Consideraciones de diseño de iluminación para sistemas de visión de cirugía robótica

El objetivo de la robótica y la cirugía asistida por robot es permitir que los cirujanos realicen procedimientos complejos, que antes no estaban disponibles, con mayor precisión, lo que conduce a una cirugía y tiempos de recuperación reducidos, así como a la reducción de los riesgos para los pacientes. La cirugía robótica ha tenido un impacto significativo en muchas aplicaciones, incluidas la cirugía colorrectal de prostatectomía, nefrectomía e histerectomía. Con los recientes avances tecnológicos, ahora hay más aplicaciones de robótica en desarrollo que nunca.

Para mejorar el flujo de trabajo quirúrgico, el acceso al sitio y los tiempos de recuperación, están apareciendo nuevas innovaciones en todos los subsistemas de la arquitectura robótica quirúrgica. Mejorar la calidad de la imagen con una visualización precisa y consistente permite a los cirujanos tomar decisiones quirúrgicas más informadas durante un procedimiento. Los sistemas de visión quirúrgica combinan cámaras de campo de visión amplio con componentes de iluminación de fibra óptica o LED. Sin embargo, a menudo, en el desarrollo de productos, los requisitos de rendimiento y el diseño del sistema de iluminación requieren mucho menos tiempo y recursos que la cámara.

Para tener un producto exitoso, se deben considerar todos los subsistemas necesarios para brindar una iluminación de alta calidad. Un ejemplo específico de esta situación es un laparoscopio 3D de alta definición que utiliza un chip en la cámara de punta.

El sistema de visión quirúrgica 3D tiene cuatro subsistemas clave:

1. Sistema de iluminación, que lleva la luz al objetivo quirúrgico,
2. La cámara (lentes y sensor CMOS) para captar la luz del tejido,
3. Firmware para controlar la calidad de imagen y la latencia, y
4. Un sistema de visualización (una combinación de pantallas 2D y 3D).

Cada subsistema tiene sus propias preguntas clave que el equipo de diseño debe considerar.

Aplicaciones clínicas

Antes de diseñar un sistema de iluminación robusto, el ingeniero de diseño debe tener una comprensión integral de los objetivos del equipo clínico para un procedimiento quirúrgico determinado. A menudo, un gerente de producto que actúa como la "Voz del cliente" identificará un dispositivo predicado y solicitará la "mejor calidad de imagen". El equipo de I+D tendrá que traducir esta solicitud en requisitos cuantitativos, identificando las modalidades de imagen y los límites numéricos en el FOV, la resolución, la precisión del color y el contraste de la imagen como ejemplos, lo que eventualmente conducirá a los requisitos completos del producto. En este artículo consideraremos una fuente de luz para un laparoscopio 3D con un campo de visión de cámara de 80° y una distancia de trabajo de 5 a 100 mm. Consideraremos principalmente las aplicaciones de luz blanca, pero también analizaremos las consideraciones de fluorescencia.

Para dilucidar esto, consideramos aquí el diseño de un sistema de iluminación basado en fibra, con un motor de luz LED instalado en una carcasa de equipo confinada como parte del "equipo de capital", es decir, la torre de visión. El equipo de capital abarca el carro que normalmente alberga la visión y los sistemas de control adicionales de la plataforma quirúrgica. La arquitectura prevista del sistema quirúrgico es un estereolaparoscopio rígido para uso en un sistema quirúrgico robótico. Para reducir el riesgo en el cronograma, la seguridad y las futuras necesidades de los usuarios de integrar fluorescencia u otras imágenes dependientes de la fuente, consideraremos una solución basada en fibra. Los autores aprecian los avances que los LED continúan logrando en tamaño y eficiencia y abordarán el espacio de diseño al final del artículo.

Consideraciones de iluminación para cirugía robótica

La figura 1 destaca las principales arquitecturas del sistema del sistema de iluminación para una plataforma de cirugía robótica. Para entregar luz al alcance, se requiere una fuente de iluminación, en este caso, un motor de luz. El motor de luz acoplará la luz en una fibra cónica, si es necesario, y luego la entregará a las fibras que transmitirán la luz a la punta.

