Технологичен напредък и клинични приложения на хирургически микроскопи с ултрависока разделителна способност

 

Хирургически микроскопииграят изключително важна роля в съвременните медицински области, особено във високопрецизните области като неврохирургия, офталмология, отоларингология и минимално инвазивна хирургия, където са се превърнали в незаменимо основно оборудване. С възможности за голямо увеличение,Операционни микроскопиосигуряват детайлен изглед, позволявайки на хирурзите да наблюдават детайли, невидими с просто око, като нервни влакна, кръвоносни съдове и тъканни слоеве, като по този начин помагат на лекарите да избегнат увреждане на здрава тъкан по време на операцията. Особено в неврохирургията, голямото увеличение на микроскопа позволява прецизна локализация на тумори или болни тъкани, осигурявайки ясни граници на резекция и избягвайки увреждане на критични нерви, като по този начин подобрява качеството на следоперативното възстановяване на пациентите.

Традиционните хирургически микроскопи обикновено са оборудвани със системи за показване със стандартна резолюция, способни да предоставят достатъчно визуална информация, за да поддържат сложни хирургически нужди. Въпреки това, с бързото развитие на медицинските технологии, особено с пробивите в областта на визуалните технологии, качеството на изображението на хирургическите микроскопи постепенно се превърна във важен фактор за подобряване на хирургическата прецизност. В сравнение с традиционните хирургически микроскопи, микроскопите с ултрависока разделителна способност могат да представят повече детайли. Чрез въвеждането на системи за показване и изображения с разделителна способност от 4K, 8K или дори по-висока, хирургическите микроскопи с ултрависока разделителна способност позволяват на хирурзите по-точно да идентифицират и манипулират малки лезии и анатомични структури, което значително повишава прецизността и безопасността на хирургията. С непрекъснатата интеграция на технологиите за обработка на изображения, изкуствения интелект и виртуалната реалност, хирургическите микроскопи с ултрависока разделителна способност не само подобряват качеството на изображението, но и осигуряват по-интелигентна поддръжка за хирургията, като водят хирургичните процедури към по-висока прецизност и по-нисък риск.

 

Клинично приложение на микроскоп с ултрависока разделителна способност

С непрекъснатите иновации в технологиите за изображения, микроскопите с ултрависока разделителна способност постепенно играят ключова роля в клиничните приложения, благодарение на изключително високата си резолюция, отличното качество на изображението и възможностите за динамично наблюдение в реално време.

Офталмология

Офталмологичната хирургия изисква прецизна работа, което налага високи технически стандарти.офталмологични хирургически микроскопиНапример, при фемтосекунден лазерен разрез на роговицата, хирургическият микроскоп може да осигури голямо увеличение, за да се наблюдава предната камера, централният разрез на очната ябълка и да се провери позицията на разреза. В офталмологичната хирургия осветлението е от решаващо значение. Микроскопът не само осигурява оптимални визуални ефекти с по-нисък интензитет на светлината, но и произвежда специално отражение на червената светлина, което подпомага целия процес на операция на катаракта. Освен това, оптичната кохерентна томография (OCT) се използва широко в офталмологичната хирургия за подповърхностна визуализация. Тя може да осигури изображения в напречно сечение, преодолявайки ограничението на самия микроскоп, който не може да вижда фини тъкани поради фронтално наблюдение. Например, Kapeller et al. използваха 4K-3D дисплей и таблетен компютър, за да покажат автоматично стереоскопично диаграмата на ефектите на интегрираната с микроскоп OCT (miOCT) (4D-miOCT). Въз основа на субективната обратна връзка от потребителя, количествената оценка на производителността и различни количествени измервания, те демонстрираха осъществимостта на използването на 4K-3D дисплей като заместител на 4D-miOCT на микроскоп с бяла светлина. Освен това, в проучването на Lata et al., чрез събиране на случаи на 16 пациенти с вродена глаукома, придружена от точково изследване («бичи поглед»), те са използвали микроскоп с miOCT функция, за да наблюдават хирургичния процес в реално време. Чрез оценка на ключови данни като предоперативни параметри, хирургически детайли, следоперативни усложнения, крайна зрителна острота и дебелина на роговицата, те в крайна сметка са показали, че miOCT може да помогне на лекарите да идентифицират тъканни структури, да оптимизират операциите и да намалят риска от усложнения по време на операцията. Въпреки че OCT постепенно се превръща в мощен помощен инструмент във витреоретиналната хирургия, особено в сложни случаи и нови операции (като генната терапия), някои лекари поставят под въпрос дали тя наистина може да подобри клиничната ефективност поради високата си цена и дългата крива на обучение.

