De ontwikkeling van optische beeldvorming in op video gebaseerde chirurgische microscopen

Binnen de geneeskunde is chirurgie ongetwijfeld de belangrijkste behandelingsmethode voor de overgrote meerderheid van de ziekten, met name in de vroege behandeling van kanker. De sleutel tot het succes van een chirurgische ingreep ligt in de duidelijke visualisatie van de pathologische sectie na dissectie.Chirurgische microscopenworden veel gebruikt in de medische chirurgie vanwege hun sterke gevoel voor driedimensionaliteit, hoge definitie en hoge resolutie. De anatomische structuur van het pathologische deel is echter ingewikkeld en complex, en de meeste ervan grenzen aan belangrijke orgaanweefsels. De millimeter- tot micrometerstructuren overschrijden het bereik dat met het menselijk oog kan worden waargenomen ruimschoots. Bovendien is het vaatweefsel in het menselijk lichaam smal en dicht opeengepakt, en is de verlichting onvoldoende. Elke kleine afwijking kan schadelijk zijn voor de patiënt, het chirurgische effect beïnvloeden en zelfs levensgevaarlijk zijn. Daarom is onderzoek en ontwikkeling...Bedieningmicroscopenmet voldoende vergroting en duidelijke visuele beelden is een onderwerp waar onderzoekers zich nog steeds diepgaand in verdiepen.

Digitale technologieën zoals beeld en video, informatieoverdracht en fotografische registratie betreden momenteel het gebied van de microchirurgie met nieuwe voordelen. Deze technologieën hebben niet alleen een grote invloed op de menselijke levensstijl, maar worden ook geleidelijk geïntegreerd in het gebied van de microchirurgie. High-definition displays, camera's, enz. kunnen effectief voldoen aan de huidige eisen voor chirurgische nauwkeurigheid. Videosystemen met CCD, CMOS en andere beeldsensoren als ontvangende oppervlakken worden geleidelijk toegepast in chirurgische microscopen. Video-chirurgische microscopenzijn zeer flexibel en gemakkelijk te bedienen voor artsen. De introductie van geavanceerde technologieën zoals navigatiesystemen, 3D-weergave, high-definition beeldkwaliteit, augmented reality (AR), enz., die het delen van beelden met meerdere personen tijdens de operatie mogelijk maken, helpt artsen verder bij het beter uitvoeren van intraoperatieve operaties.

Optische microscopische beeldvorming is de belangrijkste bepalende factor voor de beeldkwaliteit van microscopen. De optische beeldvorming van video-chirurgische microscopen heeft unieke ontwerpkenmerken en maakt gebruik van geavanceerde optische componenten en beeldtechnologieën zoals CMOS- of CCD-sensoren met hoge resolutie en hoog contrast, evenals sleuteltechnologieën zoals optische zoom en optische compensatie. Deze technologieën verbeteren effectief de beeldhelderheid en -kwaliteit van microscopen en bieden een goede visuele zekerheid bij chirurgische ingrepen. Bovendien zijn door de combinatie van optische beeldtechnologie met digitale verwerking real-time dynamische beeldvorming en 3D-reconstructie bereikt, waardoor chirurgen een meer intuïtieve visuele ervaring krijgen. Om de optische beeldkwaliteit van video-chirurgische microscopen verder te verbeteren, onderzoeken onderzoekers voortdurend nieuwe optische beeldvormingsmethoden, zoals fluorescentiebeeldvorming, polarisatiebeeldvorming, multispectrale beeldvorming, enz., om de beeldresolutie en -diepte van microscopen te verbeteren; gebruik van kunstmatige intelligentietechnologie voor nabewerking van optische beeldgegevens om de beeldhelderheid en het contrast te verbeteren.

Bij vroege chirurgische ingrepen,binoculaire microscopenwerden voornamelijk gebruikt als hulpmiddelen. Een binoculaire microscoop is een instrument dat prisma's en lenzen gebruikt om stereoscopisch zicht te bereiken. Het kan dieptewaarneming en stereoscopisch zicht bieden die monoculaire microscopen niet hebben. Halverwege de 20e eeuw was von Zehender een pionier in de toepassing van binoculaire vergrootglazen bij medische oogheelkundige onderzoeken. Vervolgens introduceerde Zeiss een binoculair vergrootglas met een werkafstand van 25 cm, waarmee de basis werd gelegd voor de ontwikkeling van moderne microchirurgie. Wat betreft optische beeldvorming van binoculaire chirurgische microscopen, was de werkafstand van vroege binoculaire microscopen 75 mm. Met de ontwikkeling en innovatie van medische instrumenten werd de eerste chirurgische microscoop OPMI1 geïntroduceerd, en de werkafstand kan 405 mm bereiken. De vergroting neemt ook voortdurend toe en de vergrotingsmogelijkheden nemen voortdurend toe. Met de voortdurende vooruitgang van binoculaire microscopen hebben hun voordelen, zoals een levendig stereoscopisch effect, hoge helderheid en lange werkafstand, binoculaire chirurgische microscopen op grote schaal gebruikt in verschillende afdelingen. De beperkingen van de grote omvang en geringe diepte kunnen echter niet worden genegeerd. Medisch personeel moet tijdens operaties regelmatig kalibreren en scherpstellen, wat de operatie moeilijker maakt. Bovendien verhogen chirurgen die zich langdurig richten op visuele instrumentobservatie en -operaties niet alleen hun fysieke belasting, maar houden ze zich ook niet aan ergonomische principes. Artsen moeten een vaste houding aannemen om chirurgische onderzoeken bij patiënten uit te voeren, en handmatige aanpassingen zijn ook vereist, wat de operatieve ingrepen enigszins moeilijker maakt.

