Ultra-teräväpiirtoisten kirurgisten mikroskooppien teknologinen kehitys ja kliiniset sovellukset

 

Kirurgiset mikroskoopitovat erittäin tärkeässä roolissa nykyaikaisilla lääketieteen aloilla, erityisesti korkean tarkkuuden aloilla, kuten neurokirurgiassa, oftalmologiassa, otolaryngologiassa ja minimaalisesti invasiivisessa kirurgiassa, joissa niistä on tullut välttämättömiä peruslaitteita. Suurilla suurennusominaisuuksillaLeikkausmikroskoopittarjoavat yksityiskohtaisen näkymän, jonka avulla kirurgit voivat havaita paljaalla silmällä näkymättömiä yksityiskohtia, kuten hermokuituja, verisuonia ja kudoskerroksia, mikä auttaa lääkäreitä välttämään terveen kudoksen vahingoittumista leikkauksen aikana. Erityisesti neurokirurgiassa mikroskoopin suuri suurennus mahdollistaa kasvainten tai sairaiden kudosten tarkan paikantamisen, varmistaen selkeät resektiomarginaalit ja välttäen kriittisten hermojen vaurioitumisen, mikä parantaa potilaiden leikkauksen jälkeisen toipumisen laatua.

Perinteiset kirurgiset mikroskoopit on tyypillisesti varustettu vakioresoluution näyttöjärjestelmillä, jotka pystyvät tarjoamaan riittävästi visuaalista tietoa monimutkaisten kirurgisten tarpeiden tukemiseksi. Lääketieteellisen teknologian nopean kehityksen, erityisesti visuaalisen teknologian läpimurtojen, myötä kirurgisten mikroskooppien kuvanlaadusta on kuitenkin vähitellen tullut tärkeä tekijä kirurgisen tarkkuuden parantamisessa. Verrattuna perinteisiin kirurgisiin mikroskooppeihin, ultra-teräväpiirtomikroskoopit pystyvät esittämään enemmän yksityiskohtia. Ottamalla käyttöön 4K-, 8K- tai jopa korkeamman resoluution näyttö- ja kuvantamisjärjestelmiä, ultra-teräväpiirtokirurgiset mikroskoopit mahdollistavat kirurgien tunnistaa ja käsitellä pieniä leesioita ja anatomisia rakenteita tarkemmin, mikä parantaa huomattavasti leikkauksen tarkkuutta ja turvallisuutta. Kuvankäsittelyteknologian, tekoälyn ja virtuaalitodellisuuden jatkuvan integroinnin myötä ultra-teräväpiirtokirurgiset mikroskoopit eivät ainoastaan ​​paranna kuvanlaatua, vaan tarjoavat myös älykkäämpää tukea leikkauksille, mikä edistää kirurgisten toimenpiteiden tarkkuutta ja riskien pienenemistä.

 

Ultra-teräväpiirtomikroskoopin kliininen sovellus

Kuvantamistekniikan jatkuvan innovaation myötä ultra-teräväpiirtomikroskoopit ovat vähitellen nousemassa keskeiseen rooliin kliinisissä sovelluksissa erittäin korkean resoluutionsa, erinomaisen kuvanlaadunsa ja reaaliaikaisten dynaamisten havainnointikykyjensä ansiosta.

