Развитие оптической визуализации в хирургических микроскопах на основе видеотехнологий.

В медицине хирургия, несомненно, является основным методом лечения подавляющего большинства заболеваний, особенно играя решающую роль в раннем лечении рака. Ключ к успеху операции хирурга заключается в четкой визуализации патологического среза после диссекции.Хирургические микроскопыБлагодаря сильному ощущению трехмерности, высокой четкости и разрешению, изображения широко используются в хирургии. Однако анатомическая структура патологических участков сложна и замысловата, и большинство из них прилегают к тканям важных органов. Структуры размером от миллиметра до микрометра значительно превышают диапазон, который может наблюдать человеческий глаз. Кроме того, сосудистая ткань в организме человека узкая и плотная, а освещение недостаточное. Любое незначительное отклонение может нанести вред пациенту, повлиять на эффективность операции и даже поставить под угрозу жизнь. Поэтому исследования и разработки в этой области продолжаются.ОперационныймикроскопыПолучение изображений с достаточным увеличением и четкостью — это тема, которую исследователи продолжают углубленно изучать.

В настоящее время цифровые технологии, такие как передача изображений и видео, передача информации и фотосъемка, находят новые преимущества в области микрохирургии. Эти технологии не только оказывают глубокое влияние на образ жизни человека, но и постепенно интегрируются в область микрохирургии. Дисплеи высокого разрешения, камеры и т.д. эффективно удовлетворяют современным требованиям к точности хирургических операций. Видеосистемы с CCD, CMOS и другими датчиками изображения в качестве приемных поверхностей постепенно находят применение в хирургических микроскопах. Видеохирургические микроскопыОни отличаются высокой гибкостью и удобством для врачей. Внедрение передовых технологий, таких как навигационная система, 3D-дисплей, изображение высокой четкости, дополненная реальность (AR) и т. д., позволяющих нескольким людям одновременно просматривать изображение во время операции, дополнительно помогает врачам эффективнее проводить интраоперационные операции.

Оптическая визуализация микроскопа является основным фактором, определяющим качество изображения. Оптическая визуализация видеохирургических микроскопов обладает уникальными конструктивными особенностями, используя передовые оптические компоненты и технологии визуализации, такие как высокоразрешающие, высококонтрастные CMOS- или CCD-сенсоры, а также ключевые технологии, такие как оптическое увеличение и оптическая компенсация. Эти технологии эффективно повышают четкость и качество изображения микроскопов, обеспечивая хорошую визуальную уверенность во время хирургических операций. Более того, благодаря сочетанию оптической технологии визуализации с цифровой обработкой, достигнута динамическая визуализация в реальном времени и 3D-реконструкция, что обеспечивает хирургам более интуитивно понятный визуальный опыт. Для дальнейшего улучшения качества оптической визуализации видеохирургических микроскопов исследователи постоянно изучают новые методы оптической визуализации, такие как флуоресцентная визуализация, поляризационная визуализация, мультиспектральная визуализация и т. д., для повышения разрешения и глубины изображения микроскопов; для постобработки данных оптической визуализации используются технологии искусственного интеллекта для повышения четкости и контрастности изображения.

На ранних стадиях хирургических вмешательств,бинокулярные микроскопыВ основном они использовались в качестве вспомогательных инструментов. Бинокулярный микроскоп — это инструмент, использующий призмы и линзы для достижения стереоскопического зрения. Он обеспечивает восприятие глубины и стереоскопическое зрение, чего нет у монокулярных микроскопов. В середине XX века фон Зеендер первым применил бинокулярные увеличительные стекла в офтальмологических медицинских исследованиях. Впоследствии компания Zeiss представила бинокулярное увеличительное стекло с рабочим расстоянием 25 см, заложив основу для развития современной микрохирургии. Что касается оптической визуализации бинокулярных хирургических микроскопов, рабочее расстояние ранних бинокулярных микроскопов составляло 75 мм. С развитием и инновациями в медицинской технике был представлен первый хирургический микроскоп OPMI1, рабочее расстояние которого может достигать 405 мм. Увеличение также постоянно увеличивается, и возможности увеличения постоянно расширяются. Благодаря непрерывному совершенствованию бинокулярных микроскопов, их преимущества, такие как яркий стереоскопический эффект, высокая четкость и большое рабочее расстояние, сделали бинокулярные хирургические микроскопы широко используемыми в различных областях. Однако нельзя игнорировать ограничения, связанные с большими размерами и малой глубиной инструментария, а также необходимость частой калибровки и фокусировки медицинского персонала во время операции, что усложняет проведение хирургического вмешательства. Кроме того, хирурги, которые долгое время сосредотачиваются на визуальном наблюдении за инструментом и его использовании, не только увеличивают свою физическую нагрузку, но и не соблюдают принципы эргономики. Врачи должны сохранять фиксированную позу для проведения хирургического осмотра пациентов, а также требуется ручная регулировка, что в некоторой степени усложняет хирургические операции.

