Optimierung des Beleuchtungsdesigns für robotergestützte Chirurgie-Visionssysteme

Das Ziel von Robotik und robotergestützter Chirurgie ist es, Chirurgen zu ermöglichen, komplexe, zuvor nicht verfügbare Eingriffe mit erhöhter Präzision durchzuführen, was zu reduzierten Operations- und Erholungszeiten sowie geringeren Risiken für Patienten führt. Robotergestützte Chirurgie hat in vielen Anwendungen signifikante Auswirkungen gezeigt, einschließlich Prostatektomie, Nephrektomie und Hysterektomie bei kolorektaler Chirurgie. Mit jüngsten technologischen Fortschritten gibt es jetzt mehr Robotik-Anwendungen in Entwicklung als je zuvor.

Bedeutung der Beleuchtung

Um chirurgischen Workflow, Zugangswege und Erholungszeiten zu verbessern, entstehen neue Innovationen in allen Subsystemen der chirurgischen Roboterarchitektur. Die Verbesserung der Bildqualität mit präziser und konsistenter Visualisierung ermöglicht Chirurgen, während eines Eingriffs fundiertere chirurgische Entscheidungen zu treffen. Chirurgische Visionssysteme kombinieren Weitwinkelkameras mit Faseroptik- oder LED-Beleuchtungskomponenten. Oftmals erhalten in der Produktentwicklung jedoch die Leistungsanforderungen und das Design des Beleuchtungssystems weit weniger Zeit und Ressourcen als die Kamera.

Für ein erfolgreiches Produkt müssen alle erforderlichen Subsysteme berücksichtigt werden, um hochwertige Beleuchtung zu liefern. Ein konkretes Beispiel ist ein hochauflösendes 3D-Laparoskop mit Chip-on-Tip-Kamera.

Vier Schlüsselsubsysteme des 3D-Chirurgievisionssystems

1. Beleuchtungssystem, das Licht zum chirurgischen Ziel bringt
2. Die Kamera (Linsen und CMOS-Sensor) zur Erfassung von Licht vom Gewebe
3. Firmware zur Steuerung von Bildqualität und Latenz
4. Anzeigesystem (Kombination aus 2D- und 3D-Displays)

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

Klinische Anwendungen

Vor dem Design eines robusten Beleuchtungssystems muss der Entwicklungsingenieur ein umfassendes Verständnis der Ziele des klinischen Teams für einen gegebenen chirurgischen Eingriff haben. Oft identifiziert ein Produktmanager als „Voice of the Customer“ ein Prädikatgerät und fordert die „beste Bildqualität“. Das F&E-Team muss diese Anforderung in quantitative Anforderungen übersetzen, Bildgebungsmodalitäten und numerische Grenzwerte für FOV, Auflösung, Farbgenauigkeit und Bildkontrast identifizieren, was schließlich zu den vollständigen Produktanforderungen führt. In diesem Artikel betrachten wir eine Lichtquelle für ein 3D-Laparoskop mit einem Kamerasichtfeld von 80° und einem Arbeitsabstand von 5 bis 100 mm. Wir betrachten primär Weißlichtanwendungen, diskutieren aber auch Fluoreszenzaspekte.

Zur Verdeutlichung betrachten wir hier das Design eines faserbasierten Beleuchtungssystems mit einer LED-Lichtengine, die in einem beengten Gerätegehäuse als Teil der „Kapitalausrüstung“, also dem Visionsturm, installiert ist. Die Kapitalausrüstung umfasst den Wagen, der typischerweise die Vision und zusätzliche Steuersysteme der chirurgischen Plattform beherbergt. Die beabsichtigte Architektur des chirurgischen Systems ist ein starrer Stereo-Laparoskop für den Einsatz in einem robotergestützten Chirurgiesystem. Um Risiken für Zeitplan, Sicherheit und zukünftige Benutzerbedürfnisse bei der Integration von Fluoreszenz oder anderer quellabhängiger Bildgebung zu reduzieren, betrachten wir eine faserbasierte Lösung. Die Autoren würdigen die Fortschritte, die LEDs weiterhin in Größe und Effizienz machen, und werden den Designraum am Ende des Artikels ansprechen.

Beleuchtungsüberlegungen für robotergestützte Chirurgie

Abbildung 1 zeigt die Hauptsystemarchitekturen des Beleuchtungssystems für eine robotergestützte Chirurgieplattform. Um Licht zum Scope zu liefern, wird eine Beleuchtungsquelle – in diesem Fall eine Lichtengine – benötigt. Die Lichtengine koppelt Licht in einen Fasertaper, falls erforderlich, und liefert es dann an die Fasern, die Licht zur Spitze transportieren.

