy chirurgiczne są szeroko stosowane w chirurgii neurologicznej i kręgosłupa dzięki modułom fluorescencyjnym zintegrowanym z rozszerzoną rzeczywistością. System nawigacji AR może ułatwić skomplikowane operacje laparoskopowe kręgosłupa, a środki fluorescencyjne mogą pomóc lekarzom w całkowitym usunięciu guzów mózgu. Ponadto, naukowcy z powodzeniem osiągnęli automatyczne wykrywanie polipów strun głosowych i leukoplakii za pomocą hiperspektralnego mikroskopu chirurgicznego w połączeniu z algorytmami klasyfikacji obrazu. Mikroskopy chirurgiczne wideo są szeroko stosowane w różnych dziedzinach chirurgii, takich jak tyreoidektomia, chirurgia siatkówki i chirurgia limfatyczna, dzięki połączeniu z obrazowaniem fluorescencyjnym, obrazowaniem multispektralnym i technologiami inteligentnego przetwarzania obrazu.

W porównaniu z binokularowymi mikroskopami chirurgicznymi, wideomikroskopy umożliwiają udostępnianie wideo wielu użytkownikom, obrazy chirurgiczne w wysokiej rozdzielczości i są bardziej ergonomiczne, zmniejszając zmęczenie lekarza. Rozwój obrazowania optycznego, digitalizacji i sztucznej inteligencji znacznie poprawił wydajność systemów optycznych mikroskopów chirurgicznych, a dynamiczne obrazowanie w czasie rzeczywistym, rzeczywistość rozszerzona i inne technologie znacznie rozszerzyły funkcje i moduły mikroskopów chirurgicznych opartych na wideo.

Obrazowanie optyczne przyszłych mikroskopów chirurgicznych opartych na technologii wideo będzie bardziej precyzyjne, wydajne i inteligentne, dostarczając lekarzom bardziej kompleksowe, szczegółowe i trójwymiarowe informacje o pacjencie, co pozwoli im lepiej kierować operacjami chirurgicznymi. Jednocześnie, wraz z ciągłym postępem technologii i rozszerzaniem się obszarów zastosowań, system ten będzie również wykorzystywany i rozwijany w coraz większej liczbie dziedzin.