Отоларингология

Оториноларингологичната хирургия е друга хирургична област, която използва хирургически микроскопи. Поради наличието на дълбоки кухини и деликатни структури в чертите на лицето, увеличението и осветлението са от решаващо значение за хирургическите резултати. Въпреки че ендоскопите понякога могат да осигурят по-добър изглед на тесни хирургични области,хирургически микроскопи с ултрависока разделителна способностпредлагат възприятие за дълбочина, позволявайки увеличение на тесни анатомични области като кохлеята и синусите, помагайки на лекарите при лечение на състояния като отит на средното ухо и носни полипи. Например, Дъндар и др. сравняват ефектите от микроскопските и ендоскопските методи за хирургия на стреместа при лечението на отосклероза, събирайки данни от 84 пациенти, диагностицирани с отосклероза, които са претърпели операция между 2010 и 2020 г. Използвайки промяната в разликата във въздушно-костната проводимост преди и след операцията като индикатор за измерване, крайните резултати показват, че въпреки че и двата метода имат сходни ефекти върху подобряването на слуха, хирургическите микроскопи са по-лесни за работа и имат по-кратка крива на обучение. По подобен начин, в проспективно проучване, проведено от Ашфак и др., изследователският екип извършва микроскопски асистирана паротидектомия на 70 пациенти с тумори на паротидната жлеза между 2020 и 2023 г., фокусирайки се върху оценката на ролята на микроскопите в идентифицирането и защитата на лицевия нерв. Резултатите показват, че микроскопите имат значителни предимства за подобряване на яснотата на хирургичното поле, точно идентифициране на главния ствол и клонове на лицевия нерв, намаляване на нервното сцепление и хемостаза, което ги прави важен инструмент за повишаване на степента на запазване на лицевия нерв. Освен това, тъй като операциите стават все по-сложни и прецизни, интегрирането на добавена реалност (AR) и различни режими на изобразяване с хирургически микроскопи позволява на хирурзите да извършват операции с образно насочване.

Неврохирургия

Приложението на ултрависока разделителна способностхирургически микроскопи в неврохирургиятасе е преместил от традиционно оптично наблюдение към дигитализация, добавена реалност (AR) и интелигентна помощ. Например, Draxinger et al. са използвали микроскоп, комбиниран със самостоятелно разработена MHz-OCT система, предоставяща триизмерни изображения с висока резолюция чрез честота на сканиране 1,6 MHz, като успешно са помагали на хирурзите да разграничават тумори от здрави тъкани в реално време и са подобрявали хирургическата прецизност. Hafez et al. са сравнили производителността на традиционните микроскопи и ултрависококачествената микрохирургична система за изобразяване (Exoscope) в експериментална мозъчно-съдова байпас хирургия, установявайки, че въпреки че микроскопът има по-кратко време за зашиване (P<0,001), Exoscope се представя по-добре по отношение на разпределението на конците (P=0,001). Освен това, Exoscope осигурява по-удобна хирургическа поза и споделено зрение, предлагайки педагогически предимства. По подобен начин, Calloni et al. са сравнили приложението на Exoscope и традиционните хирургически микроскопи в обучението на специализанти по неврохирургия. Шестнадесет специализанти са изпълнили повтарящи се задачи за структурно разпознаване на черепни модели, използвайки и двете устройства. Резултатите показаха, че въпреки че няма съществена разлика в общото време за работа между двата метода, Exoscope се представя по-добре при идентифицирането на дълбоки структури и е възприеман като по-интуитивен и удобен от повечето участници, с потенциал да стане масов в бъдеще. Очевидно е, че ултрависококачествените хирургически микроскопи, оборудвани с 4K дисплеи с висока разделителна способност, могат да предоставят на всички участници по-качествени 3D хирургически изображения, улеснявайки хирургическата комуникация, трансфера на информация и подобрявайки ефективността на обучението.

