Технологические достижения и клиническое применение хирургических микроскопов сверхвысокой четкости

 

Хирургические микроскопыОни играют чрезвычайно важную роль в современной медицине, особенно в таких высокоточных областях, как нейрохирургия, офтальмология, отоларингология и малоинвазивная хирургия, где они стали незаменимым базовым оборудованием. Благодаря высокому увеличению,Операционные микроскопыОбеспечивает детальное изображение, позволяя хирургам видеть детали, невидимые невооруженным глазом, такие как нервные волокна, кровеносные сосуды и слои тканей, что помогает врачам избежать повреждения здоровых тканей во время операции. Высокое увеличение микроскопа, особенно в нейрохирургии, позволяет точно локализовать опухоли или пораженные ткани, обеспечивая четкие границы резекции и предотвращая повреждение критически важных нервов, тем самым улучшая качество послеоперационного восстановления пациентов.

Традиционные хирургические микроскопы, как правило, оснащены системами отображения стандартного разрешения, способными предоставлять достаточный объем визуальной информации для поддержки сложных хирургических задач. Однако, с быстрым развитием медицинских технологий, особенно прорывами в области визуальных технологий, качество изображения хирургических микроскопов постепенно стало важным фактором повышения точности хирургии. По сравнению с традиционными хирургическими микроскопами, микроскопы сверхвысокой четкости могут отображать больше деталей. Благодаря внедрению систем отображения и визуализации с разрешением 4K, 8K и даже выше, хирургические микроскопы сверхвысокой четкости позволяют хирургам более точно идентифицировать и манипулировать крошечными поражениями и анатомическими структурами, значительно повышая точность и безопасность хирургии. Благодаря непрерывной интеграции технологий обработки изображений, искусственного интеллекта и виртуальной реальности, хирургические микроскопы сверхвысокой четкости не только улучшают качество изображения, но и обеспечивают более интеллектуальную поддержку хирургии, повышая хирургические процедуры к более высокой точности и снижению риска.

 

Клиническое применение микроскопа сверхвысокой четкости

Благодаря постоянному совершенствованию технологий визуализации микроскопы сверхвысокой четкости постепенно начинают играть ключевую роль в клинических приложениях благодаря своему чрезвычайно высокому разрешению, превосходному качеству изображений и возможностям динамического наблюдения в реальном времени.

Офтальмология

Офтальмологическая хирургия требует точной операции, которая предъявляет высокие технические требования кофтальмологические хирургические микроскопы. Например, при фемтосекундном лазерном разрезе роговицы хирургический микроскоп может обеспечить большое увеличение для осмотра передней камеры, центрального разреза глазного яблока и проверки положения разреза. В офтальмологической хирургии освещение имеет решающее значение. Микроскоп не только обеспечивает оптимальные визуальные эффекты при более низкой интенсивности света, но и производит особое отражение красного света, которое помогает во всем процессе операции по удалению катаракты. Кроме того, оптическая когерентная томография (ОКТ) широко используется в офтальмологической хирургии для подповерхностной визуализации. Она может обеспечивать изображения поперечного сечения, преодолевая ограничение самого микроскопа, который не может видеть тонкие ткани из-за фронтального наблюдения. Например, Капеллер и соавторы использовали 4K-3D дисплей и планшетный компьютер для автоматического стереоскопического отображения диаграммы эффекта ОКТ, интегрированной в микроскоп (miOCT) (4D-miOCT). На основе субъективных отзывов пользователей, количественной оценки производительности и различных количественных измерений они продемонстрировали возможность использования 4K-3D-дисплея в качестве замены 4D-miOCT на микроскопе белого света. Кроме того, в исследовании Латы и соавторов, собрав случаи 16 пациентов с врожденной глаукомой, сопровождающейся «бычьим глазом», они использовали микроскоп с функцией miOCT для наблюдения за хирургическим процессом в режиме реального времени. Оценивая ключевые данные, такие как предоперационные параметры, детали хирургического вмешательства, послеоперационные осложнения, окончательная острота зрения и толщина роговицы, они в конечном итоге показали, что miOCT может помочь врачам идентифицировать структуры тканей, оптимизировать операции и снизить риск осложнений во время операции. Однако, несмотря на то, что ОКТ постепенно становится мощным вспомогательным инструментом в витреоретинальной хирургии, особенно в сложных случаях и новых операциях (таких как генная терапия), некоторые врачи сомневаются в том, что она может действительно повысить клиническую эффективность из-за ее высокой стоимости и длительного периода обучения.

