Teknologiska framsteg och kliniska tillämpningar av ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop

 

Kirurgiska mikroskopspelar en oerhört viktig roll inom moderna medicinska områden, särskilt inom högprecisionsområden som neurokirurgi, oftalmologi, öron-näsa-näsa-hals-kirurgi och minimalinvasiv kirurgi, där de har blivit oumbärlig basutrustning. Med höga förstoringsmöjligheter,Operationsmikroskopger en detaljerad vy, vilket gör det möjligt för kirurger att observera detaljer som är osynliga för blotta ögat, såsom nervfibrer, blodkärl och vävnadslager, vilket hjälper läkare att undvika att skada frisk vävnad under operationen. Speciellt inom neurokirurgi möjliggör mikroskopets höga förstoring exakt lokalisering av tumörer eller sjuka vävnader, vilket säkerställer tydliga resektionsmarginaler och undviker skador på kritiska nerver, vilket förbättrar kvaliteten på patienternas postoperativa återhämtning.

Traditionella kirurgiska mikroskop är vanligtvis utrustade med displaysystem med standardupplösning, som kan ge tillräcklig visuell information för att stödja komplexa kirurgiska behov. Men med den snabba utvecklingen av medicinsk teknik, särskilt genombrott inom visuell teknik, har bildkvaliteten hos kirurgiska mikroskop gradvis blivit en viktig faktor för att förbättra kirurgisk precision. Jämfört med traditionella kirurgiska mikroskop kan ultrahögupplösta mikroskop presentera fler detaljer. Genom att introducera display- och avbildningssystem med upplösningar på 4K, 8K eller ännu högre, gör ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop det möjligt för kirurger att mer exakt identifiera och manipulera små lesioner och anatomiska strukturer, vilket avsevärt förbättrar precisionen och säkerheten vid kirurgi. Med den kontinuerliga integrationen av bildbehandlingsteknik, artificiell intelligens och virtuell verklighet förbättrar ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop inte bara bildkvaliteten utan ger också mer intelligent stöd för kirurgi, vilket driver kirurgiska ingrepp mot högre precision och lägre risk.

 

Klinisk tillämpning av ultrahögupplöst mikroskop

Med den kontinuerliga innovationen inom bildteknik spelar ultrahögupplösta mikroskop gradvis en avgörande roll i kliniska tillämpningar, tack vare deras extremt höga upplösning, utmärkta bildkvalitet och dynamiska observationsmöjligheter i realtid.

Oftalmologi

Oftalmisk kirurgi kräver precision, vilket ställer höga tekniska krav påoftalmiska kirurgiska mikroskopTill exempel, vid femtosekundlasersnitt i hornhinnen kan det kirurgiska mikroskopet ge hög förstoring för att observera den främre kammaren, det centrala snittet i ögongloben och kontrollera snittets position. Vid oftalmologisk kirurgi är belysning avgörande. Mikroskopet ger inte bara optimala visuella effekter med lägre ljusintensitet utan producerar också en speciell röd ljusreflektion, vilket underlättar hela kataraktkirurgiprocessen. Dessutom används optisk koherenstomografi (OCT) i stor utsträckning inom oftalmologisk kirurgi för visualisering under ytan. Det kan ge tvärsnittsbilder och övervinna begränsningen hos själva mikroskopet, som inte kan se fina vävnader på grund av frontal observation. Till exempel använde Kapeller et al. en 4K-3D-skärm och en surfplatta för att automatiskt stereoskopiskt visa effektdiagrammet för mikroskopintegrerad OCT (miOCT) (4D-miOCT). Baserat på användarnas subjektiva feedback, kvantitativ prestandautvärdering och olika kvantitativa mätningar demonstrerade de möjligheten att använda en 4K-3D-skärm som ett substitut för 4D-miOCT på ett vitt ljusmikroskop. Dessutom använde Lata et al. i sin studie ett mikroskop med miOCT-funktion för att observera den kirurgiska processen i realtid genom att samla in fall från 16 patienter med kongenitalt glaukom åtföljt av bull's eye. Genom att utvärdera viktiga data såsom preoperativa parametrar, kirurgiska detaljer, postoperativa komplikationer, slutlig synskärpa och hornhinnans tjocklek, visade de slutligen att miOCT kan hjälpa läkare att identifiera vävnadsstrukturer, optimera operationer och minska risken för komplikationer under operationen. Trots att OCT gradvis har blivit ett kraftfullt hjälpverktyg inom vitreoretinal kirurgi, särskilt i komplexa fall och nya operationer (såsom genterapi), ifrågasätter vissa läkare om det verkligen kan förbättra den kliniska effektiviteten på grund av dess höga kostnad och långa inlärningskurva.

