Разработка передовых систем освещения и визуализации для медицинской флуоресцентной эндоскопии

(Изображение: sofiko14/adobe.stock.com)

Разработка эндоскопических систем визуализации требует координации между различными инженерными дисциплинами, особенно для оптических систем освещения и визуализации, особенно при добавлении возможностей флуоресцентной визуализации. Оптические системы освещения и визуализации закладывают фундамент для построения интуитивных и эффективных продуктов визуализации вокруг и становятся ещё более критичными при добавлении флуоресцентной визуализации (FI) для удовлетворения потребностей пользователей.

FI помогает локализовать критичную анатомию во время операции, используя системные контрасты вроде ICG и флуоресцеина, и целевые контрасты вроде CYTALUX.1 Для этого внутриоперационная FI требует других — и часто противоположных — системных проектных соображений по сравнению с белым-световой эндоскопией.2

Флуоресцентная визуализация в эндоскопии представляет вызовы из-за низкой интенсивности сигнала и сложности оборудования, требуя чувствительных сенсоров, специфических оптических фильтров и высокомощных узкополосных источников освещения. (Изображение: iStock)

FI в эндоскопии представляет вызовы из-за низкой интенсивности сигнала и сложности оборудования, требуя чувствительных сенсоров, специфических оптических фильтров и высокомощных узкополосных источников освещения. Команды разработки должны учитывать эти технические импликации при проектировании возможностей FI в своих эндоскопических продуктах без компромисса функциональности белого-световой эндоскопии. Функциональность FI добавляет к конвейерам обработки изображения, спецификациям встроенных систем, рабочим процессам визуализации изображения и инженерии человеческих факторов. Учёт этих потребностей в спецификации FI визуализации и освещения закладывает фундамент для разработки продукта и критически влияет на успех проекта.

В этой статье мы обсуждаем некоторые критические моменты для рассмотрения при разработке двигателей флуоресцентной эндоскопической визуализации и освещения в поддержку более широкой разработки, необходимой для запуска вашего продукта. Акцент делается на совместной разработке систем освещения и визуализации для лучшего позиционирования вашей команды разработки для успеха через исполнение и снижение рисков.

Физические размеры и упаковка сенсора камеры информируют дизайн линзы и спецификации механической оболочки. (Изображение: FISBA)

Определение продукта

Командам нужно понять несколько ключевых требований заранее перед определением технических спецификаций:

• Клинические показания

  Какие состояния и болезни они будут использоваться для лечения?

• Где ваше устройство будет развёрнуто?

  Вы целитесь на жесткий лапароскоп для общей хирургии, тесно ограниченный артроскоп для ортопедической хирургии, гибкий люминальный скоп или что-то другое?

• Какие рабочие дистанции нужно визуализировать во время процедур?

  Будет ли пользователь выполнять артроскопическую визуализацию в тесных кварталах? Навигировать билиарную анатомию через трокар? Визуализировать люминальные структуры вроде ЖКТ или лёгких?

• Каковы ожидания пользователей по производительности системы визуализации?

  Ожидают ли они одновременную визуализацию белого света и флуоресцентного контраста? Каков пошаговый рабочий процесс идеального продукта в клинической практике?

С ответами на эти ключевые вопросы следующим шагом идут детальные спецификации.

Выбор флуорофора

Выбранный флуорофор определит сложность оптических проектных требований, спецификаций фильтров, ожидаемого сигнального контраста. В свою очередь, это решение также диктует спецификации двигателя освещения и образцового сенсора, необходимые для высокопроизводительного продукта. При оценке кандидатов-флуорофоров учитывайте следующее:

• Одобренные и офф-лейбл показания диктуют, когда устройство может быть полезно в клинической практике.

• Физиологически релевантные концентрационные диапазоны устанавливают ожидания для изображения контраста и сужают спецификации для камер, линз и дизайна двигателя освещения.

• Спектры возбуждения и эмиссии флуоресценции направят дизайн линз, компоненты двигателя освещения и спецификации фильтров.