Спинална хирургия

Ултрависока разделителна способностхирургически микроскопииграят ключова роля в областта на гръбначната хирургия. Чрез осигуряване на триизмерно изобразяване с висока резолюция, те позволяват на хирурзите да наблюдават по-ясно сложната анатомична структура на гръбначния стълб, включително фини части като нерви, кръвоносни съдове и костни тъкани, като по този начин повишават прецизността и безопасността на операцията. По отношение на корекцията на сколиоза, хирургическите микроскопи могат да подобрят яснотата на хирургичното зрение и способността за фина манипулация, помагайки на лекарите точно да идентифицират невронните структури и болните тъкани в тесния гръбначен канал, като по този начин безопасно и ефективно завършат процедурите за декомпресия и стабилизация.

Сън и др. сравниха ефикасността и безопасността на микроскопски асистираната предна цервикална хирургия и традиционната отворена хирургия при лечението на осификация на задния надлъжен лигамент на шийните прешлени. Шестдесет пациенти бяха разделени в групата с микроскопски асистирани операции (30 случая) и групата с традиционна хирургия (30 случая). Резултатите показаха, че групата с микроскопски асистирани операции има по-добри резултати по отношение на интраоперативна кръвозагуба, престой в болница и следоперативна болка в сравнение с групата с традиционна хирургия, а честотата на усложненията е по-ниска в групата с микроскопски асистирани операции. По подобен начин, при спинална фузия, Сингатанаджиге и др. сравниха ефектите от приложението на ортопедични хирургични микроскопи и хирургически лупи при минимално инвазивна трансфораминална лумбална фузия. Проучването включва 100 пациенти и не показва значителни разлики между двете групи по отношение на следоперативното облекчаване на болката, функционалното подобрение, разширяването на гръбначния канал, скоростта на фузия и усложненията, но микроскопът осигурява по-добро зрително поле. Освен това, микроскопите, комбинирани с AR технология, се използват широко в гръбначната хирургия. Например, Карл и др. установиха AR технология при 10 пациенти, използвайки монтиран на главата дисплей на хирургичен микроскоп. Резултатите показват, че добавената реалност (AR) има голям потенциал за приложение в дегенеративната хирургия на гръбначния стълб, особено при сложни анатомични ситуации и обучение на резиденти.

 

Обобщение и перспективи

В сравнение с традиционните хирургически микроскопи, ултрависококачествените хирургически микроскопи предлагат множество предимства, включително множество опции за увеличение, стабилно и ярко осветление, прецизни оптични системи, удължени работни разстояния и ергономични стабилни стойки. Освен това, техните опции за визуализация с висока резолюция, особено интеграцията с различни режими на изобразяване и AR технология, ефективно поддържат операции с насочване на изображения.

Въпреки многобройните предимства на хирургическите микроскопи, те все още са изправени пред значителни предизвикателства. Поради обемистия си размер, хирургическите микроскопи с ултрависока разделителна способност създават определени оперативни трудности по време на транспортиране между операционните зали и интраоперативно позициониране, което може да повлияе неблагоприятно на непрекъснатостта и ефективността на хирургическите процедури. През последните години структурният дизайн на микроскопите е значително оптимизиран, като техните оптични носачи и цилиндъри на бинокулярните лещи поддържат широк диапазон от настройки на наклона и въртенето, което значително подобрява оперативната гъвкавост на оборудването и улеснява наблюдението и работата на хирурга в по-естествена и удобна позиция. Освен това, непрекъснатото развитие на технологията за носими дисплеи осигурява на хирурзите по-ергономична визуална поддръжка по време на микрохирургични операции, помагайки за облекчаване на оперативната умора и подобряване на хирургическата прецизност и устойчивата производителност на хирурга. Поради липсата на поддържаща конструкция обаче се изисква често префокусиране, което прави стабилността на технологията за носими дисплеи по-ниска от тази на конвенционалните хирургически микроскопи. Друго решение е еволюцията на структурата на оборудването към миниатюризация и модуларизация, за да се адаптира по-гъвкаво към различни хирургически сценарии. Намаляването на обема обаче често включва прецизни процеси на обработка и скъпи интегрирани оптични компоненти, което прави действителната производствена цена на оборудването скъпа.