Отоларингология

Оториноларингология — ещё одна область хирургии, где используются хирургические микроскопы. В связи с наличием глубоких полостей и деликатных структур лица, увеличение и освещение имеют решающее значение для результатов хирургического вмешательства. Хотя эндоскопы иногда обеспечивают лучший обзор узких хирургических областей,хирургические микроскопы сверхвысокой четкостипредлагают восприятие глубины, что позволяет увеличивать узкие анатомические области, такие как улитка и пазухи, помогая врачам в лечении таких состояний, как средний отит и носовые полипы. Например, Дундар и соавторы сравнили эффекты микроскопических и эндоскопических методов для хирургии стремечка при лечении отосклероза, собрав данные у 84 пациентов с диагнозом отосклероз, перенесших операцию в период с 2010 по 2020 год. Используя изменение разницы воздушно-костной проводимости до и после операции в качестве индикатора измерения, окончательные результаты показали, что, хотя оба метода имели схожее влияние на улучшение слуха, хирургические микроскопы были проще в эксплуатации и имели более короткую кривую обучения. Аналогичным образом, в проспективном исследовании, проведенном Ашфаком и соавторами, исследовательская группа провела микроскопически-ассистированную паротидэктомию у 70 пациентов с опухолями околоушной железы в период с 2020 по 2023 год, сосредоточившись на оценке роли микроскопов в идентификации и защите лицевого нерва. Результаты показали, что микроскопы обладают значительными преимуществами в улучшении чёткости операционного поля, точном определении основного ствола и ветвей лицевого нерва, уменьшении натяжения нерва и гемостазе, что делает их важным инструментом для повышения показателей сохранности лицевого нерва. Более того, поскольку операции становятся всё более сложными и точными, интеграция дополненной реальности и различных режимов визуализации с хирургическими микроскопами позволяет хирургам проводить операции под визуальным контролем.

Нейрохирургия

Применение сверхвысокой четкостихирургические микроскопы в нейрохирургииперешел от традиционного оптического наблюдения к цифровизации, дополненной реальности (AR) и интеллектуальному ассистенту. Например, Draxinger et al. использовали микроскоп в сочетании с самостоятельно разработанной системой MHz-OCT, обеспечивая получение трехмерных изображений высокого разрешения с частотой сканирования 1,6 МГц, что успешно помогало хирургам различать опухоли и здоровые ткани в режиме реального времени и повышало точность хирургических операций. Hafez et al. сравнили производительность традиционных микроскопов и микрохирургической системы визуализации сверхвысокой четкости (Exoscope) в экспериментальной операции цереброваскулярного шунтирования, обнаружив, что, хотя микроскоп имел более короткое время наложения швов (P < 0,001), Exoscope показал лучшие результаты с точки зрения распределения швов (P = 0,001). Кроме того, Exoscope обеспечивал более удобную хирургическую позу и общее зрение, что давало педагогические преимущества. Аналогичным образом, Calloni et al. сравнили применение Exoscope и традиционных хирургических микроскопов в обучении ординаторов по нейрохирургии. Шестнадцать ординаторов выполнили повторяющиеся задания по распознаванию структур черепных моделей, используя оба устройства. Результаты показали, что, несмотря на отсутствие существенной разницы в общем времени выполнения, Exoscope показал лучшие результаты при идентификации глубоких структур и был воспринят большинством участников как более интуитивно понятный и удобный, что потенциально может стать популярным в будущем. Очевидно, что хирургические микроскопы сверхвысокой чёткости, оснащённые дисплеями высокой чёткости 4K, могут предоставить всем участникам более качественные 3D-изображения хирургических операций, облегчая хирургическую коммуникацию, передачу информации и повышая эффективность обучения.

