Überlegungen zum Beleuchtungsdesign für Bildverarbeitungssysteme in der Roboterchirurgie

Das Ziel der Robotik und robotergestützten Chirurgie besteht darin, Chirurgen in die Lage zu versetzen, komplexe, bisher nicht verfügbare Eingriffe mit erhöhter Präzision durchzuführen, was zu kürzeren Operations- und Genesungszeiten sowie geringeren Risiken für Patienten führt. Die Roboterchirurgie hat in vielen Anwendungen, einschließlich Prostatektomie, Nephrektomie und kolorektaler Hysterektomie, erhebliche Auswirkungen gehabt. Aufgrund der jüngsten technologischen Fortschritte befinden sich heute mehr Robotikanwendungen in der Entwicklung als je zuvor.

Um den chirurgischen Arbeitsablauf, den Zugang zum Ort und die Erholungszeiten zu verbessern, tauchen in allen Subsystemen der chirurgischen Roboterarchitektur neue Innovationen auf. Durch die Verbesserung der Bildqualität durch genaue und konsistente Visualisierung können Chirurgen während eines Eingriffs fundiertere chirurgische Entscheidungen treffen. Chirurgische Bildverarbeitungssysteme kombinieren Kameras mit großem Sichtfeld mit Glasfaser- oder LED-Beleuchtungskomponenten. Bei der Produktentwicklung wird den Leistungsanforderungen und dem Design des Beleuchtungssystems jedoch oft weitaus weniger Zeit und Ressourcen gewidmet als der Kamera.

Um ein erfolgreiches Produkt zu haben, müssen alle erforderlichen Subsysteme berücksichtigt werden, um eine hochwertige Beleuchtung zu liefern. Ein konkretes Beispiel für diese Situation ist ein hochauflösendes 3D-Laparoskop, das eine Chip-on-Tip-Kamera verwendet.

Das chirurgische 3D-Bildverarbeitungssystem verfügt über vier wichtige Subsysteme:

Jedes Subsystem hat seine eigenen Schlüsselfragen, die das Designteam berücksichtigen sollte.

Vor dem Entwurf eines robusten Beleuchtungssystems muss der Konstrukteur ein umfassendes Verständnis der Ziele des klinischen Teams für einen bestimmten chirurgischen Eingriff haben. Häufig identifiziert ein Produktmanager, der als „Stimme des Kunden“ fungiert, ein Prädikatsgerät und fragt nach der „besten Bildqualität“. Das Forschungs- und Entwicklungsteam muss diese Anfrage in quantitative Anforderungen umwandeln und dabei Bildgebungsmodalitäten und numerische Grenzwerte für Sichtfeld, Auflösung, Farbgenauigkeit und Bildkontrast als Beispiele identifizieren, was schließlich zu den vollständigen Produktanforderungen führt. In diesem Artikel betrachten wir eine Lichtquelle für ein 3D-Laparoskop mit einem Kamerasichtfeld von 80° und einem Arbeitsabstand von 5 bis 100 mm. Wir werden in erster Linie Weißlichtanwendungen betrachten, aber auch Überlegungen zur Fluoreszenz diskutieren.

Um dies zu verdeutlichen, betrachten wir hier den Entwurf eines faserbasierten Beleuchtungssystems mit einer LED-Lichtmaschine, die in einem geschlossenen Gerätegehäuse als Teil der „Hauptausstattung“, also des Vision Towers, installiert ist. Die Hauptausrüstung umfasst den Wagen, der normalerweise die Bildverarbeitungs- und zusätzliche Steuerungssysteme der chirurgischen Plattform beherbergt. Die vorgesehene Architektur des chirurgischen Systems ist ein starres Stereo-Laparoskop zur Verwendung in einem chirurgischen Robotersystem. Um das Risiko für den Zeitplan, die Sicherheit und zukünftige Benutzeranforderungen bei der Integration von Fluoreszenz- oder anderen quellenabhängigen Bildgebungsverfahren zu verringern, werden wir eine faserbasierte Lösung in Betracht ziehen. Die Autoren würdigen die Fortschritte, die LEDs hinsichtlich Größe und Effizienz weiterhin machen, und werden am Ende des Artikels auf den Designraum eingehen.

Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Systemarchitekturen des Beleuchtungssystems für eine Roboterchirurgieplattform. Um Licht an das Zielfernrohr zu liefern, ist eine Beleuchtungsquelle – in diesem Fall eine Lichtmaschine – erforderlich. Die Lichtmaschine koppelt bei Bedarf Licht in einen Faserkegel und leitet es dann an die Fasern weiter, die das Licht zur Spitze übertragen.