Die Lichtengine ist eine Lichtquelle, die in der Kapitalausrüstung installiert ist. Es gibt verschiedene Architekturen für diese Quellen, aber sie lassen sich auf zwei primäre Typen destillieren. Einige Lichtengines nutzen eine einzelne Breitbandquelle, während andere den Vorteil der Mischung schmalbandiger LEDs nutzen, um eine Breitbandquelle zu erzeugen. Eine einzelne breitbandige LED birgt das Risiko, wegen Blaulicht korrigieren zu müssen, aufgrund der Weißlicht-LED-Architektur, die eine blaue LED zur Aktivierung eines Phosphors nutzt. Ein hoher Anteil an blauem Licht wird von rotem Gewebe absorbiert. Das hohe Blau-Signal im Spektrum kann zu Herausforderungen in der Farbabstimmungsphase führen und potenziell Bilder, die zu digitalisiert oder „künstlich“ aussehen. Ein gemischter RGB-LED-Ansatz kann die Blaulicht-Probleme eliminieren, erfordert aber komplexere Optiken in der Lichtengine, um die drei Quellen in das System einzukoppeln. Wenn das System Nahinfrarot (NIR) Beleuchtung erfordert, werden die NIR-LEDs ebenfalls in der Lichtengine installiert, was das Design kompaktiert.

Durch das Unterbringen der RGB- und NIR-LEDs im selben Gehäuse können die Lichtquellen dieselben Fasern nutzen, die das Licht zur Spitze liefern. Dies maximiert die Effizienz des Endoskop-Beleuchtungssystems. Um Licht von der Lichtengine zur Spitze des Endoskops zu übertragen, sind hoch-numerische Apertur (NA) Faseroptiken sowie ein optisches System erforderlich, um Licht von der Quelle zur Spitze zu relayen. Der Begriff zur Beschreibung des Winkelausgangs einer Faser ist numerische Apertur, oder NA. Je höher die NA, desto höher der Winkelausgang der Faser. Die NA entspricht dem Sinus des höchsten Winkels, der in die Faser eintreten und austreten kann. Die NA der Faser wird durch den Brechungsindex von Kern und Mantel der Faser bestimmt. Je höher die NA, desto höher der Winkel, in dem Licht die Faser verlässt, und desto höher der Prozentsatz des Sichtfelds, der beleuchtet wird.

Um die beste Leistung vom Faseroptikkabel zu erhalten, muss das Designteam die Beziehung zwischen dem Ausgang der Lichtengine und dem Faseroptikkabel berücksichtigen. Eine gängige Lösung ist die Verwendung eines Fasertapers, um den Winkel des in das Endoskop eintretenden Lichts zu erhöhen. Der Fasertaper wird typischerweise am proximalen Ende des Endoskops installiert, wo das Lichtkabel angeschlossen wird. Der Fasertaper wandelt den großflächigen, niedrigwinkligen Ausgang der Lichtengine in einen kleinflächigen, hochwinkligen Ausgang um.

Eine Alternative zum Erreichen hoher Ausgangswinkel mittels Taper ist das Design einer Linse, die das Licht, das die Laparoskopspitze verlässt, ausbreitet. Ein linienunterstütztes Beleuchtungssystem ermöglicht höhere Ausgangswinkel und damit höhere FOV-Kameras für den Einsatz im Körper, geht aber auf Kosten eines weniger kompakten Designs.

Einmal zum Fasern des Laparoskops übertragen, werden die Fasern so verpackt, dass sie Licht über die Spitze ausgeben, wie in Abbildung 3 gezeigt. Dies ist vorteilhafter als eine einzelne Lichtaustrittsfläche aus zwei Gründen. Erstens ermöglicht es einfachere Integration der Fasern in den Scope, und zweitens verhindert es unerwünschte Schatten von chirurgischen Werkzeugen, die das Bild beeinträchtigen.

Kalibrierungs- und Testüberlegungen

Beim Design der Lichtquelle muss das Team auch den Image Signal Pipeline (ISP) berücksichtigen, der das erfasste Bild umwandelt und auf einem hochauflösenden 2D- und 3D-Monitor für das chirurgische Team anzeigt. Der ISP kann verschiedene Kalibrierungen auf das System anwenden, einschließlich Dark Signal Non-Uniformity auf dem Bildsensor, Photo-Response Non-Uniformity, Farbkalibrierung und Weißabgleich. Diese Kalibrierungen ermöglichen Korrekturen, die ein hochwertiges Bild erzeugen; jedoch, wenn der ISP zu stark auf Kalibrierungen angewiesen ist, kann das Bild hochverarbeitet aussehen und das chirurgische Team ablenken.

