Considerazioni sulla progettazione dell'illuminazione per i sistemi di visione per chirurgia robotica

L’obiettivo della robotica e della chirurgia assistita da robot è consentire ai chirurghi di eseguire procedure complesse, precedentemente non disponibili, con maggiore precisione, il che porta a tempi chirurgici e di recupero ridotti, oltre a ridurre i rischi per i pazienti. La chirurgia robotica ha avuto un impatto significativo in molte applicazioni, tra cui la prostatectomia, la nefrectomia e la chirurgia colorettale dell’isterectomia. Con i recenti progressi tecnologici, ora ci sono più applicazioni di robotica in sviluppo che mai.

Per migliorare il flusso di lavoro chirurgico, l’accesso al sito e i tempi di recupero, stanno comparendo nuove innovazioni in tutti i sottosistemi dell’architettura robotica chirurgica. Il miglioramento della qualità dell'immagine con una visualizzazione accurata e coerente consente ai chirurghi di prendere decisioni chirurgiche più informate durante una procedura. I sistemi di visione chirurgica abbinano telecamere ad ampio campo visivo a componenti di illuminazione a fibra ottica o LED. Spesso nello sviluppo del prodotto, tuttavia, ai requisiti prestazionali e alla progettazione del sistema di illuminazione vengono concessi molto meno tempo e risorse rispetto alla telecamera.

Per avere un prodotto di successo, è necessario considerare tutti i sottosistemi necessari per fornire un'illuminazione di alta qualità. Un esempio specifico di questa situazione è un laparoscopio 3D ad alta definizione che utilizza una fotocamera con chip on tip.

Il sistema di visione chirurgica 3D ha quattro sottosistemi chiave:

Ogni sottosistema ha le proprie domande chiave che il team di progettazione dovrebbe considerare.

Prima di progettare un robusto sistema di illuminazione, l'ingegnere progettista deve avere una conoscenza approfondita degli obiettivi del team clinico per una determinata procedura chirurgica. Spesso, un product manager che agisce come "voce del cliente" identificherà un dispositivo prescelto e chiederà la "migliore qualità dell'immagine". Il team di ricerca e sviluppo dovrà tradurre questa richiesta in requisiti quantitativi, identificando come esempi le modalità di imaging e i limiti numerici su FOV, risoluzione, accuratezza del colore e contrasto dell'immagine, per arrivare infine ai requisiti completi del prodotto. In questo articolo prenderemo in considerazione una sorgente luminosa per un laparoscopio 3D con un campo visivo della telecamera di 80° e una distanza di lavoro da 5 a 100 mm. Considereremo principalmente le applicazioni della luce bianca, ma discuteremo anche considerazioni sulla fluorescenza.

Per chiarire questo, consideriamo qui il progetto di un sistema di illuminazione a fibra, con un motore di luce a LED installato in un alloggiamento confinato per le apparecchiature come parte del "capitale strumentale", ovvero della torre di visione. L'attrezzatura comprende il carrello che solitamente ospita i sistemi di visione e di controllo aggiuntivi della piattaforma chirurgica. L'architettura prevista del sistema chirurgico è uno stereolaparoscopio rigido da utilizzare in un sistema chirurgico robotico. Per ridurre il rischio legato alla pianificazione, alla sicurezza e alle future esigenze degli utenti legate all'integrazione della fluorescenza o dell'imaging dipendente da altre fonti, prenderemo in considerazione una soluzione basata su fibra. Gli autori apprezzano i progressi che i LED continuano a fare in termini di dimensioni ed efficienza e affronteranno lo spazio di progettazione alla fine dell'articolo.

La Figura 1 evidenzia le principali architetture del sistema di illuminazione per una piattaforma di chirurgia robotica. Per fornire luce al telescopio, è necessaria una fonte di illuminazione, in questo caso un motore luminoso. Il motore luminoso accoppierà la luce in un cono di fibra, se necessario, e quindi la consegnerà alle fibre che trasmetteranno la luce alla punta.

Il light engine è una sorgente luminosa installata nei beni strumentali. Esistono diverse architetture per queste fonti, ma possono essere distillate in due tipi principali. Alcuni motori di illuminazione utilizzeranno un'unica sorgente a banda larga, mentre altri trarranno vantaggio dalla combinazione di LED a banda stretta per creare una sorgente a banda larga. Un singolo LED a banda larga corre il rischio di dover correggere la luce blu a causa dell’architettura LED bianca che utilizza un LED blu per attivare un fosforo. Un'elevata percentuale di luce blu viene assorbita dal tessuto rosso. Il segnale blu elevato negli spettri può portare a problemi nella fase di regolazione del colore e, potenzialmente, a immagini che sembrano troppo digitalizzate o "false". Un approccio misto a LED RGB può eliminare i problemi di luce blu in eccesso, ma richiede un'ottica più complessa nel motore di illuminazione per accoppiare le tre sorgenti nel sistema. Se il sistema richiede illuminazione nel vicino infrarosso (NIR), i LED NIR vengono installati anche nel motore di illuminazione, compattando il design.