Разработка усовершенствованных систем освещения и визуализации для медицинской флуоресцентной эндоскопии

(Изображение:sofiko14/adobe.stock.com)

Разработка системы эндоскопической визуализации требует координации между различными инженерными дисциплинами, особенно в области оптического освещения и механизмов визуализации, особенно при добавлении возможностей флуоресцентной визуализации. Механизмы оптического освещения и визуализации закладывают основу для создания интуитивно понятных и эффективных продуктов для визуализации и становятся еще более важными при добавлении возможностей флуоресцентной визуализации (FI) к потребностям пользователя.

FI помогает обнаружить критические анатомические образования во время операции, используя системные контрасты, такие как ICG и флюоресцеин, и целевые контрасты, такие как CYTALUX.1 Для этого интраоперационный FI требует иных — и часто противоположных — подходов к проектированию системы по сравнению с эндоскопией в белом свете.2

Флуоресцентная визуализация в эндоскопии представляет собой проблему из-за низкой интенсивности сигнала и сложности аппаратного обеспечения, требующей чувствительных датчиков, специальных оптических фильтров и мощных узкополосных источников освещения. (Изображение:iStock)

FI в эндоскопии создает проблемы из-за низкой интенсивности сигнала и сложности аппаратного обеспечения, требующих чувствительных датчиков, специальных оптических фильтров и мощных узкополосных источников освещения. Команды разработчиков должны учитывать эти технические последствия при проектировании возможностей FI в своих эндоскопических продуктах без ущерба для функциональности эндоскопии с использованием белого света. Функциональность FI дополняет конвейеры обработки сигналов изображений, спецификации встроенных систем, рабочие процессы визуализации изображений и разработку человеческого фактора. Учет этих потребностей при выборе изображений и освещения FI закладывает основу для разработки продукта и критически влияет на успех проекта.

В этой статье мы обсуждаем некоторые важные моменты, которые следует учитывать при разработке механизмов визуализации и освещения для флуоресцентной эндоскопии в поддержку более широкой разработки, необходимой для запуска вашего продукта. Особое внимание уделяется совместной разработке механизмов освещения и визуализации, чтобы обеспечить максимальную эффективность вашей команде разработчиков продукта за счет реализации и снижения рисков.

Физические размеры сенсора камеры и размер упаковки определяют конструкцию объектива и механические характеристики корпуса. (Изображение:ФИСБА)

Определение продукта

Прежде чем приступать к составлению технических спецификаций, командам необходимо заранее понять несколько ключевых требований:

<ли>

Клинические показания

Для лечения каких состояний и заболеваний они будут использоваться?

<ли>

Где будет использоваться ваше устройство?

Вам нужен жесткий лапароскоп для общей хирургии, жестко ограниченный артроскоп для ортопедической хирургии, гибкий люминальный эндоскоп или что-то еще?

<ли>

Какие рабочие расстояния необходимо визуализировать во время процедур?

Будут ли пользователи выполнять артроскопическую визуализацию в ограниченном пространстве? Навигация по анатомии желчевыводящих путей с помощью троакара? Визуализация просветных структур, таких как желудочно-кишечный тракт или легкие?

<ли>

Каковы ожидания пользователей относительно производительности системы обработки изображений?

Ожидают ли они увидеть одновременный контраст белого света и флуоресцентного изображения? Каков пошаговый процесс создания идеального продукта в клинической практике?

Ответив на эти ключевые вопросы, мы перейдем к подробному описанию.

Выбор флуорофора

Выбранный флуорофор будет определять сложность требований к оптической конструкции, характеристики фильтра, ожидаемый контраст сигнала. В свою очередь, это решение также определяет характеристики механизма освещения и датчика изображения, необходимые для создания высокопроизводительного продукта. При оценке кандидатов на флуорофор учитывайте следующее:

<ли>

Утвержденные и не по назначению показания будет определять, когда устройство может быть полезно в клинической практике.

<ли>

Физиологически значимые диапазоны концентраций определите требования к контрастности изображения и сузьте спецификации камер, объективов и конструкции системы освещения.

<ли>

Спектры возбуждения и испускания флуоресценции мы расскажем о конструкции объектива, компонентах осветительного механизма и характеристиках фильтров.

