Развитие оптической визуализации в видеохирургических микроскопах

В медицине хирургия, несомненно, является основным методом лечения подавляющего большинства заболеваний, особенно в раннем лечении рака. Ключ к успеху хирургического вмешательства заключается в чёткой визуализации патологического участка после препарирования.Хирургические микроскопыШироко используются в медицинской хирургии благодаря их выраженному трёхмерному восприятию, высокой чёткости и разрешению. Однако анатомическая структура патологических участков сложна и многогранна, и большинство из них прилегают к тканям важных органов. Структуры размером от миллиметра до микрометра значительно превышают диапазон, который может увидеть человеческий глаз. Кроме того, сосудистая ткань в организме человека узкая и плотная, а освещение недостаточное. Любое небольшое отклонение может причинить вред пациенту, повлиять на хирургический эффект и даже поставить под угрозу жизнь. Поэтому исследования и разработкиОперационнаямикроскопыпри достаточном увеличении и четких визуальных изображениях — тема, которую исследователи продолжают углубленно изучать.

В настоящее время цифровые технологии, такие как обработка изображений и видео, передача информации и фоторегистрация, выходят в область микрохирургии, открывая новые возможности. Эти технологии не только оказывают глубокое влияние на образ жизни человека, но и постепенно интегрируются в микрохирургию. Высокочеткие дисплеи, камеры и т.д. способны эффективно удовлетворять современным требованиям к точности хирургических операций. Видеосистемы с ПЗС-, КМОП- и другими датчиками изображения в качестве принимающих поверхностей постепенно применяются в хирургических микроскопах. Видеохирургические микроскопыОни очень гибкие и удобные в использовании для врачей. Внедрение передовых технологий, таких как навигационная система, 3D-дисплей, высококачественное изображение, дополненная реальность (AR) и т. д., позволяющих нескольким людям обмениваться изображениями во время хирургического вмешательства, дополнительно помогает врачам эффективнее проводить интраоперационные операции.

Оптическая визуализация микроскопа является основным фактором, определяющим качество микроскопического изображения. Оптическая визуализация видеохирургических микроскопов имеет уникальные конструктивные особенности, используя передовые оптические компоненты и технологии визуализации, такие как датчики CMOS или CCD с высоким разрешением и высокой контрастностью, а также ключевые технологии, такие как оптическое масштабирование и оптическая компенсация. Эти технологии эффективно повышают четкость и качество изображения микроскопов, обеспечивая хорошую визуальную уверенность при хирургических операциях. Более того, благодаря объединению технологии оптической визуализации с цифровой обработкой были достигнуты динамическая визуализация в реальном времени и 3D-реконструкция, предоставляя хирургам более интуитивный визуальный опыт. Чтобы еще больше улучшить качество 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; Использование технологии искусственного интеллекта для постобработки данных оптической визуализации для повышения четкости и контрастности изображения.

В ранних хирургических операциях,бинокулярные микроскопыВ основном использовались в качестве вспомогательных инструментов. Бинокулярный микроскоп – это прибор, использующий призмы и линзы для достижения стереоскопического зрения. Он может обеспечить глубинное восприятие и стереоскопическое зрение, чего не могут монокулярные микроскопы. В середине XX века фон Цехендер стал пионером в применении бинокулярных луп в медицинских офтальмологических исследованиях. Впоследствии компания Zeiss представила бинокулярную лупу с рабочим расстоянием 25 см, заложив основу для развития современной микрохирургии. Что касается оптического изображения бинокулярных хирургических микроскопов, рабочее расстояние первых бинокулярных микроскопов составляло 75 мм. С развитием и внедрением инноваций в медицинские инструменты был представлен первый хирургический микроскоп OPMI1, рабочее расстояние которого может достигать 405 мм. Кратность увеличения также постоянно увеличивается, а возможности увеличения постоянно расширяются. Благодаря постоянному совершенствованию бинокулярных микроскопов, их преимущества, такие как яркий стереоскопический эффект, высокая четкость и большое рабочее расстояние, сделали бинокулярные хирургические микроскопы широко используемыми в различных отделениях. Однако нельзя игнорировать ограничения, связанные с его большим размером и малой глубиной, и медицинскому персоналу приходится часто калибровать и фокусировать инструмент во время операции, что усложняет операцию. Кроме того, хирурги, длительно сосредоточенные на визуальном наблюдении за инструментами и их работе, не только увеличивают свою физическую нагрузку, но и не соблюдают принципы эргономики. Врачам необходимо сохранять фиксированную позу для проведения хирургических исследований пациентов, а также требуется ручная корректировка, что в некоторой степени усложняет хирургические операции.

