Ontwikkeling van geavanceerde verlichtings- en beeldvormingssystemen voor medische fluorescentie-endoscopie

(Afbeelding:sofiko14/adobe.stock.com)

De ontwikkeling van endoscopische beeldvormingssystemen vereist coördinatie tussen verschillende technische disciplines, vooral voor optische verlichting en beeldvormingsengines, vooral bij het toevoegen van fluorescentiebeeldvormingsmogelijkheden. De optische verlichtings- en beeldengines vormen de basis voor het bouwen van intuïtieve en effectieve beeldverwerkingsproducten en worden nog belangrijker bij het toevoegen van fluorescentiebeeldvorming (FI) aan de behoeften van de gebruiker.

FI helpt bij het lokaliseren van kritische anatomie tijdens operaties, door gebruik te maken van systemische contrasten zoals ICG en fluoresceïne, en gerichte contrasten zoals CYTALUX.1 Om dit te doen vereist intraoperatieve FI andere – en vaak tegengestelde – systeemontwerpoverwegingen vergeleken met witlicht-endoscopie.2

Fluorescentiebeeldvorming bij endoscopie brengt uitdagingen met zich mee vanwege de lage signaalintensiteit en hardwarecomplexiteit, waarvoor gevoelige sensoren, specifieke optische filters en krachtige smalbandverlichtingsbronnen nodig zijn. (Afbeelding:iStock)

FI bij endoscopie brengt uitdagingen met zich mee vanwege de lage signaalintensiteit en hardwarecomplexiteit, waarvoor gevoelige sensoren, specifieke optische filters en krachtige smalbandverlichtingsbronnen nodig zijn. Ontwikkelteams moeten rekening houden met deze technische implicaties bij het ontwerpen van FI-mogelijkheden in hun endoscopieproducten zonder de witlicht-endoscopiefunctionaliteit in gevaar te brengen. FI-functionaliteit draagt ​​bij aan pijplijnen voor beeldsignaalverwerking, ingebedde systeemspecificaties, workflows voor beeldvisualisatie en engineering van menselijke factoren. Door rekening te houden met deze behoeften bij het specificeren van FI-beeldvorming en -verlichting wordt de basis gelegd voor productontwikkeling en wordt het projectsucces kritisch beïnvloed.

In dit artikel bespreken we enkele kritische punten waarmee u rekening moet houden bij het ontwikkelen van fluorescentie-endoscopiebeeldvorming en verlichtingsmotoren ter ondersteuning van het bredere ontwikkelingswerk dat nodig is om uw product te lanceren. De nadruk wordt gelegd op het gezamenlijk ontwikkelen van verlichtings- en beeldengines om uw productontwikkelingsteam zo goed mogelijk te positioneren voor succes door middel van uitvoering en risicobeperking.

De fysieke afmetingen en verpakkingsgrootte van de camerasensor bepalen het lensontwerp en de mechanische envelopspecificaties. (Afbeelding:FISBA)

Productdefinitie

Teams moeten vooraf een aantal belangrijke vereisten begrijpen voordat ze de technische specificaties in kaart brengen:

• Klinische indicaties

  Voor welke aandoeningen en ziekten zullen ze worden gebruikt?

• Waar wordt uw apparaat ingezet?

  Streeft u naar een starre laparoscoop voor algemene chirurgie, een nauwsluitende artroscoop voor orthopedische chirurgie, een flexibele luminale scoop of iets anders?

• Welke werkafstanden moeten tijdens procedures in beeld worden gebracht?

  Zullen gebruikers arthroscopische beeldvorming uitvoeren in krappe ruimtes? Navigeren door de galanatomie door een trocar? Luminale structuren in beeld brengen, zoals het maag-darmkanaal of de longen?

• Wat verwachten gebruikers van de prestaties van het beeldverwerkingssysteem?

