De ontwikkeling van optische beeldvorming in videogestuurde chirurgische microscopen

In de geneeskunde is chirurgie ongetwijfeld de belangrijkste methode voor de behandeling van de overgrote meerderheid van ziekten, en speelt met name een cruciale rol bij de vroege behandeling van kanker. De sleutel tot het succes van een chirurgische ingreep ligt in de heldere visualisatie van het pathologische weefsel na de dissectie.Chirurgische microscopenDeze technieken worden veelvuldig gebruikt in de medische chirurgie vanwege hun sterke driedimensionaliteit, hoge definitie en hoge resolutie. De anatomische structuur van pathologische weefsels is echter ingewikkeld en complex, en de meeste ervan grenzen aan belangrijke orgaanweefsels. Structuren op millimeter- tot micrometerniveau vallen ver buiten het bereik dat met het blote oog kan worden waargenomen. Bovendien is het vaatweefsel in het menselijk lichaam smal en dicht op elkaar, en is de verlichting onvoldoende. Elke kleine afwijking kan de patiënt schade berokkenen, het chirurgische resultaat beïnvloeden en zelfs levensbedreigend zijn. Daarom is onderzoek en ontwikkeling van geavanceerde technieken essentieel.BedrijfsvoeringmicroscopenHet vastleggen van beelden met voldoende vergroting en heldere visuele weergave is een onderwerp dat onderzoekers nog steeds diepgaand bestuderen.

Digitale technologieën zoals beeld- en videotechnologie, informatieoverdracht en fotografische registratie doen momenteel hun intrede in de microchirurgie en bieden nieuwe voordelen. Deze technologieën beïnvloeden niet alleen onze levensstijl ingrijpend, maar worden ook steeds vaker toegepast in de microchirurgie. Schermen met hoge resolutie, camera's, enzovoort, voldoen effectief aan de huidige eisen voor chirurgische precisie. Videosystemen met CCD-, CMOS- en andere beeldsensoren als ontvangende oppervlakken worden steeds vaker gebruikt in chirurgische microscopen. Video-chirurgische microscopenZe zijn zeer flexibel en gebruiksvriendelijk voor artsen. De introductie van geavanceerde technologieën zoals navigatiesystemen, 3D-weergave, beeldkwaliteit met hoge resolutie, augmented reality (AR), enz., die het delen van beelden door meerdere personen tijdens de operatie mogelijk maken, helpt artsen bovendien om intraoperatieve ingrepen beter uit te voeren.

De optische beeldvorming van microscopen is de belangrijkste factor voor de beeldkwaliteit. De optische beeldvorming van videochirurgische microscopen heeft unieke ontwerpkenmerken, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde optische componenten en beeldvormingstechnologieën zoals CMOS- of CCD-sensoren met hoge resolutie en hoog contrast, evenals sleuteltechnologieën zoals optische zoom en optische compensatie. Deze technologieën verbeteren de beeldhelderheid en -kwaliteit van microscopen aanzienlijk en bieden een goede visuele zekerheid tijdens chirurgische ingrepen. Bovendien is door de combinatie van optische beeldvormingstechnologie met digitale verwerking realtime dynamische beeldvorming en 3D-reconstructie mogelijk gemaakt, wat chirurgen een intuïtievere visuele ervaring biedt. Om de optische beeldkwaliteit van videochirurgische microscopen verder te verbeteren, onderzoeken onderzoekers voortdurend nieuwe optische beeldvormingsmethoden, zoals fluorescentiebeeldvorming, polarisatiebeeldvorming, multispectrale beeldvorming, enz., om de beeldresolutie en -diepte van microscopen te verhogen; en wordt kunstmatige intelligentie ingezet voor de nabewerking van optische beeldgegevens om de beeldhelderheid en het contrast te verbeteren.

