Überlegungen zum Beleuchtungsdesign für robotergestützte Chirurgie-Sichtsysteme

Das Ziel der Robotik und der robotergestützten Chirurgie besteht darin, Chirurgen in die Lage zu versetzen, komplexe, zuvor nicht verfügbare Eingriffe mit erhöhter Präzision durchzuführen, was zu kürzeren Operations- und Genesungszeiten sowie zu geringeren Risiken für Patienten führt. Die Roboterchirurgie hat bei vielen Anwendungen, einschließlich Prostatektomie, Nephrektomie und Hysterektomie, kolorektale Chirurgie erhebliche Auswirkungen gehabt. Mit den jüngsten technologischen Fortschritten befinden sich jetzt mehr Roboteranwendungen in der Entwicklung als je zuvor.

Zur Verbesserung des chirurgischen Arbeitsablaufs, des Standortzugangs und der Erholungszeiten erscheinen neue Innovationen in allen Subsystemen der gesamten chirurgischen Roboterarchitektur. Die Verbesserung der Bildqualität durch genaue und konsistente Visualisierung ermöglicht es Chirurgen, während eines Eingriffs fundiertere chirurgische Entscheidungen zu treffen. Chirurgische Bildverarbeitungssysteme passen zu Weitfeldkameras mit faseroptischen oder LED-Beleuchtungskomponenten. In der Produktentwicklung wird den Leistungsanforderungen und dem Design des Beleuchtungssystems jedoch häufig weit weniger Zeit und Ressourcen eingeräumt als der Kamera.

Um ein erfolgreiches Produkt zu haben, müssen alle erforderlichen Subsysteme berücksichtigt werden, um eine qualitativ hochwertige Beleuchtung zu liefern. Ein spezifisches Beispiel für diese Situation ist ein hochauflösendes 3D-Laparoskop, das eine Chip-on-Tip-Kamera verwendet.

Das chirurgische 3D-Sichtsystem verfügt über vier Schlüsselsubsysteme:

1. Beleuchtungssystem, das das Operationsziel beleuchtet,
2. Die Kamera (Objektive und CMOS-Sensor), um Licht aus dem Gewebe einzufangen,
3. Firmware zur Steuerung der Bildqualität und Latenz und
4. Ein Anzeigesystem (eine Kombination aus 2D- und 3D-Anzeigen).

Jedes Subsystem hat seine eigenen Schlüsselfragen, die das Designteam berücksichtigen sollte.

Klinische Anwendungen

Vor der Entwicklung eines robusten Beleuchtungssystems muss der Konstrukteur ein umfassendes Verständnis der Ziele des klinischen Teams für einen bestimmten chirurgischen Eingriff haben. Häufig identifiziert ein Produktmanager, der als „Stimme des Kunden“ fungiert, ein Prädikatsgerät und fragt nach der „besten Bildqualität“. Das F&E-Team muss diese Anfrage in quantitative Anforderungen übersetzen, Bildgebungsmodalitäten und numerische Grenzen für FOV, Auflösung, Farbgenauigkeit und Bildkontrast als Beispiele identifizieren, was schließlich zu den vollständigen Produktanforderungen führt. In diesem Artikel betrachten wir eine Lichtquelle für ein 3D-Laparoskop mit einem Kamerablickfeld von 80° und einem Arbeitsabstand von 5 bis 100 mm. Wir werden in erster Linie Weißlichtanwendungen betrachten, aber auch Überlegungen zur Fluoreszenz erörtern.

Um dies zu verdeutlichen, betrachten wir hier den Entwurf eines faserbasierten Beleuchtungssystems mit einer LED-Lichtmaschine, die in einem begrenzten Gerätegehäuse als Teil der „Kapitalausstattung“, dh eines Sichtturms, installiert ist. Die Kapitalausstattung umfasst den Wagen, der typischerweise die Sicht- und zusätzlichen Steuersysteme der chirurgischen Plattform beherbergt. Die beabsichtigte Architektur des chirurgischen Systems ist ein starres Stereo-Laparoskop zur Verwendung in einem chirurgischen Robotersystem. Um das Risiko für den Zeitplan, die Sicherheit und zukünftige Benutzeranforderungen bei der Integration von Fluoreszenz- oder anderen quellenabhängigen Bildgebungsverfahren zu reduzieren, werden wir eine faserbasierte Lösung in Betracht ziehen. Die Autoren wissen die Fortschritte zu schätzen, die LEDs in Größe und Effizienz machen, und werden den Designraum am Ende des Artikels ansprechen.

Überlegungen zur Beleuchtung für die Roboterchirurgie

Abbildung 1 hebt die wichtigsten Systemarchitekturen des Beleuchtungssystems für eine Roboter-Chirurgieplattform hervor. Um das Zielfernrohr mit Licht zu versorgen, ist eine Beleuchtungsquelle – in diesem Fall eine Lichtmaschine – erforderlich. Die Lichtmaschine koppelt bei Bedarf Licht in einen Fasertaper und leitet es dann an die Fasern weiter, die das Licht zur Spitze übertragen.