Silmätautien

Silmäkirurgia vaatii tarkkaa leikkausta, mikä asettaa korkeita teknisiä standardejaoftalmologiset kirurgiset mikroskoopitEsimerkiksi femtosekuntilaserilla tehtävässä sarveiskalvon viillossa kirurginen mikroskooppi voi tarjota suurennoksen silmämunan etukammion ja keskimmäisen viillon tarkasteluun sekä viillon sijainnin tarkistamiseen. Silmäkirurgiassa valaistus on ratkaisevan tärkeää. Mikroskooppi ei ainoastaan ​​tarjoa optimaalisia visuaalisia tehosteita alhaisemmalla valon voimakkuudella, vaan se tuottaa myös erityisen punaisen valon heijastuksen, joka auttaa koko kaihileikkausprosessissa. Lisäksi optista koherenssitomografiaa (OCT) käytetään laajalti silmäkirurgiassa pinnanalaiseen visualisointiin. Se voi tarjota poikkileikkauskuvia, mikä voittaa itse mikroskoopin rajoitukset, jotka estävät hienojen kudosten näkemisen etupuolelta katsottuna. Esimerkiksi Kapeller ym. käyttivät 4K-3D-näyttöä ja tablettitietokonetta näyttääkseen automaattisesti stereoskooppisesti mikroskooppiin integroidun OCT:n (miOCT) (4D-miOCT) vaikutuskaavion. Käyttäjien subjektiivisen palautteen, kvantitatiivisen suorituskyvyn arvioinnin ja erilaisten kvantitatiivisten mittausten perusteella he osoittivat 4K-3D-näytön käyttökelpoisuuden 4D-miOCT:n korvikkeena valkovalomikroskoopissa. Lisäksi Lata ym. tutkimuksessa kerättiin tietoja 16 synnynnäisestä glaukoomasta ja häränsilmäoireyhtymästä kärsivän potilaan tapauksista ja käytettiin miOCT-toiminnolla varustettua mikroskooppia leikkausprosessin tarkkailuun reaaliajassa. Arvioimalla keskeisiä tietoja, kuten leikkausta edeltäviä parametreja, leikkauksen yksityiskohtia, leikkauksen jälkeisiä komplikaatioita, lopullista näöntarkkuutta ja sarveiskalvon paksuutta, he osoittivat lopulta, että miOCT voi auttaa lääkäreitä tunnistamaan kudosrakenteita, optimoimaan leikkauksia ja vähentämään komplikaatioiden riskiä leikkauksen aikana. Vaikka OCT:stä on vähitellen tulossa tehokas apuväline lasiaisen ja verkkokalvon kirurgiassa, erityisesti monimutkaisissa tapauksissa ja uusissa leikkauksissa (kuten geeniterapiassa), jotkut lääkärit kyseenistävät, voiko se todella parantaa kliinistä tehokkuutta sen korkeiden kustannusten ja pitkän oppimiskäyrän vuoksi.

Korva-, nenä- ja kurkkutaudit

Korva-, nenä- ja kurkkutaudit ovat toinen kirurgian ala, joka hyödyntää kirurgisia mikroskooppeja. Kasvonpiirteiden syvien onteloiden ja herkkien rakenteiden vuoksi suurennus ja valaistus ovat ratkaisevan tärkeitä kirurgisten tulosten kannalta. Vaikka endoskoopit voivat joskus tarjota paremman kuvan kapeista leikkausalueista,erittäin tarkat kirurgiset mikroskoopittarjoavat syvyysvaikutelman, mikä mahdollistaa kapeiden anatomisten alueiden, kuten simpukan ja poskionteloiden, suurentamisen, auttaen lääkäreitä hoidettaessa sairauksia, kuten välikorvatulehdusta ja nenäpolyyppeja. Esimerkiksi Dundar ym. vertasivat mikroskooppi- ja endoskooppimenetelmien vaikutuksia jalustinleikkauksissa otoskleroosin hoidossa keräämällä tietoja 84 otoskleroosipotilaalta, joille tehtiin leikkaus vuosina 2010–2020. Käyttämällä ilman ja luuston johtumisen eron muutosta ennen leikkausta ja sen jälkeen mittausindikaattorina lopputulokset osoittivat, että vaikka molemmilla menetelmillä oli samanlainen vaikutus kuulon paranemiseen, kirurgiset mikroskoopit olivat helpompia käyttää ja niillä oli lyhyempi oppimiskäyrä. Vastaavasti Ashfaq ym. tekemässä prospektiivisessa tutkimuksessa tutkimusryhmä suoritti mikroskooppiavusteisen parotidektomia 70 potilaalle, joilla oli korvasylkirauhasen kasvaimia, vuosina 2020–2023 keskittyen arvioimaan mikroskooppien roolia kasvohermojen tunnistamisessa ja suojaamisessa. Tulokset osoittivat, että mikroskoopeilla on merkittäviä etuja leikkausalueen selkeyden parantamisessa, kasvohermon päärungon ja haarojen tarkassa tunnistamisessa, hermon vetovoiman vähentämisessä ja hemostaasissa, mikä tekee niistä tärkeän työkalun kasvohermojen säilymisen parantamisessa. Lisäksi leikkauksista tullessa yhä monimutkaisempia ja tarkempia, AR:n ja erilaisten kuvantamismoodien integrointi kirurgisiin mikroskooppeihin mahdollistaa kirurgien suorittamat kuvaohjatut leikkaukset.