<ли>

Квантовая эффективность указывает, насколько эффективно освещение будет преобразовано в обнаруживаемые флуоресцентные фотоны, определяя характеристики освещения и механизма визуализации.

<ли>

Фотостабильность определяет, как долго флуорофор может быть освещен до того, как он потеряет сигнал, и насколько ярким должен быть осветительный механизм.

<ли>

Скорость физиологического клиренса определяет процедуры рабочего процесса, которые определяют функциональность устройства.

Эти параметры помогут вам оценить и смоделировать, сколько света вы можете ожидать увидеть во время клинических процедур, чтобы определить необходимые характеристики компонентов вашего продукта.

Выбор датчика камеры

Существуют решения для случаев, когда белый свет направляется в приложение через тонкие оптические волокна. Светодиодные модули RGB обеспечивают высокий индекс цветопередачи и гибкость цветовой температуры. (Изображение:ФИСБА)

Форм-фактор продукта, качество изображения и пределы обнаружения во многом зависят от датчика изображения. В зависимости от флуорофора, желаемого механического корпуса продукта и характеристик объектива для формирования изображения варианты сенсора вашей камеры могут быть сужены.

Многим командам необходимо заранее принять решение о архитектуре эндоскопа на основе чипа на наконечнике (COT) или стержневой линзы. В эндоскопах COT, как правило, используются датчики меньшего размера, которые минимизируют механическую оболочку и хорошо подходят для гибких эндоскопических применений с белым светом. Датчики изображения COT имеют тенденцию жертвовать пространственной точностью и контрастностью ради размера и стоимости, поэтому могут сталкиваться с трудностями в высокочувствительных приложениях, таких как локализация опухолей. Эндоскопы со стержневыми линзами типа Хопкинса широко распространены в жестких лапароскопах и артроскопах. Обычно они оснащены головкой камеры постоянного использования, которая обеспечивает гибкость технических характеристик и качество изображения за счет размера и стоимости.

Критические характеристики, которые следует учитывать при выборе камеры:

<ли>

Физические размеры датчика камеры и размер упаковки сообщает о конструкции объектива и механических характеристиках оболочки.

<ли>

Собственное разрешение сенсора определяет, какие характеристики обработки изображений и встроенных систем необходимы для получения изображений высокого качества.

<ли>

Характеристики нескольких датчиков предлагают гибкость в выборе оптимальных датчиков для флуоресценции и эндоскопии в белом свете отдельно, если это позволяет механическая оболочка.

<ли>

Спектральная чувствительность различных цветовых каналов — особенно в спектральном диапазоне излучения вашего флуорофора — влияют на характеристики осветительного механизма и линзы изображения для вашего устройства.

<ли>

Квантовая эффективность датчика сообщает о механизме освещения, обработке изображения и характеристиках объектива вашего продукта.

<ли>

Динамический диапазон будет определять пределы обнаружения флуоресценции вашей продукции и характеристики привода освещения, конструкции линз, обработки изображений и характеристик встроенных систем.

<ли>

Разрядность выходного изображения влияет на чувствительность изображения, пределы обнаружения, сложность обработки сигнала изображения и характеристики встроенных систем.

<ли>

Темный шум и шум чтения определяет пределы обнаружения продуктов и влияет на обработку изображений, визуализацию и характеристики встроенных систем.

<ли>

Протокол электронного взаимодействия Каким образом ваша система визуализации будет стабильно взаимодействовать с аппаратным обеспечением камеры?

<ли>

Спецификация угла главного луча на некоторых датчиках изображения будут указаны характеристики конструкции объектива, влияющие на качество изображения в широком цветовом диапазоне.

Усовершенствованная архитектура датчиков изображения позволяет расширить стандартные форматы цветных изображений RGB на другие спектральные диапазоны. Вместо того, чтобы предоставлять изображения RGB в видимом свете, эти датчики используют специализированные цветные фильтры на уровне пикселей для дополнения изображений RGB различными спектральными диапазонами в корпусе с одним датчиком. Несмотря на то, что эти датчики усложняют рабочий процесс обработки сигналов изображения, их изготовление требует упрощенного аппаратного пакета. Выбор флуорофора, конструкция линзы и характеристики осветительного механизма будут определять, являются ли эти архитектуры датчиков жизнеспособными вариантами.