  Verwachten ze gelijktijdig wit licht en fluorescentiebeeldvormingscontrast te zien? Wat is de stapsgewijze workflow voor het ideale product in de klinische praktijk?

Nu deze belangrijke vragen zijn beantwoord, volgen gedetailleerde specificaties.

Fluorofoorselectie

De geselecteerde fluorofoor zal de complexiteit van de optische ontwerpvereisten, filterspecificaties en het verwachte signaalcontrast definiëren. Deze beslissing bepaalt op zijn beurt ook de specificaties voor de verlichtingsengine en de beeldsensor die nodig zijn voor een performant product. Houd bij het beoordelen van fluorofoorkandidaten rekening met het volgende:

• Goedgekeurde en off-label indicaties zal bepalen wanneer het apparaat nuttig kan zijn in de klinische praktijk.

• Fysiologisch relevante concentratiebereiken stel verwachtingen vast voor beeldcontrast en beperk de specificaties voor camera's, lenzen en het ontwerp van de verlichtingsengine.

• Fluorescentie-excitatie- en emissiespectra zal het lensontwerp, de componenten van de verlichtingsmotor en de filterspecificaties begeleiden.

• Kwantumefficiëntie geeft aan hoe efficiënt verlichting zal worden omgezet in detecteerbare fluorescerende fotonen, waardoor de specificaties van de verlichting en beeldverwerkingsengine worden gedefinieerd.

• Fotostabiliteit bepaalt hoe lang een fluorofoor kan worden verlicht voordat het signaal verliest en hoe helder de verlichtingsmotor moet zijn.

• Fysiologische klaringssnelheid definieert workflowprocedures die de functionaliteit van het apparaat informeren.

Deze parameters helpen u bij het inschatten en modelleren van de hoeveelheid licht die u kunt verwachten tijdens klinische procedures, zodat u de noodzakelijke componentspecificaties voor uw product kunt definiëren.

Camerasensorselectie

Er zijn oplossingen voor overal waar wit licht via dunne optische vezels naar een toepassing wordt geleid. RGB LED-modules maken een hoge kleurweergave-index en kleurtemperatuurflexibiliteit mogelijk. (Afbeelding:FISBA)

De productvormfactor, beeldkwaliteit en detectielimieten zijn sterk afhankelijk van de beeldsensor. Afhankelijk van de fluorofoor, de gewenste mechanische omhulling van het product en de specificaties van de beeldlens, kunnen de opties voor uw camerasensor worden beperkt.

Veel teams moeten in een vroeg stadium beslissen over een op chip-on-tip (COT) of staaflens gebaseerde endoscooparchitectuur. COT-endoscopen gebruiken meestal kleinere sensoren die de mechanische omhulling minimaliseren en goed werken voor flexibele endoscopietoepassingen met wit licht. COT-beeldsensoren hebben de neiging ruimtelijke betrouwbaarheid en contrast op te offeren voor grootte en kosten, en kunnen dus moeite hebben met hooggevoelige toepassingen zoals tumorlokalisatie. Hopkins-stijl staaflensendoscopen komen veel voor in starre laparoscopen en artroscopen. Ze zijn meestal voorzien van een camerakop voor langdurig gebruik die specificatieflexibiliteit en beeldkwaliteit biedt, ten koste van de grootte en de kosten.

Essentiële specificaties waarmee rekening moet worden gehouden bij de cameraselectie zijn:

• Fysieke afmetingen en verpakkingsgrootte van de camerasensor informeert lensontwerp en mechanische envelopspecificaties.

• Sensoreigen resolutie dicteert welke beeldverwerkings- en embedded systeemspecificaties nodig zijn om beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen.

• Meerdere sensorspecificaties bied de flexibiliteit om optimale sensoren voor fluorescentie- en witlicht-endoscopie afzonderlijk te kiezen, als uw mechanische envelop dit toelaat.

• Spectrale gevoeligheid van verschillende kleurkanalen — vooral in de spectrale emissieband van uw fluorofoor — beïnvloeden de specificaties van de verlichtingsmotor en beeldlens voor uw apparaat.

