Optimizando diseño de iluminación para sistemas de visión en cirugía robótica

El objetivo de la robótica y cirugía asistida por robot es permitir a los cirujanos realizar procedimientos complejos, previamente no disponibles, con mayor precisión que conduce a tiempos de cirugía y recuperación reducidos, así como menores riesgos para los pacientes. La cirugía robótica ha tenido impactos significativos en muchas aplicaciones, incluyendo prostatectomía, nefrectomía e histerectomía colorrectal. Con avances recientes en tecnología, ahora hay más aplicaciones de robótica en desarrollo que nunca.

Mejorar flujo de trabajo quirúrgico, acceso al sitio y tiempos de recuperación

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

Cuatro subsistemas clave en sistema de visión 3D laparoscópico

Para tener un producto exitoso, se deben considerar todos los subsistemas requeridos para entregar iluminación de alta calidad. Un ejemplo específico de esta situación es un laparoscopio 3D de alta definición utilizando una cámara chip-on-tip.

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

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

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

Aplicaciones clínicas: entender objetivos del equipo quirúrgico

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 dado. A menudo, un gerente de producto actuando como "Voz del Cliente" identificará un dispositivo predicado y pedirá la "mejor calidad de imagen". El equipo de I+D tendrá que traducir esta solicitud en requisitos cuantitativos, identificando modalidades de imagen y límites numéricos en FOV, resolución, precisión de color y contraste de imagen como ejemplos, eventualmente conduciendo a los requisitos completos del producto. En este artículo consideraremos una fuente de luz para un laparoscopio 3D con campo de visión de cámara de 80° y distancia de trabajo de 5 a 100 mm. Consideraremos principalmente aplicaciones de luz blanca pero también discutiremos consideraciones de fluorescencia.

Para elucidar 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 capital", es decir, torre de visión. El equipo capital abarca el carro que típicamente alberga la visión y sistemas de control adicionales de la plataforma quirúrgica. La arquitectura prevista del sistema quirúrgico es un laparoscopio estereoscópico rígido para uso en un sistema quirúrgico robótico. Para reducir riesgo en cronograma, seguridad y futuras necesidades de usuario de integrar fluorescencia u otras imágenes dependientes de fuente, consideraremos una solución basada en fibra. Los autores aprecian los avances que los LEDs continúan haciendo en tamaño y eficiencias y abordarán el espacio de diseño al final del artículo.

Consideraciones de iluminación para cirugía robótica

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

Motor de luz: fuente de banda ancha única vs. mezcla RGB

El motor de luz es una fuente de luz instalada en equipo capital. Hay diferentes arquitecturas para estas fuentes, pero pueden destilarse en dos tipos principales. Algunos motores de luz usarán una sola fuente de banda ancha, mientras que otros aprovecharán la mezcla de LEDs de banda estrecha para crear una fuente de banda ancha. Un LED de banda ancha único tiene el riesgo de necesitar corrección por luz azul debido a la arquitectura de LED blanco que usa un LED azul para activar un fósforo. Una alta proporción de luz azul es absorbida por tejido rojo. La alta señal azul en el espectro puede llevar a desafíos en la etapa de ajuste de color y, potencialmente, imágenes que se ven demasiado digitalizadas o "falsas". Un enfoque de LED RGB mezclado puede eliminar los problemas de exceso de luz azul pero requiere ópticas más complejas en el motor de luz para acoplar las tres fuentes en el sistema. Si el sistema requiere iluminación infrarroja cercana (NIR), los LEDs NIR se instalan en el motor de luz también, compactando el diseño.

Albergar RGB y NIR en misma carcasa: maximiza eficiencia

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

Taper de fibra: convierte salida de bajo ángulo a alto ángulo

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 un taper de fibra para aumentar el ángulo de luz entrando al endoscopio. El taper de fibra se instala típicamente en el extremo proximal del endoscopio donde se conecta el cable de luz. El taper de fibra convierte la salida de gran área, bajo ángulo del motor de luz a una salida de área pequeña, alto ángulo.

El NA de la luz saliendo de la caja de luz es típicamente del orden de 0.5 NA, los ángulos asociados con robótica quirúrgica pueden alcanzar 0.87 NA o más. Las fibras que conectan a la caja de luz deben igualar el NA de salida de la caja de luz. El taper convertirá la luz de bajo ángulo a luz de alto ángulo para lograr el ángulo de iluminación más amplio. La Figura 2 muestra qué le pasa a un haz de luz entrando y saliendo del taper.

