Udviklingen af ​​optisk billeddannelse i videobaserede kirurgiske mikroskoper

Inden for medicin er kirurgi utvivlsomt det centrale middel til behandling af langt de fleste sygdomme, og spiller især en afgørende rolle i den tidlige behandling af kræft. Nøglen til succes med en kirurgs operation ligger i den klare visualisering af det patologiske snit efter dissektion.Kirurgiske mikroskoperhar været meget anvendt i medicinsk kirurgi på grund af deres stærke tredimensionelle sans, høje definition og høje opløsning. Den anatomiske struktur af den patologiske del er imidlertid indviklet og kompleks, og de fleste af dem støder op til vigtigt organvæv. Millimeter- til mikrometerstrukturer har langt overskredet det område, der kan observeres af det menneskelige øje. Derudover er det vaskulære væv i den menneskelige krop smalt og overfyldt, og belysningen er utilstrækkelig. Enhver lille afvigelse kan forårsage skade på patienten, påvirke den kirurgiske effekt og endda bringe liv i fare. Derfor er forskning og udviklingDriftmikroskopermed tilstrækkelig forstørrelse og klare visuelle billeder er et emne, som forskere fortsat udforsker i dybden.

I øjeblikket er digitale teknologier som billede og video, informationsoverførsel og fotografisk optagelse på vej ind i mikrokirurgiens felt med nye fordele. Disse teknologier påvirker ikke kun menneskers livsstil dybtgående, men integreres også gradvist i mikrokirurgiens felt. HD-skærme, kameraer osv. kan effektivt opfylde de nuværende krav til kirurgisk nøjagtighed. Videosystemer med CCD, CMOS og andre billedsensorer som modtagerflader er gradvist blevet anvendt i kirurgiske mikroskoper. Videokirurgiske mikroskoperer yderst fleksible og bekvemme for læger at betjene. Introduktionen af ​​avancerede teknologier såsom navigationssystem, 3D-display, HD-billedkvalitet, augmented reality (AR) osv., som muliggør deling af visninger mellem flere personer under den kirurgiske proces, hjælper yderligere læger med bedre at udføre intraoperative operationer.

Optisk billeddannelse i mikroskoper er den vigtigste faktor for mikroskopets billedkvalitet. Den optiske billeddannelse i videokirurgiske mikroskoper har unikke designfunktioner, der bruger avancerede optiske komponenter og billeddannelsesteknologier såsom CMOS- eller CCD-sensorer med høj opløsning og høj kontrast, samt nøgleteknologier såsom optisk zoom og optisk kompensation. Disse teknologier forbedrer effektivt billedkvaliteten og klarheden af ​​mikroskoper og giver god visuel sikkerhed under kirurgiske operationer. Ved at kombinere optisk billeddannelsesteknologi med digital behandling er der desuden opnået dynamisk billeddannelse i realtid og 3D-rekonstruktion, hvilket giver kirurger en mere intuitiv visuel oplevelse. For yderligere at forbedre den optiske billeddannelseskvalitet af videokirurgiske mikroskoper udforsker forskere konstant nye optiske billeddannelsesmetoder, såsom fluorescensbilleddannelse, polarisationsbilleddannelse, multispektral billeddannelse osv., for at forbedre billeddannelsesopløsningen og dybden af ​​mikroskoper. De anvender kunstig intelligens-teknologi til efterbehandling af optiske billeddata for at forbedre billedklarhed og kontrast.

Ved tidlige kirurgiske indgreb,kikkertmikroskoperblev primært brugt som hjælpeværktøjer. Et kikkertmikroskop er et instrument, der bruger prismer og linser til at opnå stereoskopisk syn. Det kan give dybdeopfattelse og stereoskopisk syn, som monokulære mikroskoper ikke har. I midten af ​​det 20. århundrede var von Zehender pioner inden for anvendelsen af ​​kikkertforstørrelsesglas i medicinske oftalmologiske undersøgelser. Efterfølgende introducerede Zeiss et kikkertforstørrelsesglas med en arbejdsafstand på 25 cm, hvilket lagde grundlaget for udviklingen af ​​moderne mikrokirurgi. Med hensyn til optisk billeddannelse af kikkertkirurgiske mikroskoper var arbejdsafstanden for tidlige kikkertmikroskoper 75 mm. Med udviklingen og innovationen af ​​medicinske instrumenter blev det første kirurgiske mikroskop OPMI1 introduceret, og arbejdsafstanden kan nå 405 mm. Forstørrelsen stiger også konstant, og forstørrelsesmulighederne øges konstant. Med den kontinuerlige udvikling af kikkertmikroskoper har deres fordele som levende stereoskopisk effekt, høj klarhed og lang arbejdsafstand gjort kikkertkirurgiske mikroskoper til meget udbredte i forskellige afdelinger. Begrænsningen af ​​dens store størrelse og lille dybde kan dog ikke ignoreres, og medicinsk personale er nødt til ofte at kalibrere og fokusere under operationen, hvilket øger vanskeligheden ved operationen. Derudover øger kirurger, der fokuserer på observation og operation med visuelle instrumenter i lang tid, ikke kun deres fysiske belastning, men overholder heller ikke ergonomiske principper. Læger skal opretholde en fast kropsholdning for at udføre kirurgiske undersøgelser på patienter, og manuelle justeringer er også nødvendige, hvilket til en vis grad øger vanskeligheden ved kirurgiske operationer.

