Рекомендации по проектированию освещения для роботизированных систем машинного зрения в хирургии

Цель робототехники и роботизированной хирургии — дать хирургам возможность выполнять сложные, ранее недоступные процедуры с повышенной точностью, что приводит к сокращению времени операции и восстановления, а также к снижению рисков для пациентов. Роботизированная хирургия оказала значительное влияние на многие применения, включая простатэктомию, нефрэктомию и гистерэктомию, колоректальную хирургию. Благодаря последним достижениям в области технологий в настоящее время разрабатывается больше приложений для робототехники, чем когда-либо прежде.

Чтобы улучшить хирургический рабочий процесс, доступ к месту операции и время восстановления, во всех подсистемах хирургической роботизированной архитектуры появляются новые инновации. Улучшение качества изображения за счет точной и последовательной визуализации позволяет хирургам принимать более обоснованные хирургические решения во время процедуры. Системы хирургического зрения сочетаются с камерами с широким полем обзора и компонентами оптоволоконной или светодиодной подсветки. Однако зачастую при разработке продукта требованиям к производительности и проектированию системы освещения уделяется гораздо меньше времени и ресурсов, чем камере.

Чтобы получить успешный продукт, необходимо учитывать все необходимые подсистемы для обеспечения высококачественного освещения. Конкретным примером этой ситуации является 3D-лапароскоп высокого разрешения, в котором используется чип на насадке камеры.

Система 3D-хирургического зрения имеет четыре ключевые подсистемы:

У каждой подсистемы есть свои ключевые вопросы, которые должна рассмотреть команда разработчиков.

Прежде чем проектировать надежную систему освещения, инженер-конструктор должен иметь полное представление о целях клинической команды для конкретной хирургической процедуры. Часто менеджер по продукту, выступающий в роли «голоса клиента», определяет предикатное устройство и просит «наилучшее качество изображения». Группе исследований и разработок придется преобразовать этот запрос в количественные требования, определяя в качестве примеров методы визуализации и числовые ограничения на поле зрения, разрешение, точность цветопередачи и контрастность изображения, что в конечном итоге приведет к формированию полных требований к продукту. В этой статье мы рассмотрим источник света для 3D-лапароскопа с полем зрения камеры 80° и рабочим расстоянием от 5 до 100 мм. В первую очередь мы рассмотрим применение белого света, но также обсудим аспекты флуоресценции.

Чтобы прояснить это, мы рассмотрим здесь конструкцию оптоволоконной системы освещения со светодиодным двигателем, установленным в ограниченном корпусе оборудования как часть «основного оборудования», то есть башни обзора. Основное оборудование включает в себя тележку, на которой обычно размещаются системы технического зрения и дополнительные системы управления хирургической платформой. Предполагаемая архитектура хирургической системы представляет собой жесткий стереолапароскоп для использования в роботизированной хирургической системе. Чтобы снизить риск нарушения графика, безопасности и будущих потребностей пользователей при интеграции флуоресцентной или другой визуализации, зависящей от источника, мы рассмотрим решение на основе оптоволокна. Авторы ценят прогресс светодиодов в размерах и эффективности и в конце статьи остановятся на вопросах проектирования.

На рисунке 1 показаны основные системные архитектуры системы освещения роботизированной хирургической платформы. Для подачи света в прицел необходим источник освещения – в данном случае световой двигатель. При необходимости световой двигатель будет передавать свет в конус волокна, а затем доставлять его к волокнам, которые будут передавать свет на кончик.

Световой двигатель – это источник света, который устанавливается в капитальном оборудовании. Для этих источников существуют разные архитектуры, но их можно разделить на два основных типа. Некоторые осветительные устройства будут использовать один широкополосный источник, в то время как другие будут использовать преимущества смешивания узкополосных светодиодов для создания широкополосного источника. Для одного широкополосного светодиода существует риск необходимости корректировать синий свет из-за архитектуры белого светодиода, в которой синий светодиод используется для активации люминофора. Большая часть синего света поглощается красными тканями. Ярко-синий сигнал в спектрах может привести к проблемам на этапе настройки цвета и, возможно, к тому, что изображения будут выглядеть слишком оцифрованными или «фальшивыми». Смешанный подход со светодиодами RGB может устранить проблемы с избыточным синим светом, но требует более сложной оптики в осветительном механизме для объединения трех источников в систему. Если системе требуется ближнее инфракрасное (БИК) освещение, БИК-светодиоды также устанавливаются в осветительный модуль, что упрощает конструкцию.