Die Light Engine ist eine Lichtquelle, die in Investitionsgütern eingebaut wird. Es gibt unterschiedliche Architekturen für diese Quellen, sie können jedoch auf zwei Haupttypen reduziert werden. Einige Light Engines verwenden eine einzelne Breitbandquelle, während andere die Kombination schmalbandiger LEDs nutzen, um eine Breitbandquelle zu schaffen. Bei einer einzelnen Breitband-LED besteht aufgrund der weißen LED-Architektur, die eine blaue LED zur Aktivierung eines Leuchtstoffs verwendet, das Risiko, dass blaues Licht korrigiert werden muss. Ein hoher Anteil des blauen Lichts wird vom roten Gewebe absorbiert. Das hohe Blausignal in den Spektren kann zu Problemen bei der Farbabstimmung und möglicherweise zu Bildern führen, die zu digitalisiert oder „fälschlich“ aussehen. Ein gemischter RGB-LED-Ansatz kann die Probleme mit übermäßigem Blaulicht beseitigen, erfordert jedoch eine komplexere Optik in der Lichtmaschine, um die drei Quellen in das System einzubinden. Wenn das System eine Beleuchtung im nahen Infrarot (NIR) erfordert, werden die NIR-LEDs auch in der Light Engine installiert, wodurch das Design kompakter wird.

Durch die Unterbringung der RGB- und NIR-LEDs im selben Gehäuse können die Lichtquellen dieselben Fasern nutzen, die das Licht an die Spitze liefern. Dadurch wird die Effizienz des Beleuchtungssystems des Endoskops maximiert. Um Licht von der Lichtmaschine zur Spitze des Endoskops zu übertragen, sind eine Faseroptik mit hoher numerischer Apertur (NA) sowie ein optisches System zur Weiterleitung des Lichts von der Quelle zur Spitze erforderlich. Der Begriff zur Beschreibung der Winkelausgabe einer Faser ist numerische Apertur oder NA. Je höher die NA, desto höher die Winkelleistung der Faser. Die NA ist gleich dem Sinus des höchsten Winkels, der in die Faser ein- und austreten kann. Die NA der Faser wird durch den Brechungsindex des Kerns und der Ummantelung der Faser bestimmt. Je höher die NA, desto höher ist der Winkel, in dem das Licht aus der Faser austritt und einen größeren Prozentsatz des Sichtfelds beleuchtet.

Um die beste Leistung aus dem Glasfaserkabel herauszuholen, muss das Designteam die Beziehung zwischen der Leistung der Lichtmaschine und dem Glasfaserkabel berücksichtigen. Eine gängige Lösung besteht darin, einen Faserkonus zu verwenden, um den Winkel des Lichteintritts in das Endoskop zu vergrößern. Der Faserkonus wird typischerweise am proximalen Ende des Endoskops installiert, wo das Lichtkabel angeschlossen ist. Die Faserverjüngung wandelt die großflächige Ausgabe der Lichtmaschine mit kleinem Winkel in eine kleinflächige Ausgabe mit großem Winkel um.

Die NA des aus der Lichtbox austretenden Lichts liegt typischerweise in der Größenordnung von 0,5 NA, die mit der chirurgischen Robotik verbundenen Winkel können 0,87 NA oder mehr erreichen. Die Fasern, die mit dem Lichtkasten verbunden sind, sollten der austretenden NA des Lichtkastens entsprechen. Die Verjüngung wandelt das Licht mit niedrigem Winkel in Licht mit großem Winkel um, um den breitesten Beleuchtungswinkel zu erzielen. Abbildung 2 zeigt, was mit einem Lichtstrahl passiert, der in die Verjüngung eindringt und aus ihr austritt.

Eine Alternative zur Verwendung einer Verjüngung zur Erzielung großer Austrittswinkel besteht darin, eine Linse zu entwerfen, die das aus der Spitze des Laparoskops austretende Licht verteilt. Ein linsengestütztes Beleuchtungssystem ermöglicht höhere Ausgabewinkel und ermöglicht Kameras mit höherem Sichtfeld für den Einsatz im Körper, geht jedoch mit einem weniger kompakten Design einher.

Sobald das Licht zur Faseroptik des Laparoskops übertragen wird, werden die Fasern so verpackt, dass sie Licht über die Spitze ausstoßen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dies ist aus zwei Gründen vorteilhafter als eine einzelne Lichtaustrittsfläche. Erstens ermöglicht es eine einfachere Integration der Fasern in das Endoskop und zweitens verhindert es, dass unerwünschte Schatten durch chirurgische Instrumente das Bild beeinträchtigen.

Beim Entwurf der Lichtquelle muss das Team auch die Bildsignalpipeline (ISP) berücksichtigen, die das aufgenommene Bild umwandelt und es auf einem hochauflösenden 2D- und 3D-Monitor für das Operationsteam anzeigt. Der ISP kann über verschiedene Kalibrierungen verfügen, die auf das System angewendet werden, einschließlich der Ungleichmäßigkeit des Dunkelsignals auf dem Bildsensor, der Ungleichmäßigkeit der Fotoreaktion, der Farbkalibrierung und des Weißabgleichs. Diese Kalibrierungen ermöglichen Korrekturen, die ein qualitativ hochwertiges Bild erzeugen; Wenn sich der ISP jedoch zu stark auf Kalibrierungen verlässt, sieht das Bild möglicherweise stark verarbeitet aus und lenkt das Operationsteam ab.