Öron-näsa-hals-specialist

Öron-näsa-halskirurgi är ett annat kirurgiskt område som använder kirurgiska mikroskop. På grund av förekomsten av djupa hålrum och ömtåliga strukturer i ansiktsdragen är förstoring och belysning avgörande för kirurgiska resultat. Även om endoskop ibland kan ge en bättre bild av smala kirurgiska områden,ultrahögupplösta kirurgiska mikroskoperbjuda djupuppfattning, vilket möjliggör förstoring av smala anatomiska regioner som snäckan och bihålorna, vilket hjälper läkare att behandla tillstånd som otit och näspolyper. Till exempel jämförde Dundar et al. effekterna av mikroskop- och endoskopmetoder för stigbygelkirurgi vid behandling av otoskleros och samlade in data från 84 patienter som diagnostiserats med otoskleros och som genomgick operation mellan 2010 och 2020. Med hjälp av förändringen i luft-benledningsskillnaden före och efter operationen som mätindikator visade de slutliga resultaten att även om båda metoderna hade liknande effekter på hörselförbättring, var kirurgiska mikroskop lättare att använda och hade en kortare inlärningskurva. På liknande sätt utförde forskargruppen i en prospektiv studie utförd av Ashfaq et al. mikroskopassisterad parotidektomi på 70 patienter med parotistumörer mellan 2020 och 2023, med fokus på att utvärdera mikroskopens roll i identifiering och skydd av ansiktsnerver. Resultaten indikerade att mikroskop hade betydande fördelar när det gällde att förbättra skärpan i det kirurgiska fältet, korrekt identifiera ansiktsnervens huvudstamme och grenar, minska nervdragning och hemostas, vilket gjorde dem till ett viktigt verktyg för att förbättra ansiktsnervens bevarandegrad. Dessutom, i takt med att operationer blir alltmer komplexa och precisa, möjliggör integrationen av AR och olika avbildningslägen med kirurgiska mikroskop att kirurger utför bildstyrda operationer.

Neurokirurgi

Tillämpningen av ultra-high definitionkirurgiska mikroskop inom neurokirurgihar gått från traditionell optisk observation till digitalisering, förstärkt verklighet (AR) och intelligent assistans. Till exempel använde Draxinger et al. ett mikroskop i kombination med ett egenutvecklat MHz-OCT-system, vilket gav högupplösta tredimensionella bilder genom en skanningsfrekvens på 1,6 MHz, vilket framgångsrikt hjälpte kirurger att skilja mellan tumörer och frisk vävnad i realtid och förbättrade den kirurgiska precisionen. Hafez et al. jämförde prestandan hos traditionella mikroskop och det ultra-high-definition mikrokirurgiska avbildningssystemet (Exoscope) vid experimentell cerebrovaskulär bypass-kirurgi och fann att även om mikroskopet hade kortare suturtider (P <0,001), presterade Exoscope bättre när det gällde suturfördelning (P = 0,001). Dessutom gav Exoscope en bekvämare kirurgisk hållning och delad syn, vilket erbjöd pedagogiska fördelar. På liknande sätt jämförde Calloni et al. tillämpningen av Exoscope och traditionella kirurgiska mikroskop i utbildningen av neurokirurgiska assistenter. Sexton assistenter utförde repetitiva strukturella igenkänningsuppgifter på kranialmodeller med båda enheterna. Resultaten visade att även om det inte fanns någon signifikant skillnad i total operationstid mellan de två, presterade Exoscope bättre på att identifiera djupa strukturer och uppfattades som mer intuitivt och bekvämt av de flesta deltagarna, med potential att bli vanligt förekommande i framtiden. Det är uppenbart att ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop, utrustade med 4K-högupplösta skärmar, kan ge alla deltagare bättre 3D-kirurgiska bilder, vilket underlättar kirurgisk kommunikation, informationsöverföring och förbättrar undervisningseffektiviteten.