Дизайн линз и фильтрация

Линзы с низким f/#, оптимизированные по хроматике, позволят максимизировать обнаружение сигнала FI и обеспечить большую гибкость при обработке сигналов изображения и разработке встроенных систем. Однако это часто связано с более узким полем зрения и меньшей глубиной резкости. Уточнение и определение приоритетности потребностей пользователей на ранних стадиях проекта позволят избежать возникновения препятствий, связанных со спецификациями производительности оборудования.

Важнейшей отправной точкой является рассмотрение следующих характеристик при проектировании вашего объектива:

<ли>

Механический корпус системы определяет ограничения по размеру конструкции линзы.

<ли>

Физические размеры сенсора камеры диктовать размер и сложность оптической конструкции.

<ли>

Размеры сенсора камеры в пикселях (шаг, расположение) устанавливает максимально допустимое разрешение изображения для данной конструкции объектива.

<ли>

Поле обзора влияет на сложность конструкции линз

<ли>

Направление взгляда влияет на сложность конструкции линз

<ли>

Глубина резкости влияет на максимальную чувствительность обнаружения флуоресценции для данной системы линз и влияет на воспринимаемое качество изображения

<ли>

Пространственное разрешение влияет на воспринимаемое качество изображения.

<ли>

Диапазон длин волн влияет на сложность конструкции линз.

<ли>

Макс. угол главного луча сообщает о характеристиках фильтрации и пределах обнаружения.

<ли>

Искажение влияет на воспринимаемое качество изображения.

<ли>

Однородность/яркость поля изображения влияет на предел обнаружения во всем поле зрения устройства и, таким образом, влияет на воспринимаемое качество изображения.

Поддержка флуорофоров NIR, таких как ICG и CYTALUX, требует более сложной конструкции линз. Альтернативно, флуоресцеин (желтый флуорофор) смягчает эти требования к конструкции линз за счет глубины визуализации тканей.

Цветовая фильтрация и качество хроматического изображения при использовании линз эндоскопов являются сложными из-за их большого поля зрения, коротких эффективных фокусных расстояний и требований к полосе пропускания для FI. Это может привести к увеличению угла главного луча в конструкциях линз, что отрицательно влияет на эффективность фильтрации FI и чувствительность изображения. Характеристики угла главного луча на датчиках изображения помогают обеспечить видимую точность цветопередачи, но могут ухудшить чувствительность FI. Стремление к созданию телецентрической линзы со стороны изображения сохранит эффективность фильтрации и максимизирует чувствительность FI.

Характеристики механизма подсветки

Требования к освещению имеют решающее значение для системы флуоресцентной визуализации. В конструкции механизма освещения основное внимание уделяется обеспечению цветов, оптической силы и однородности, необходимых для создания пригодных для использования изображений FI. По мере того, как требования к полю зрения и глубине резкости возрастают, характеристики мощности и равномерности освещения становятся все более сложными. При разработке системы освещения учитывайте следующие характеристики:

<ли>

Диапазон рабочего расстояния устройства будет определять диапазон мощности, необходимый для эффективного освещения поля зрения

<ли>

Количество независимо адресуемых длин волн будет зависеть от выбранных свойств флуорофоров и метода интеграции изображений в белом свете. Для каждого источника цвета потребуются следующие характеристики:

• Спектральная полоса пропускания будет определять характеристики фильтра и чувствительность обнаружения.
• Полезная выходная оптическая мощность определяет, какая указанная мощность необходима от источника света.
• Максимальное и минимальное излучение изображения определяет чувствительность изображения и термическую безопасность продукта.
<ли>

Маршрутизация и выход освещения определяет, как свет доставляется в поле зрения устройства (например, оптоволоконный пучок, источник на наконечнике)

<ли>

Равномерность освещения улучшает качество изображения и чувствительность обнаружения по всему полю зрения.

<ли>

Лазерный или светодиодный светильник будет определять уровень нормативного контроля и маркировки, необходимой для устройства.

<ли>

Регулировка интенсивности света будет взаимодействовать со встроенными системами и конвейерами обработки изображений.

Учет этих соображений гарантирует, что конструкция аппаратного обеспечения обеспечит производительность эндоскопа.

