Optilise pildistamise areng videopõhistes kirurgilistes mikroskoopides

Meditsiinivaldkonnas on kirurgia kahtlemata enamiku haiguste ravimise põhivahend, mängides eriti olulist rolli vähi varajases ravis. Kirurgi operatsiooni edu võti peitub patoloogilise sektsiooni selges visualiseerimises pärast dissektsiooni.Kirurgilised mikroskoobidon oma tugeva kolmemõõtmelisuse, kõrglahutuse ja kõrge lahutusvõime tõttu laialdaselt kasutusel meditsiinilises kirurgias. Patoloogilise osa anatoomiline struktuur on aga keerukas ja kompleksne ning enamik neist asub oluliste organkudede lähedal. Millimeetri ja mikromeetri struktuurid on kaugelt ületanud inimsilma poolt vaadeldava ulatuse. Lisaks on inimkeha vaskulaarne kude kitsas ja tihedas ruumis ning valgustus ebapiisav. Iga väike kõrvalekalle võib patsienti kahjustada, mõjutada kirurgilist efekti ja isegi elu ohustada. Seetõttu on vaja uurida ja arendadaTöötaminemikroskoobidPiisava suurenduse ja selgete visuaalsete kujutistega on teema, mida teadlased jätkuvalt põhjalikult uurivad.

Praegu sisenevad digitaalsed tehnoloogiad, nagu pildi- ja videotöötlus, infoedastus ja fotosalvestus, mikrokirurgia valdkonda uute eelistega. Need tehnoloogiad mitte ainult ei mõjuta sügavalt inimeste elustiili, vaid integreeruvad järk-järgult ka mikrokirurgia valdkonda. Kõrglahutusega ekraanid, kaamerad jne suudavad tõhusalt täita tänapäevaseid kirurgilise täpsuse nõudeid. Videosüsteeme, mille vastuvõtupindadeks on CCD, CMOS ja muud pildisensorid, on järk-järgult hakatud kirurgilistes mikroskoopides rakendama. Videokirurgilised mikroskoobidon väga paindlikud ja arstidele mugavad. Täiustatud tehnoloogiate, näiteks navigatsioonisüsteemi, 3D-ekraani, kõrglahutusega pildikvaliteedi, liitreaalsuse (AR) jne kasutuselevõtt, mis võimaldab kirurgilise protsessi ajal mitme inimese vaate jagamist, aitab arstidel veelgi paremini intraoperatiivseid operatsioone läbi viia.

Mikroskoobi optiline pildistamine on mikroskoobi pildikvaliteedi peamine määraja. Videokirurgiliste mikroskoopide optilisel pildistamisel on ainulaadsed disainifunktsioonid, kasutades täiustatud optilisi komponente ja pilditehnoloogiaid, nagu suure eraldusvõimega ja suure kontrastsusega CMOS- või CCD-andurid, aga ka võtmetehnoloogiaid, nagu optiline suum ja optiline kompensatsioon. Need tehnoloogiad parandavad tõhusalt mikroskoopide pildi selgust ja kvaliteeti, pakkudes kirurgiliste operatsioonide jaoks head visuaalset kindlust. Lisaks on optilise pildistamise tehnoloogia ja digitaalse töötlemise kombineerimise abil saavutatud reaalajas dünaamiline pildistamine ja 3D-rekonstruktsioon, pakkudes kirurgidele intuitiivsemat visuaalset kogemust. Videokirurgiliste mikroskoopide optilise pildistamise kvaliteedi edasiseks parandamiseks uurivad teadlased pidevalt uusi optilisi pildistamismeetodeid, nagu fluorestsentspildistamine, polarisatsioonpildistamine, multispektraalne pildistamine jne, et suurendada mikroskoopide pildi eraldusvõimet ja sügavust; tehisintellekti tehnoloogia kasutamine optiliste pildiandmete järeltöötluseks pildi selguse ja kontrasti parandamiseks.

Varastes kirurgilistes protseduurides,binokulaarsed mikroskoobidNeid kasutati peamiselt abivahenditena. Binokulaarne mikroskoop on instrument, mis kasutab prismasid ja läätsesid stereoskoopilise nägemise saavutamiseks. See suudab pakkuda sügavustaju ja stereoskoopilist nägemist, mida monokulaarsetel mikroskoopidel pole. 20. sajandi keskel oli von Zehender teerajajaks binokulaarsete luupide kasutamisel meditsiinilistes oftalmoloogilistes uuringutes. Seejärel tutvustas Zeiss binokulaarset luupi, mille töökaugus oli 25 cm, pannes aluse tänapäevase mikrokirurgia arengule. Binokulaarsete kirurgiliste mikroskoopide optilise pildistamise osas oli varajaste binokulaarsete mikroskoopide töökaugus 75 mm. Meditsiiniinstrumentide arendamise ja uuendamisega tutvustati esimest kirurgilist mikroskoopi OPMI1, mille töökaugus võib ulatuda 405 mm-ni. Ka suurendus suureneb pidevalt ja suurendusvõimalused suurenevad pidevalt. Binokulaarsete mikroskoopide pideva arenguga on nende eelised, nagu elav stereoskoopiline efekt, suur selgus ja pikk töökaugus, muutnud binokulaarsed kirurgilised mikroskoobid laialdaselt kasutatavaks erinevates osakondades. Siiski ei saa eirata selle suure suuruse ja väikese sügavusega seotud piiranguid ning meditsiinipersonal peab operatsiooni ajal sageli kalibreerima ja fokuseerima, mis suurendab operatsiooni raskust. Lisaks suurendavad kirurgid, kes keskenduvad pikka aega visuaalsele instrumentide vaatlusele ja opereerimisele, mitte ainult oma füüsilist koormust, vaid ei järgi ka ergonoomilisi põhimõtteid. Arstid peavad patsientidele kirurgiliste uuringute tegemiseks säilitama fikseeritud kehahoiaku ning vaja on ka käsitsi korrigeerimist, mis suurendab teatud määral kirurgiliste operatsioonide raskust.