Die Light Engine ist eine Lichtquelle, die in Kapitalanlagen eingebaut ist. Es gibt unterschiedliche Architekturen für diese Quellen, aber sie können auf zwei Haupttypen reduziert werden. Einige Light Engines verwenden eine einzelne Breitbandquelle, während andere das Mischen von Schmalband-LEDs nutzen, um eine Breitbandquelle zu erzeugen. Bei einer einzelnen Breitband-LED besteht das Risiko, dass blaues Licht aufgrund der weißen LED-Architektur korrigiert werden muss, die eine blaue LED zur Aktivierung eines Leuchtstoffs verwendet. Ein hoher Anteil an blauem Licht wird von rotem Gewebe absorbiert. Das stark blaue Signal in den Spektren kann zu Herausforderungen in der Farbabstimmungsphase und möglicherweise zu digitalisierten oder „gefälschten“ Bildern führen. Ein gemischter RGB-LED-Ansatz kann die Probleme mit übermäßigem Blaulicht eliminieren, erfordert jedoch eine komplexere Optik in der Lichtmaschine, um die drei Quellen in das System einzukoppeln. Wenn das System eine Beleuchtung im nahen Infrarot (NIR) erfordert, werden die NIR-LEDs auch in der Light Engine installiert, wodurch das Design kompakter wird.

Indem die RGB- und NIR-LEDs im selben Gehäuse untergebracht sind, können die Lichtquellen dieselben Fasern teilen, die das Licht an die Spitze liefern. Dadurch wird die Effizienz des Beleuchtungssystems des Endoskops maximiert. Um Licht von der Lichtmaschine zur Spitze des Endoskops zu übertragen, ist eine Faseroptik mit hoher numerischer Apertur (NA) sowie ein optisches System erforderlich, um Licht von der Quelle zur Spitze weiterzuleiten. Der Begriff zur Beschreibung des Winkelausgangs einer Faser ist die numerische Apertur oder NA. Je höher die NA, desto höher der Winkelausgang der Faser. Die NA ist gleich dem Sinus des höchsten Winkels, der in die Faser ein- und austreten kann. Die NA der Faser wird durch den Brechungsindex des Kerns und des Mantels der Faser bestimmt. Je höher die NA, desto höher wird der Lichtwinkel aus der Faser austreten und einen höheren Prozentsatz des Sichtfelds beleuchten.

Um die beste Leistung aus dem Glasfaserkabel herauszuholen, muss das Designteam das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung der Lichtmaschine und dem Glasfaserkabel berücksichtigen. Eine übliche Lösung ist die Verwendung eines Faserkegels, um den Winkel des in das Endoskop eintretenden Lichts zu vergrößern. Der Faserkonus wird typischerweise am proximalen Ende des Endoskops installiert, wo das Lichtkabel angeschlossen wird. Die Faserverjüngung wandelt die großflächige Ausgabe der Lichtmaschine mit niedrigem Winkel in eine kleinflächige Ausgabe mit hohem Winkel um.

Die NA des aus dem Lichtkasten austretenden Lichts liegt typischerweise in der Größenordnung von 0,5 NA, die mit chirurgischer Robotik verbundenen Winkel können 0,87 NA oder mehr erreichen. Die Fasern, die mit dem Lichtkasten verbunden sind, sollten gleich der Ausgangs-NA des Lichtkastens sein. Die Verjüngung wandelt das Licht mit niedrigem Winkel in Licht mit hohem Winkel um, um den breitesten Beleuchtungswinkel zu erreichen. Abbildung 2 zeigt, was mit einem Lichtstrahl passiert, der in die Verjüngung eintritt und aus ihr austritt.

Eine Alternative zur Verwendung einer Verjüngung zur Erzielung hoher Austrittswinkel besteht darin, eine Linse zu konstruieren, um das aus der Spitze des Laparoskops austretende Licht zu streuen. Ein linsengestütztes Beleuchtungssystem ermöglicht höhere Ausgangswinkel, wodurch Kameras mit höherem Sichtfeld für den Einsatz im Körper ermöglicht werden, jedoch auf Kosten eines weniger kompakten Designs.

Sobald Licht zu der Faseroptik des Laparoskops übertragen wird, werden die Fasern verpackt, um Licht über die Spitze auszugeben, wie in 3 gezeigt. Dies ist aus zwei Gründen vorteilhafter als eine einzige Lichtaustrittsfläche zu haben. Erstens ermöglicht es eine einfachere Integration der Fasern in das Endoskop und zweitens verhindert es unerwünschte Schatten von chirurgischen Instrumenten, die das Bild beeinträchtigen.

