توسعه تصویربرداری نوری در میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئو

در حوزه پزشکی، جراحی بدون شک ابزار اصلی درمان اکثر قریب به اتفاق بیماری‌ها است، به ویژه نقشی حیاتی در درمان زودهنگام سرطان دارد. کلید موفقیت جراحی یک جراح، در تجسم واضح بخش پاتولوژیک پس از تشریح نهفته است.میکروسکوپ‌های جراحیبه دلیل حس قوی سه‌بعدی، کیفیت بالا و وضوح بالا، در جراحی پزشکی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، ساختار آناتومیکی بخش پاتولوژیک پیچیده و بغرنج است و بیشتر آنها در مجاورت بافت‌های مهم اندام قرار دارند. ساختارهای میلی‌متری تا میکرومتری از محدوده‌ای که چشم انسان می‌تواند مشاهده کند، بسیار فراتر رفته‌اند. علاوه بر این، بافت عروقی در بدن انسان باریک و شلوغ است و نور کافی نیست. هرگونه انحراف کوچک ممکن است به بیمار آسیب برساند، بر اثر جراحی تأثیر بگذارد و حتی زندگی را به خطر بیندازد. بنابراین، تحقیق و توسعهعملیاتیمیکروسکوپ‌هابا بزرگنمایی کافی و تصاویر بصری واضح، موضوعی است که محققان همچنان به بررسی عمیق آن ادامه می‌دهند.

در حال حاضر، فناوری‌های دیجیتال مانند تصویر و ویدئو، انتقال اطلاعات و ضبط عکس با مزایای جدید در حال ورود به عرصه جراحی میکروسکوپی هستند. این فناوری‌ها نه تنها عمیقاً بر سبک زندگی انسان تأثیر می‌گذارند، بلکه به تدریج در عرصه جراحی میکروسکوپی نیز ادغام می‌شوند. نمایشگرهای با کیفیت بالا، دوربین‌ها و غیره می‌توانند به طور مؤثر الزامات فعلی برای دقت جراحی را برآورده کنند. سیستم‌های ویدئویی با CCD، CMOS و سایر حسگرهای تصویر به عنوان سطوح گیرنده به تدریج در میکروسکوپ‌های جراحی به کار گرفته شده‌اند. میکروسکوپ‌های جراحی ویدیوییبسیار انعطاف‌پذیر و برای پزشکان جهت انجام عمل جراحی راحت هستند. معرفی فناوری‌های پیشرفته مانند سیستم ناوبری، نمایشگر سه‌بعدی، کیفیت تصویر با وضوح بالا، واقعیت افزوده (AR) و غیره که امکان اشتراک‌گذاری تصاویر چند نفره را در طول فرآیند جراحی فراهم می‌کنند، به پزشکان در انجام بهتر عمل‌های حین عمل کمک بیشتری می‌کند.

تصویربرداری نوری میکروسکوپ، عامل اصلی تعیین‌کننده کیفیت تصویربرداری میکروسکوپ است. تصویربرداری نوری میکروسکوپ‌های جراحی ویدیویی دارای ویژگی‌های طراحی منحصر به فردی است که از اجزای نوری پیشرفته و فناوری‌های تصویربرداری مانند حسگرهای CMOS یا CCD با وضوح بالا و کنتراست بالا و همچنین فناوری‌های کلیدی مانند زوم نوری و جبران نوری استفاده می‌کند. این فناوری‌ها به طور مؤثر وضوح و کیفیت تصویربرداری میکروسکوپ‌ها را بهبود می‌بخشند و اطمینان بصری خوبی را برای عملیات جراحی فراهم می‌کنند. علاوه بر این، با ترکیب فناوری تصویربرداری نوری با پردازش دیجیتال، تصویربرداری پویا در زمان واقعی و بازسازی سه‌بعدی حاصل شده است که تجربه بصری شهودی‌تری را برای جراحان فراهم می‌کند. به منظور بهبود بیشتر کیفیت تصویربرداری نوری میکروسکوپ‌های جراحی ویدیویی، محققان دائماً در حال بررسی روش‌های جدید تصویربرداری نوری، مانند تصویربرداری فلورسانس، تصویربرداری قطبش، تصویربرداری چندطیفی و غیره، برای افزایش وضوح تصویربرداری و عمق میکروسکوپ‌ها هستند. استفاده از فناوری هوش مصنوعی برای پس‌پردازش داده‌های تصویربرداری نوری برای افزایش وضوح و کنتراست تصویر.

