Overwegingen bij het verlichtingsontwerp voor zichtsystemen voor robotchirurgie

Het doel van robotica en robotgeassisteerde chirurgie is om chirurgen in staat te stellen complexe, voorheen niet beschikbare procedures met grotere precisie uit te voeren, wat leidt tot kortere operatie- en hersteltijden en minder risico's voor patiënten. Robotchirurgie heeft een significante impact gehad in veel toepassingen, waaronder prostatectomie, nefrectomie en hysterectomie colorectale chirurgie. Met de recente technologische vooruitgang zijn er nu meer robotica-toepassingen in ontwikkeling dan ooit tevoren.

Om de chirurgische workflow, toegang tot de site en hersteltijden te verbeteren, verschijnen er nieuwe innovaties in alle subsystemen in de chirurgische robotarchitectuur. Door de beeldkwaliteit te verbeteren met nauwkeurige en consistente visualisatie kunnen chirurgen beter geïnformeerde chirurgische beslissingen nemen tijdens een procedure. Chirurgische vision-systemen combineren camera's met een groot gezichtsveld met glasvezel- of LED-verlichtingscomponenten. Bij productontwikkeling krijgen de prestatie-eisen en het ontwerp van het verlichtingssysteem echter vaak veel minder tijd en middelen dan de camera.

Om een ​​succesvol product te hebben, moet men rekening houden met alle vereiste subsystemen om verlichting van hoge kwaliteit te leveren. Een specifiek voorbeeld van deze situatie is een high-definition, 3D-laparoscoop die gebruik maakt van een chip-on-tip camera.

Het 3D chirurgische visiesysteem heeft vier belangrijke subsystemen:

1. Verlichtingssysteem, dat licht op het chirurgische doel brengt,
2. De camera (lenzen en CMOS-sensor) om licht van het weefsel vast te leggen,
3. Firmware om de beeldkwaliteit en latentie te regelen, en
4. Een weergavesysteem (een combinatie van 2D- en 3D-weergaven).

Elk subsysteem heeft zijn eigen belangrijke vragen die het ontwerpteam moet overwegen.

Klinische toepassingen

Alvorens een robuust verlichtingssysteem te ontwerpen, moet de ontwerpingenieur een uitgebreid begrip hebben van de doelstellingen van het klinische team voor een bepaalde chirurgische ingreep. Vaak zal een productmanager die optreedt als de "stem van de klant" een predicaatapparaat identificeren en om de "beste beeldkwaliteit" vragen. Het R&D-team zal dit verzoek moeten vertalen in kwantitatieve vereisten, waarbij beeldvormingsmodaliteiten en numerieke limieten op FOV, resolutie, kleurnauwkeurigheid en beeldcontrast als voorbeelden moeten worden geïdentificeerd, wat uiteindelijk zal leiden tot de volledige productvereisten. In dit artikel gaan we in op een lichtbron voor een 3D-laparoscoop met een cameraveld van 80° en een werkafstand van 5 tot 100 mm. We zullen voornamelijk witlichttoepassingen overwegen, maar zullen ook fluorescentieoverwegingen bespreken.

Om dit te verduidelijken, beschouwen we hier het ontwerp van een op vezels gebaseerd verlichtingssysteem, met een LED-lichtmotor geïnstalleerd in een beperkte apparatuurbehuizing als onderdeel van de "kapitaalapparatuur", d.w.z. de visietoren. De kapitaaluitrusting omvat de kar die typisch de visie en aanvullende controlesystemen van het chirurgische platform huisvest. De beoogde architectuur van het chirurgische systeem is een starre stereolaparoscoop voor gebruik in een robotchirurgisch systeem. Om het risico op planning, veiligheid en toekomstige gebruikersbehoeften voor het integreren van fluorescentie of andere bronafhankelijke beeldvorming te verminderen, zullen we een op vezels gebaseerde oplossing overwegen. De auteurs waarderen de vooruitgang die LED's blijven maken in grootte en efficiëntie en zullen aan het einde van het artikel ingaan op de ontwerpruimte.

Verlichtingsoverwegingen voor robotchirurgie

Figuur 1 belicht de belangrijkste systeemarchitecturen van het verlichtingssysteem voor een platform voor robotchirurgie. Om licht aan de scoop te leveren, is een verlichtingsbron – in dit geval een lichtmotor – nodig. De lichtmotor koppelt licht indien nodig in een vezelconus en levert het vervolgens aan de vezels die het licht naar de punt zullen doorlaten.

