Desenvolvimento de sistemas avançados de iluminação e imagem para endoscopia médica por fluorescência

(Imagem:sofiko14/adobe.stock.com)
O desenvolvimento de sistemas de imagem endoscópica requer coordenação entre diversas disciplinas de engenharia, especialmente para iluminação óptica e motores de imagem, particularmente ao adicionar recursos de imagem de fluorescência. A iluminação óptica e os mecanismos de imagem estabelecem a base para a construção de produtos de imagem intuitivos e eficazes e se tornam ainda mais críticos ao adicionar recursos de imagem de fluorescência (FI) às necessidades do usuário.

A FI auxilia na localização de anatomia crítica durante a cirurgia, usando contrastes sistêmicos como ICG e fluoresceína, e contrastes direcionados como CYTALUX.1 Para fazer isso, a FI intraoperatória requer considerações de design de sistema diferentes - e muitas vezes opostas - quando comparada à endoscopia de luz branca.2
A imagem de fluorescência em endoscopia apresenta desafios devido à baixa intensidade do sinal e à complexidade do hardware, exigindo sensores sensíveis, filtros ópticos específicos e fontes de iluminação de banda estreita de alta potência. (Imagem:iStock)
A FI em endoscopia apresenta desafios devido à baixa intensidade de sinal e complexidade de hardware, exigindo sensores sensíveis, filtros ópticos específicos e fontes de iluminação de banda estreita de alta potência. As equipes de desenvolvimento devem considerar essas implicações técnicas ao projetar recursos de FI em seus produtos de endoscopia, sem comprometer a funcionalidade da endoscopia com luz branca. A funcionalidade FI é adicionada a pipelines de processamento de sinais de imagem, especificações de sistemas embarcados, fluxos de trabalho de visualização de imagens e engenharia de fatores humanos. Levar em conta essas necessidades na especificação de imagens e iluminação FI estabelece a base para o desenvolvimento de produtos e influencia criticamente o sucesso do projeto.

Neste artigo, discutimos alguns pontos críticos a serem considerados no desenvolvimento de imagens endoscópicas de fluorescência e mecanismos de iluminação em apoio ao trabalho de desenvolvimento mais amplo necessário para lançar seu produto. A ênfase é colocada no co-desenvolvimento de mecanismos de iluminação e imagem para melhor posicionar sua equipe de desenvolvimento de produtos para o sucesso por meio da execução e mitigação de riscos.
As dimensões físicas do sensor da câmera e o tamanho da embalagem informam o design da lente e as especificações do envelope mecânico. (Imagem:FISBA)

Definição do produto

As equipes precisam entender alguns requisitos principais antecipadamente antes de definir o escopo das especificações técnicas:

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  Indicações Clínicas
  
  Que condições e doenças eles serão usados para tratar?
  
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  Onde seu dispositivo será implantado?
  
  Você está buscando um laparoscópio rígido para cirurgia geral, um artroscópio bem confinado para cirurgia ortopédica, um endoscópio luminal flexível ou algo mais?
  
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  Quais distâncias de trabalho precisam ser visualizadas durante os procedimentos?
  
  Os usuários realizarão imagens artroscópicas em locais apertados? Navegando pela anatomia biliar através de um trocarte? Imagens de estruturas luminais como trato gastrointestinal ou pulmão?
  
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  Quais são as expectativas dos usuários em relação ao desempenho do sistema de imagem?
  
  Eles esperam ver contraste simultâneo de luz branca e fluorescência? Qual é o fluxo de trabalho passo a passo para o produto ideal na prática clínica?
  

Com essas questões-chave respondidas, as especificações detalhadas serão abordadas a seguir.

Seleção de fluoróforo

O fluoróforo selecionado definirá a complexidade dos requisitos do projeto óptico, especificações do filtro e contraste de sinal esperado. Por sua vez, esta decisão também determina as especificações do mecanismo de iluminação e do sensor de imagem necessárias para um produto de alto desempenho. Ao avaliar candidatos a fluoróforos, considere o seguinte:

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  Indicações aprovadas e off-label determinará quando o dispositivo poderá ser útil na prática clínica.
  
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  Faixas de concentração fisiologicamente relevantes estabeleça expectativas para o contraste da imagem e restrinja as especificações para câmeras, lentes e design de mecanismo de iluminação.
  
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  Espectros de excitação e emissão de fluorescência orientará o design da lente, os componentes do mecanismo de iluminação e as especificações do filtro.
  