در مراحل اولیه جراحی،میکروسکوپ‌های دوچشمیعمدتاً به عنوان ابزارهای کمکی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. میکروسکوپ دوچشمی ابزاری است که از منشورها و لنزها برای دستیابی به دید سه بعدی استفاده می‌کند. این میکروسکوپ می‌تواند درک عمق و دید سه بعدی را فراهم کند که میکروسکوپ‌های تک چشمی ندارند. در اواسط قرن بیستم، فون زندر پیشگام استفاده از عینک‌های بزرگنمایی دوچشمی در معاینات پزشکی چشم پزشکی بود. متعاقباً، زایس یک عینک بزرگنمایی دوچشمی با فاصله کاری 25 سانتی‌متر معرفی کرد و پایه و اساس توسعه میکروسکوپ‌های مدرن را بنا نهاد. از نظر تصویربرداری نوری میکروسکوپ‌های جراحی دوچشمی، فاصله کاری میکروسکوپ‌های دوچشمی اولیه 75 میلی‌متر بود. با توسعه و نوآوری ابزارهای پزشکی، اولین میکروسکوپ جراحی OPMI1 معرفی شد و فاصله کاری آن می‌تواند به 405 میلی‌متر برسد. بزرگنمایی نیز به طور مداوم در حال افزایش است و گزینه‌های بزرگنمایی نیز به طور مداوم در حال افزایش هستند. با پیشرفت مداوم میکروسکوپ‌های دوچشمی، مزایای آنها مانند اثر سه بعدی واضح، وضوح بالا و فاصله کاری طولانی، میکروسکوپ‌های جراحی دوچشمی را به طور گسترده در بخش‌های مختلف مورد استفاده قرار داده است. با این حال، محدودیت اندازه بزرگ و عمق کم آن را نمی‌توان نادیده گرفت و کادر پزشکی باید در حین جراحی مرتباً کالیبراسیون و تمرکز کنند که این امر دشواری عمل را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، جراحانی که برای مدت طولانی بر مشاهده و عمل با ابزار بصری تمرکز می‌کنند، نه تنها بار فیزیکی خود را افزایش می‌دهند، بلکه اصول ارگونومیک را نیز رعایت نمی‌کنند. پزشکان برای انجام معاینات جراحی بر روی بیماران باید وضعیت ثابتی را حفظ کنند و تنظیمات دستی نیز مورد نیاز است که تا حدودی دشواری عمل‌های جراحی را افزایش می‌دهد.

پس از دهه 1990، سیستم‌های دوربین و حسگرهای تصویر به تدریج در عمل جراحی ادغام شدند و پتانسیل کاربردی قابل توجهی را نشان دادند. در سال 1991، برچی به طور نوآورانه‌ای یک سیستم ویدئویی برای تصویربرداری از نواحی جراحی توسعه داد، با محدوده فاصله کاری قابل تنظیم 150-500 میلی‌متر و قطر جسم قابل مشاهده از 15-25 میلی‌متر، در حالی که عمق میدان بین 10-20 میلی‌متر حفظ می‌شد. اگرچه هزینه‌های بالای نگهداری لنزها و دوربین‌ها در آن زمان، کاربرد گسترده این فناوری را در بسیاری از بیمارستان‌ها محدود می‌کرد، محققان به دنبال نوآوری‌های تکنولوژیکی بودند و شروع به توسعه میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئو پیشرفته‌تر کردند. در مقایسه با میکروسکوپ‌های جراحی دوچشمی، که برای حفظ این حالت کاری بدون تغییر به مدت طولانی نیاز دارند، این امر به راحتی می‌تواند منجر به خستگی جسمی و روانی شود. میکروسکوپ جراحی نوع ویدئویی، تصویر بزرگنمایی شده را روی مانیتور نمایش می‌دهد و از وضعیت نامناسب طولانی مدت جراح جلوگیری می‌کند. میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئو، پزشکان را از یک وضعیت واحد رها می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهند از طریق صفحه نمایش‌های با کیفیت بالا روی مکان‌های آناتومیک عمل کنند.