• Sensorkwantumefficiëntie informeert de verlichtingsengine, beeldverwerking en lensspecificaties voor uw product.

• Dynamisch bereik bepaalt de fluorescentiedetectielimieten van uw producten en stuurt de verlichtingsengine, het lensontwerp, de beeldverwerking en de specificaties van ingebedde systemen aan.

• Bitdiepte van uitvoerafbeelding beïnvloedt de beeldgevoeligheid, detectielimieten, de complexiteit van de beeldsignaalverwerking en de specificaties van ingebedde systemen.

• Donkere ruis en leesruisprestaties dicteert de detectielimieten van het product en beïnvloedt de beeldverwerking, visualisatie en specificaties van ingebedde systemen.

• Elektronisch interfaceprotocol Hoe zal uw visualisatie-engine stabiel communiceren met de camerahardware?

• Specificatie van de belangrijkste straalhoek op sommige beeldsensoren zullen de lensontwerpspecificaties bepalen die van invloed zijn op de beeldkwaliteit over een groot kleurbereik.

Geavanceerde beeldsensorarchitecturen kunnen standaard RGB-kleurenbeeldvormingsformaten uitbreiden naar andere spectrale banden. In plaats van RGB-beelden met zichtbaar licht te leveren, gebruiken deze sensoren gespecialiseerde kleurfilters op pixelniveau om RGB-beelden met verschillende spectrale bereiken uit te breiden in een pakket met één sensor. Hoewel ze de workflow voor beeldsignaalverwerking ingewikkelder maken, bieden deze sensoren een gestroomlijnd hardwarepakket om te fabriceren. De selectie van fluoroforen, het lensontwerp en de specificaties van de verlichtingsmotor zullen bepalen of deze sensorarchitecturen haalbare opties zijn.

Lensontwerp en filtering

Lage f/#, chromatisch geoptimaliseerde beeldlenzen maximaliseren de FI-signaaldetectie en bieden meer flexibiliteit voor beeldsignaalverwerking en de ontwikkeling van ingebedde systemen. Dit gaat echter vaak gepaard met een smaller gezichtsveld en een geringere scherptediepte. Het verduidelijken en prioriteren van gebruikersbehoeften in een vroeg stadium van het project zal ervoor zorgen dat er minder obstakels ontstaan met betrekking tot hardwareprestatiespecificaties.

Het overwegen van de volgende specificaties voor uw lensontwerp is een cruciaal startpunt:

• Mechanische envelop van het systeem definieert de maatbeperkingen rond het lensontwerp.

• Fysieke afmetingen camerasensor dicteer de grootte en complexiteit van het optische ontwerp.

• Pixelafmetingen camerasensor (pitch, opstelling) stelt de maximaal bruikbare beeldresolutiespecificaties in voor een bepaald lensontwerp.

• Gezichtsveld beïnvloedt de complexiteit van het lensontwerp

• Kijkrichting beïnvloedt de complexiteit van het lensontwerp

• Velddiepte beïnvloedt de maximale fluorescentiedetectiegevoeligheid voor een bepaald lenssysteem en beïnvloedt de waargenomen beeldkwaliteit

• Ruimtelijke resolutie heeft invloed op de waargenomen beeldkwaliteit.

• Golflengtebereik beïnvloedt de complexiteit van het lensontwerp.

• Max. hoofdstraalhoek informeert filterspecificaties en detectielimieten.

• Vervorming heeft invloed op de waargenomen beeldkwaliteit.

• Eenvormigheid/helderheid van het beeldveld heeft invloed op de detectielimiet over het volledige gezichtsveld van het apparaat en heeft dus invloed op de waargenomen beeldkwaliteit.