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  Eficiência quântica indica quão eficientemente a iluminação será convertida em fótons fluorescentes detectáveis, definindo especificações de iluminação e mecanismo de imagem.
  
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  Fotoestabilidade determina quanto tempo um fluoróforo pode ser iluminado antes de perder o sinal e quão brilhante o mecanismo de iluminação precisa ser.
  
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  Taxa de depuração fisiológica define procedimentos de fluxo de trabalho que informam a funcionalidade do dispositivo.
  

Esses parâmetros ajudarão você a estimar e modelar a quantidade de luz que você pode esperar ver durante procedimentos clínicos para definir a especificação de componente necessária para o seu produto.

Seleção do sensor da câmera

Existem soluções para onde quer que a luz branca seja direcionada para uma aplicação através de fibras ópticas finas. Os módulos LED RGB permitem alto índice de reprodução de cores e flexibilidade de temperatura de cor. (Imagem:FISBA)
O formato do produto, a qualidade da imagem e os limites de detecção dependem muito do sensor de imagem. Dependendo do fluoróforo, do envelope mecânico desejado do produto e das especificações da lente de imagem, as opções de sensor da sua câmera podem ser reduzidas.

Muitas equipes precisam decidir antecipadamente sobre uma arquitetura de endoscópio baseada em chip-on-tip (COT) ou em lentes de haste. Os endoscópios COT tendem a usar sensores menores que minimizam o envelope mecânico e funcionam bem para aplicações flexíveis de endoscopia com luz branca. Os sensores de imagem COT tendem a sacrificar a fidelidade espacial e o contraste em função do tamanho e do custo, portanto, podem ter dificuldades com aplicações de alta sensibilidade, como a localização de tumores. Endoscópios com lentes em haste estilo Hopkins são comuns em laparoscópios e artroscópios rígidos. Eles geralmente apresentam um cabeçote de câmera de uso persistente que oferece flexibilidade de especificação e sobrecarga de qualidade de imagem em detrimento do tamanho e do custo.

As especificações críticas a serem consideradas na seleção da câmera são:

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  Dimensões físicas do sensor da câmera e tamanho da embalagem informa o design da lente e as especificações do envelope mecânico.
  
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  Resolução nativa do sensor determina quais especificações de processamento de imagem e sistemas embarcados são necessárias para produzir imagens de alta qualidade.
  
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  Especificações de vários sensores oferecem flexibilidade para escolher sensores ideais para endoscopia de fluorescência e luz branca separadamente, se seu envelope mecânico permitir.
  
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  Sensibilidade espectral de diferentes canais de cores - especialmente na banda de emissão espectral do seu fluoróforo - influencia o mecanismo de iluminação e as especificações da lente de imagem do seu dispositivo.
  
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  Eficiência Quântica do Sensor informa o mecanismo de iluminação, o processamento de imagem e as especificações da lente do seu produto.
  
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  Intervalo dinâmico ditará os limites de detecção de fluorescência de seus produtos e acionará o mecanismo de iluminação, o design das lentes, o processamento de imagens e as especificações dos sistemas embarcados.
  
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  Profundidade de bits da imagem de saída influencia a sensibilidade da imagem, limites de detecção, complexidade de processamento de sinal de imagem e especificações de sistemas embarcados.
  
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  Ruído escuro e desempenho de ruído de leitura dita os limites de detecção dos produtos e influencia o processamento de imagens, visualização e especificações de sistemas embarcados.
  
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  Protocolo de interface eletrônica molda como o seu mecanismo de visualização interagirá com o hardware da câmera de maneira estável?
  
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  Especificação do ângulo do raio principal em alguns sensores de imagem informarão as especificações de design da lente que afetam a qualidade da imagem em grandes faixas de cores.
  

Arquiteturas avançadas de sensores de imagem podem estender formatos de imagem em cores RGB padrão para outras bandas espectrais. Em vez de fornecer imagens RGB de luz visível, esses sensores usam filtros de cores especializados em nível de pixel para aumentar as imagens RGB com faixas espectrais distintas em um pacote de sensor único. Embora compliquem o fluxo de trabalho de processamento de sinal de imagem, esses sensores oferecem um pacote de hardware simplificado para fabricação. A seleção de fluoróforos, o design das lentes e as especificações do mecanismo de iluminação determinarão se essas arquiteturas de sensores são opções viáveis.