Efter 1990'erne begyndte kamerasystemer og billedsensorer gradvist at blive integreret i kirurgisk praksis, hvilket demonstrerede et betydeligt anvendelsespotentiale. I 1991 udviklede Berci innovativt et videosystem til visualisering af kirurgiske områder med et justerbart arbejdsafstandsområde på 150-500 mm og observerbare objektdiametre fra 15-25 mm, samtidig med at en dybdeskarphed mellem 10-20 mm blev opretholdt. Selvom de høje vedligeholdelsesomkostninger for linser og kameraer på det tidspunkt begrænsede den udbredte anvendelse af denne teknologi på mange hospitaler, fortsatte forskere med at forfølge teknologisk innovation og begyndte at udvikle mere avancerede videobaserede kirurgiske mikroskoper. Sammenlignet med binokulære kirurgiske mikroskoper, som kræver lang tid at opretholde denne uændrede arbejdstilstand, kan det let føre til fysisk og mental træthed. Videobaserede kirurgiske mikroskoper projicerer det forstørrede billede på skærmen og undgår langvarig dårlig kropsholdning for kirurgen. Videobaserede kirurgiske mikroskoper frigør læger fra en enkelt kropsholdning og giver dem mulighed for at operere på anatomiske steder gennem HD-skærme.

I de senere år, med den hurtige udvikling af kunstig intelligens-teknologi, er kirurgiske mikroskoper gradvist blevet intelligente, og videobaserede kirurgiske mikroskoper er blevet mainstream-produkter på markedet. Det nuværende videobaserede kirurgiske mikroskop kombinerer computervision og deep learning-teknologier for at opnå automatiseret billedgenkendelse, segmentering og analyse. Under den kirurgiske proces kan intelligente videobaserede kirurgiske mikroskoper hjælpe læger med hurtigt at lokalisere sygt væv og forbedre den kirurgiske nøjagtighed.

I udviklingsprocessen fra binokulære mikroskoper til videobaserede kirurgiske mikroskoper er det ikke svært at se, at kravene til nøjagtighed, effektivitet og sikkerhed i kirurgi stiger dag for dag. I øjeblikket er efterspørgslen efter optisk billeddannelse af kirurgiske mikroskoper ikke begrænset til forstørrelse af patologiske dele, men bliver stadig mere diversificeret og effektiv. Inden for klinisk medicin anvendes kirurgiske mikroskoper i vid udstrækning i neurologiske og spinale operationer gennem fluorescensmoduler integreret med augmented reality. AR-navigationssystemer kan lette kompleks rygmarvskirurgi, og fluorescerende stoffer kan guide læger til fuldstændig fjernelse af hjernetumorer. Derudover har forskere med succes opnået automatisk detektion af stemmebåndspolypper og leukoplakier ved hjælp af et hyperspektral kirurgisk mikroskop kombineret med billedklassificeringsalgoritmer. Videokirurgiske mikroskoper er blevet meget anvendt inden for forskellige kirurgiske områder såsom thyroidektomi, nethindekirurgi og lymfekirurgi ved at kombinere med fluorescensbilleddannelse, multispektral billeddannelse og intelligente billedbehandlingsteknologier.

Sammenlignet med binokulære kirurgiske mikroskoper kan videomikroskoper give mulighed for videodeling med flere brugere, kirurgiske billeder i høj opløsning og er mere ergonomiske, hvilket reducerer træthed hos læger. Udviklingen af ​​optisk billeddannelse, digitalisering og intelligens har forbedret ydeevnen af ​​optiske kirurgiske mikroskopsystemer betydeligt, og dynamisk billeddannelse i realtid, augmented reality og andre teknologier har i høj grad udvidet funktionerne og modulerne i videobaserede kirurgiske mikroskoper.

Den optiske billeddannelse i fremtidige videobaserede kirurgiske mikroskoper vil være mere præcis, effektiv og intelligent og give læger mere omfattende, detaljeret og tredimensionel patientinformation, der bedre kan vejlede kirurgiske operationer. I takt med den kontinuerlige teknologiske udvikling og udvidelsen af ​​anvendelsesområder vil dette system også blive anvendt og udviklet inden for flere områder.