Ein ISP verfügt über Blöcke, die eine Kalibrierung jeder Einheit erfordern. Die Kalibrierungsdaten werden normalerweise im Speicher des Endoskops gespeichert. Durch den frühzeitigen Beginn der Definition des Kalibrierungsprozesses und die Abstimmung mit den ISP-Entwicklungsingenieuren wird das Risiko von Problemen in der Spätphase der Entwicklung verringert. Durch die frühzeitige Berücksichtigung des ISP und der Kalibrierungen sind mehrere Überarbeitungen der Lichtquelle und der Firmware vor der Produkteinführung möglich. Kalibrierungen haben ihre Grenzen, und wenn das Beleuchtungssystem näher an der beabsichtigten chirurgischen Verwendung ausgelegt ist, ist weniger Fehlerbehebung bei Kalibrierungen im Entwicklungsprozess erforderlich.

Beispiele für Kalibrierungen im Zusammenhang mit der Beleuchtungsquelle sind Photo-Response Non-Uniformity (PRNU), Weißabgleich und Farbkorrektur. Diese Kalibrierungen sind alle in ihrer Wirksamkeit eingeschränkt, wenn die Lichtquelle selbst minderwertig ist. Wenn man sich auf Kalibrierungen verlässt, um das Design der Lichtquelle zu „korrigieren“, kann das erzeugte Bild überbearbeitet wirken. Wenn der ISP außerdem über Speicher für Kalibrierungen verfügen muss, besteht die Gefahr, dass die Latenz des Bildverarbeitungssystems zunimmt und die Roboterleistung eingeschränkt wird.

Nachdem die Lichtmaschine, die Beleuchtung, die Abbildungsoptik und die Kamera-Firmware entworfen wurden, sind schließlich ordnungsgemäße Tests erforderlich. Auch in Investitionsgütern und Laparoskopen ist häufig eine 100-prozentige Prüfung und Kalibrierung der Beleuchtungssystemkomponenten an den Quellen erforderlich. Diese Tests erfordern den Betrieb des zu testenden Geräts unter verschiedenen Bedingungen unter Verwendung spezieller Ziele zur Messung der Farbgenauigkeit, Gleichmäßigkeit und Leistungsabgabe. Durch die Entwicklung eines Systems zur Automatisierung dieser Tests wird das Risiko von Schwankungen von Teil zu Teil und von Tester zu Tester verringert und sichergestellt, dass die Produktstandards vor Ort eingehalten werden. Diese Teststationen erfordern ein detailliertes mechanisches, System- und Softwaredesign, um sicherzustellen, dass sie erfolgreich in Fertigungshallen eingesetzt werden können.

Es gibt andere Überlegungen zur Endoskopie oder zu Anwendungen mit flexiblem Endoskop. Bei diesen Geräten ist der für die Beleuchtung verfügbare Platz häufig stärker eingeschränkt, sie verfügen möglicherweise nur über eine 2D-Bildgebung, sind für den einmaligen Gebrauch bestimmt oder weisen andere Einschränkungen auf, die sich nicht auf die im Artikel vorgestellten Parameter beziehen. Bei Geräten mit kleinem Durchmesser und Einweggeräten können Kunststofffasern, LEDs in der Spitze und andere, kompaktere Lösungen ein erfolgreiches Produkt ermöglichen, bei dem verschiedene Designüberlegungen und Risikominderungen berücksichtigt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der Beleuchtungskomponenten für robotische Chirurgiesysteme ein komplexer Prozess ist. Man sollte von einem vollständigen Verständnis der klinischen Anwendung ausgehen und dieses Verständnis ausbauen. Wenn man ein Robotersystem für Weißlicht- und NIR-Anwendungen entwirft, empfehlen wir einen Entwurf, der auf der Verwendung einer High-NA-Faser mit einer in der Hauptausrüstung installierten Lichtmaschine basiert. Um den breitesten Beleuchtungswinkel zu erreichen, wird die Verwendung von High-NA-Fasern zur Lichtübertragung an die Spitze des Geräts empfohlen. Dies ist der prägnanteste Designansatz, der ein übermäßig komplexes Design vermeidet. Andere Lösungen können zu Funktionslücken führen, was zu einem Workaround-Design führt.

Dieser Artikel wurde von Jonathan Brand, Ingenieur für optische Systeme, und Neil Anderson, PhD, VP Sales and Marketing, Gray Optics (Portland, ME) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Neil Anderson unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können. Oder besuchen Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Novemberausgabe 2021 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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