После 1990-х годов системы камер и датчики изображений начали постепенно внедряться в хирургическую практику, демонстрируя значительный потенциал для применения. В 1991 году компания Berci разработала инновационную видеосистему для визуализации операционных зон с регулируемым рабочим расстоянием 150–500 мм и диаметром наблюдаемого объекта 15–25 мм при сохранении глубины резкости 10–20 мм. Хотя высокие затраты на обслуживание объективов и камер в то время ограничивали широкое применение этой технологии во многих больницах, исследователи продолжали поиск технологических инноваций и начали разрабатывать более совершенные видеохирургические микроскопы. По сравнению с бинокулярными хирургическими микроскопами, которым требуется длительное время для поддержания этого постоянного рабочего режима, это может легко привести к физическому и умственному утомлению. Видеохирургический микроскоп проецирует увеличенное изображение на монитор, что позволяет хирургу избежать длительного нахождения в неудобной позе. Видеохирургические микроскопы освобождают врачей от необходимости находиться в одной позе, позволяя им оперировать анатомические области с помощью экранов высокого разрешения.

В последние годы, благодаря стремительному развитию технологий искусственного интеллекта, хирургические микроскопы постепенно становятся интеллектуальными, а видеохирургические микроскопы становятся основным продуктом на рынке. Современные видеохирургические микроскопы сочетают в себе технологии компьютерного зрения и глубокого обучения для автоматизированного распознавания, сегментации и анализа изображений. Во время хирургического вмешательства интеллектуальные видеохирургические микроскопы помогают врачам быстро обнаруживать пораженные ткани и повышать точность хирургических операций.

В процессе развития от бинокулярных микроскопов до видеохирургических микроскопов нетрудно обнаружить, что требования к точности, эффективности и безопасности в хирургии растут с каждым днем. В настоящее время спрос на оптическую визуализацию хирургических микроскопов не ограничивается увеличением патологических участков, но становится все более диверсифицированным и эффективным. В клинической медицине хирургические микроскопы широко используются в неврологических и спинальных хирургиях благодаря флуоресцентным модулям, интегрированным с дополненной реальностью. Навигационная система AR может облегчить сложную спинальную хирургию с замочной скважиной, а флуоресцентные агенты могут направлять врачей к полному удалению опухолей головного мозга. Кроме того, исследователи успешно добились автоматического обнаружения полипов голосовых связок и лейкоплакии, используя гиперспектральный хирургический микроскоп в сочетании с алгоритмами классификации изображений. Видеохирургические микроскопы широко используются в различных хирургических областях, таких как тиреоидэктомия, хирургия сетчатки и лимфатическая хирургия, благодаря сочетанию с флуоресцентной визуализацией, мультиспектральной визуализацией и технологиями интеллектуальной обработки изображений.

По сравнению с бинокулярными хирургическими микроскопами, видеомикроскопы обеспечивают многопользовательский доступ к видео, высокое разрешение хирургических изображений и более эргономичны, снижая утомляемость врача. Развитие оптической визуализации, оцифровки и интеллектуальных технологий значительно повысило производительность оптических систем хирургических микроскопов, а динамическая визуализация в реальном времени, дополненная реальность и другие технологии значительно расширили функции и модули видеохирургических микроскопов.

Оптическая визуализация будущих видеохирургических микроскопов станет более точной, эффективной и интеллектуальной, предоставляя врачам более полную, подробную и трёхмерную информацию о пациенте для более эффективного управления хирургическими операциями. Между тем, благодаря постоянному развитию технологий и расширению областей применения, эта система будет применяться и развиваться во всё большем количестве областей.