Überlegungen zu Kalibrierung und Tests

Beim Design der Lichtquelle muss das Team auch die Bildsignalpipeline (ISP) berücksichtigen, die das aufgenommene Bild konvertiert und auf einem hochauflösenden 2D- und 3D-Monitor für das Operationsteam anzeigt. Der ISP kann verschiedene Kalibrierungen haben, die auf das System angewendet werden, einschließlich Ungleichmäßigkeit des Dunkelsignals auf dem Bildsensor, Ungleichmäßigkeit der Lichtantwort, Farbkalibrierung und Weißabgleich. Diese Kalibrierungen ermöglichen Korrekturen, die ein qualitativ hochwertiges Bild erzeugen; Wenn sich der ISP jedoch zu stark auf Kalibrierungen verlässt, sieht das Bild möglicherweise stark verarbeitet aus und lenkt das Operationsteam ab.

Ein ISP wird Blöcke haben, die eine Kalibrierung jeder Einheit erfordern. Die Kalibrierungsdaten werden typischerweise in einem auf dem Endoskop installierten Speicher gespeichert. Frühzeitig mit der Definition des Kalibrierungsprozesses zu beginnen und sich mit ISP-Entwicklungsingenieuren abzustimmen, verringert das Risiko von Problemen in der späten Entwicklungsphase. Durch die frühzeitige Berücksichtigung des ISP und der Kalibrierungen sind mehrere Revisionen der Lichtquelle und Firmware vor der Produkteinführung möglich. Kalibrierungen haben Grenzen, und wenn das Beleuchtungssystem näher an der beabsichtigten chirurgischen Verwendung ausgelegt ist, ist weniger Fehlerbehebung bei Kalibrierungen im Entwicklungsprozess erforderlich.

Beispiele für Kalibrierungen in Bezug auf die Beleuchtungsquelle sind Photo-Response Non-Uniformity (PRNU), Weißabgleich und Farbkorrektur. Diese Kalibrierungen sind alle in ihrer Wirksamkeit begrenzt, wenn die Lichtquelle selbst ein minderwertiges Design hat. Die Abhängigkeit von Kalibrierungen zur „Korrektur“ des Lichtquellendesigns kann dazu führen, dass das erzeugte Bild überbearbeitet aussieht. Wenn der ISP außerdem Speicher für Kalibrierungen zuweisen muss, besteht die Gefahr, dass die Latenz des Bildverarbeitungssystems erhöht und die Roboterleistung eingeschränkt wird.

Nachdem die Lichtmaschine, die Beleuchtung, die Abbildungsoptik und die Kamera-Firmware entwickelt wurden, sind schließlich ordnungsgemäße Tests erforderlich. Häufig erfordern die Komponenten des Beleuchtungssystems auch eine 100%ige Inspektion und Kalibrierung der Quellen in Investitionsgütern und Laparoskopen. Diese Tests erfordern den Betrieb des zu testenden Geräts unter einer Vielzahl von Bedingungen mit speziellen Targets, um die Farbgenauigkeit, Einheitlichkeit und Leistungsabgabe zu messen. Durch die Entwicklung eines Systems zur Automatisierung dieser Tests wird das Risiko der Variabilität von Teil zu Teil und von Tester zu Tester verringert, wodurch sichergestellt wird, dass Produktstandards im Feld eingehalten werden. Diese Teststationen erfordern ein detailliertes mechanisches, System- und Softwaredesign, um sicherzustellen, dass sie erfolgreich in Fertigungshallen eingesetzt werden können.

Es gibt andere Überlegungen für die Endoskopie oder Anwendungen mit flexiblem Bereich. Diese Geräte haben oft mehr Einschränkungen in Bezug auf den für die Beleuchtung verfügbaren Platz, verfügen möglicherweise nur über 2D-Bildgebung, sind zum einmaligen Gebrauch oder haben andere Einschränkungen, die sich nicht auf die im Artikel vorgestellten Parameter beziehen. Für Geräte mit kleinem Durchmesser und zum Einmalgebrauch können Kunststofffasern, LEDs in der Spitze und andere, kompaktere Lösungen ein erfolgreiches Produkt ermöglichen, bei dem verschiedene Designüberlegungen und Risikominderungen berücksichtigt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der Beleuchtungskomponenten für Roboter-Chirurgiesysteme ein komplexer Prozess ist. Man sollte von einem vollständigen Verständnis der klinischen Anwendung ausgehen und auf diesem Verständnis aufbauen. Wenn man ein Robotersystem für Weißlicht- und NIR-Anwendungen entwirft, empfehlen wir ein Design, das auf der Verwendung einer High-NA-Faser mit einer in der Hauptausrüstung installierten Lichtmaschine basiert. Um den breitesten Beleuchtungswinkel zu erreichen, wird die Verwendung von Fasern mit hoher NA empfohlen, um Licht zur Spitze des Geräts zu leiten. Dies ist der prägnanteste Designansatz, der ein übermäßig komplexes Design vermeidet. Andere Lösungen können zu Funktionslücken führen, was zu einem Workaround-Design führt.

Dieser Artikel wurde von Jonathan Brand, Optical Systems Engineer, und Neil Anderson, PhD, VP Sales and Marketing, Grey Optics (Portland, ME) verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Neil Anderson unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .