Considerações de design de iluminação para sistemas de visão de cirurgia robótica

O objetivo da robótica e da cirurgia assistida por robótica é permitir que os cirurgiões realizem procedimentos complexos, anteriormente indisponíveis, com maior precisão, o que reduz o tempo de cirurgia e recuperação, além de diminuir os riscos para os pacientes. A cirurgia robótica causou impactos significativos em muitas aplicações, incluindo prostatectomia, nefrectomia e cirurgia colorretal histerectomia. Com os recentes avanços na tecnologia, agora existem mais aplicações de robótica em desenvolvimento do que nunca.

Para melhorar o fluxo de trabalho cirúrgico, o acesso ao local e os tempos de recuperação, novas inovações estão aparecendo em todos os subsistemas da arquitetura robótica cirúrgica. Melhorar a qualidade da imagem com visualização precisa e consistente permite que os cirurgiões tomem decisões cirúrgicas mais informadas durante um procedimento. Os sistemas de visão cirúrgica combinam câmeras de amplo campo de visão com componentes de iluminação de fibra óptica ou LED. Muitas vezes, no desenvolvimento de produtos, no entanto, os requisitos de desempenho e o design do sistema de iluminação recebem muito menos tempo e recursos do que a câmera.

Para ter um produto de sucesso, é preciso considerar todos os subsistemas necessários para fornecer iluminação de alta qualidade. Um exemplo específico dessa situação é um laparoscópio 3D de alta definição que utiliza uma câmera com chip na ponta.

O sistema de visão cirúrgica 3D tem quatro subsistemas principais:

1. Sistema de iluminação, que traz luz ao alvo cirúrgico,
2. A câmera (lentes e sensor CMOS) para capturar a luz do tecido,
3. Firmware para controlar a qualidade e a latência da imagem e
4. Um sistema de exibição (uma combinação de exibições 2D e 3D).

Cada subsistema tem suas próprias questões-chave que a equipe de projeto deve considerar.

Aplicações clínicas

Antes de projetar um sistema de iluminação robusto, o engenheiro de projeto deve ter uma compreensão abrangente dos objetivos da equipe clínica para um determinado procedimento cirúrgico. Muitas vezes, um gerente de produto atuando como a “Voz do Cliente” identificará um dispositivo predicado e solicitará a “melhor qualidade de imagem”. A equipe de P&D terá que traduzir essa solicitação em requisitos quantitativos, identificando modalidades de imagem e limites numéricos de FOV, resolução, precisão de cores e contraste de imagem como exemplos, levando aos requisitos completos do produto. Neste artigo, consideraremos uma fonte de luz para um laparoscópio 3D com um campo de visão da câmera de 80° e uma distância de trabalho de 5 a 100 mm. Consideraremos principalmente aplicações de luz branca, mas também discutiremos as considerações de fluorescência.

Para elucidar isso, consideramos aqui o projeto de um sistema de iluminação baseado em fibra, com um motor de luz LED instalado em uma carcaça de equipamento confinado como parte do “equipamento capital”, ou seja, torre de visão. O equipamento de capital engloba o carrinho que normalmente abriga a visão e os sistemas de controle adicionais da plataforma cirúrgica. A arquitetura pretendida do sistema cirúrgico é um estereo-laparoscópio rígido para uso em um sistema cirúrgico robótico. Para reduzir o risco de programação, segurança e necessidades futuras do usuário de integrar fluorescência ou outras imagens dependentes de fonte, consideraremos uma solução baseada em fibra. Os autores apreciam os avanços que os LEDs continuam a fazer em tamanho e eficiência e abordarão o espaço de design no final do artigo.

Considerações sobre iluminação para cirurgia robótica

A Figura 1 destaca as principais arquiteturas do sistema de iluminação para uma plataforma de cirurgia robótica. Para fornecer luz ao osciloscópio, é necessária uma fonte de iluminação – neste caso, um mecanismo de luz. O mecanismo de luz acoplará a luz em um cone de fibra, se necessário, e a entregará às fibras que transmitirão luz à ponta.

O mecanismo de luz é uma fonte de luz que é instalada em equipamentos de capital. Existem diferentes arquiteturas para essas fontes, mas elas podem ser reduzidas a dois tipos principais. Alguns motores de luz usarão uma única fonte de banda larga, enquanto outros aproveitarão a mistura de LEDs de banda estreita para criar uma fonte de banda larga. Um único LED de banda larga corre o risco de precisar corrigir a luz azul devido à arquitetura do LED branco que usa um LED azul para ativar um fósforo. Uma alta proporção de luz azul é absorvida pelo tecido vermelho. O sinal de azul alto nos espectros pode levar a desafios no estágio de ajuste de cores e, potencialmente, imagens que parecem muito digitalizadas ou “falsas”. Uma abordagem de LED RGB mista pode eliminar os problemas de excesso de luz azul, mas requer ótica mais complexa no mecanismo de luz para acoplar as três fontes ao sistema. Se o sistema requer iluminação de infravermelho próximo (NIR), os LEDs NIR também são instalados no motor de luz, compactando o design.

Ao abrigar os LEDs RGB e NIR na mesma caixa, as fontes de luz podem compartilhar as mesmas fibras que fornecem a luz à ponta. Isso maximiza a eficiência do sistema de iluminação do endoscópio. Para transferir a luz do mecanismo de luz para a ponta do endoscópio, é necessária uma fibra óptica de abertura altamente numérica (NA), bem como um sistema óptico para retransmitir a luz da fonte para a ponta. O termo para descrever a saída angular de uma fibra é abertura numérica, ou NA. Quanto maior o NA, maior a saída angular da fibra. O NA é igual ao seno do maior ângulo que pode entrar e sair da fibra, O NA da fibra é determinado pelo índice de refração do núcleo e do revestimento da fibra. Quanto maior o NA, maior o ângulo de saída da luz da fibra, iluminando uma porcentagem maior do campo de visão.

Para obter o melhor desempenho do cabo de fibra óptica, a equipe de projeto deve considerar a relação entre a saída do motor de luz e o cabo de fibra óptica. Uma solução comum é usar um cone de fibra para aumentar o ângulo da luz que entra no endoscópio. O cone de fibra é normalmente instalado na extremidade proximal do endoscópio onde o cabo de luz se conecta. O cone de fibra converte a saída de grande área e baixo ângulo do motor leve em uma saída de pequena área e alto ângulo.

O NA da luz que sai da caixa de luz é tipicamente da ordem de 0,5 NA, os ângulos associados à robótica cirúrgica podem chegar a 0,87 NA ou mais. As fibras que se conectam à caixa de luz devem ser iguais ao NA de saída da caixa de luz. O afunilamento converterá a luz de baixo ângulo em luz de alto ângulo para obter o ângulo de iluminação mais amplo. A Figura 2 mostra o que acontece com um feixe de luz entrando e saindo do cone.

Uma alternativa ao uso de um cone para alcançar ângulos de saída altos é projetar uma lente para espalhar a luz que sai da ponta do laparoscópio. Um sistema de iluminação auxiliado por lente permite ângulos de saída mais altos, permitindo câmeras com FOV mais altos para uso no corpo, mas tem o custo de um design menos compacto.

Uma vez que a luz é transmitida para a fibra óptica do laparoscópio, as fibras são empacotadas para emitir luz através da ponta, mostrada na Figura 3. Isso é mais benéfico do que ter uma única face de saída de luz por dois motivos. Em primeiro lugar, permite uma integração mais fácil das fibras no osciloscópio e, em segundo lugar, evita que sombras indesejadas de instrumentos cirúrgicos afetem a imagem.