Хирургия позвоночника

Сверхвысокая четкостьхирургические микроскопыИграют ключевую роль в области спинальной хирургии. Обеспечивая получение трёхмерных изображений высокого разрешения, они позволяют хирургам более чётко видеть сложную анатомическую структуру позвоночника, включая такие тонкие элементы, как нервы, кровеносные сосуды и костные ткани, тем самым повышая точность и безопасность операции. В области коррекции сколиоза хирургические микроскопы могут улучшить чёткость хирургического зрения и точность манипуляций, помогая врачам точно идентифицировать нервные структуры и поражённые ткани в узком позвоночном канале, тем самым безопасно и эффективно выполняя процедуры декомпрессии и стабилизации.

Sun et al. сравнили эффективность и безопасность микроскопически ассистированной передней шейной хирургии и традиционной открытой хирургии при лечении оссификации задней продольной связки шейного отдела позвоночника. Шестьдесят пациентов были разделены на группу с микроскопической ассистенцией (30 случаев) и группу с традиционной хирургией (30 случаев). Результаты показали, что группа с микроскопической ассистенцией имела лучшие показатели интраоперационной кровопотери, пребывания в больнице и послеоперационной боли по сравнению с группой традиционной хирургии, а частота осложнений была ниже в группе с микроскопической ассистенцией. Аналогичным образом, в хирургии спондилодеза Singhatanadgige et al. сравнили эффекты применения ортопедических хирургических микроскопов и хирургических увеличительных стекол при минимально инвазивном трансфораминальном поясничном спондилодезе. Исследование включало 100 пациентов и не показало существенных различий между двумя группами в послеоперационном облегчении боли, функциональном улучшении, расширении позвоночного канала, скорости спондилодеза и осложнениях, но микроскоп обеспечивал лучшее поле зрения. Кроме того, микроскопы, сочетающиеся с технологией дополненной реальности, широко используются в хирургии позвоночника. Например, Карл и соавторы продемонстрировали эффективность технологии дополненной реальности у 10 пациентов, используя головной дисплей хирургического микроскопа. Результаты показали, что дополненная реальность имеет большой потенциал для применения в спинальной дегенеративной хирургии, особенно в сложных анатомических ситуациях и для обучения ординаторов.

 

Резюме и перспективы

По сравнению с традиционными хирургическими микроскопами, хирургические микроскопы сверхвысокой чёткости обладают рядом преимуществ, включая возможность многократного увеличения, стабильное и яркое освещение, точную оптическую систему, увеличенное рабочее расстояние и эргономичные устойчивые штативы. Кроме того, возможности визуализации высокого разрешения, особенно интеграция с различными режимами визуализации и технологией дополненной реальности, эффективно поддерживают хирургию под визуальным контролем.

Несмотря на многочисленные преимущества хирургических микроскопов, их использование по-прежнему сопряжено со значительными трудностями. Из-за своих громоздких размеров хирургические микроскопы сверхвысокой чёткости создают определённые эксплуатационные трудности при транспортировке между операционными и интраоперационном позиционировании, что может негативно сказаться на непрерывности и эффективности хирургических процедур. В последние годы конструкция микроскопов была значительно оптимизирована: их оптические держатели и бинокулярные объективы поддерживают широкий диапазон регулировки наклона и вращения, что значительно повышает эксплуатационную гибкость оборудования и позволяет хирургу наблюдать и работать в более естественном и удобном положении. Кроме того, постоянное развитие технологий носимых дисплеев обеспечивает хирургам более эргономичную визуальную поддержку во время микрохирургических операций, помогая снизить утомляемость, повысить точность хирургических операций и обеспечить стабильную работоспособность хирурга. Однако из-за отсутствия опорной конструкции требуется частая перефокусировка, что снижает стабильность носимых дисплеев по сравнению с традиционными хирургическими микроскопами. Другим решением является развитие конструкции оборудования в сторону миниатюризации и модульности для более гибкой адаптации к различным хирургическим сценариям. Однако сокращение объемов часто подразумевает использование высокоточных процессов обработки и дорогостоящих интегрированных оптических компонентов, что повышает фактическую стоимость производства оборудования.