در سال‌های اخیر، با پیشرفت سریع فناوری هوش مصنوعی، میکروسکوپ‌های جراحی به تدریج هوشمند شده‌اند و میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئو به محصولات اصلی بازار تبدیل شده‌اند. میکروسکوپ جراحی مبتنی بر ویدئوی فعلی، فناوری‌های بینایی کامپیوتر و یادگیری عمیق را برای دستیابی به تشخیص خودکار تصویر، تقسیم‌بندی و تجزیه و تحلیل ترکیب می‌کند. در طول فرآیند جراحی، میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئوی هوشمند می‌توانند به پزشکان در یافتن سریع بافت‌های بیمار و بهبود دقت جراحی کمک کنند.

در فرآیند توسعه از میکروسکوپ‌های دوچشمی تا میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئو، به راحتی می‌توان دریافت که الزامات دقت، کارایی و ایمنی در جراحی روز به روز در حال افزایش است. در حال حاضر، تقاضا برای تصویربرداری نوری میکروسکوپ‌های جراحی محدود به بزرگنمایی بخش‌های پاتولوژیک نیست، بلکه به طور فزاینده‌ای متنوع و کارآمد است. در پزشکی بالینی، میکروسکوپ‌های جراحی به طور گسترده در جراحی‌های مغز و اعصاب و ستون فقرات از طریق ماژول‌های فلورسانس یکپارچه با واقعیت افزوده استفاده می‌شوند. سیستم ناوبری AR می‌تواند جراحی پیچیده سوراخ کلید ستون فقرات را تسهیل کند و عوامل فلورسنت می‌توانند پزشکان را برای برداشتن کامل تومورهای مغزی راهنمایی کنند. علاوه بر این، محققان با استفاده از میکروسکوپ جراحی فراطیفی همراه با الگوریتم‌های طبقه‌بندی تصویر، با موفقیت به تشخیص خودکار پولیپ‌های تارهای صوتی و لکوپلاکیا دست یافته‌اند. میکروسکوپ‌های جراحی ویدئویی با ترکیب با تصویربرداری فلورسانس، تصویربرداری چندطیفی و فناوری‌های پردازش تصویر هوشمند، به طور گسترده در زمینه‌های مختلف جراحی مانند تیروئیدکتومی، جراحی شبکیه و جراحی لنفاوی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

در مقایسه با میکروسکوپ‌های جراحی دوچشمی، میکروسکوپ‌های ویدیویی می‌توانند اشتراک‌گذاری ویدیو برای چند کاربر، تصاویر جراحی با کیفیت بالا را فراهم کنند و ارگونومیک‌تر باشند و خستگی پزشک را کاهش دهند. توسعه تصویربرداری نوری، دیجیتالی شدن و هوشمندسازی، عملکرد سیستم‌های نوری میکروسکوپ جراحی را تا حد زیادی بهبود بخشیده است و تصویربرداری پویا در زمان واقعی، واقعیت افزوده و سایر فناوری‌ها، عملکردها و ماژول‌های میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدیو را تا حد زیادی گسترش داده‌اند.

تصویربرداری نوری میکروسکوپ‌های جراحی مبتنی بر ویدئو در آینده دقیق‌تر، کارآمدتر و هوشمندتر خواهد بود و اطلاعات جامع‌تر، دقیق‌تر و سه‌بعدی‌تری از بیمار را در اختیار پزشکان قرار می‌دهد تا بتوانند عملیات جراحی را بهتر هدایت کنند. در همین حال، با پیشرفت مداوم فناوری و گسترش زمینه‌های کاربردی، این سیستم در زمینه‌های بیشتری نیز به کار گرفته و توسعه خواهد یافت.