Ryggmärgskirurgi

Ultra-high definitionkirurgiska mikroskopspelar en central roll inom ryggkirurgi. Genom att tillhandahålla högupplösta tredimensionella bilder gör de det möjligt för kirurger att observera ryggradens komplexa anatomiska struktur tydligare, inklusive subtila delar som nerver, blodkärl och benvävnader, vilket förbättrar precisionen och säkerheten vid kirurgi. När det gäller skoliskorrigering kan kirurgiska mikroskop förbättra skärpan i det kirurgiska synfältet och finmanipulationsförmågan, vilket hjälper läkare att korrekt identifiera neurala strukturer och sjuka vävnader i den smala ryggradskanalen och därmed säkert och effektivt slutföra dekompressions- och stabiliseringsprocedurer.

Sun et al. jämförde effekten och säkerheten hos mikroskopassisterad främre cervikalkirurgi och traditionell öppen kirurgi vid behandling av ossifikation av det bakre longitudinella ligamentet i halsryggraden. Sextio patienter delades in i gruppen med mikroskopassisterad kirurgi (30 fall) och gruppen med traditionell kirurgi (30 fall). Resultaten visade att gruppen med mikroskopassisterad kirurgi hade bättre poäng vad gäller intraoperativ blodförlust, sjukhusvistelse och postoperativ smärta jämfört med gruppen med traditionell kirurgi, och komplikationsfrekvensen var lägre i gruppen med mikroskopassisterad kirurgi. På liknande sätt jämförde Singhatanadgige et al. vid spinal fusionskirurgi tillämpningseffekterna av ortopediska kirurgiska mikroskop och kirurgiska förstoringsglas vid minimalinvasiv transforaminal lumbal fusion. Studien omfattade 100 patienter och visade inga signifikanta skillnader mellan de två grupperna i postoperativ smärtlindring, funktionell förbättring, förstoring av ryggradskanalen, fusionsfrekvens och komplikationer, men mikroskopet gav ett bättre synfält. Dessutom används mikroskop i kombination med AR-teknik i stor utsträckning inom spinalkirurgi. Till exempel etablerade Carl et al. AR-teknik hos 10 patienter med hjälp av den huvudmonterade displayen från ett kirurgiskt mikroskop. Resultaten visade att AR har stor potential för tillämpning inom spinal degenerativ kirurgi, särskilt i komplexa anatomiska situationer och för ST-utbildning.

 

Sammanfattning och framtidsutsikter

Jämfört med traditionella kirurgiska mikroskop erbjuder ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop många fördelar, inklusive flera förstoringsalternativ, stabil och ljus belysning, precisa optiska system, längre arbetsavstånd och ergonomiska stabila stativ. Dessutom stöder deras högupplösta visualiseringsmöjligheter, särskilt integrationen med olika bildlägen och AR-teknik, effektivt bildstyrda operationer.

Trots de många fördelarna med kirurgiska mikroskop står de fortfarande inför betydande utmaningar. På grund av sin skrymmande storlek medför ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop vissa operativa svårigheter under transport mellan operationssalar och intraoperativ positionering, vilket kan påverka kontinuiteten och effektiviteten i kirurgiska ingrepp negativt. Under senare år har mikroskopens strukturella design optimerats avsevärt, där deras optiska bärare och binokulära linsrör stöder ett brett spektrum av lutnings- och rotationsjusteringar, vilket avsevärt förbättrar utrustningens operativa flexibilitet och underlättar kirurgens observation och operation i en mer naturlig och bekväm position. Dessutom ger den kontinuerliga utvecklingen av bärbar displayteknik kirurger mer ergonomiskt visuellt stöd under mikrokirurgiska operationer, vilket hjälper till att lindra operationell trötthet och förbättra kirurgisk precision och kirurgens hållbara prestationsförmåga. På grund av avsaknaden av en stödjande struktur krävs dock frekvent omfokusering, vilket gör stabiliteten hos bärbar displayteknik sämre än hos konventionella kirurgiska mikroskop. En annan lösning är utvecklingen av utrustningsstrukturen mot miniatyrisering och modularisering för att anpassa sig mer flexibelt till olika kirurgiska scenarier. Volymreduktion innebär dock ofta precisionsbearbetningsprocesser och dyra integrerade optiska komponenter, vilket gör den faktiska tillverkningskostnaden för utrustningen dyr.

En annan utmaning med ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop är brännskador på huden orsakade av högeffektsbelysning. För att ge ljusa visuella effekter, särskilt i närvaro av flera observatörer eller kameror, måste ljuskällan avge starkt ljus, vilket kan bränna patientens vävnad. Det har rapporterats att oftalmiska kirurgiska mikroskop också kan orsaka fototoxicitet på ögonytan och tårfilmen, vilket leder till minskad ögoncellsfunktion. Därför är det särskilt viktigt för kirurgiska mikroskop att optimera ljushanteringen, justera punktstorleken och ljusintensiteten efter förstoring och arbetsavstånd. I framtiden kan optisk avbildning introducera panoramaavbildning och tredimensionell rekonstruktionsteknik för att utöka synfältet och exakt återställa den tredimensionella layouten av det kirurgiska området. Detta kommer att göra det möjligt för läkare att bättre förstå den övergripande situationen för det kirurgiska området och undvika att missa viktig information. Panoramaavbildning och tredimensionell rekonstruktion involverar dock realtidsförvärv, registrering och rekonstruktion av högupplösta bilder, vilket genererar enorma mängder data. Detta ställer extremt höga krav på effektiviteten hos bildbehandlingsalgoritmer, hårdvarukraft och lagringssystem, särskilt under kirurgi där realtidsprestanda är avgörande, vilket gör denna utmaning ännu mer framträdande.

Med den snabba utvecklingen av tekniker som medicinsk avbildning, artificiell intelligens och beräkningsoptik har ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop visat stor potential för att förbättra kirurgisk precision, säkerhet och operativ erfarenhet. I framtiden kan ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop fortsätta att utvecklas i följande fyra riktningar: (1) När det gäller tillverkning av utrustning bör miniatyrisering och modularisering uppnås till lägre kostnader, vilket möjliggör storskalig klinisk tillämpning; (2) Utveckla mer avancerade ljushanteringslägen för att hantera problemet med ljusskador orsakade av långvarig kirurgi; (3) Designa intelligenta hjälpalgoritmer som är både exakta och lätta för att möta utrustningens beräkningsprestandakrav; (4) Djupt integrera AR- och robotkirurgiska system för att ge plattformsstöd för fjärrsamarbete, exakt drift och automatiserade processer. Sammanfattningsvis kommer ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop att utvecklas till ett omfattande kirurgiskt assistanssystem som integrerar bildförbättring, intelligent igenkänning och interaktiv feedback, vilket hjälper till att bygga ett digitalt ekosystem för framtida kirurgi.

Denna artikel ger en översikt över framstegen inom vanliga nyckelteknologier för ultrahögupplösta kirurgiska mikroskop, med fokus på deras tillämpning och utveckling inom kirurgiska ingrepp. Med den förbättrade upplösningen spelar ultrahögupplösta mikroskop en avgörande roll inom områden som neurokirurgi, oftalmologi, öron-näsa-näsa-hals-kirurgi och ryggkirurgi. Särskilt integrationen av intraoperativ precisionsnavigationsteknik i minimalinvasiva operationer har ökat precisionen och säkerheten för dessa procedurer. I takt med att artificiell intelligens och robotteknik utvecklas kommer ultrahögupplösta mikroskop att erbjuda ett mer effektivt och intelligent kirurgiskt stöd, vilket driver på utvecklingen av minimalinvasiva operationer och distanssamarbete, och därigenom ytterligare höjer den kirurgiska säkerheten och effektiviteten.