Het ondersteunen van NIR-fluoroforen zoals ICG en CYTALUX vraagt om complexere lensontwerpen. Als alternatief versoepelt fluoresceïne (een gele fluorofoor) deze vereisten voor lensontwerp, ten koste van de diepte van de weefselbeeldvorming.

Kleurfiltering en chromatische beeldkwaliteit zijn een uitdaging bij endoscooplenzen vanwege hun grote gezichtsveld, korte effectieve brandpuntsafstanden en bandbreedtevereisten voor FI. Dit kan hogere hoofdstraalhoeken in lensontwerpen forceren, wat een negatieve invloed heeft op de FI-filterprestaties en beeldgevoeligheid. De belangrijkste straalhoekspecificaties op beeldsensoren helpen de zichtbare kleurnauwkeurigheid, maar kunnen de FI-gevoeligheid in gevaar brengen. Door te streven naar een beeldzijdig telecentrisch lensontwerp blijven de filterprestaties behouden en wordt de FI-gevoeligheid gemaximaliseerd.

Specificaties van de verlichtingsmotor

Verlichtingsvereisten zijn van cruciaal belang voor het fluorescentiebeeldvormingssysteem. Verlichtingsengine-ontwerpen zijn gericht op het leveren van de kleuren, optische vermogens en uniformiteit die nodig zijn om bruikbare FI-beelden te genereren. Naarmate de vereisten voor het gezichtsveld en de scherptediepte toenemen, worden de vermogens- en uniformiteitsspecificaties van de verlichtingsmotor op de proef gesteld. Houd rekening met de volgende specificaties voor uw verlichtingsmotorontwerp:

• Werkafstandsbereik apparaat bepaalt het vermogensbereik dat nodig is om het gezichtsveld effectief te verlichten

• Het aantal onafhankelijk adresseerbare golflengten zal worden aangestuurd door geselecteerde fluoroforeneigenschappen en de methode van witlichtbeeldvormingsintegratie. Voor elke kleurbron zijn de volgende specificaties vereist:

  • Spectrale bandbreedte bepaalt de filterspecificaties en detectiegevoeligheid
  • Het bruikbare optische uitgangsvermogen bepaalt hoeveel gespecificeerd vermogen nodig is van een lichtbron.
  • De maximale en minimale beeldinstraling bepalen de beeldgevoeligheid en de thermische veiligheid van het product

• Verlichtingsrouting en -opbrengst definieert hoe licht wordt afgeleverd in het gezichtsveld van het apparaat (bijvoorbeeld glasvezelbundel, bron-op-tip)

• Verlichtingsuniformiteit zorgt voor de beeldkwaliteit en detectiegevoeligheid over het volledige gezichtsveld.

• Laser- of LED-gebaseerde lichtmotor zal het niveau van regelgevend toezicht en de vereiste etikettering voor het apparaat bepalen.

• Lichtintensiteitsregelaars zal communiceren met de ingebedde systemen en pijplijnen voor beeldverwerking.

Als u deze overwegingen in gedachten houdt, zorgt u ervoor dat het hardware-ontwerp een performant endoscoopproduct oplevert.

Overwegingen bij beeldsnelheid

FI is inherent langzamer dan conventionele witlichtendoscopie vanwege de lage detecteerbare lichtniveaus. Wanneer er veel fotonen zijn (d.w.z. endoscopie met wit licht), helpen het aanpassen van de belichtingstijd, digitaliseringsversterking en automatische beeldverbetering de gebruikerservaring en klinische prestaties te optimaliseren. Bij beeldvorming met weinig fotonen is het behoud van de beeldkwaliteit en detectielimieten meer afhankelijk van een snel lensontwerp, uniforme, krachtige verlichtingsmotoren en een delicate aanpassing van de beeldverwerking, anders dan bij endoscopie met wit licht.