Neurokirurgia

Ultra-high-definitionin soveltaminenkirurgiset mikroskoopit neurokirurgiassaon siirtynyt perinteisestä optisesta havainnoinnista digitalisaatioon, lisättyyn todellisuuteen (AR) ja älykkääseen apuun. Esimerkiksi Draxinger ym. käyttivät mikroskooppia yhdistettynä itse kehittämäänsä MHz-OCT-järjestelmään, joka tuotti korkean resoluution kolmiulotteisia kuvia 1,6 MHz:n skannaustaajuudella. Tämä auttoi kirurgeja erottamaan kasvaimet ja terveet kudokset reaaliajassa ja paransi kirurgista tarkkuutta. Hafez ym. vertasivat perinteisten mikroskooppien ja erittäin tarkan mikrokirurgisen kuvantamisjärjestelmän (Exoscope) suorituskykyä kokeellisessa aivoverisuonten ohitusleikkauksessa ja havaitsivat, että vaikka mikroskoopilla oli lyhyemmät ompeluajat (P<0,001), Exoscope suoriutui paremmin ompeleiden jakautumisen suhteen (P=0,001). Lisäksi Exoscope tarjosi mukavamman kirurgisen asennon ja jaetun näön, mikä tarjosi pedagogisia etuja. Samoin Calloni ym. vertasivat Exoscopen ja perinteisten kirurgisten mikroskooppien käyttöä neurokirurgian erikoistuvien lääkäreiden koulutuksessa. Kuusitoista erikoistuvaa lääkäriä suoritti toistuvia rakenteellisia tunnistustehtäviä kallon malleilla käyttäen molempia laitteita. Tulokset osoittivat, että vaikka kokonaisleikkausajassa ei ollut merkittävää eroa näiden kahden välillä, Exoscope suoriutui paremmin syvien rakenteiden tunnistamisessa, ja useimmat osallistujat kokivat sen intuitiivisemmaksi ja mukavammaksi, ja sillä on potentiaalia tulla valtavirtaiseksi tulevaisuudessa. On selvää, että erittäin tarkat kirurgiset mikroskoopit, joissa on 4K-teräväpiirtonäytöt, voivat tarjota kaikille osallistujille parempilaatuisia 3D-kirurgisia kuvia, mikä helpottaa kirurgista kommunikaatiota, tiedonsiirtoa ja parantaa opetuksen tehokkuutta.

Selkärangan leikkaus

Erittäin teräväpiirtokirurgiset mikroskoopitkeskeisessä roolissa selkäkirurgian alalla. Tarjoamalla korkean resoluution kolmiulotteista kuvantamista ne mahdollistavat kirurgien tarkastella selkärangan monimutkaista anatomista rakennetta selkeämmin, mukaan lukien hienovaraisia ​​osia, kuten hermoja, verisuonia ja luukudosta, mikä parantaa leikkauksen tarkkuutta ja turvallisuutta. Skolioosin korjauksen osalta kirurgiset mikroskoopit voivat parantaa kirurgisen näön selkeyttä ja hienosäätökykyä, auttaen lääkäreitä tunnistamaan tarkasti hermorakenteita ja sairaita kudoksia kapeassa selkäydinkanavassa, mikä mahdollistaa dekompressio- ja stabilointitoimenpiteiden suorittamisen turvallisesti ja tehokkaasti.