• Квантовая эффективность указывает, насколько эффективно освещение будет конвертировано в детектируемые флуоресцентные фотоны, определяя спецификации двигателей освещения и визуализации.

• Фотостабильность диктует, как долго флуорофор может быть освещён перед потерей сигнала и насколько ярким должен быть двигатель освещения.

• Физиологическая скорость очищения определяет рабочие процедуры, информирующие функциональность устройства.

Эти параметры помогут вам оценить и смоделировать, сколько света можно ожидать увидеть во время клинических процедур, чтобы определить необходимые компонентные спецификации для вашего продукта.

Выбор сенсора камеры

Есть решения для везде, где белый свет направляется к приложению через тонкие оптоволокна. RGB LED модули обеспечивают высокий индекс цветопередачи и гибкость цветовой температуры. (Изображение: FISBA)

Форм-фактор продукта, качество изображения и пределы детекции сильно зависят от образцового сенсора. В зависимости от флуорофора, желаемой механической оболочки продукта и спецификаций визуализационной линзы, ваши варианты сенсора камеры могут быть сужены.

Многие команды должны рано решить на архитектуру чип-на-кончике (COT) или стержневую линзу (rod-lens) эндоскона. COT эндосы склонны использовать меньшие сенсоры, минимизирующие механическую оболочку и хорошо работающие для гибких приложений белого-световой эндоскопии. COT образцовые сенсоры жертвуют пространственной точностью и контрастом ради размера и стоимости, поэтому могут бороться с высокочувствительными приложениями вроде локализации опухолей. Хопкинс-стиль стержневые линзы эндосы распространены в жестких лапароскопах и артроскопах. Они обычно имеют многоразовую камеру-голову, открывающую гибкость спецификаций и накладку качества изображения за счёт размера и стоимости.

Критические спецификации для рассмотрения при выборе камеры:

• Физические размеры и упаковка сенсора камеры информируют дизайн линзы и спецификации механической оболочки.

• Нативное разрешение сенсора диктует, какая обработка изображения и спецификации встроенных систем нужны для получения высококачественных изображений.

• Множественные спецификации сенсоров предлагают гибкость выбора оптимальных сенсоров для флуоресценции и белого-световой эндоскопии отдельно, если ваша механическая оболочка позволяет.

• Спектральная чувствительность разных цветовых каналов — особенно в спектральной полосе эмиссии вашего флуорофора — влияют на спецификации двигателя освещения и визуализационной линзы для вашего устройства.

• Квантовая эффективность сенсора информирует двигатель освещения, обработку изображения и спецификации линз для вашего продукта.

• Динамический диапазон диктует пределы детекции флуоресценции вашего продукта и драйвит спецификации двигателя освещения, дизайна линз, обработки изображения и встроенных систем.

• Глубина бит выходного изображения влияет на чувствительность изображения, пределы детекции, сложность обработки сигнала изображения и спецификации встроенных систем.

• Производительность тёмного шума и шума чтения диктует пределы детекции продукта и влияет на обработку изображения, визуализацию и спецификации встроенных систем.

• Электронный протокол интерфейса формирует, как ваш движок визуализации будет стабильно взаимодействовать с камерным железом.

• Спецификация главного луча на некоторых образцовых сенсорах информирует спецификации дизайна линз, влияющие на качество изображения по широким цветовым диапазонам.

Передовые архитектуры образцовых сенсоров могут расширить стандартные RGB цветовые форматы визуализации на другие спектральные полосы. Вместо предоставления видимых RGB изображений, эти сенсоры используют специализированные пиксельные цветовые фильтры для дополнения RGB изображений отдельными спектральными диапазонами в одном пакете сенсора. Хотя усложняя рабочий процесс обработки сигнала изображения, эти сенсоры предлагают стримованный аппаратный пакет для фابрикации. Выбор флуорофора, дизайн линз и спецификации двигателя освещения диктуют, являются ли эти архитектуры сенсоров жизнеспособными вариантами.