Ein ISP wird Blöcke haben, die eine Kalibrierung jeder Einheit erfordern. Die Kalibrierungsdaten werden typischerweise in einem im Endoskop installierten Speicher gespeichert. Die frühe Definition des Kalibrierungsprozesses und die Koordination mit ISP-Entwicklungsingenieuren reduzieren das Risiko von Spätphasen-Entwicklungsproblemen. Durch frühe Berücksichtigung von ISP und Kalibrierungen sind mehrere Revisionen der Lichtquelle und Firmware vor Produkteinführung möglich. Kalibrierungen haben Grenzen, und wenn das Beleuchtungssystem näher am beabsichtigten chirurgischen Einsatz gestaltet ist, ist weniger Fehlersuche bei Kalibrierungen im Entwicklungsprozess erforderlich.

Beispiele für Kalibrierungen im Zusammenhang mit der Lichtquelle sind Photo-Response Non-Uniformity (PRNU), Weißabgleich und Farbkorrektur. Diese Kalibrierungen sind in ihrer Wirksamkeit begrenzt, wenn die Lichtquelle selbst ein minderwertiges Design hat. Vertrauen auf Kalibrierungen, um das Lichtquellendesign zu „reparieren“, kann dazu führen, dass das erzeugte Bild überverarbeitet aussieht. Zusätzlich, wenn der ISP Speicher für Kalibrierungen allozieren muss, besteht das Risiko, die Latenz des Visionssystems zu erhöhen und die robotische Leistung zu limitieren.

Schließlich, nach Design von Lichtengine, Beleuchtung, Bildoptik und Kamerfirmware, sind ordnungsgemäße Tests erforderlich. Oft erfordern die Beleuchtungssystemkomponenten 100% Inspektion und Kalibrierung der Quellen in Kapitalausrüstung und Laparoskopen. Diese Tests erfordern den Betrieb des Device Under Test unter verschiedenen Bedingungen mit spezialisierten Targets zur Messung von Farbgenauigkeit, Uniformität und Leistungsausgang. Das Design eines Systems zur Automatisierung dieser Tests reduziert das Risiko für Teil-zu-Teil- und Tester-zu-Tester-Variabilität und stellt sicher, dass Produktstandards im Feld eingehalten werden. Diese Teststationen erfordern detailliertes mechanisches, System- und Software-Design, um ihre erfolgreiche Bereitstellung auf Fertigungsstraßen zu gewährleisten.

Es gibt weitere Überlegungen für Endoskopie oder flexible Scope-Anwendungen. Diese Geräte haben oft mehr Beschränkungen beim verfügbaren Platz für Beleuchtung, haben möglicherweise nur 2D-Bildgebung, sind Einweg oder andere Einschränkungen, die nicht auf die in diesem Artikel präsentierten Parameter zutreffen. Für kleine Durchmesser und Einweggeräte können Kunststofffasern, LEDs in der Spitze und andere, kompaktere Lösungen ein erfolgreiches Produkt ermöglichen, bei dem andere Designüberlegungen und Risikominderungen betrachtet werden.

Zusammenfassend ist die Entwicklung der Beleuchtungskomponenten für robotergestützte Chirurgiesysteme ein komplexer Prozess. Man sollte von einem vollständigen Verständnis der klinischen Anwendung ausgehen und darauf aufbauen. Wenn man ein robotisches System für Weißlicht- und NIR-Anwendungen entwirft, empfehlen wir ein Design basierend auf der Nutzung einer High-NA-Faser mit einer Lichtengine in der Kapitalausrüstung. Um den breitesten Beleuchtungswinkel zu erreichen, wird die Verwendung von High-NA-Fasern zur Lichtlieferung zur Gerätespitze empfohlen. Dies ist der prägnanteste Designansatz, der ein übermäßig komplexes Design vermeidet. Andere Lösungen können zu Funktionslücken führen, was zu einem Workaround-Design resultiert.

Dieser Artikel wurde von Jonathan Brand, Optical Systems Engineer, und Neil Anderson, PhD, VP Sales and Marketing, Gray Optics (Portland, ME) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Neil Anderson unter [E-Mail geschützt] oder besuchen Sie hier.