机器人手术视觉系统的照明设计注意事项
机器人和机器人辅助手术的目标是使外科医生能够以更高的精度执行复杂的、以前不可用的程序，从而减少手术和恢复时间，并降低患者的风险。机器人手术在许多应用中产生了重大影响，包括前列腺切除术、肾切除术和子宫切除结直肠手术。随着最近技术的进步，现在正在开发的机器人应用比以往任何时候都多。
为了改善手术工作流程、现场访问和恢复时间，手术机器人架构的所有子系统都出现了新的创新。通过准确和一致的可视化提高图像质量，使外科医生能够在手术过程中做出更明智的手术决策。手术视觉系统将宽视场相机与光纤或 LED 照明组件相匹配。然而，在产品开发中，照明系统的性能要求和设计往往比相机付出的时间和资源要少得多。
要拥有一款成功的产品，必须考虑提供高质量照明所需的所有子系统。这种情况的一个具体例子是使用尖端摄像头的高清 3D 腹腔镜。
3D手术视觉系统有四个关键子系统：
- 照明系统，为手术目标带来光线，
- 用于捕捉组织光线的相机（镜头和 CMOS 传感器），
- 用于控制图像质量和延迟的固件，以及
- 显示系统（2D 和 3D 显示的组合）。
每个子系统都有设计团队应该考虑的关键问题。
临床应用
在设计稳健的照明系统之前，设计工程师必须全面了解临床团队对特定外科手术的目标。通常，充当“客户之声”的产品经理会识别谓词设备并要求“最佳图像质量”。研发团队必须将这一要求转化为定量要求，例如识别成像模式和 FOV、分辨率、颜色精度和图像对比度的数值限制，最终形成完整的产品要求。在本文中，我们将考虑用于 3D 腹腔镜的光源，其摄像机视场角为 80°，工作距离为 5 到 100 mm。我们将主要考虑白光应用，但也会讨论荧光方面的考虑。
为了阐明这一点，我们在此考虑基于光纤的照明系统的设计，将 LED 光引擎安装在作为“资本设备”（即视觉塔）的一部分的密闭设备外壳中。资本设备包括通常容纳手术平台的视觉和附加控制系统的推车。手术系统的预期架构是用于机器人手术系统的刚性立体腹腔镜。为了降低集成荧光或其他依赖于光源的成像的进度、安全和未来用户需求的风险，我们将考虑基于光纤的解决方案。作者赞赏 LED 在尺寸和效率方面不断取得的进步，并将在文章末尾讨论设计空间。
机器人手术的照明注意事项
图 1 突出显示了机器人手术平台照明系统的主要系统架构。为了将光传送到示波器，需要一个照明源——在这种情况下，一个光引擎——是必需的。如果需要，光引擎会将光耦合到光纤锥中，然后将其传送到将光传输到尖端的光纤。
光引擎是安装在资本设备中的光源。这些来源有不同的架构，但它们可以被提炼成两种主要类型。一些光引擎将使用单个宽带光源，而其他光引擎将利用混合窄带 LED 来创建宽带光源。由于使用蓝色 LED 激活荧光粉的白色 LED 架构，单个宽带 LED 存在需要校正蓝光的风险。大部分蓝光被红色组织吸收。光谱中的高蓝色信号可能会导致颜色调整阶段的挑战，并且可能会导致图像看起来过于数字化或“假装”。混合 RGB LED 方法可以消除过多的蓝光问题，但需要光引擎中更复杂的光学器件才能将三个光源耦合到系统中。如果系统需要近红外 (NIR) 照明，NIR LED 也安装在光引擎中，从而使设计更加紧凑。
通过将 RGB 和 NIR LED 安装在同一个外壳中，光源可以共享将光传送到尖端的相同光纤。这最大限度地提高了内窥镜照明系统的效率。要将光从光引擎传输到内窥镜尖端，需要高数值 (NA) 孔径光纤以及将光从光源传递到尖端的光学系统。描述光纤角输出的术语是数值孔径，或 NA。 NA越高，光纤的角输出越高。 NA 等于可以进入和离开光纤的最大角度的正弦值，光纤的 NA 由光纤的纤芯和包层的折射率决定。数值孔径越大，出射光的角度越大，照射的视场百分比越高。