Bij vroege chirurgische ingrepen,binoculaire microscopenZe werden voornamelijk gebruikt als hulpmiddel. Een binoculaire microscoop is een instrument dat prisma's en lenzen gebruikt om stereoscopisch zicht te verkrijgen. Het biedt diepteperceptie en stereoscopisch zicht, iets wat monoculaire microscopen niet hebben. Halverwege de 20e eeuw was von Zehender een pionier in het gebruik 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, bedroeg de werkafstand van vroege binoculaire microscopen 75 mm. Met de ontwikkeling en innovatie van medische instrumenten werd de eerste chirurgische microscoop, de OPMI1, geïntroduceerd, waarmee de werkafstand 405 mm kon bereiken. De vergroting neemt ook voortdurend toe, evenals de vergrotingsmogelijkheden. Door de continue vooruitgang van binoculaire microscopen, met voordelen zoals een levendig stereoscopisch effect, hoge helderheid en een grote werkafstand, worden binoculaire chirurgische microscopen op grote schaal gebruikt in diverse afdelingen. De beperkingen van het instrument, zoals de grote afmetingen en geringe diepte, mogen echter niet worden genegeerd. Medisch personeel moet tijdens de operatie regelmatig kalibreren en scherpstellen, wat de operatie bemoeilijkt. Bovendien verhoogt het langdurig observeren van instrumenten en de operatie zelf niet alleen de fysieke belasting voor chirurgen, maar voldoet het ook niet aan ergonomische principes. Artsen moeten een vaste houding aannemen tijdens chirurgische onderzoeken en handmatige aanpassingen uitvoeren, wat de operaties eveneens complexer maakt.

Na de jaren negentig werden camerasystemen en beeldsensoren geleidelijk aan geïntegreerd in de chirurgische praktijk, wat een aanzienlijk toepassingspotentieel aantoonde. In 1991 ontwikkelde Berci een innovatief videosysteem voor het visualiseren van operatiegebieden, met een instelbare werkafstand van 150-500 mm en waarneembare objectdiameters van 15-25 mm, terwijl de scherptediepte tussen 10-20 mm bleef. Hoewel de hoge onderhoudskosten van lenzen en camera's destijds de wijdverspreide toepassing van deze technologie in veel ziekenhuizen beperkten, bleven onderzoekers technologische innovatie nastreven en begonnen ze met de ontwikkeling van meer geavanceerde videogebaseerde chirurgische microscopen. In vergelijking met binoculaire chirurgische microscopen, die een lange tijd in dezelfde werkmodus vereisen en daardoor gemakkelijk tot fysieke en mentale vermoeidheid kunnen leiden, projecteert de videogebaseerde chirurgische microscoop het vergrote beeld op de monitor, waardoor de chirurg geen langdurige, onnatuurlijke houding meer hoeft aan te nemen. Videogebaseerde chirurgische microscopen bevrijden artsen van een vaste houding en stellen hen in staat om via high-definition schermen op anatomische locaties te opereren.

De afgelopen jaren, met de snelle vooruitgang van kunstmatige intelligentie, zijn chirurgische microscopen steeds intelligenter geworden en zijn videogestuurde chirurgische microscopen een gangbaar product op de markt. De huidige videogestuurde chirurgische microscopen combineren computervisie en deep learning-technologieën om geautomatiseerde beeldherkenning, segmentatie en analyse mogelijk te maken. Tijdens een operatie kunnen intelligente videogestuurde chirurgische microscopen artsen helpen om snel ziek weefsel te lokaliseren en de nauwkeurigheid van de ingreep te verbeteren.

Tijdens de ontwikkeling van binoculaire microscopen naar videogebaseerde chirurgische microscopen is het duidelijk dat de eisen aan nauwkeurigheid, efficiëntie en veiligheid in de chirurgie steeds hoger worden. De vraag naar optische beeldvorming met chirurgische microscopen beperkt zich tegenwoordig niet meer tot het vergroten van pathologische structuren, maar is steeds diverser en efficiënter. In de klinische geneeskunde worden chirurgische microscopen veelvuldig gebruikt bij neurologische en wervelkolomoperaties, met behulp van fluorescentiemodules geïntegreerd met augmented reality (AR). Een AR-navigatiesysteem kan complexe kijkoperaties aan de wervelkolom vergemakkelijken, en fluorescerende middelen kunnen artsen begeleiden bij het volledig verwijderen van hersentumoren. 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 op grote schaal gebruikt in diverse chirurgische vakgebieden, zoals schildklierverwijdering, netvlieschirurgie en lymfeklierchirurgie, door de combinatie van fluorescentiebeeldvorming, multispectrale beeldvorming en intelligente beeldverwerkingstechnologieën.

In vergelijking met binoculaire operatiemicroscopen bieden videomicroscopen de mogelijkheid tot het delen van video door meerdere gebruikers, leveren ze chirurgische beelden in hoge resolutie en zijn ze ergonomischer, waardoor de vermoeidheid van de arts afneemt. De ontwikkeling van optische beeldvorming, digitalisering en intelligentie heeft de prestaties van optische systemen voor operatiemicroscopen aanzienlijk verbeterd. Dynamische beeldvorming in realtime, augmented reality en andere technologieën hebben de functies en modules van op video gebaseerde operatiemicroscopen sterk uitgebreid.

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