После 1990-х годов системы камер и датчики изображения начали постепенно интегрироваться в хирургическую практику, демонстрируя значительный потенциал применения. В 1991 году Берчи разработал инновационную видеосистему для визуализации операционных полей с регулируемым рабочим расстоянием от 150 до 500 мм и диаметром наблюдаемого объекта от 15 до 25 мм, при этом глубина резкости составляла от 10 до 20 мм. Хотя высокие затраты на обслуживание объективов и камер в то время ограничивали широкое применение этой технологии во многих больницах, исследователи продолжали технологические инновации и начали разрабатывать более совершенные хирургические микроскопы на основе видеотехнологий. По сравнению с бинокулярными хирургическими микроскопами, которые требуют длительного времени для поддержания неизменного режима работы, это легко может привести к физической и умственной усталости. Хирургический микроскоп видеотипа проецирует увеличенное изображение на монитор, избегая длительного пребывания хирурга в неправильной позе. Хирургические микроскопы на основе видеотехнологий освобождают врачей от необходимости занимать одну позу, позволяя им оперировать на анатомических участках через экраны высокого разрешения.

В последние годы, благодаря стремительному развитию технологий искусственного интеллекта, хирургические микроскопы постепенно стали интеллектуальными, а видеомикроскопы — широко распространенными продуктами на рынке. Современные видеомикроскопы сочетают в себе технологии компьютерного зрения и глубокого обучения для автоматического распознавания, сегментации и анализа изображений. В ходе хирургической операции интеллектуальные видеомикроскопы могут помочь врачам быстро обнаружить пораженные ткани и повысить точность операции.

В процессе развития от бинокулярных микроскопов до хирургических микроскопов на основе видеотехнологий нетрудно заметить, что требования к точности, эффективности и безопасности в хирургии растут с каждым днем. В настоящее время спрос на оптическую визуализацию в хирургических микроскопах не ограничивается увеличением патологических участков, а становится все более разнообразным и эффективным. В клинической медицине хирургические микроскопы широко используются в нейрохирургии и хирургии позвоночника благодаря флуоресцентным модулям, интегрированным с дополненной реальностью. Навигационная система дополненной реальности может облегчить сложные малоинвазивные операции на позвоночнике, а флуоресцентные агенты могут помочь врачам полностью удалить опухоли головного мозга. Кроме того, исследователи успешно добились автоматического обнаружения полипов голосовых связок и лейкоплакии с помощью гиперспектрального хирургического микроскопа в сочетании с алгоритмами классификации изображений. Видеохирургические микроскопы широко используются в различных областях хирургии, таких как тиреоидэктомия, хирургия сетчатки и лимфатическая хирургия, благодаря сочетанию флуоресцентной визуализации, мультиспектральной визуализации и интеллектуальных технологий обработки изображений.

По сравнению с бинокулярными хирургическими микроскопами, видеомикроскопы позволяют осуществлять многопользовательский обмен видеоизображениями, получать хирургические изображения высокого разрешения и более эргономичны, снижая утомляемость врача. Развитие оптической визуализации, цифровизации и интеллектуальных технологий значительно улучшило характеристики оптических систем хирургических микроскопов, а динамическая визуализация в реальном времени, дополненная реальность и другие технологии значительно расширили функциональные возможности и модули хирургических микроскопов на основе видеотехнологий.

Оптическая визуализация будущих хирургических микроскопов на основе видеотехнологий будет более точной, эффективной и интеллектуальной, предоставляя врачам более полную, подробную и трехмерную информацию о пациенте для более эффективного проведения хирургических операций. В то же время, с непрерывным развитием технологий и расширением областей применения, эта система будет находить применение и развиваться во многих областях.