Sun ym. vertasivat mikroskooppiavusteisen etummaisen kaularangan leikkauksen ja perinteisen avoleikkauksen tehokkuutta ja turvallisuutta kaularangan takaosan pitkittäisen nivelsiteen luutumisen hoidossa. Kuusikymmentä potilasta jaettiin mikroskooppiavusteiseen ryhmään (30 tapausta) ja perinteisen leikkausryhmään (30 tapausta). Tulokset osoittivat, että mikroskooppiavusteisella ryhmällä oli paremmat leikkauksen aikainen verenvuoto, sairaalassaoloaika ja leikkauksen jälkeinen kipupisteet verrattuna perinteiseen leikkausryhmään, ja komplikaatioiden määrä oli pienempi mikroskooppiavusteisessa ryhmässä. Vastaavasti selkärangan fuusioleikkauksessa Singhatanadgige ym. vertasivat ortopedisten kirurgisten mikroskooppien ja kirurgisten suurennuslasien vaikutuksia minimaalisesti invasiivisessa transforaminaalisessa lannerangan fuusioleikkauksessa. Tutkimukseen osallistui 100 potilasta, eikä ryhmien välillä havaittu merkittäviä eroja leikkauksen jälkeisessä kivunlievityksessä, toiminnan paranemisessa, selkäydinkanavan laajentumisessa, fuusionopeudessa ja komplikaatioissa, mutta mikroskooppi tarjosi paremman näkökentän. Lisäksi mikroskooppeja yhdistettynä AR-teknologiaan käytetään laajalti selkärangan leikkauksissa. Esimerkiksi Carl ym. vahvistivat AR-teknologian käytön 10 potilaalla käyttäen kirurgisen mikroskoopin päähän kiinnitettyä näyttöä. Tulokset osoittivat, että AR:llä on suuri potentiaali selkärangan degeneratiivisessa kirurgiassa, erityisesti monimutkaisissa anatomisissa tilanteissa ja erikoistuvien lääkäreiden koulutuksessa.

 

Yhteenveto ja näkymät

Verrattuna perinteisiin kirurgisiin mikroskooppeihin, ultra-teräväpiirtoiset kirurgiset mikroskoopit tarjoavat lukuisia etuja, kuten useita suurennusvaihtoehtoja, vakaan ja kirkkaan valaistuksen, tarkat optiset järjestelmät, pidemmät työskentelyetäisyydet ja ergonomiset vakaat jalustat. Lisäksi niiden korkean resoluution visualisointivaihtoehdot, erityisesti integrointi erilaisiin kuvantamistiloihin ja AR-teknologiaan, tukevat tehokkaasti kuvaohjattuja leikkauksia.

Kirurgisten mikroskooppien lukuisista eduista huolimatta ne kohtaavat edelleen merkittäviä haasteita. Kookkaansa vuoksi erittäin tarkat kirurgiset mikroskoopit aiheuttavat tiettyjä toiminnallisia vaikeuksia leikkaussalien välisen kuljetuksen ja leikkauksen aikaisen sijoittelun aikana, mikä voi vaikuttaa haitallisesti kirurgisten toimenpiteiden jatkuvuuteen ja tehokkuuteen. Viime vuosina mikroskooppien rakenteellista suunnittelua on optimoitu merkittävästi, ja niiden optiset kannattimet ja binokulaarilinssien rungot tukevat laajaa kallistus- ja kiertosäätöaluetta, mikä parantaa huomattavasti laitteiden toiminnallista joustavuutta ja helpottaa kirurgin havainnointia ja toimintaa luonnollisemmassa ja mukavammassa asennossa. Lisäksi puettavan näyttöteknologian jatkuva kehitys tarjoaa kirurgeille ergonomisempaa visuaalista tukea mikrokirurgisten toimenpiteiden aikana, mikä auttaa lievittämään leikkausväsymystä ja parantamaan kirurgista tarkkuutta ja kirurgin jatkuvaa suorituskykyä. Tukirakenteen puuttumisen vuoksi tarvitaan kuitenkin usein uudelleentarkennusta, mikä tekee puettavan näyttöteknologian vakaudesta heikompaa kuin perinteisillä kirurgisilla mikroskoopeilla. Toinen ratkaisu on laitteiden rakenteen kehittäminen kohti miniatyrisointia ja modularisointia, jotta ne voidaan mukauttaa joustavammin erilaisiin kirurgisiin tilanteisiin. Tilavuuden pienentäminen edellyttää kuitenkin usein tarkkuuskoneistusprosesseja ja kalliita integroituja optisia komponentteja, mikä tekee laitteiden todellisista valmistuskustannuksista kalliita.