Pärast 1990. aastaid hakkasid kaamerasüsteemid ja pildisensorid järk-järgult kirurgilisse praktikasse integreeruma, näidates üles märkimisväärset rakenduspotentsiaali. 1991. aastal töötas Berci uuenduslikult välja videosüsteemi kirurgiliste piirkondade visualiseerimiseks, mille reguleeritav töökaugus oli vahemikus 150–500 mm ja vaadeldavate objektide läbimõõt vahemikus 15–25 mm, säilitades samal ajal teravussügavuse vahemikus 10–20 mm. Kuigi objektiivide ja kaamerate kõrged hoolduskulud piirasid sel ajal selle tehnoloogia laialdast rakendamist paljudes haiglates, jätkasid teadlased tehnoloogilise innovatsiooni poole püüdlemist ja hakkasid välja töötama täiustatud videopõhiseid kirurgilisi mikroskoope. Võrreldes binokulaarsete kirurgiliste mikroskoopidega, mis vajavad selle muutumatu töörežiimi säilitamiseks pikka aega, võib see kergesti põhjustada füüsilist ja vaimset väsimust. Videotüüpi kirurgiline mikroskoop projitseerib suurendatud pildi monitorile, vältides kirurgi pikaajalist halba asendit. Videopõhised kirurgilised mikroskoobid vabastavad arstid ühest asendist, võimaldades neil opereerida anatoomiliste piirkondadega kõrglahutusega ekraanide kaudu.

Viimastel aastatel on tehisintellekti tehnoloogia kiire arenguga kirurgilised mikroskoobid järk-järgult muutunud intelligentseteks ning videopõhistest kirurgilistest mikroskoopidest on saanud turul tavapärased tooted. Praegune videopõhine kirurgiline mikroskoop ühendab arvutinägemise ja süvaõppe tehnoloogiad, et saavutada automatiseeritud pildituvastus, segmenteerimine ja analüüs. Kirurgilise protsessi ajal aitavad intelligentsed videopõhised kirurgilised mikroskoobid arstidel haigeid kudesid kiiresti leida ja kirurgilist täpsust parandada.

Binokulaarsete mikroskoopide ja videopõhiste kirurgiliste mikroskoopide arendusprotsessis pole raske märgata, et kirurgia täpsuse, efektiivsuse ja ohutuse nõuded kasvavad iga päevaga. Praegu ei piirdu kirurgiliste mikroskoopide optilise pildistamise nõudlus ainult patoloogiliste osade suurendamisega, vaid muutub üha mitmekesisemaks ja tõhusamaks. Kliinilises meditsiinis kasutatakse kirurgilisi mikroskoope laialdaselt neuroloogilistes ja selgroooperatsioonides tänu liitreaalsusega integreeritud fluorestsentsmoodulitele. AR-navigatsioonisüsteem võib hõlbustada keerulist selgroo võtmeaugukirurgiat ja fluorestsentsained võivad aidata arstidel ajukasvajaid täielikult eemaldada. Lisaks on teadlased edukalt saavutanud häälepaelte polüüpide ja leukoplaakia automaatse tuvastamise, kasutades hüperspektraalset kirurgilist mikroskoopi koos piltide klassifitseerimise algoritmidega. Videokirurgilisi mikroskoope on laialdaselt kasutatud erinevates kirurgiavaldkondades, näiteks türeoidektoomias, võrkkesta kirurgias ja lümfikirurgias, kombineerides neid fluorestsentskujutise, multispektraalse pildistamise ja intelligentsete pilditöötlustehnoloogiatega.

Võrreldes binokulaarsete kirurgiliste mikroskoopidega pakuvad videomikroskoobid mitme kasutajaga video jagamist, kõrglahutusega kirurgilisi pilte ning on ergonoomilisemad, vähendades arsti väsimust. Optilise pildistamise, digitaliseerimise ja intelligentsuse areng on oluliselt parandanud kirurgiliste mikroskoopide optiliste süsteemide jõudlust ning reaalajas dünaamiline pildistamine, liitreaalsus ja muud tehnoloogiad on oluliselt laiendanud videopõhiste kirurgiliste mikroskoopide funktsioone ja mooduleid.

Tulevaste videopõhiste kirurgiliste mikroskoopide optiline pildistamine on täpsem, tõhusam ja intelligentsem, pakkudes arstidele põhjalikumat, detailsemat ja kolmemõõtmelisemat patsiendiinfot kirurgiliste operatsioonide paremaks suunamiseks. Samal ajal, tehnoloogia pideva arengu ja rakendusvaldkondade laienemisega, rakendatakse ja arendatakse seda süsteemi ka üha rohkemates valdkondades.