Alternativa: lente para expandir luz en punta

Una alternativa a usar un taper para alcanzar altos ángulos de salida es diseñar una lente para expandir la luz saliendo de la punta del laparoscopio. Un sistema de iluminación asistido por lente permite ángulos de salida más altos, permitiendo cámaras de mayor FOV para uso en el cuerpo, pero viene con el costo de un diseño menos compacto.

Empaquetado de fibras en punta: evita sombras de herramientas

Una vez que la luz se transmite a las fibras ópticas del laparoscopio, las fibras se empaquetan para emitir luz a través de la punta, mostrado en Figura 3. Esto es más beneficioso que tener una sola cara de salida de luz por dos razones. Primero, permite una integración más fácil de las fibras en el endoscopio, y segundo previene sombras no deseadas de herramientas quirúrgicas impactando 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 aplicadas al sistema, incluyendo no uniformidad de señal oscura en el sensor de imagen, no uniformidad de foto-respuesta, calibración de color y balance de blancos. Estas calibraciones permiten correcciones que crean una imagen de alta calidad; sin embargo, si el ISP depende demasiado de calibraciones, la imagen puede verse altamente procesada y ser una distracción para el equipo quirúrgico.

Un ISP tendrá bloques que requieren calibración de cada unidad. Los datos de calibración se guardan típicamente en memoria instalada en el endoscopio. Comenzar la definición del proceso de calibración temprano y coordinar con ingenieros de desarrollo de ISP reducirá riesgo de problemas de desarrollo en etapas tardías. Al considerar el ISP y calibraciones temprano, múltiples revisiones de la fuente de luz y firmware son posibles antes del lanzamiento del producto. Las calibraciones tienen límites, y si el sistema de iluminación se diseña más cerca del uso quirúrgico previsto, se requiere menos solución de problemas de calibraciones en el proceso de desarrollo.

Ejemplos de calibraciones relacionadas con la fuente de iluminación son no uniformidad de foto-respuesta (PRNU), balance de blancos y corrección de color. Estas calibraciones son todas limitadas en su efectividad si la fuente de luz en sí tiene un diseño inferior. La dependencia en calibraciones para "arreglar" el diseño de la fuente de luz puede llevar a que la imagen producida se vea sobre-procesada. Además, si el ISP debe tener memoria asignada a calibraciones, hay riesgo de aumentar la latencia del sistema de visión, limitando el rendimiento robótico.

Pruebas automatizadas para mantener estándares

Finalmente, después de que el motor de luz, iluminación, óptica de imagen y firmware de cámara estén diseñados, se requieren pruebas adecuadas. A menudo, los componentes del sistema de iluminación requieren inspección y calibración al 100% en las fuentes en equipo capital y laparoscopios también. Estas pruebas requieren operar el dispositivo bajo prueba en una variedad de condiciones usando blancos especializados para medir precisión de color, uniformidad y potencia de salida. Diseñar un sistema para automatizar estas pruebas reduce el riesgo de variabilidad pieza a pieza y probador a probador, asegurando que los estándares de producto se mantengan en el campo. Estas estaciones de prueba requieren diseño mecánico, de sistema y software detallado para asegurar despliegue exitoso en pisos de fabricación.

Otras consideraciones: endoscopios flexibles y dispositivos de un solo uso

Hay otras consideraciones para endoscopia, o aplicaciones de endoscopios flexibles. Estos dispositivos a menudo tienen más limitaciones en espacio disponible para iluminación, pueden tener solo imagen 2D, ser de un solo uso, u otras advertencias no pertinentes a los parámetros presentados en el artículo. Para dispositivos de diámetro pequeño y de un solo uso, fibras plásticas, LEDs en la punta y otras soluciones más compactas pueden permitir un producto exitoso, en el que se consideran diferentes consideraciones de diseño y mitigación de riesgos.

Resumen

Para resumir, el desarrollo de componentes de iluminación para sistemas de cirugía robótica es un proceso complejo. Se debe partir de una comprensión completa de la aplicación clínica y construir sobre esa comprensión. Si se está diseñando un sistema robótico para aplicaciones de luz blanca y NIR, recomendamos un diseño basado en utilizar una fibra de alto NA con un motor de luz instalado en el equipo capital. Para lograr el ángulo de iluminación más amplio, se recomienda el uso de fibras de alto NA para entregar luz a la punta del dispositivo. Este es el enfoque de diseño más conciso que evita un diseño demasiado complejo. Otras soluciones pueden llevar a brechas en funcionalidad, resultando en un diseño de workaround.

Este artículo fue escrito por Jonathan Brand, Ingeniero de Sistemas Ópticos, y Neil Anderson, PhD, VP Ventas y Marketing, Gray Optics (Portland, ME). Para más información, contacte a Neil Anderson en [email protegido], o visite aquí.