El motor de luz es una fuente de luz que se instala en equipos de capital. Existen diferentes arquitecturas para estas fuentes, pero se pueden resumir en dos tipos principales. Algunos motores de luz utilizarán una única fuente de banda ancha, mientras que otros aprovecharán la combinación de LED de banda estrecha para crear una fuente de banda ancha. Un solo LED de banda ancha tiene el riesgo de tener que corregir la luz azul debido a la arquitectura del LED blanco que usa un LED azul para activar un fósforo. Una alta proporción de luz azul es absorbida por el tejido rojo. La señal azul alta en los espectros puede generar desafíos en la etapa de ajuste del color y, potencialmente, imágenes que se ven demasiado digitalizadas o "falsas". Un enfoque de LED RGB mixto puede eliminar los problemas de exceso de luz azul, pero requiere una óptica más compleja en el motor de luz para acoplar las tres fuentes en el sistema. Si el sistema requiere iluminación infrarroja cercana (NIR), los LED NIR también se instalan en el motor de luz, lo que compacta el diseño.

Al alojar los LED RGB y NIR en la misma carcasa, las fuentes de luz pueden compartir las mismas fibras que envían la luz a la punta. Esto maximiza la eficiencia del sistema de iluminación del endoscopio. Para transferir la luz desde el motor de luz hasta la punta del endoscopio, se requiere una fibra óptica de apertura numérica alta (NA), así como un sistema óptico para transmitir la luz desde la fuente hasta la punta. El término para describir la salida angular de una fibra es apertura numérica o NA. Cuanto mayor sea la NA, mayor será la salida angular de la fibra. La NA es igual al seno del ángulo más alto que puede entrar y salir de la fibra. La NA de la fibra está determinada por el índice de refracción del núcleo y el revestimiento de la fibra. Cuanto mayor sea la NA, mayor será el ángulo de luz que saldrá de la fibra, iluminando un mayor porcentaje del campo de visión.

Para obtener el mejor rendimiento del cable de fibra óptica, el equipo de diseño debe considerar la relación entre la salida del motor de luz y el cable de fibra óptica. Una solución común es usar una fibra cónica para aumentar el ángulo de la luz que ingresa al endoscopio. El cono de fibra generalmente se instala en el extremo proximal del endoscopio donde se conecta el cable de luz. El cono de fibra convierte la salida de ángulo bajo de área grande del motor de luz en una salida de ángulo alto de área pequeña.

La NA de la luz que sale de la caja de luz suele ser del orden de 0,5 NA, los ángulos asociados con la robótica quirúrgica pueden alcanzar 0,87 NA o más. Las fibras que se conectan a la caja de luz deben ser iguales a la NA de salida de la caja de luz. El cono convertirá la luz de ángulo bajo en luz de ángulo alto para lograr el ángulo de iluminación más amplio. La figura 2 muestra lo que sucede con un haz de luz que entra y sale del cono.

Una alternativa al uso de un cono para alcanzar ángulos de salida altos es diseñar una lente para difundir la luz que sale de la punta del laparoscopio. Un sistema de iluminación asistido por lentes permite ángulos de salida más altos, lo que permite el uso de cámaras FOV más altas en el cuerpo, pero tiene el costo de un diseño menos compacto.

Una vez que la luz se transmite a la fibra óptica del laparoscopio, las fibras se empaquetan para emitir luz a través de la punta, como se muestra en la Figura 3. Esto es más beneficioso que tener una sola cara de salida de luz por dos razones. En primer lugar, permite una integración más sencilla de las fibras en el endoscopio y, en segundo lugar, evita que las sombras no deseadas de los instrumentos quirúrgicos impacten en la imagen.

