Lo sviluppo dell'imaging ottico nei microscopi chirurgici basati su video

In campo medico, la chirurgia è senza dubbio la tecnica principale per il trattamento della stragrande maggioranza delle malattie, svolgendo un ruolo cruciale soprattutto nel trattamento precoce del cancro. La chiave del successo di un intervento chirurgico risiede nella chiara visualizzazione della sezione patologica dopo la dissezione.Microscopi chirurgiciSono stati ampiamente utilizzati in chirurgia grazie al loro forte senso di tridimensionalità, all'alta definizione e all'alta risoluzione. Tuttavia, la struttura anatomica della parte patologica è intricata e complessa e la maggior parte di esse è adiacente a tessuti di organi importanti. Le strutture millimetriche e micrometriche hanno superato di gran lunga l'intervallo osservabile dall'occhio umano. Inoltre, il tessuto vascolare del corpo umano è stretto e affollato e l'illuminazione è insufficiente. Qualsiasi piccola deviazione può causare danni al paziente, influenzare l'effetto chirurgico e persino mettere a repentaglio la vita. Pertanto, la ricerca e lo sviluppoOperativomicroscopicon un ingrandimento sufficiente e immagini visive nitide è un argomento che i ricercatori continuano ad esplorare in modo approfondito.

Attualmente, le tecnologie digitali come la trasmissione di immagini e video, la trasmissione di informazioni e la registrazione fotografica stanno entrando nel campo della microchirurgia con nuovi vantaggi. Queste tecnologie non solo stanno influenzando profondamente lo stile di vita umano, ma si stanno anche gradualmente integrando nel campo della microchirurgia. Display ad alta definizione, telecamere, ecc. possono soddisfare efficacemente gli attuali requisiti di precisione chirurgica. Sistemi video con CCD, CMOS e altri sensori di immagine come superfici di ricezione sono stati gradualmente applicati ai microscopi chirurgici. Microscopi videochirurgiciSono estremamente flessibili e comodi da utilizzare per i medici. L'introduzione di tecnologie avanzate come il sistema di navigazione, la visualizzazione 3D, la qualità delle immagini ad alta definizione, la realtà aumentata (AR), ecc., che consentono la condivisione della vista tra più persone durante l'intervento chirurgico, aiuta ulteriormente i medici a migliorare l'esecuzione delle operazioni intraoperatorie.

L'imaging ottico al microscopio è il principale fattore determinante per la qualità dell'immagine. L'imaging ottico dei microscopi videochirurgici presenta caratteristiche progettuali uniche, grazie all'utilizzo di componenti ottici e tecnologie di imaging avanzate come sensori CMOS o CCD ad alta risoluzione e alto contrasto, nonché tecnologie chiave come lo zoom ottico e la compensazione ottica. Queste tecnologie migliorano efficacemente la nitidezza e la qualità dell'immagine dei microscopi, offrendo un'ottima garanzia visiva per gli interventi chirurgici. Inoltre, combinando la tecnologia di imaging ottico con l'elaborazione digitale, è stato possibile ottenere imaging dinamico in tempo reale e ricostruzione 3D, offrendo ai chirurghi un'esperienza visiva più intuitiva. Per migliorare ulteriormente la qualità dell'imaging ottico dei microscopi videochirurgici, i ricercatori esplorano costantemente nuovi metodi di imaging ottico, come l'imaging a fluorescenza, l'imaging a polarizzazione, l'imaging multispettrale, ecc., per migliorare la risoluzione e la profondità di campo dei microscopi; utilizzano la tecnologia dell'intelligenza artificiale per la post-elaborazione dei dati di imaging ottico per migliorare la nitidezza e il contrasto dell'immagine.

Nelle prime procedure chirurgiche,microscopi binoculariVenivano utilizzati principalmente come strumenti ausiliari. Un microscopio binoculare è uno strumento che utilizza prismi e lenti per ottenere una visione stereoscopica. Può fornire una percezione della profondità e una visione stereoscopica che i microscopi monoculari non hanno. A metà del XX secolo, von Zehender fu il pioniere nell'applicazione di lenti d'ingrandimento binoculari negli esami oftalmici medici. Successivamente, Zeiss introdusse una lente d'ingrandimento binoculare con una distanza di lavoro di 25 cm, gettando le basi per lo sviluppo della moderna microchirurgia. In termini di imaging ottico dei microscopi chirurgici binoculari, la distanza di lavoro dei primi microscopi binoculari era di 75 mm. Con lo sviluppo e l'innovazione degli strumenti medici, fu introdotto il primo microscopio chirurgico OPMI1, la cui distanza di lavoro può raggiungere i 405 mm. Anche l'ingrandimento è in costante aumento e le opzioni di ingrandimento sono in costante aumento. Con il continuo progresso dei microscopi binoculari, i loro vantaggi come l'effetto stereoscopico vivido, l'elevata chiarezza e la lunga distanza di lavoro hanno reso i microscopi chirurgici binoculari ampiamente utilizzati in vari reparti. Tuttavia, i limiti delle sue grandi dimensioni e della sua ridotta profondità non possono essere ignorati, e il personale medico deve calibrare e mettere a fuoco frequentemente durante l'intervento, il che aumenta la difficoltà dell'operazione. Inoltre, i chirurghi che si concentrano a lungo sull'osservazione visiva degli strumenti e sull'operazione non solo aumentano il loro carico fisico, ma non rispettano anche i principi ergonomici. I medici devono mantenere una postura fissa per eseguire esami chirurgici sui pazienti e sono necessari anche aggiustamenti manuali, il che in una certa misura aumenta la difficoltà degli interventi chirurgici.

Dopo gli anni '90, i sistemi di telecamere e i sensori di immagine iniziarono a integrarsi gradualmente nella pratica chirurgica, dimostrando un notevole potenziale applicativo. Nel 1991, Berci sviluppò in modo innovativo un sistema video per la visualizzazione delle aree chirurgiche, con una distanza di lavoro regolabile di 150-500 mm e diametri degli oggetti osservabili compresi tra 15 e 25 mm, mantenendo una profondità di campo compresa tra 10 e 20 mm. Sebbene gli elevati costi di manutenzione di obiettivi e telecamere all'epoca limitassero la diffusione di questa tecnologia in molti ospedali, i ricercatori continuarono a perseguire l'innovazione tecnologica e iniziarono a sviluppare microscopi chirurgici video più avanzati. Rispetto ai microscopi chirurgici binoculari, che richiedono un lungo periodo di tempo per mantenere questa modalità di lavoro invariata, possono facilmente causare affaticamento fisico e mentale. Il microscopio chirurgico video proietta l'immagine ingrandita sul monitor, evitando al chirurgo di assumere una postura scorretta per periodi prolungati. I microscopi chirurgici video liberano i medici da una postura fissa, consentendo loro di operare su siti anatomici attraverso schermi ad alta definizione.

Negli ultimi anni, con il rapido progresso della tecnologia dell'intelligenza artificiale, i microscopi chirurgici sono diventati gradualmente intelligenti e i microscopi chirurgici basati su video sono diventati prodotti di uso comune sul mercato. L'attuale microscopio chirurgico basato su video combina tecnologie di visione artificiale e deep learning per ottenere il riconoscimento, la segmentazione e l'analisi automatizzati delle immagini. Durante il processo chirurgico, i microscopi chirurgici intelligenti basati su video possono aiutare i medici a localizzare rapidamente i tessuti malati e migliorare la precisione chirurgica.

Nel processo di sviluppo dai microscopi binoculari ai microscopi chirurgici video, non è difficile constatare che i requisiti di accuratezza, efficienza e sicurezza in chirurgia aumentano di giorno in giorno. Attualmente, la domanda di imaging ottico per microscopi chirurgici non si limita all'ingrandimento di parti patologiche, ma è sempre più diversificata ed efficiente. In medicina clinica, i microscopi chirurgici sono ampiamente utilizzati in chirurgia neurologica e spinale attraverso moduli a fluorescenza integrati con realtà aumentata. I sistemi di navigazione AR possono facilitare complessi interventi chirurgici laparoscopici spinali e gli agenti fluorescenti possono guidare i medici nella rimozione completa dei tumori cerebrali. Inoltre, i ricercatori hanno ottenuto con successo il rilevamento automatico di polipi delle corde vocali e leucoplachie utilizzando un microscopio chirurgico iperspettrale combinato con algoritmi di classificazione delle immagini. I microscopi chirurgici video sono stati ampiamente utilizzati in vari campi chirurgici come la tiroidectomia, la chirurgia retinica e la chirurgia linfatica, combinandoli con l'imaging a fluorescenza, l'imaging multispettrale e le tecnologie di elaborazione intelligente delle immagini.

Rispetto ai microscopi chirurgici binoculari, i microscopi video possono offrire la condivisione video multiutente, immagini chirurgiche ad alta definizione e sono più ergonomici, riducendo l'affaticamento del medico. Lo sviluppo dell'imaging ottico, della digitalizzazione e dell'intelligenza artificiale ha notevolmente migliorato le prestazioni dei sistemi ottici dei microscopi chirurgici, mentre l'imaging dinamico in tempo reale, la realtà aumentata e altre tecnologie hanno notevolmente ampliato le funzioni e i moduli dei microscopi chirurgici basati su video.

L'imaging ottico dei futuri microscopi chirurgici video sarà più preciso, efficiente e intelligente, fornendo ai medici informazioni più complete, dettagliate e tridimensionali sul paziente per guidare al meglio gli interventi chirurgici. Nel frattempo, con il continuo progresso tecnologico e l'espansione dei campi di applicazione, questo sistema troverà applicazione e sviluppo anche in altri ambiti.