Друго предизвикателство пред хирургическите микроскопи с ултрависока разделителна способност са изгарянията на кожата, причинени от мощно осветление. За да се осигурят ярки визуални ефекти, особено в присъствието на множество наблюдатели или камери, източникът на светлина трябва да излъчва силна светлина, която може да изгори тъканта на пациента. Съобщава се, че офталмологичните хирургически микроскопи могат също да причинят фототоксичност на очната повърхност и слъзния филм, което води до намалена функция на очните клетки. Следователно, оптимизирането на управлението на светлината, регулирането на размера на петното и интензитета на светлината според увеличението и работното разстояние е особено важно за хирургическите микроскопи. В бъдеще оптичното изобразяване може да въведе панорамни изображения и технологии за триизмерна реконструкция, за да разшири зрителното поле и да възстанови точно триизмерното оформление на хирургическата област. Това ще позволи на лекарите да разберат по-добре цялостната ситуация на хирургическата област и да избегнат пропускане на важна информация. Панорамните изображения и триизмерната реконструкция обаче включват придобиване, регистрация и реконструкция на изображения с висока разделителна способност в реално време, генерирайки огромни количества данни. Това поставя изключително високи изисквания към ефективността на алгоритмите за обработка на изображения, изчислителната мощност на хардуера и системите за съхранение, особено по време на операция, където производителността в реално време е от решаващо значение, което прави това предизвикателство още по-важно.

С бързото развитие на технологии като медицинското изобразяване, изкуствения интелект и компютърната оптика, ултрависококачествените хирургически микроскопи демонстрират голям потенциал за подобряване на хирургическата прецизност, безопасността и оперативния опит. В бъдеще ултрависококачествените хирургически микроскопи могат да продължат да се развиват в следните четири посоки: (1) По отношение на производството на оборудване, миниатюризацията и модуларизацията трябва да се постигнат с по-ниски разходи, което ще направи възможно мащабното клинично приложение; (2) Разработване на по-усъвършенствани режими за управление на светлината, за да се реши проблемът с увреждането от светлина, причинено от продължителна операция; (3) Проектиране на интелигентни помощни алгоритми, които са едновременно прецизни и леки, за да отговарят на изискванията за изчислителна производителност на оборудването; (4) Дълбока интеграция на AR и роботизирани хирургически системи, за да се осигури платформена поддръжка за дистанционно сътрудничество, прецизна работа и автоматизирани процеси. В обобщение, ултрависококачествените хирургически микроскопи ще се превърнат в цялостна система за хирургическа помощ, която интегрира подобряване на изображението, интелигентно разпознаване и интерактивна обратна връзка, помагайки за изграждането на цифрова екосистема за бъдеща хирургия.

Тази статия предоставя общ преглед на напредъка в ключовите технологии на ултрависококачествените хирургически микроскопи, с акцент върху тяхното приложение и развитие в хирургичните процедури. С подобряването на разделителната способност, ултрависококачествените микроскопи играят ключова роля в области като неврохирургия, офталмология, отоларингология и гръбначна хирургия. По-специално, интегрирането на интраоперативната технология за прецизна навигация в минимално инвазивните операции повиши прецизността и безопасността на тези процедури. С поглед към бъдещето, с напредването на изкуствения интелект и роботизираните технологии, ултрависококачествените микроскопи ще предлагат по-ефективна и интелигентна хирургическа поддръжка, стимулирайки развитието на минимално инвазивните операции и дистанционното сътрудничество, като по този начин допълнително ще повишат хирургическата безопасност и ефективност.