Considerações sobre calibração e teste

Ao projetar a fonte de luz, a equipe também deve considerar o pipeline de sinal de imagem (ISP) que converterá a imagem capturada e a exibirá em um monitor 2D e 3D de alta definição para a equipe cirúrgica. O ISP pode ter várias calibrações aplicadas ao sistema, incluindo não uniformidade de sinal escuro no sensor de imagem, não uniformidade de foto-resposta, calibração de cores e balanço de branco. Essas calibrações permitem correções que criam uma imagem de alta qualidade; no entanto, se o ISP depender muito de calibrações, a imagem pode parecer altamente processada e ser uma distração para a equipe cirúrgica.

Um ISP terá blocos que requerem calibração de cada unidade. Os dados de calibração normalmente são salvos na memória instalada no endoscópio. Iniciar a definição do processo de calibração antecipadamente e coordenar com os engenheiros de desenvolvimento do ISP reduzirá o risco de problemas de desenvolvimento em estágio avançado. Ao considerar o ISP e as calibrações antecipadamente, várias revisões da fonte de luz e do firmware são possíveis antes do lançamento do produto. As calibrações têm limites e, se o sistema de iluminação for projetado mais próximo do uso cirúrgico pretendido, será necessária menos solução de problemas de calibrações no processo de desenvolvimento.

Exemplos de calibrações relacionadas à fonte de iluminação são não uniformidade de foto-resposta (PRNU), balanço de branco e correção de cor. Essas calibrações são todas limitadas em sua eficácia se a própria fonte de luz tiver um design inferior. A dependência de calibrações para “consertar” o design da fonte de luz pode fazer com que a imagem produzida pareça superprocessada. Além disso, se o ISP precisar ter memória alocada para calibrações, existe o risco de aumentar a latência do sistema de visão, limitando o desempenho robótico.

Finalmente, depois que o mecanismo de luz, a iluminação, a ótica de imagem e o firmware da câmera são projetados, são necessários testes adequados. Muitas vezes, os componentes do sistema de iluminação exigem 100% de inspeção e calibração nas fontes em equipamentos de capital e também em laparoscópios. Esses testes exigem a operação do dispositivo em teste em uma variedade de condições usando alvos especializados para medir a precisão da cor, uniformidade e saída de energia. Projetar um sistema para automatizar esses testes reduz o risco de variabilidade peça a peça e testador a testador, garantindo que os padrões do produto sejam mantidos em campo. Essas estações de teste exigem projeto detalhado de mecânica, sistema e software para garantir que tenham implantação bem-sucedida em chão de fábrica.

Existem outras considerações para endoscopia ou aplicações de escopo flexível. Esses dispositivos geralmente têm mais limitações de espaço disponível para iluminação, podem ter apenas imagens 2D, ser de uso único ou outras ressalvas não pertencentes aos parâmetros apresentados no artigo. Para dispositivos de pequeno diâmetro e de uso único, fibras plásticas, LEDs na ponta e outras soluções mais compactas podem possibilitar um produto de sucesso, no qual são consideradas diferentes considerações de projeto e mitigação de riscos.

Resumindo, o desenvolvimento dos componentes de iluminação para sistemas de cirurgia robótica é um processo complexo. Deve-se partir de uma compreensão completa da aplicação clínica e construir essa compreensão. Se alguém estiver projetando um sistema robótico para aplicações de luz branca e NIR, recomendamos um projeto baseado na utilização de uma fibra de alto NA com um motor de luz instalado no equipamento de capital. Para obter o ângulo de iluminação mais amplo, recomenda-se o uso de fibras de alto NA para fornecer luz à ponta do dispositivo. Esta é a abordagem de design mais concisa que evita um design excessivamente complexo. Outras soluções podem levar a lacunas na funcionalidade, resultando em um projeto de solução alternativa.

Este artigo foi escrito por Jonathan Brand, engenheiro de sistemas ópticos, e Neil Anderson, PhD, vice-presidente de vendas e marketing, Gray Optics (Portland, ME). Para mais informações, entre em contato com Neil Anderson em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo., ou visite aqui .