Аспекты скорости обработки изображений

FI по своей сути медленнее, чем обычная эндоскопия с белым светом, из-за низких обнаруживаемых уровней света. Когда фотонов много (например, при эндоскопии в белом свете), регулировка времени экспозиции, усиления оцифровки и автоматического улучшения изображения помогает оптимизировать удобство использования и клинические характеристики. При визуализации с нехваткой фотонов сохранение качества изображения и пределов обнаружения в большей степени зависит от конструкции светосильных линз, равномерных мощных осветительных механизмов, деликатной настройки обработки изображения, отличной от эндоскопии с белым светом.

FI требует более длительного времени экспозиции, что замедляет скорость визуализации. Чтобы компенсировать это, можно добавить усиление оцифровки изображения, но оно по своей сути добавит шум к выходным изображениям, что потребует учета обработки изображений и визуализации. Поиск баланса между удобством использования продукта и реальными техническими характеристиками становится деликатным сотрудничеством всех подразделений вашей команды разработчиков.

Четкие, четко определенные требования к продукту — это начало любой крупной разработки. В настоящее время существует множество инструментов, помогающих оценить риски до начала создания прототипов тестируемых устройств. Моделирование и быстрое прототипирование — важнейшие инструменты для реализации сложных технических проектов разработки FI.

Моделирование оптических и цифровых изображений

Пакеты программного обеспечения для оптического моделирования позволяют группам проектировать системы линз, определять характеристики осветительных устройств, моделировать реалистичные характеристики датчиков изображения, прототипировать обработку сигналов изображения и тестировать спецификации компонентов перед сборкой. Это обеспечивает междисциплинарное сотрудничество между техническими дисциплинами, чтобы снизить технические требования на ранних этапах проектов разработки. Ansys, Synopsis, Lambda Research и другие предлагают полный набор инструментов для уверенного проектирования и моделирования концепций оптических систем in siclico. Чтобы получить максимальную отдачу от вашей работы по моделированию, необходимо использовать собственный технический опыт и коммуникацию, чтобы максимизировать ее полезность.

Быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование так же важно, как и снижение рисков посредством моделирования. Он требует больше ресурсов для разработки и производства, но предлагает наиболее реальный способ снизить риски в отношении технических характеристик продукта перед тем, как дать зеленый свет проектированию и проверке. Это позволит вам решить оставшиеся без ответа технические вопросы, прежде чем выделять ресурсы для проектирования и пилотирования полнофункционального прототипа.

Оптические линзы могут быть рискованными для прототипирования в небольших количествах. Часто инженеры-оптики могут помочь снизить риски в концепциях проектирования с помощью готовых компонентов, которые помогают в разработке системы обработки изображений и освещения, прежде чем переходить к пилотному производству объемных линз. Ключевым моментом является определение приоритетов снижения рисков путем методического смягчения требований к прототипам продуктов и понимания их ограничений.

Цель быстрого прототипирования — снизить риск, прежде чем полностью направить ресурсы на разработку конечного продукта. Вопросы и риски останутся, но в целом разблокируют план запуска вашего продукта.

Сводка

Определение ваших механизмов визуализации и освещения закладывает основу для запуска успешного эндоскопического продукта FI. Эти механизмы тесно связаны с программным обеспечением, встроенными системами, человеческим фактором и промышленным дизайном, которые обеспечивают запуск продуктов. Учитывая эти междисциплинарные спецификации, они имеют решающее значение для создания полного прототипа продукта. Мы излагаем критические моменты, которые следует учитывать при разработке междисциплинарного продукта для эндоскопии FI. Помните об этих моментах на протяжении всего проекта, чтобы ваш продукт оказывал приятное и эффективное влияние на хирургическое руководство.

Эта статья была написана Уилсоном Адамсом, консультантом FISBA North America (Сако, Мэн). Для получения дополнительной информации посетите здесь  .

Ссылки

1. Хейзел Л. Стюарт и Дэвид Дж. С. Берч. Методы Прикл. Флуоресцентный. 2021.
2. Пог Б.В., Чжу Т.С., Нциахристос В. и др. Отчет целевой группы AAPM 311:Руководство по оценке эффективности хирургических систем с флуоресцентным контролем. Мед Физ. 2024.


Революционный инструмент, обеспечивающий точные фемтосекундные лазерные измерения Подкаст SAE Automotive Engineering:изучение аддитивного производства в дизайне современных автомобилей