ロボット手術ビジョンシステムの照明設計に関する考慮事項
ロボット工学とロボット支援手術の目標は、外科医が以前は利用できなかった複雑な手順を精度を高めて実行できるようにすることです。これにより、手術と回復時間が短縮され、患者のリスクが低下します。ロボット手術は、前立腺摘除術、腎摘出術、子宮摘出術の結腸直腸手術など、多くのアプリケーションに大きな影響を与えています。最近の技術の進歩により、これまで以上に多くのロボット工学アプリケーションが開発されています。
手術のワークフロー、サイトへのアクセス、および回復時間を改善するために、手術用ロボットアーキテクチャ全体のすべてのサブシステムに新しいイノベーションが登場しています。正確で一貫性のある視覚化により画質を改善することで、外科医は手術中に情報に基づいたより多くの情報に基づいた外科的決定を下すことができます。外科用ビジョンシステムは、広視野カメラと光ファイバーまたはLED照明コンポーネントを組み合わせます。ただし、多くの場合、製品開発では、照明システムのパフォーマンス要件と設計に与えられる時間とリソースは、カメラよりもはるかに少なくなります。
製品を成功させるには、高品質の照明を提供するために必要なすべてのサブシステムを検討する必要があります。この状況の具体例は、チップオンチップカメラを利用した高解像度の3D腹腔鏡です。
3D外科用視覚システムには、次の4つの主要なサブシステムがあります。
- 手術対象に光をもたらす照明システム
- 組織からの光を取り込むためのカメラ（レンズとCMOSセンサー）
- 画質と遅延を制御するファームウェア、および
- ディスプレイシステム（2Dディスプレイと3Dディスプレイの組み合わせ）。
各サブシステムには、設計チームが考慮すべき独自の重要な質問があります。
臨床アプリケーション
堅牢な照明システムを設計する前に、設計エンジニアは、特定の外科手術に対する臨床チームの目標を包括的に理解している必要があります。多くの場合、「顧客の声」として機能する製品マネージャーは、述語デバイスを識別し、「最高の画質」を求めます。研究開発チームは、この要求を定量的要件に変換し、FOV、解像度、色精度、および画像コントラストのイメージングモダリティと数値制限を例として特定する必要があり、最終的には完全な製品要件につながります。この記事では、カメラの視野が80°で作動距離が5〜100mmの3D腹腔鏡用の光源について検討します。主に白色光のアプリケーションを検討しますが、蛍光の考慮事項についても説明します。
これを解明するために、ここでは、「資本設備」、つまりビジョンタワーの一部として、閉じ込められた設備ハウジングに取り付けられたLEDライトエンジンを備えたファイバーベースの照明システムの設計を検討します。資本設備には、通常、手術台のビジョンと追加の制御システムを収容するカートが含まれます。外科システムの意図されたアーキテクチャは、ロボット外科システムで使用するための剛性のステレオ腹腔鏡です。スケジュール、安全性、および蛍光または他の光源に依存するイメージングを統合する将来のユーザーのニーズに対するリスクを軽減するために、ファイバーベースのソリューションを検討します。著者は、LEDのサイズと効率が向上し続けていることを高く評価しており、記事の最後で設計スペースについて説明します。
ロボット手術の照明に関する考慮事項
図1は、ロボット手術プラットフォームの照明システムの主要なシステムアーキテクチャを示しています。スコープに光を送るには、照明源（この場合はライトエンジン）が必要です。ライトエンジンは、必要に応じて光をファイバーテーパーに結合し、それをファイバーに送り、光を先端に伝達します。
ライトエンジンは、資本設備に設置されている光源です。これらのソースにはさまざまなアーキテクチャがありますが、2つの主要なタイプに分類できます。一部のライトエンジンは単一のブロードバンドソースを使用しますが、他のライトエンジンは狭帯域LEDを混合してブロードバンドソースを作成します。単一のブロードバンドLEDには、青色LEDを使用してリン光物質を活性化する白色LEDアーキテクチャのため、青色光を補正する必要があるリスクがあります。青色光の大部分が赤色組織に吸収されます。スペクトルの青みがかった信号は、カラーチューニングの段階で問題を引き起こす可能性があり、場合によっては、デジタル化されすぎた、または「偽物のように見える」画像につながる可能性があります。混合RGBLEDアプローチは、過剰な青色光の問題を排除できますが、3つの光源をシステムに結合するために、ライトエンジンにさらに複雑な光学系が必要です。システムが近赤外線（NIR）照明を必要とする場合は、NIR LEDもライトエンジンに取り付けられ、設計をコンパクトにします。
RGBLEDとNIRLEDを同じハウジングに収納することにより、光源は、光を先端に送る同じファイバーを共有できます。これにより、内視鏡の照明システムの効率が最大化されます。光エンジンから内視鏡の先端に光を転送するには、光源から先端に光を中継する光学システムだけでなく、高数値（NA）アパーチャ光ファイバーが必要です。ファイバーの角度出力を表す用語は、開口数、つまりNAです。 NAが高いほど、ファイバの角度出力は高くなります。 NAは、ファイバに出入りできる最大角度の正弦に等しくなります。ファイバのNAは、ファイバのコアとクラッドの屈折率によって決まります。 NAが高いほど、光がファイバーを出る角度が大きくなり、視野のより高い割合を照らします。