Design e filtragem de lentes

Lentes de imagem cromaticamente otimizadas com f/# baixo maximizarão a detecção de sinal FI e oferecerão mais flexibilidade para processamento de sinal de imagem e desenvolvimento de sistemas embarcados. No entanto, isso geralmente vem com campos de visão mais estreitos e profundidade de campo menor. Esclarecer e priorizar as necessidades do usuário no início do projeto garantirá que surjam menos obstáculos relacionados às especificações de desempenho do hardware.

Considerar as seguintes especificações para o design da sua lente é um ponto de partida crítico:

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  Envelope mecânico do sistema define as restrições de tamanho em torno do design da lente.
  
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  Dimensões físicas do sensor da câmera ditar o tamanho e a complexidade do design óptico.
  
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  Dimensões em pixels do sensor da câmera (inclinação, disposição) definem as especificações máximas de resolução de imagem utilizáveis para um determinado design de lente.
  
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  Campo de visão influencia a complexidade do design da lente
  
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  Direção de visão influencia a complexidade do design da lente
  
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  Profundidade de campo influencia a sensibilidade máxima de detecção de fluorescência para um determinado sistema de lentes e afeta a qualidade de imagem percebida
  
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  Resolução espacial afeta a qualidade percebida da imagem.
  
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  Faixa de comprimento de onda influencia a complexidade do design da lente.
  
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  Ângulo máximo do raio principal informa especificações de filtragem e limites de detecção.
  
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  Distorção afeta a qualidade percebida da imagem.
  
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  Uniformidade/brilho do campo de imagem afeta o limite de detecção em todo o campo de visão do dispositivo e, portanto, afeta a qualidade percebida da imagem.
  

O suporte a fluoróforos NIR como ICG e CYTALUX exige designs de lentes mais complexos. Alternativamente, a fluoresceína (um fluoróforo amarelo) relaxa esses requisitos de design de lentes em detrimento da profundidade da imagem do tecido.

A filtragem de cores e a qualidade cromática da imagem são desafiadoras com lentes de endoscópio devido ao seu grande campo de visão, distâncias focais efetivas curtas e requisitos de largura de banda para FI. Isso pode forçar ângulos de raio principal mais elevados nos designs de lentes, o que afeta negativamente o desempenho da filtragem FI e a sensibilidade da imagem. As especificações de ângulo de raio principal em sensores de imagem ajudam na precisão das cores visíveis, mas podem comprometer a sensibilidade FI. O objetivo de um design de lente telecêntrica no lado da imagem preservará o desempenho da filtragem e maximizará a sensibilidade FI.

Especificações do mecanismo de iluminação

Os requisitos de iluminação são cruciais para o sistema de imagem de fluorescência. Os projetos de mecanismos de iluminação concentram-se em fornecer as cores, potências ópticas e uniformidade necessárias para gerar imagens FI utilizáveis. À medida que os requisitos de campo de visão e profundidade de campo aumentam, as especificações de potência e uniformidade do mecanismo de iluminação tornam-se desafiadas. Considere as seguintes especificações para o projeto do seu mecanismo de iluminação:

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  Alcance de distância de trabalho do dispositivo ditará a faixa de potência necessária para iluminar efetivamente o campo de visão
  
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  O número de comprimentos de onda endereçáveis independentemente será conduzido por propriedades selecionadas de fluoróforos e método de integração de imagens de luz branca. Cada fonte de cor exigirá as seguintes especificações:
  
  • A largura de banda espectral moldará as especificações do filtro e a sensibilidade de detecção
  • A saída de potência óptica utilizável estabelece quanta potência especificada é necessária de uma fonte de luz.
  • A irradiância máxima e mínima da imagem define a sensibilidade da imagem e a segurança térmica do produto
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  Roteamento e saída de iluminação define como a luz é entregue ao campo de visão do dispositivo (por exemplo, feixe de fibra óptica, fonte na ponta)
  
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  Uniformidade de iluminação impulsiona a qualidade da imagem e a sensibilidade de detecção em todo o campo de visão.
  
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  Motor de luz baseado em laser ou LED ditará o nível de supervisão regulatória e rotulagem necessária para o dispositivo.
  
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  Controles de intensidade de luz fará interface com os sistemas embarcados e pipelines de processamento de imagens.
  

Manter essas considerações em mente garantirá que o design do hardware produza um produto endoscópico de alto desempenho.