Дизайн линз и фильтрация

Низкий f/#, хроматически оптимизированные визуализационные линзы максимизируют детекцию FI сигнала и предлагают больше гибкости для обработки сигнала изображения и разработки встроенных систем. Однако это часто идёт с более узкими полями зрения и более мелкой глубиной резкости. Уточнение и приоритизация потребностей пользователей рано в проекте обеспечит меньше препятствий, связанных с аппаратными спецификациями производительности.

Рассмотрение следующих спецификаций для вашего дизайна линз — критически важная отправная точка:

• Механическая оболочка системы определяет ограничения размера вокруг дизайна линз.

• Физические размеры сенсора камеры диктуют информацию о размере и сложности оптического дизайна.

• Размеры пикселей сенсора камеры (шаг, расположение) устанавливают максимальное используемое разрешение изображения для данного дизайна линз.

• Поле зрения влияет на сложность дизайна линз.

• Направление взгляда влияет на сложность дизайна линз.

• Глубина резкости влияет на максимальную чувствительность детекции флуоресценции для данной линзовой системы и влияет на воспринимаемое качество изображения.

• Пространственное разрешение влияет на воспринимаемое качество изображения.

• Диапазон длин волн влияет на сложность дизайна линз.

• Макс. главный луч информирует спецификации фильтрации и пределы детекции.

• Искажение влияет на воспринимаемое качество изображения.

• Единство изображения/яркость влияет на предел детекции по всему полю зрения устройства и таким образом влияет на воспринимаемое качество изображения.

Поддержка NIR флуорофоров вроде ICG и CYTALUX требует более сложных дизайнов линз. Альтернативно, флуоресцеин (жёлтый флуорофор) ослабляет эти требования к дизайну линз за счёт глубины визуализации тканей.

Цветовая фильтрация и хроматическое качество изображения сложны с эндоскопными линзами из-за их большого поля зрения, коротких эффективных фокусных расстояний и требований полосы пропускания для FI. Это может заставить более высокие главные лучи в дизайнах линз, которые негативно влияют на производительность фильтрации FI и чувствительность визуализации. Спецификации главного луча на образцовых сенсорах помогают видимой цветовой точности, но могут компромисснить FI чувствительность. Нацеливание на изображение-сторонний телецентрический дизайн линз сохранит производительность фильтрации и максимизирует FI чувствительность.

Спецификации двигателя освещения

Требования освещения критичны для флуоресцентной системы визуализации. Дизайны двигателя освещения фокусируются на предоставлении цветов, оптических мощностей и однородности, необходимых для генерации используемых FI изображений. По мере увеличения требований поля зрения и глубины резкости, спецификации мощности и однородности от двигателя освещения становятся вызовом. Рассмотрите следующие спецификации для дизайна вашего двигателя освещения:

• Рабочий диапазон дистанции устройства диктует диапазон мощности, необходимый для эффективного освещения поля зрения.

• Число независимо адресуемых длин волн будет определяться свойствами выбранного флуорофора и методом интеграции белого-световой визуализации. Каждый цветовой источник потребует следующие спецификации:

  • Спектральная полоса пропускания сформирует спецификации фильтров и чувствительность детекции
  • Используемая выходная оптическая мощность устанавливает, сколько указанной мощности нужно от источника света.
  • Максимальная и минимальная иммиссия визуализации определяет чувствительность визуализации и термическую безопасность продукта.

• Маршрутизация и выход освещения определяет, как свет доставляется к полю зрения устройства (например, оптоволоконный пучок, источник-на-кончике).

• Однородность освещения драйвит качество изображения и чувствительность детекции по всему полю зрения.

• Лазерный или LED-базированный световый движок диктует уровень регуляторного надзора и маркировки, требуемой для устройства.

• Контроль интенсивности света будет взаимодействовать с встроенными системами и конвейерами обработки изображения.

Учёт этих соображений обеспечит, что аппаратный дизайн даст высокопроизводительный эндоскопный продукт.