Toinen erittäin teräväpiirtoisten kirurgisten mikroskooppien haaste on tehokkaan valaistuksen aiheuttamat ihopalovammat. Kirkkaiden visuaalisten tehosteiden aikaansaamiseksi, erityisesti useiden tarkkailijoiden tai kameroiden läsnä ollessa, valonlähteen on emittoitava voimakasta valoa, joka voi polttaa potilaan kudosta. On raportoitu, että oftalmologiset kirurgiset mikroskoopit voivat myös aiheuttaa fototoksisuutta silmän pinnalle ja kyynelfilmille, mikä johtaa silmäsolujen toiminnan heikkenemiseen. Siksi valonhallinnan optimointi, täplän koon ja valon voimakkuuden säätäminen suurennuksen ja työskentelyetäisyyden mukaan, on erityisen tärkeää kirurgisissa mikroskoopeissa. Tulevaisuudessa optinen kuvantaminen voi tuoda mukanaan panoraamakuvantamisen ja kolmiulotteisen rekonstruktion tekniikoita näkökentän laajentamiseksi ja leikkausalueen kolmiulotteisen asettelun tarkaksi palauttamiseksi. Tämä antaa lääkäreille paremman käsityksen leikkausalueen kokonaistilanteesta ja estää tärkeiden tietojen menettämisen. Panoraamakuvantamiseen ja kolmiulotteiseen rekonstruktioon liittyy kuitenkin reaaliaikainen korkean resoluution kuvien hankinta, rekisteröinti ja rekonstruointi, mikä tuottaa valtavia määriä dataa. Tämä asettaa erittäin korkeita vaatimuksia kuvankäsittelyalgoritmien tehokkuudelle, laitteiston laskentateholle ja tallennusjärjestelmille, erityisesti leikkauksen aikana, jossa reaaliaikainen suorituskyky on ratkaisevan tärkeää, mikä tekee tästä haasteesta entistäkin merkittävämmän.

Lääketieteellisen kuvantamisen, tekoälyn ja laskennallisen optiikan kaltaisten teknologioiden nopean kehityksen myötä ultra-teräväpiirtoiset kirurgiset mikroskoopit ovat osoittaneet suurta potentiaalia kirurgisen tarkkuuden, turvallisuuden ja käyttökokemuksen parantamisessa. Tulevaisuudessa ultra-teräväpiirtoiset kirurgiset mikroskoopit voivat kehittyä edelleen seuraaviin neljään suuntaan: (1) Laitteiden valmistuksen osalta miniatyrisointi ja modularisointi tulisi saavuttaa alhaisemmilla kustannuksilla, mikä mahdollistaisi laajamittaisen kliinisen sovelluksen; (2) Kehitetään edistyneempiä valonhallintatiloja pitkittyneen leikkauksen aiheuttamien valovaurioiden ratkaisemiseksi; (3) Suunnitellaan älykkäitä apualgoritmeja, jotka ovat sekä tarkkoja että kevyitä ja täyttävät laitteiden laskennalliset suorituskykyvaatimukset; (4) Integroidaan syvästi AR- ja robottikirurgiset järjestelmät alustatuen tarjoamiseksi etäyhteistyölle, tarkalle toiminnalle ja automatisoiduille prosesseille. Yhteenvetona voidaan todeta, että ultra-teräväpiirtoiset kirurgiset mikroskoopit kehittyvät kattavaksi kirurgisen avun järjestelmäksi, joka integroi kuvanparannusta, älykästä tunnistusta ja interaktiivista palautetta, auttaen rakentamaan digitaalista ekosysteemiä tulevaisuuden kirurgiaa varten.

Tämä artikkeli tarjoaa yleiskatsauksen ultra-teräväpiirtoisten kirurgisten mikroskooppien yleisimpien avainteknologioiden kehityksestä keskittyen niiden sovelluksiin ja kehitykseen kirurgisissa toimenpiteissä. Resoluution parantuessa ultra-teräväpiirtomikroskoopit ovat keskeisessä roolissa esimerkiksi neurokirurgiassa, oftalmologiassa, otolaryngologiassa ja selkäkirurgiassa. Erityisesti intraoperatiivisen tarkkuusnavigointiteknologian integrointi minimaalisesti invasiivisiin leikkauksiin on parantanut näiden toimenpiteiden tarkkuutta ja turvallisuutta. Tulevaisuudessa tekoälyn ja robottiteknologioiden kehittyessä ultra-teräväpiirtomikroskoopit tarjoavat tehokkaampaa ja älykkäämpää kirurgista tukea, mikä edistää minimaalisesti invasiivisten leikkausten ja etäyhteistyön etenemistä ja siten parantaa entisestään kirurgista turvallisuutta ja tehokkuutta.