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

ロボット工学およびロボット支援手術の目標は、外科医がこれまで不可能だった複雑な手術を精度を高めて実行できるようにし、手術時間と回復時間を短縮し、患者のリスクを軽減できるようにすることです。 ロボット手術は、前立腺切除術、腎摘出術、子宮摘出術、結腸直腸手術などの多くの用途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応用が開発されています。

手術のワークフロー、部位へのアクセス、回復時間を改善するために、手術ロボット 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導入されています。 正確で一貫した視覚化による画質の向上により、外科医は手術中により多くの情報に基づいた外科的意思決定を行うことができます。 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ています。 しかし、多くの場合、製品開発では、照明システムの性能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考慮する必要があります。 この状況の具体的な例としては、チップ オン チップ カメラを利用した高解像度 3D 腹腔鏡があります。

3D 外科用ビジョン システムには 4 つの主要なサブシステムがあります。

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。

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する必要があります。 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、述語デバイスを特定し、「最高の画質」を要求します。 研究開発チームは、この要求を定量的な要件に変換し、例としてイメージングモダリティと FOV、解像度、色精度、画像コントラストの数値制限を特定し、最終的に完全な製品要件に導く必要があります。 この記事では、カメラの視野が 80°、作動距離が 5 ～ 100 mm の 3D 腹腔鏡用の光源について検討します。 私たちは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、「主要機器」、つまりビジョンタワーの一部として密閉された機器ハウジングに LED 光エンジンが取り付けられた、ファイバーベースの照明システムの設計を検討します。 主要な機器には、通常、手術プラットフォームのビジョンおよび追加の制御システムを収容するカートが含まれます。 この手術システムの意図されたアーキテクチャは、ロボット手術システムで使用するための剛体立体腹腔鏡です。 スケジュール、安全性、および蛍光またはその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。 著者らは LED のサイズと効率の進歩を高く評価しており、この記事の最後で設計領域について取り上げます。

図 1 は、ロボット手術プラットフォーム用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。 スコープに光を届けるには、照明源 (この場合は光エンジン) が必要です。 光エンジンは、必要に応じて光をファイバーのテーパーに結合し、先端に光を伝送するファイバーに光を送ります。

光エンジンは、資本設備に設置される光源です。 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、主に 2 つのタイプに分類できます。 単一の広帯域光源を使用する光エンジンもあれば、狭帯域 LED を混合して広帯域光源を作成するものもあります。 蛍光体を活性化するために青色 LED を使用する白色 LED アーキテクチャにより、単一の広帯域 LED には青色光の補正が必要になるリスクがあります。 青色光の大部分は赤色組織に吸収されます。 スペクトル内の青色の高い信号は、カラー調整段階で問題を引き起こす可能性があり、画像がデジタル化されすぎたり、「偽っぽく」見える可能性があります。 RGB LED を混合するアプローチでは、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、光エンジンのより複雑な光学系が必要になります。 システムが近赤外線 (NIR) 照明を必要とする場合は、NIR LED が光エンジンにも取り付けられるため、設計がコンパクトになります。

RGB LED と NIR LED を同じハウジングに収容することで、光源は先端に光を届け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伝達するには、光源から先端まで光を中継する光学システムに加えて、高開口数 (NA) の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 が高くなるほど、ファイバーの角度出力も高くなります。 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、より高い角度で光がファイバーから出て、視野のより高い割合を照明します。

光ファイバー ケーブルから最高のパフォーマンスを引き出すには、設計チームは光エンジンの出力と光ファイバー 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、ファイバーのテーパーを使用して、内視鏡に入る光の角度を大きくすることです。 ファイバーテーパーは通常、光ケーブルが接続され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、光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。

ライトボックスから出る光の NA は通常 0.5 NA 程度ですが、外科用ロボットに関連する角度は 0.87 NA 以上に達する場合があります。 ライト ボックスに接続するファイバーは、ライト ボックスの出力 NA と等しい必要があります。 テーパーは低角度の光を高角度の光に変換し、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に何が起こるかを示しています。

高い出力角度を達成するためにテーパーを使用する代わりに、腹腔鏡の先端から出る光を広げるようにレンズを設計することもできます。 レンズ補助照明システムにより、より高い出力角度が可能になり、より高い FOV のカメラを体内で使用できるようになりますが、その代償として、設計がコンパクトではなくなります。

光が腹腔鏡の光ファイバーに伝送されると、図 3 に示すように、先端全体に光が出力されるようにファイバーがパッケージ化されます。これは 2 つの理由により、単一の光出力面を持つよりも有益です。 第一に、スコープへのファイバーの統合が容易になり、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ぐことができます。

光源を設計するとき、チームは、取り込んだ画像を変換して手術チームの高解像度 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 センサー上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依存しすぎると、画像が高度に処理されているように見え、手術チームの邪魔になる可能性があります。

ISP には、各ユニットのキャリブレーションを必要とするブロックがあります。 校正データは通常、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、開発の後期段階で問題が発生するリスクが軽減されます。 ISP とキャリブレーションを早期に検討することで、製品の発売前に光源とファームウェアを複数回改訂することが可能になります。 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した外科的用途に近づけて設計されている場合、開発プロセスで必要な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なります。

照明源に関連するキャリブレーションの例としては、光応答不均一性 (PRNU)、ホワイト バランス、色補正などがあります。 光源自体の設計が劣っている場合、これらの校正はすべてその有効性が制限されます。 光源設計を「修正」するために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 が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、光エンジン、照明、結像光学系、およびカメラの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には、資本設備や腹腔鏡の光源の全数検査と校正が必要です。 これらのテストでは、色の精度、均一性、出力を測定するための専用の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動作させる必要があります。 これらのテストを自動化するシステムを設計すると、部品間およびテスター間のばらつきのリスクが軽減され、現場での製品標準が確実に維持されます。 これらのテスト ステーションは、製造現場での導入を確実に成功させるために、詳細な機械設計、システム設計、およびソフトウェア設計を必要とします。

内視鏡検査やフレキシブルスコープの用途には、他にも考慮すべき点があります。 これらのデバイスは、照明に利用できるスペースに制限があることが多く、2D イメージングしかできない場合や、使い捨てである場合、または記事で示されているパラメータに関係しないその他の注意事項があります。 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、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。 臨床応用を完全に理解することから始めて、その理解を深めていく必要があります。 白色光および NIR アプリケーション用のロボット システムを設計している場合は、主要設備に取り付けられた光エンジンを備えた高 NA ファイバーの利用に基づい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、高 NA ファイバーを使用してデバイスの先端に光を届けることをお勧めします。 これは、過度に複雑な設計を避けるための最も簡潔な設計アプローチです。 他のソリューションでは機能にギャップが生じ、回避策の設計が必要になる可能性があります。

この記事は、Grey Optics (メイン州ポートランド) の光学システム エンジニアである Jonathan Brand とセールスおよびマーケティング担当副社長の Neil Anderson 博士によって書かれました。 詳細については、Neil Anderson 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。 閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、 こちら にアクセスしてください。

この記事は、Photonics & Imaging Technology Magazine 2021 年 11 月号に初めて掲載されました。

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