De lichtmotor is een lichtbron die in kapitaalgoederen wordt ingebouwd. Er zijn verschillende architecturen voor deze bronnen, maar ze kunnen worden gedestilleerd tot twee primaire typen. Sommige lichtbronnen zullen een enkele breedbandbron gebruiken, terwijl andere zullen profiteren van het mengen van smalbandige LED's om een ​​breedbandbron te creëren. Een enkele breedband-LED heeft het risico dat blauw licht moet worden gecorrigeerd vanwege de witte LED-architectuur die een blauwe LED gebruikt om een ​​fosfor te activeren. Een hoog aandeel blauw licht wordt geabsorbeerd door rood weefsel. Het hoogblauwe signaal in de spectra kan leiden tot uitdagingen in de kleurafstemmingsfase en mogelijk tot beelden die er te gedigitaliseerd of "nepachtig" uitzien. Een gemengde RGB LED-benadering kan de overtollige problemen met blauw licht elimineren, maar vereist complexere optica in de lichtengine om de drie bronnen in het systeem te koppelen. Als het systeem nabij-infraroodverlichting (NIR) nodig heeft, worden de NIR-LED's ook in de lichtmotor geïnstalleerd, waardoor het ontwerp compacter wordt.

Door de RGB- en NIR-LED's in dezelfde behuizing te huisvesten, kunnen de lichtbronnen dezelfde vezels delen die het licht naar de punt brengen. Dit maximaliseert de efficiëntie van het verlichtingssysteem van de endoscoop. Om licht van de lichtmotor naar de punt van de endoscoop over te brengen, is een glasvezel met hoog numeriek (NA) diafragma nodig, evenals een optisch systeem om licht van de bron naar de punt door te geven. De term om de hoekuitgang van een vezel te beschrijven is numerieke apertuur of NA. Hoe hoger de NA, hoe hoger de hoekuitgang van de vezel. De NA is gelijk aan de sinus van de hoogste hoek die de vezel kan binnenkomen en verlaten. De NA van de vezel wordt bepaald door de brekingsindex van de kern en de bekleding van de vezel. Hoe hoger de NA, hoe groter het hoeklicht dat de vezel verlaat, waardoor een hoger percentage van het gezichtsveld wordt verlicht.

Om de beste prestaties uit de glasvezelkabel te halen, moet het ontwerpteam rekening houden met de relatie tussen de output van de lichtmotor en de glasvezelkabel. Een veel voorkomende oplossing is het gebruik van een vezelconus om de hoek van het licht dat de endoscoop binnenkomt te vergroten. De vezelconus wordt meestal geïnstalleerd op het proximale uiteinde van de endoscoop waar de lichtkabel wordt aangesloten. De vezelconus converteert de output met een groot oppervlak en een lage hoek van de lichte motor naar een output met een klein oppervlak en een hoge hoek.

De NA van het licht dat de lichtbak verlaat is typisch in de orde van 0,5 NA, de hoeken die bij chirurgische robotica horen, kunnen 0,87 NA of hoger bereiken. De vezels die aansluiten op de lichtbak moeten gelijk zijn aan de uittredende NA van de lichtbak. De taper converteert het licht met een lage hoek naar licht met een hoge hoek om de breedste verlichtingshoek te bereiken. Afbeelding 2 laat zien wat er gebeurt met een lichtstraal die de taper binnenkomt en verlaat.

Een alternatief voor het gebruik van een taper om hoge uitgangshoeken te bereiken, is het ontwerpen van een lens om licht te verspreiden dat de punt van de laparoscoop verlaat. Een lens-aided verlichtingssysteem zorgt voor hogere uitgangshoeken, waardoor camera's met een hoger gezichtsveld kunnen worden gebruikt in het lichaam, maar dit gaat ten koste van een minder compact ontwerp.

Zodra het licht naar de vezeloptica van de laparoscoop is doorgelaten, worden de vezels verpakt om licht over de punt uit te voeren, zoals weergegeven in figuur 3. Dit is om twee redenen voordeliger dan het hebben van een enkel lichtuitgangsvlak. Ten eerste maakt het een eenvoudigere integratie van de vezels in de scoop mogelijk en ten tweede voorkomt het ongewenste schaduwen van chirurgische instrumenten die het beeld beïnvloeden.