Consideraciones de calibración y prueba

Al diseñar la fuente de luz, el equipo también debe considerar la tubería de señal de imagen (ISP) que convertirá la imagen capturada y la mostrará en un monitor 2D y 3D de alta definición para el equipo quirúrgico. El ISP puede tener varias calibraciones que se aplican al sistema, incluida la falta de uniformidad de la señal oscura en el sensor de imagen, la falta de uniformidad de la fotorrespuesta, la calibración del color y el balance de blancos. Estas calibraciones permiten correcciones que crean una imagen de alta calidad; sin embargo, si el ISP depende demasiado de las calibraciones, la imagen puede verse muy procesada y es una distracción para el equipo quirúrgico.

Un ISP tendrá bloques que requieren la calibración de cada unidad. Los datos de calibración generalmente se guardan en la memoria instalada en el endoscopio. Comenzar la definición del proceso de calibración temprano y coordinarse con los ingenieros de desarrollo del ISP reducirá el riesgo de problemas de desarrollo en las últimas etapas. Al considerar el ISP y las calibraciones con anticipación, es posible realizar múltiples revisiones de la fuente de luz y el firmware antes del lanzamiento del producto. Las calibraciones tienen límites, y si el sistema de iluminación está diseñado más cerca del uso quirúrgico previsto, se requiere menos resolución de problemas de calibraciones en el proceso de desarrollo.

Ejemplos de calibraciones relacionadas con la fuente de iluminación son la no uniformidad de la fotorrespuesta (PRNU), el balance de blancos y la corrección de color. Estas calibraciones están todas limitadas en su efectividad si la fuente de luz en sí tiene un diseño inferior. La dependencia de las calibraciones para "arreglar" el diseño de la fuente de luz puede hacer que la imagen producida parezca sobreprocesada. Además, si el ISP debe tener memoria asignada a las calibraciones, existe el riesgo de aumentar la latencia del sistema de visión, lo que limita el rendimiento robótico.

Finalmente, después de diseñar el motor de luz, la iluminación, la óptica de imágenes y el firmware de la cámara, se requieren las pruebas adecuadas. A menudo, los componentes del sistema de iluminación requieren una inspección y calibración del 100 % de las fuentes en los equipos de capital y también en los laparoscopios. Estas pruebas requieren operar el dispositivo bajo prueba en una variedad de condiciones utilizando objetivos especializados para medir la precisión del color, la uniformidad y la potencia de salida. El diseño de un sistema para automatizar estas pruebas reduce el riesgo de variabilidad de pieza a pieza y de probador a probador, lo que garantiza que se mantengan los estándares del producto en el campo. Estas estaciones de prueba requieren un diseño mecánico, de sistema y de software detallado para garantizar que tengan una implementación exitosa en las plantas de fabricación.

Existen otras consideraciones para la endoscopia o las aplicaciones de endoscopio flexible. Estos dispositivos a menudo tienen más limitaciones en el espacio disponible para la iluminación, pueden tener solo imágenes 2D, ser de un solo uso u otras advertencias que no pertenecen a los parámetros presentados en el artículo. Para dispositivos de pequeño diámetro y de un solo uso, las fibras plásticas, los LED en la punta y otras soluciones más compactas pueden permitir un producto exitoso, en el que se consideran diferentes consideraciones de diseño y mitigaciones de riesgos.

En resumen, el desarrollo de los componentes de iluminación para los sistemas de cirugía robótica es un proceso complejo. Se debe partir de una comprensión completa de la aplicación clínica y desarrollar esa comprensión. Si se está diseñando un sistema robótico para aplicaciones de luz blanca y NIR, recomendamos un diseño basado en la utilización de una fibra de NA alta con un motor de luz instalado en el equipo de capital. Para lograr el ángulo de iluminación más amplio, se recomienda el uso de fibras de alto NA para enviar luz a la punta del dispositivo. Este es el enfoque de diseño más conciso que evita un diseño demasiado complejo. Otras soluciones pueden generar brechas en la funcionalidad, lo que resulta en un diseño alternativo.

Este artículo fue escrito por Jonathan Brand, ingeniero de sistemas ópticos, y Neil Anderson, PhD, vicepresidente de ventas y marketing, Grey Optics (Portland, ME). Para obtener más información, póngase en contacto con Neil Anderson en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo o visite aquí .