Соображения скорости визуализации

FI по своей природе медленнее конвенциональной белой-световой эндоскопии из-за её низких детектируемых уровней света. Когда фотоны изобилны (т.е. белая-световая эндоскопия), корректировка времени экспозиции, усиления оцифровки и авто-улучшения изображения помогают оптимизировать пользовательский опыт и клиническую производительность. В фотонно-голодной визуализации сохранение качества изображения и пределов детекции больше опирается на быстрый дизайн линз, однородные высокомощные двигатели освещения, тонкую корректировку обработки изображения, отличную от белой-световой эндоскопии.

FI требует более длинных времен экспозиции, что замедлит скорости визуализации. Цифровое усиление оцифровки может компенсировать это, но неизбежно добавит шум к выходным изображениям, требуя соображений обработки изображения и визуализации. Нахождение баланса между удобством продукта и выполнимыми техническими спецификациями становится тонким сотрудничеством между всеми дисциплинами вашей команды разработки.

Чёткие, чётко определённые требования продукта — начало любого крупного усилития разработки. Многие инструменты существуют сейчас для помощи в определении рисков до начала тестируемого прототипирования устройства. Симуляция и быстрый прототипинг — критические инструменты для разблокировки сложных технических проектов FI разработки.

Оптические и цифровые симуляции визуализации

Программные пакеты оптической симуляции позволяют командам проектировать линзовые системы, определять спецификации двигателя освещения, моделировать реалистичную производительность образцового сенсора, прототипировать обработку сигнала изображения и тестировать компонентные спецификации до строительства. Это позволяет междисциплинарное сотрудничество по техническим дисциплинам для снижения технических рисков рано в проектах разработки. Ansys, Synopsis, Lambda Research и другие предлагают комплексные наборы инструментов для уверенного проектирования и симуляции оптических систем концепций in silico. Максимальная отдача от вашей симуляционной работы опирается на внутреннюю техническую экспертизу и коммуникацию для максимизации её утилиты.

Быстрый прототипинг

Быстрый прототипинг так же важен, как снижение рисков через симуляцию. Он требует больше ресурсов разработки и фabрикации, но предлагает наиболее осязаемый способ снижения рисков продуктовых спецификаций до зелёного света дизайну и валидации. Это позволяет решить безответные технические вопросы до выделения ресурсов на проектирование и пилотное производство полностью функционального прототипа.

Оптические линзы могут быть рискованными для прототипинга в малых количествах. Часто оптические инженеры могут помочь снизить риски дизайн-концепций с готовыми компонентами, которые помогают разработке обработки изображения и системы двигателя освещения до коммита к пилотным объёмам производства линз. Ключ — приоритизировать снижение рисков методическим ослаблением прототипных требований продукта для понимания их ограничений.

Цель быстрого прототипинга — снизить риски до полного коммита ресурсов к финальному дизайну продукта. Вопросы и риски останутся, но в общем разблокируют план запуска вашего продукта.

Резюме

Спецификация ваших двигателей визуализации и освещения закладывает основу для запуска успешного FI эндоскопного продукта. Эти двигатели глубоко связаны с программным обеспечением, встроенными системами, человеческими факторами и промышленным дизайном, которые делают запуски продуктов возможными. Учёт этих перекрестных дисциплинарных спецификаций критичен для доставки полного прототипа продукта. Мы изложили критические моменты для рассмотрения при разработке перекрестно-дисциплинарного FI эндоскопического продукта. Держите эти пункты в уме на протяжении вашего проекта, чтобы гарантировать, что ваш продукт обеспечивает восхитительное и влияние-импульсное воздействие на хирургическое руководство.

Эта статья написана Уилсоном Адамсом, консультантом, FISBA Северная Америка (Сейко, ME). Для дополнительной информации посетите здесь.

Ссылки

1. Hazel L Stewart и David J S Birch. Methods Appl. Fluoresc. 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, и др. AAPM Task Group Report 311: Руководство по оценке производительности систем флуоресцентно-направленной хирургии. Med Phys. 2024.