Overwegingen bij kalibratie en testen

Bij het ontwerpen van de lichtbron moet het team ook rekening houden met de beeldsignaalpijplijn (ISP) die het vastgelegde beeld zal converteren en weergeven op een high-definition 2D- en 3D-monitor voor het chirurgische team. De ISP kan verschillende kalibraties hebben die op het systeem worden toegepast, waaronder niet-uniformiteit van donkere signalen op de beeldsensor, niet-uniformiteit van fotorespons, kleurkalibratie en witbalans. Deze kalibraties maken correcties mogelijk die een beeld van hoge kwaliteit creëren; Als de ISP echter te veel afhankelijk is van kalibraties, kan het beeld er sterk bewerkt uitzien en het chirurgisch team afleiden.

Een ISP heeft blokken die kalibratie van elke eenheid vereisen. De kalibratiegegevens worden doorgaans opgeslagen in het geheugen dat op de endoscoop is geïnstalleerd. Door vroeg te beginnen met het definiëren van het kalibratieproces en door te coördineren met ISP-ontwikkelingsingenieurs, wordt het risico op ontwikkelingsproblemen in een laat stadium verminderd. Door de ISP en kalibraties vroegtijdig te overwegen, zijn meerdere revisies van de lichtbron en firmware mogelijk voorafgaand aan de productlancering. Kalibraties hebben limieten en als het verlichtingssysteem dichter bij het beoogde chirurgische gebruik is ontworpen, is er minder probleemoplossing van kalibraties in het ontwikkelingsproces vereist.

Voorbeelden van kalibraties met betrekking tot de verlichtingsbron zijn fotorespons non-uniformity (PRNU), witbalans en kleurcorrectie. Deze kalibraties zijn allemaal beperkt in hun effectiviteit als de lichtbron zelf een inferieur ontwerp heeft. Vertrouwen op kalibraties om het ontwerp van de lichtbron te "repareren" kan ertoe leiden dat het geproduceerde beeld er oververwerkt uitziet. Als de ISP bovendien geheugen moet hebben voor kalibraties, bestaat het risico dat de latentie van het vision-systeem toeneemt, waardoor de prestaties van de robot worden beperkt.

Ten slotte, nadat de lichtmotor, verlichting, beeldoptica en camerafirmware zijn ontworpen, is een goede test vereist. Vaak vereisen de componenten van het verlichtingssysteem ook 100% inspectie en kalibratie van de bronnen in kapitaalapparatuur en laparoscopen. Voor deze tests moet het geteste apparaat in verschillende omstandigheden worden gebruikt met behulp van gespecialiseerde doelen om kleurnauwkeurigheid, uniformiteit en vermogen te meten. Het ontwerpen van een systeem om deze tests te automatiseren, vermindert het risico op variabiliteit tussen onderdelen en testers, en zorgt ervoor dat de productnormen in het veld worden gehandhaafd. Deze teststations vereisen een gedetailleerd mechanisch, systeem- en softwareontwerp om ervoor te zorgen dat ze succesvol kunnen worden ingezet op productievloeren.

Er zijn andere overwegingen voor endoscopie of flexibele scooptoepassingen. Deze apparaten hebben vaak meer beperkingen op de beschikbare ruimte voor verlichting, hebben mogelijk alleen 2D-beeldvorming, zijn voor eenmalig gebruik of andere waarschuwingen die geen betrekking hebben op de parameters die in het artikel worden gepresenteerd. Voor apparaten met een kleine diameter en voor eenmalig gebruik kunnen kunststofvezels, LED's in de punt en andere, compactere oplossingen een succesvol product mogelijk maken, waarbij rekening wordt gehouden met verschillende ontwerpoverwegingen en risicobeperking.

Samenvattend is de ontwikkeling van de verlichtingscomponenten voor robotchirurgiesystemen een complex proces. Men moet uitgaan van een volledig begrip van de klinische toepassing en op dat begrip voortbouwen. Als iemand een robotsysteem ontwerpt voor witlicht- en NIR-toepassingen, raden we een ontwerp aan dat gebaseerd is op het gebruik van een hoge-NA-vezel met een lichte motor geïnstalleerd in de kapitaalgoederen. Om de breedste verlichtingshoek te bereiken, wordt het gebruik van hoge-NA-vezels aanbevolen om licht te leveren aan de punt van het apparaat. Dit is de meest beknopte ontwerpaanpak die een al te complex ontwerp vermijdt. Andere oplossingen kunnen leiden tot hiaten in de functionaliteit, wat resulteert in een ontwerp voor een tijdelijke oplossing.

Dit artikel is geschreven door Jonathan Brand, Optical Systems Engineer, en Neil Anderson, PhD, VP Sales en Marketing, Gray Optics (Portland, ME). Neem voor meer informatie contact op met Neil Anderson via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .