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

In ambito medico, la chirurgia è senza dubbio il mezzo principale per il trattamento della stragrande maggioranza delle malattie, svolgendo un ruolo cruciale soprattutto nella diagnosi 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 medica grazie al loro forte senso di tridimensionalità, alta definizione e 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 da millimetri a micrometri hanno superato di gran lunga la portata osservabile dall'occhio umano. Inoltre, il tessuto vascolare nel corpo umano è stretto e affollato e l'illuminazione è insufficiente. Qualsiasi piccola deviazione può causare danni al paziente, compromettere l'effetto chirurgico e persino mettere in pericolo la vita. Pertanto, la ricerca e lo sviluppoOperativomicroscopiCon un ingrandimento sufficiente e immagini visive nitide, questo è un argomento che i ricercatori continuano ad approfondire.

Attualmente, le tecnologie digitali come immagini e video, trasmissione di informazioni e registrazione fotografica stanno entrando nel campo della microchirurgia apportando nuovi vantaggi. Queste tecnologie non solo influenzano profondamente gli stili di vita umani, ma si stanno anche gradualmente integrando nel settore della microchirurgia. Display ad alta definizione, telecamere e altri dispositivi sono in grado di soddisfare efficacemente gli attuali requisiti di precisione chirurgica. I sistemi video con sensori di immagine CCD, CMOS e altri sensori come superfici di ricezione sono stati progressivamente applicati ai microscopi chirurgici. Microscopi chirurgici videoSono 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 visuale tra più persone durante l'intervento chirurgico, aiuta ulteriormente i medici a eseguire al meglio le operazioni intraoperatorie.

L'imaging ottico del microscopio è il principale fattore determinante della qualità dell'immagine. L'imaging ottico dei microscopi chirurgici video presenta caratteristiche di progettazione uniche, che utilizzano componenti ottici avanzati e tecnologie di imaging come sensori CMOS o CCD ad alta risoluzione e 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, fornendo una solida sicurezza visiva per gli interventi chirurgici. Inoltre, combinando la tecnologia di imaging ottico con l'elaborazione digitale, sono state ottenute immagini dinamiche in tempo reale e ricostruzioni 3D, offrendo ai chirurghi un'esperienza visiva più intuitiva. Al fine di migliorare ulteriormente la qualità dell'imaging ottico dei microscopi chirurgici video, i ricercatori esplorano costantemente nuovi metodi di imaging ottico, come l'imaging a fluorescenza, l'imaging a polarizzazione, l'imaging multispettrale, ecc., per aumentare la risoluzione e la profondità dell'immagine dei microscopi; e utilizzano la tecnologia dell'intelligenza artificiale per l'elaborazione successiva dei dati di imaging ottico al fine di migliorare la nitidezza e il contrasto dell'immagine.