光ファイバケーブルから最高のパフォーマンスを得るには、設計チームは光エンジンの出力と光ファイバケーブルの関係を考慮する必要があります。一般的な解決策は、内視鏡に入る光の角度を大きくするためにファイバーテーパーを使用することです。ファイバーテーパーは通常、ライトケーブルが接続する内視鏡の近位端に取り付けられます。ファイバーテーパーは、ライトエンジンの大面積の低角度出力を小面積の高角度出力に変換します。
ライトボックスを出る光のNAは通常0.5NAのオーダーであり、外科用ロボットに関連する角度は0.87NA以上に達する可能性があります。ライトボックスに接続するファイバーは、ライトボックスの出口NAと等しくなければなりません。テーパーは、ローアングルライトをハイアングルライトに変換して、最も広い照明角度を実現します。図2は、テーパーに出入りする光線がどうなるかを示しています。
テーパーを使用して高い出力角度に到達する代わりに、腹腔鏡の先端から出る光を拡散するレンズを設計することもできます。レンズ支援照明システムは、より高い出力角度を可能にし、より高いFOVカメラを体内で使用できるようにしますが、設計のコンパクトさが低下します。
腹腔鏡の光ファイバーに光が透過すると、ファイバーはパッケージ化されて、図3に示すように、先端全体に光を出力します。これは、2つの理由から単一の光出力面を持つよりも有益です。第一に、ファイバーをスコープに簡単に統合できるようにし、第二に、画像に影響を与える手術器具からの不要な影を防ぎます。
キャリブレーションとテストに関する考慮事項
光源を設計するとき、チームは、キャプチャされた画像を変換し、外科チームの高解像度2Dおよび3Dモニターに表示する画像信号パイプライン（ISP）も考慮する必要があります。 ISPは、イメージセンサーの暗信号の不均一性、光応答の不均一性、カラーキャリブレーション、ホワイトバランスなど、システムに適用されるさまざまなキャリブレーションを行うことができます。これらのキャリブレーションにより、高品質の画像を作成する補正が可能になります。ただし、ISPがキャリブレーションに大きく依存している場合、画像は高度に処理されているように見え、外科チームの気を散らす可能性があります。
ISPには、各ユニットのキャリブレーションが必要なブロックがあります。キャリブレーションデータは通常、内視鏡に取り付けられたメモリに保存されます。キャリブレーションプロセスの定義を早期に開始し、ISP開発エンジニアと調整することで、後期開発の問題のリスクを軽減できます。 ISPとキャリブレーションを早期に検討することにより、製品の発売前に光源とファームウェアの複数のリビジョンが可能になります。キャリブレーションには限界があり、照明システムが意図された外科的用途に近いように設計されている場合、開発プロセスでのキャリブレーションのトラブルシューティングは少なくて済みます。
照明源に関連するキャリブレーションの例は、光応答不均一性（PRNU）、ホワイトバランス、および色補正です。光源自体の設計が劣っている場合、これらのキャリブレーションはすべて有効性が制限されます。光源の設計を「修正」するためのキャリブレーションに依存すると、生成された画像が過剰に処理されたように見える可能性があります。さらに、ISPにキャリブレーションにメモリを割り当てる必要がある場合、ビジョンシステムの遅延が増加し、ロボットのパフォーマンスが制限されるリスクがあります。
最後に、ライトエンジン、照明、イメージングオプティクス、およびカメラファームウェアを設計した後、適切なテストが必要です。多くの場合、照明システムのコンポーネントは、資本設備や腹腔鏡の光源についても100％の検査と校正を必要とします。これらのテストでは、色の精度、均一性、および出力を測定するために、特殊なターゲットを使用して、さまざまな条件でテスト対象のデバイスを操作する必要があります。これらのテストを自動化するシステムを設計することで、部品間およびテスター間の変動のリスクを軽減し、製品規格が現場で維持されるようにします。これらのテストステーションは、製造現場での展開を成功させるために、詳細な機械、システム、およびソフトウェアの設計を必要とします。
内視鏡検査、またはフレキシブルスコープアプリケーションには他にも考慮事項があります。これらのデバイスは、多くの場合、照明に使用できるスペースにさらに制限があり、2Dイメージングのみ、使い捨て、または記事に示されているパラメーターに関係しないその他の警告がある場合があります。小径の使い捨てデバイスの場合、プラスチックファイバー、先端のLED、およびその他のよりコンパクトなソリューションにより、さまざまな設計上の考慮事項とリスクの軽減が考慮された製品を成功させることができます。
要約すると、ロボット手術システム用の照明コンポーネントの開発は複雑なプロセスです。臨床応用の完全な理解から始めて、その理解を構築する必要があります。白色光およびNIRアプリケーション用のロボットシステムを設計する場合は、資本設備に軽エンジンを搭載した高NAファイバーを利用した設計をお勧めします。最も広い照明角度を実現するには、デバイスの先端に光を送るために高NAファイバーを使用することをお勧めします。これは、過度に複雑な設計を回避する最も簡潔な設計アプローチです。他のソリューションは機能のギャップにつながる可能性があり、回避策の設計になります。
この記事は、光学システムエンジニアのジョナサンブランドと、グレイオプティクス（メイン州ポートランド）のセールスおよびマーケティング担当副社長のニールアンダーソンによって書かれました。詳細については、ニールアンダーソンまでお問い合わせください。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、にアクセスしてください。 ここ
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