Na de jaren negentig begonnen camerasystemen en beeldsensoren geleidelijk te integreren in de chirurgische praktijk, wat een aanzienlijk toepassingspotentieel aantoonde. In 1991 ontwikkelde Berci op innovatieve wijze een videosysteem voor het visualiseren van operatiegebieden, met een instelbaar werkafstandsbereik van 150-500 mm en waarneembare objectdiameters van 15-25 mm, terwijl een scherptediepte van 10-20 mm werd gehandhaafd. Hoewel de hoge onderhoudskosten van lenzen en camera's destijds de wijdverbreide toepassing van deze technologie in veel ziekenhuizen beperkten, bleven onderzoekers technologische innovatie nastreven en begonnen ze geavanceerdere videogebaseerde chirurgische microscopen te ontwikkelen. Vergeleken met binoculaire chirurgische microscopen, die een lange tijd nodig hebben om deze ongewijzigde werkmodus te handhaven, kan dit gemakkelijk leiden tot fysieke en mentale vermoeidheid. De video-chirurgische microscoop projecteert het vergrote beeld op de monitor, waardoor een langdurige slechte houding van de chirurg wordt vermeden. Videogebaseerde chirurgische microscopen bevrijden artsen van een vaste houding, waardoor ze anatomische locaties kunnen opereren via high-definition schermen.

Dankzij de snelle vooruitgang van kunstmatige intelligentie (AI) zijn chirurgische microscopen de afgelopen jaren geleidelijk intelligenter geworden en zijn videogebaseerde chirurgische microscopen mainstream geworden. De huidige videogebaseerde chirurgische microscoop combineert computer vision en deep learning-technologieën om geautomatiseerde beeldherkenning, segmentatie en analyse te realiseren. Tijdens het chirurgische proces kunnen intelligente videogebaseerde chirurgische microscopen artsen helpen bij het snel lokaliseren van ziek weefsel en het verbeteren van de chirurgische nauwkeurigheid.

In het ontwikkelingsproces van binoculaire microscopen naar videogebaseerde chirurgische microscopen is het niet moeilijk vast te stellen dat de eisen aan nauwkeurigheid, efficiëntie en veiligheid in de chirurgie met de dag toenemen. Momenteel beperkt de vraag naar optische beeldvorming met chirurgische microscopen zich niet tot het vergroten van pathologische delen, maar wordt deze steeds diverser en efficiënter. In de klinische geneeskunde worden chirurgische microscopen veelvuldig gebruikt bij neurologische en spinale operaties via fluorescentiemodules geïntegreerd met augmented reality. AR-navigatiesystemen kunnen complexe kijkoperaties aan de wervelkolom vergemakkelijken en fluorescerende middelen kunnen artsen helpen hersentumoren volledig te verwijderen. Daarnaast hebben onderzoekers met succes automatische detectie van stembandpoliepen en leukoplakie bereikt met behulp van een hyperspectrale chirurgische microscoop in combinatie met beeldclassificatiealgoritmen. Videochirurgische microscopen worden veelvuldig gebruikt in diverse chirurgische vakgebieden, zoals thyreoïdectomie, netvlieschirurgie en lymfechirurgie, door de combinatie met fluorescentiebeeldvorming, multispectrale beeldvorming en intelligente beeldverwerkingstechnologieën.

Vergeleken met binoculaire chirurgische microscopen kunnen videomicroscopen video's met meerdere gebruikers delen, chirurgische beelden in hoge resolutie weergeven en zijn ze ergonomischer, waardoor artsen minder snel vermoeid raken. De ontwikkeling van optische beeldvorming, digitalisering en intelligentie heeft de prestaties van optische systemen voor chirurgische microscopen aanzienlijk verbeterd. Bovendien hebben realtime dynamische beeldvorming, augmented reality en andere technologieën de functies en modules van videogebaseerde chirurgische microscopen aanzienlijk uitgebreid.

De optische beeldvorming van toekomstige videogebaseerde chirurgische microscopen zal nauwkeuriger, efficiënter en intelligenter zijn en artsen voorzien van uitgebreidere, gedetailleerdere en driedimensionale patiëntinformatie om chirurgische ingrepen beter te begeleiden. Tegelijkertijd zal dit systeem, met de voortdurende technologische vooruitgang en de uitbreiding van toepassingsgebieden, ook in meer vakgebieden worden toegepast en ontwikkeld.