Considerações sobre velocidade de imagem

A FI é inerentemente mais lenta que a endoscopia convencional com luz branca devido aos seus baixos níveis de luz detectáveis. Quando os fótons são abundantes (ou seja, endoscopia com luz branca), o ajuste do tempo de exposição, o ganho de digitalização e o aprimoramento automático da imagem ajudam a otimizar a experiência do usuário e o desempenho clínico. Em imagens com falta de fótons, a preservação da qualidade da imagem e dos limites de detecção depende mais de um design de lente rápido, mecanismos de iluminação uniformes de alta potência e um processamento de imagem de ajuste delicado diferente da endoscopia de luz branca.

FI requer tempos de exposição mais longos, o que diminuirá a velocidade da imagem. O ganho de digitalização de imagem pode ser adicionado para compensar isso, mas irá inerentemente adicionar ruído às imagens de saída, exigindo considerações de processamento e visualização de imagem. Encontrar o equilíbrio entre usabilidade do produto e especificações técnicas viáveis ​​torna-se uma colaboração delicada entre todas as disciplinas da sua equipe de desenvolvimento.

Requisitos de produto claros e bem definidos são o início de qualquer grande esforço de desenvolvimento. Muitas ferramentas existem agora para ajudar a avaliar os riscos antes do início da prototipagem de dispositivos testáveis. A simulação e a prototipagem rápida são ferramentas cruciais para desbloquear projetos técnicos complexos de desenvolvimento de IF.

Simulações de imagens ópticas e digitais

Os pacotes de software de simulação óptica permitem que as equipes projetem sistemas de lentes, determinem as especificações do mecanismo de iluminação, modelem o desempenho realista do sensor de imagem, projetem o processamento do sinal de imagem e testem as especificações dos componentes antes da construção. Isso permite a colaboração interdisciplinar entre disciplinas técnicas para descartar os requisitos técnicos no início dos projetos de desenvolvimento. Ansys, Synopsis, Lambda Research e outros oferecem um conjunto abrangente de ferramentas para projetar e simular com confiança conceitos de sistemas ópticos in siclico. Tirar o máximo proveito do seu trabalho de simulação depende do conhecimento técnico interno e da comunicação para maximizar sua utilidade.

Prototipagem Rápida

A prototipagem rápida é tão importante quanto a eliminação de riscos por meio de simulação. Requer mais recursos de desenvolvimento e fabricação, mas oferece a maneira mais tangível de descartar as especificações do produto antes de dar luz verde ao projeto e à validação. Isso permite que você resolva as questões técnicas sem resposta antes de obter recursos para projetar e pilotar um protótipo totalmente funcional.

Lentes ópticas podem ser arriscadas para prototipar em pequenas quantidades. Muitas vezes, os engenheiros ópticos podem ajudar a eliminar os riscos dos conceitos de design com componentes prontos para uso, que ajudam no processamento de imagens e no desenvolvimento do sistema de mecanismo de iluminação antes de se comprometerem com produções piloto de lentes de volume. A chave é priorizar a eliminação de riscos relaxando metodicamente os requisitos do produto protótipo para compreender suas limitações.

O objetivo da prototipagem rápida é mitigar os riscos antes de comprometer totalmente os recursos no design do produto final. Dúvidas e riscos permanecerão, mas geralmente desbloquearão o plano de lançamento do seu produto.

Resumo

Especificar seus mecanismos de imagem e iluminação estabelece as bases para o lançamento de um endoscópio FI de sucesso. Esses motores estão profundamente ligados ao software, aos sistemas embarcados, aos fatores humanos e ao design industrial que fazem o lançamento de produtos acontecer. Considerar essas especificações interdisciplinares é fundamental para entregar um protótipo completo do produto. Apresentamos os pontos críticos a serem considerados ao desenvolver um produto de endoscopia FI interdisciplinar. Tenha esses pontos em mente durante todo o seu projeto para garantir que seu produto tenha uma influência agradável e impactante na orientação cirúrgica.

Este artigo foi escrito por Wilson Adams, Consultor, FISBA North America (Saco, ME). Para mais informações, acesse aqui  .

Referências

1. Hazel L Stewart e David JS Birch. Métodos Apl. Fluorescente. 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, et al. Relatório 311 do Grupo de Tarefas AAPM:Orientação para avaliação de desempenho de sistemas de cirurgia guiados por fluorescência. Med Física. 2024.