Еще одной проблемой хирургических микроскопов сверхвысокой четкости являются ожоги кожи, вызванные мощным освещением. Для обеспечения ярких визуальных эффектов, особенно в присутствии нескольких наблюдателей или камер, источник света должен излучать сильный свет, который может вызвать ожог тканей пациента. Сообщалось, что офтальмологические хирургические микроскопы также могут оказывать фототоксическое действие на поверхность глаза и слезную пленку, что приводит к снижению функции клеток глаза. Поэтому оптимизация управления освещением, регулировка размера светового пятна и интенсивности света в зависимости от увеличения и рабочего расстояния, особенно важна для хирургических микроскопов. В будущем оптическая визуализация может привести к появлению технологий панорамной визуализации и трехмерной реконструкции, позволяющих расширить поле зрения и точно восстановить трехмерную структуру операционного поля. Это позволит врачам лучше понимать общую картину операционного поля и избежать потери важной информации. Однако панорамная визуализация и трехмерная реконструкция предполагают получение, регистрацию и реконструкцию изображений высокого разрешения в режиме реального времени, что позволяет генерировать огромные объемы данных. Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к эффективности алгоритмов обработки изображений, вычислительной мощности оборудования и систем хранения данных, особенно во время хирургических операций, где производительность в реальном времени имеет решающее значение, что делает эту задачу еще более актуальной.

Благодаря стремительному развитию таких технологий, как медицинская визуализация, искусственный интеллект и вычислительная оптика, сверхвысокоточные хирургические микроскопы продемонстрировали большой потенциал в повышении точности, безопасности и опыта хирургического вмешательства. В будущем сверхвысокоточные хирургические микроскопы могут продолжить свое развитие в следующих четырех направлениях: (1) С точки зрения производства оборудования, миниатюризация и модульность должны быть достигнуты при меньших затратах, что сделает возможным широкомасштабное клиническое применение; (2) Разработка более совершенных режимов управления светом для решения проблемы светового повреждения, вызванного длительными хирургическими вмешательствами; (3) Разработка интеллектуальных вспомогательных алгоритмов, которые являются одновременно точными и легкими для удовлетворения требований к вычислительной производительности оборудования; (4) Глубокая интеграция дополненной реальности и роботизированных хирургических систем для обеспечения платформенной поддержки удаленного взаимодействия, точных операций и автоматизированных процессов. Подводя итог, сверхвысокоточные хирургические микроскопы превратятся в комплексную систему хирургической помощи, объединяющую улучшение изображений, интеллектуальное распознавание и интерактивную обратную связь, что поможет создать цифровую экосистему для хирургии будущего.

В данной статье представлен обзор достижений в области ключевых технологий хирургических микроскопов сверхвысокой чёткости с акцентом на их применение и развитие в хирургических процедурах. Благодаря повышению разрешения микроскопы сверхвысокой чёткости играют ключевую роль в таких областях, как нейрохирургия, офтальмология, отоларингология и спинальная хирургия. В частности, внедрение технологий интраоперационной прецизионной навигации в малоинвазивные хирургические вмешательства повысило точность и безопасность этих процедур. В перспективе, по мере развития искусственного интеллекта и робототехники, микроскопы сверхвысокой чёткости обеспечат более эффективную и интеллектуальную хирургическую поддержку, способствуя развитию малоинвазивных хирургических вмешательств и удалённого взаимодействия, тем самым ещё больше повышая безопасность и эффективность хирургических вмешательств.