为了从光缆中获得最佳性能，设计团队必须考虑光引擎的输出与光缆之间的关系。一种常见的解决方案是使用光纤锥度来增加进入内窥镜的光的角度。光纤锥体通常安装在内窥镜的近端，光缆连接处。光纤锥度将光引擎的大面积、低角度输出转换为小面积、高角度输出。
离开灯箱的光的 NA 通常约为 0.5 NA，与手术机器人相关的角度可以达到 0.87 NA 或更高。连接到灯箱的光纤应该等于灯箱的出口NA。锥形将低角度光转换为高角度光，以实现最宽的照明角度。图 2 显示了光束进入和离开锥体时发生的情况。
使用锥形来达到高输出角度的另一种方法是设计一个透镜，以将光从腹腔镜的尖端扩散出去。镜头辅助照明系统可实现更高的输出角度，从而可以在身体中使用更高视野的相机，但代价是设计不那么紧凑。
一旦光被传输到腹腔镜的光纤，光纤就会被封装以通过尖端输出光，如图 3 所示。这比具有单个光输出面更有利，原因有两个。首先，它可以更轻松地将纤维集成到示波器中，其次它可以防止来自手术工具的不需要的阴影影响图像。
校准和测试注意事项
在设计光源时，团队还必须考虑图像信号管道 (ISP)，它将转换捕获的图像并将其显示在手术团队的高清 2D 和 3D 显示器上。 ISP 可以对系统进行各种校准，包括图像传感器上的暗信号不均匀性、光响应不均匀性、颜色校准和白平衡。这些校准允许创建高质量图像的校正；但是，如果 ISP 过于依赖校准，则图像可能看起来经过高度处理，并且会分散手术团队的注意力。
ISP 将具有需要校准每个单元的模块。校准数据通常保存在内窥镜上安装的内存中。尽早开始定义校准过程并与 ISP 开发工程师协调将降低后期开发问题的风险。通过及早考虑 ISP 和校准，可以在产品发布之前对光源和固件进行多次修订。校准确实有限制，如果照明系统的设计更接近预期的手术用途，则在开发过程中需要较少的校准故障排除。
与照明源相关的校准示例包括光响应非均匀性 (PRNU)、白平衡和色彩校正。如果光源本身设计不佳，这些校准的有效性都会受到限制。依赖校准来“修复”光源设计可能会导致生成的图像看起来处理过度。此外，如果 ISP 必须为校准分配内存，则存在增加视觉系统延迟、限制机器人性能的风险。
最后，在设计光引擎、照明、成像光学器件和相机固件之后，需要进行适当的测试。通常，照明系统组件也需要对固定设备和腹腔镜中的光源进行 100% 的检查和校准。这些测试需要使用专门的目标在各种条件下操作被测设备，以测量颜色准确性、均匀性和功率输出。设计一个自动执行这些测试的系统可以降低部件间和测试仪间变异性的风险，确保在现场保持产品标准。这些测试站需要详细的机械、系统和软件设计，以确保它们在制造车间成功部署。
内窥镜检查或灵活范围应用还有其他考虑因素。这些设备通常对可用于照明的空间有更多限制，可能只有 2D 成像、一次性使用或与文章中介绍的参数无关的其他注意事项。对于小直径和一次性设备，塑料纤维、尖端中的 LED 和其他更紧凑的解决方案可以实现成功的产品，其中考虑了不同的设计考虑因素和风险缓解措施。
总而言之，机器人手术系统照明组件的开发是一个复杂的过程。人们应该从对临床应用的全面了解开始，并以此为基础。如果要设计用于白光和 NIR 应用的机器人系统，我们建议采用基于高数值孔径光纤的设计，并在资本设备中安装光引擎。为了获得最宽的照明角度，建议使用高 NA 光纤将光传送到设备的尖端。这是避免过于复杂的设计的最简洁的设计方法。其他解决方案可能会导致功能上的差距，从而导致设计变通。
本文由光学系统工程师 Jonathan Brand 和 Grey Optics（缅因州波特兰）销售和营销副总裁 Neil Anderson 博士撰写。欲了解更多信息，请联系 Neil Anderson，此电子邮件地址已收到垃圾邮件机器人保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问 这里 .
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