Nelle prime procedure chirurgiche,microscopi binoculariErano utilizzati principalmente come strumenti ausiliari. Un microscopio binoculare è uno strumento che utilizza prismi e lenti per ottenere la visione stereoscopica. Può fornire percezione della profondità e visione stereoscopica che i microscopi monoculari non hanno. A metà del XX secolo, von Zehender fu il pioniere dell'applicazione delle lenti d'ingrandimento binoculari negli esami oftalmici. Successivamente, Zeiss introdusse una lente d'ingrandimento binoculare con una distanza di lavoro di 25 cm, ponendo le basi per lo sviluppo della microchirurgia moderna. 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, e la distanza di lavoro poteva raggiungere i 405 mm. Anche l'ingrandimento è in costante aumento, così come le opzioni di ingrandimento. Con il continuo progresso dei microscopi binoculari, i loro vantaggi come il vivido effetto stereoscopico, l'elevata nitidezza e la lunga distanza di lavoro hanno reso i microscopi chirurgici binoculari ampiamente utilizzati in vari reparti. Tuttavia, non si possono ignorare i limiti imposti dalle sue grandi dimensioni e dalla ridotta profondità, e il personale medico deve calibrare e concentrarsi frequentemente durante gli interventi chirurgici, il che aumenta la difficoltà dell'operazione. Inoltre, i chirurghi che devono concentrarsi a lungo sull'osservazione visiva degli strumenti e sull'utilizzo degli stessi non solo aumentano il loro carico fisico, ma non rispettano nemmeno 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 hanno iniziato a integrarsi gradualmente nella pratica chirurgica, dimostrando un significativo potenziale applicativo. Nel 1991, Berci ha sviluppato in modo innovativo un sistema video per la visualizzazione delle aree chirurgiche, con una distanza di lavoro regolabile da 150 a 500 mm e diametri degli oggetti osservabili compresi tra 15 e 25 mm, mantenendo una profondità di campo 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 hanno continuato a perseguire l'innovazione tecnologica e hanno iniziato a sviluppare microscopi chirurgici basati su video più avanzati. Rispetto ai microscopi chirurgici binoculari, che richiedono lunghi periodi di tempo per mantenere la stessa posizione di lavoro, possono facilmente causare affaticamento fisico e mentale. Il microscopio chirurgico basato su video proietta l'immagine ingrandita su un monitor, evitando al chirurgo di dover mantenere a lungo una postura scorretta. I microscopi chirurgici basati su video liberano i medici da una singola postura, consentendo loro di operare su siti anatomici attraverso schermi ad alta definizione.

Negli ultimi anni, grazie al rapido progresso della tecnologia dell'intelligenza artificiale, i microscopi chirurgici sono diventati gradualmente più intelligenti, e i microscopi chirurgici basati su video si sono affermati sul mercato. Gli attuali microscopi chirurgici basati su video combinano la visione artificiale e le tecnologie di apprendimento profondo per realizzare il riconoscimento, la segmentazione e l'analisi automatizzati delle immagini. Durante l'intervento chirurgico, i microscopi chirurgici intelligenti basati su video possono aiutare i medici a individuare rapidamente i tessuti malati e a migliorare la precisione chirurgica.

Nel processo di sviluppo che ha portato dai microscopi binoculari ai microscopi chirurgici basati su video, è evidente come i requisiti di accuratezza, efficienza e sicurezza in chirurgia siano in costante aumento. Attualmente, la richiesta di imaging ottico nei microscopi chirurgici non si limita all'ingrandimento di parti patologiche, ma si sta diversificando e ottimizzando sempre più. In medicina clinica, i microscopi chirurgici sono ampiamente utilizzati in neurochirurgia e chirurgia spinale grazie a moduli di fluorescenza integrati con la realtà aumentata. I sistemi di navigazione AR possono facilitare complessi interventi di chirurgia spinale mininvasiva, 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 leucoplachia utilizzando un microscopio chirurgico iperspettrale combinato con algoritmi di classificazione delle immagini. I microscopi chirurgici video sono ampiamente utilizzati in diversi campi chirurgici come la tiroidectomia, la chirurgia retinica e la chirurgia linfatica, grazie alla combinazione con l'imaging a fluorescenza, l'imaging multispettrale e le tecnologie di elaborazione intelligente delle immagini.

Rispetto ai microscopi chirurgici binoculari, i microscopi video offrono la possibilità di 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, e l'imaging dinamico in tempo reale, la realtà aumentata e altre tecnologie hanno ampliato notevolmente le funzioni e i moduli dei microscopi chirurgici basati su video.

Le immagini ottiche dei futuri microscopi chirurgici basati su video saranno più precise, efficienti e intelligenti, fornendo ai medici informazioni più complete, dettagliate e tridimensionali sul paziente, per guidare al meglio gli interventi chirurgici. Allo stesso tempo, con il continuo progresso tecnologico e l'espansione dei campi di applicazione, questo sistema troverà applicazione e sviluppo anche in altri ambiti.