FI vereist langere belichtingstijden, wat de beeldsnelheden zal vertragen. Er kan beelddigitaliseringsversterking worden toegevoegd om dit te compenseren, maar dit zal inherent ruis aan de uitvoerbeelden toevoegen, waardoor beeldverwerking en visualisatieoverwegingen nodig zijn. Het vinden van de balans tussen productbruikbaarheid en haalbare technische specificaties wordt een delicate samenwerking tussen alle disciplines van uw ontwikkelingsteam.

Duidelijke, goed gedefinieerde productvereisten vormen het begin van elke grote ontwikkelingsinspanning. Er bestaan ​​nu veel tools om de risico's in kaart te brengen voordat het testen van prototypen van apparaten begint. Simulatie en snelle prototyping zijn cruciale hulpmiddelen voor het deblokkeren van complexe technische FI-ontwikkelingsprojecten.

Optische en digitale beeldsimulaties

Met softwarepakketten voor optische simulatie kunnen teams lenssystemen ontwerpen, de specificaties van de verlichtingsmotor bepalen, realistische beeldsensorprestaties modelleren, prototypen van beeldsignaalverwerking maken en de specificatie van componenten testen voordat ze worden gebouwd. Dit maakt interdisciplinaire samenwerking tussen technische disciplines mogelijk om technische vereisten al vroeg in ontwikkelingsprojecten te ondermijnen. Ansys, Synopsis, Lambda Research en anderen bieden een uitgebreid pakket tools om met vertrouwen optische systeemconcepten in siclico te ontwerpen en te simuleren. Om het meeste uit uw simulatiewerk te halen, bent u afhankelijk van de interne technische expertise en communicatie om het nut ervan te maximaliseren.

Snelle prototypering

Rapid prototyping is net zo belangrijk als risicobeheersing via simulatie. Het vereist meer ontwikkelings- en fabricagemiddelen, maar biedt de meest tastbare manier om productspecificaties te verminderen voordat het ontwerp en de validatie groen licht krijgen. Hierdoor kunt u de onbeantwoorde technische vragen aanpakken voordat u een volledig functioneel prototype gaat ontwerpen en testen.

Optische lenzen kunnen riskant zijn om in kleine hoeveelheden een prototype te maken. Vaak kunnen optische ingenieurs ontwerpconcepten helpen de risico's te beperken met kant-en-klare componenten, die de beeldverwerking en de ontwikkeling van het verlichtingsmotorsysteem helpen voordat ze zich ertoe verbinden om volumelensproducties te testen. De sleutel is om prioriteit te geven aan het verminderen van risico's door de vereisten voor prototypeproducten methodisch te versoepelen en de beperkingen ervan te begrijpen.

Het doel van rapid prototyping is om de risico's te beperken voordat de middelen volledig worden ingezet voor het uiteindelijke productontwerp. Er zullen vragen en risico's blijven bestaan, maar over het algemeen wordt het lanceringsplan van uw product gedeblokkeerd.

Samenvatting

Door uw beeld- en verlichtingsengines te specificeren, wordt de basis gelegd voor de lancering van een succesvol FI-endoscoopproduct. Deze motoren zijn diep verbonden met software, embedded systemen, menselijke factoren en industrieel ontwerp die productlanceringen mogelijk maken. Het overwegen van deze interdisciplinaire specificaties is van cruciaal belang om een ​​compleet productprototype te leveren. We leggen de kritische punten uit waarmee u rekening moet houden bij het ontwikkelen van een interdisciplinair FI-endoscopieproduct. Houd deze punten tijdens uw hele project in gedachten om ervoor te zorgen dat uw product een aangename en impactvolle invloed heeft op de chirurgische begeleiding.

Dit artikel is geschreven door Wilson Adams, consultant, FISBA Noord-Amerika (Saco, ME). Bezoek hier  . voor meer informatie

Referenties

1. Hazel L Stewart en David JS Birch. Methoden Appl. Fluoresc. 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, et al. AAPM Task Group Report 311:Leidraad voor prestatie-evaluatie van fluorescentiegeleide operatiesystemen. Medische fysiotherapie. 2024.