Utvecklingen av optisk avbildning i videobaserade kirurgiska mikroskop

Inom medicinen är kirurgi utan tvekan det viktigaste sättet att behandla de allra flesta sjukdomar, och spelar en avgörande roll särskilt i tidig behandling av cancer. Nyckeln till en framgångsrik kirurgs operation ligger i en tydlig visualisering av det patologiska snittet efter dissektion.Kirurgiska mikroskophar använts flitigt inom medicinsk kirurgi på grund av deras starka tredimensionella känsla, höga upplösning och höga definition. Den patologiska delens anatomiska struktur är dock invecklad och komplex, och de flesta av dem ligger intill viktiga organvävnader. Strukturerna, som sträcker sig från millimeter till mikrometer, har vida överskridit det område som kan observeras av det mänskliga ögat. Dessutom är kärlvävnaden i människokroppen smal och trång, och belysningen är otillräcklig. Varje liten avvikelse kan orsaka skada på patienten, påverka den kirurgiska effekten och till och med äventyra liv. Därför är forskning och utveckling avDriftmikroskopmed tillräcklig förstoring och tydliga visuella bilder är ett ämne som forskare fortsätter att utforska på djupet.

För närvarande ger digitala tekniker som bild- och videoteknik, informationsöverföring och fotografisk inspelning sig in i mikrokirurgiområdet med nya fördelar. Dessa tekniker påverkar inte bara mänskliga livsstilar djupt, utan integreras också gradvis i mikrokirurgiområdet. Högupplösta skärmar, kameror etc. kan effektivt uppfylla de nuvarande kraven på kirurgisk noggrannhet. Videosystem med CCD, CMOS och andra bildsensorer som mottagningsytor har gradvis tillämpats på kirurgiska mikroskop. Videokirurgiska mikroskopär mycket flexibla och bekväma för läkare att använda. Införandet av avancerad teknik som navigationssystem, 3D-visning, högupplöst bildkvalitet, förstärkt verklighet (AR) etc., som möjliggör delning av vyer mellan flera personer under den kirurgiska processen, hjälper ytterligare läkare att bättre utföra intraoperativa operationer.

Optisk avbildning i mikroskop är den viktigaste faktorn för mikroskopets bildkvalitet. Den optiska avbildningen av videokirurgiska mikroskop har unika designfunktioner, med avancerade optiska komponenter och bildtekniker som högupplösta CMOS- eller CCD-sensorer med hög kontrast, samt viktiga tekniker som optisk zoom och optisk kompensation. Dessa tekniker förbättrar effektivt bildskärpan och kvaliteten hos mikroskop, vilket ger god visuell säkerhet vid kirurgiska operationer. Genom att kombinera optisk avbildningsteknik med digital bearbetning har dessutom dynamisk avbildning i realtid och 3D-rekonstruktion uppnåtts, vilket ger kirurger en mer intuitiv visuell upplevelse. För att ytterligare förbättra den optiska bildkvaliteten hos videokirurgiska mikroskop utforskar forskare ständigt nya optiska avbildningsmetoder, såsom fluorescensavbildning, polarisationsavbildning, multispektral avbildning etc., för att förbättra bildupplösningen och djupet hos mikroskop. De använder artificiell intelligens för efterbehandling av optiska bilddata för att förbättra bildskärpan och kontrasten.

Vid tidiga kirurgiska ingrepp,binokulära mikroskopanvändes huvudsakligen som hjälpverktyg. Ett binokulärt mikroskop är ett instrument som använder prismor och linser för att uppnå stereoskopisk syn. Det kan ge djupuppfattning och stereoskopisk syn som monokulära mikroskop inte har. I mitten av 1900-talet var von Zehender pionjär inom användningen av binokulära förstoringsglas vid medicinska oftalmologiska undersökningar. Därefter introducerade Zeiss ett binokulärt förstoringsglas med ett arbetsavstånd på 25 cm, vilket lade grunden för utvecklingen av modern mikrokirurgi. När det gäller optisk avbildning av binokulära kirurgiska mikroskop var arbetsavståndet för tidiga binokulära mikroskop 75 mm. Med utvecklingen och innovationen av medicinska instrument introducerades det första kirurgiska mikroskopet OPMI1, och arbetsavståndet kan nå 405 mm. Förstoringsgraden ökar också ständigt, och förstoringsalternativen ökar ständigt. Med den kontinuerliga utvecklingen av binokulära mikroskop har deras fördelar som livfull stereoskopisk effekt, hög skärpa och långt arbetsavstånd gjort binokulära kirurgiska mikroskop till allmänt använda inom olika avdelningar. Begränsningen av dess stora storlek och lilla djup kan dock inte ignoreras, och medicinsk personal måste ofta kalibrera och fokusera under operationer, vilket ökar svårigheten vid operation. Dessutom ökar kirurger som fokuserar på observation och operation med visuella instrument under lång tid inte bara sin fysiska belastning, utan följer inte heller ergonomiska principer. Läkare måste bibehålla en fast hållning för att utföra kirurgiska undersökningar på patienter, och manuella justeringar krävs också, vilket i viss mån ökar svårigheten vid kirurgiska operationer.

Efter 1990-talet började kamerasystem och bildsensorer gradvis integreras i kirurgisk praxis, vilket visade betydande tillämpningspotential. År 1991 utvecklade Berci innovativt ett videosystem för att visualisera kirurgiska områden, med ett justerbart arbetsavstånd på 150-500 mm och observerbara objektdiametrar från 15-25 mm, samtidigt som ett skärpedjup mellan 10-20 mm bibehölls. Även om de höga underhållskostnaderna för linser och kameror vid den tiden begränsade den utbredda tillämpningen av denna teknik på många sjukhus, fortsatte forskare att sträva efter teknisk innovation och började utveckla mer avancerade videobaserade kirurgiska mikroskop. Jämfört med binokulära kirurgiska mikroskop, som kräver en lång tidsperiod för att bibehålla detta oförändrade arbetsläge, kan det lätt leda till fysisk och mental trötthet. Videobaserade kirurgiska mikroskop projicerar den förstorade bilden på skärmen, vilket undviker långvarig dålig hållning för kirurgen. Videobaserade kirurgiska mikroskop befriar läkare från en enda hållning, vilket gör att de kan operera på anatomiska områden genom HD-skärmar.

Under senare år, med den snabba utvecklingen av artificiell intelligens, har kirurgiska mikroskop gradvis blivit intelligenta, och videobaserade kirurgiska mikroskop har blivit vanliga produkter på marknaden. Det nuvarande videobaserade kirurgiska mikroskopet kombinerar datorseende och djupinlärningsteknik för att uppnå automatiserad bildigenkänning, segmentering och analys. Under den kirurgiska processen kan intelligenta videobaserade kirurgiska mikroskop hjälpa läkare att snabbt lokalisera sjuka vävnader och förbättra den kirurgiska noggrannheten.

I utvecklingsprocessen från binokulära mikroskop till videobaserade kirurgiska mikroskop är det inte svårt att konstatera att kraven på noggrannhet, effektivitet och säkerhet inom kirurgi ökar dag för dag. För närvarande är efterfrågan på optisk avbildning av kirurgiska mikroskop inte begränsad till att förstora patologiska delar, utan blir alltmer diversifierad och effektiv. Inom klinisk medicin används kirurgiska mikroskop i stor utsträckning inom neurologisk och ryggradskirurgi genom fluorescensmoduler integrerade med förstärkt verklighet. AR-navigationssystem kan underlätta komplex spinal titthålskirurgi, och fluorescerande medel kan vägleda läkare att helt avlägsna hjärntumörer. Dessutom har forskare framgångsrikt uppnått automatisk detektion av stämbandspolyper och leukoplakier med hjälp av ett hyperspektral kirurgiskt mikroskop i kombination med bildklassificeringsalgoritmer. Videokirurgiska mikroskop har använts i stor utsträckning inom olika kirurgiska områden såsom tyreoidektomi, näthinnekirurgi och lymfkirurgi genom att kombinera med fluorescensavbildning, multispektral avbildning och intelligent bildbehandlingsteknik.

Jämfört med binokulära kirurgiska mikroskop kan videomikroskop ge videodelning med flera användare, högupplösta kirurgiska bilder och är mer ergonomiska, vilket minskar läkares trötthet. Utvecklingen av optisk avbildning, digitalisering och intelligens har avsevärt förbättrat prestandan hos optiska system för kirurgiska mikroskop, och dynamisk avbildning i realtid, förstärkt verklighet och andra tekniker har kraftigt utökat funktionerna och modulerna hos videobaserade kirurgiska mikroskop.

Den optiska avbildningen av framtida videobaserade kirurgiska mikroskop kommer att vara mer exakt, effektiv och intelligent, vilket ger läkare mer omfattande, detaljerad och tredimensionell patientinformation för att bättre vägleda kirurgiska operationer. Samtidigt, med den kontinuerliga teknikutvecklingen och expansionen av tillämpningsområden, kommer detta system också att tillämpas och utvecklas inom fler områden.