开发医用荧光内窥镜的先进照明与成像系统
(图片：sofiko14/adobe.stock.com)
内窥镜成像系统开发需各工程学科协调，特别是光学照明和成像引擎，尤其增加荧光成像（FI）能力时。光学照明和成像引擎为构建直观有效成像产品奠基，增加FI能力满足用户需求时更关键。
FI利用全身对比剂如ICG和荧光素、靶向对比剂如CYTALUX，辅助手术中定位关键解剖结构。为此，术中FI需不同——常对立——系统设计考量，对比白光内窥镜。
内窥镜荧光成像因信号强度低、硬件复杂，需灵敏传感器、特定光学滤波器、高功率窄带照明源。（图片：iStock）
内窥镜FI面临低信号强度和硬件复杂挑战，需灵敏传感器、特定光学滤波器、高功率窄带照明源。开发团队设计FI能力进内窥镜产品时须考虑这些技术含义，不妥协白光内窥镜功能。FI功能增加图像信号处理管线、嵌入式系统规格、图像可视化工作流、人因工程。在指定FI成像和照明时核算这些需求，为产品开发奠基并关键影响项目成功。
本文讨论开发荧光内窥镜成像和照明引擎支持更广泛开发工作以推出产品的关键点。重点在于协同开发照明和成像引擎，通过执行和风险缓解最佳定位产品开发团队成功。
相机传感器物理尺寸和封装尺寸决定透镜设计和机械包络规格。（图片：FISBA）
产品定义
团队在界定技术规格前需理解几个关键需求：
临床适应症
将用于治疗何种疾病和病症？
设备将部署何处？
旨在通用手术刚性腹腔镜、骨科手术紧凑关节镜、柔性腔镜，或其他？
手术过程中需成像什么工作距离？
用户将在狭窄空间做关节镜成像？经穿刺管导航胆道解剖？成像胃肠道或肺部等腔状结构？
用户对成像系统性能期望？
期望同时看到白光和荧光成像对比？临床实践中理想产品分步工作流是什么？
回答这些关键问题后，详细规格是下一步。
荧光团选择
选定荧光团将定义光学设计复杂度、滤波器规格、预期信号对比。反过来也决定照明引擎和图像传感器规格以实现高性能产品。评估荧光团候选时考虑：
获批和超适应症决定设备临床实践中何时有用。
生理相关浓度范围建立图像对比预期，缩小相机、透镜、照明引擎设计规格。
荧光激发和发射光谱指导透镜设计、照明引擎组件、滤波器规格。
量子效率指示照明转化为可检测荧光光子效率，定义照明和成像引擎规格。
光稳定性决定荧光团可照明多久前失去信号，照明引擎需多亮。
生理清除率定义工作流程序，告知设备功能。
这些参数帮助估算和建模临床过程中预期光量，定义产品必要组件规格。
相机传感器选择
无论白光通过细光纤引导至应用，RGB LED模块实现高显色指数和色温灵活性。（图片：FISBA）
产品外形、图像质量、检测极限很大程度依赖图像传感器。视荧光团、产品期望机械包络、成像透镜规格，可缩小相机传感器选项。
许多团队需早期决定芯片尖端（COT）或杆透镜基础内窥镜架构。COT内窥镜倾向用较小传感器最小化机械包络，适合柔性白光内窥镜应用。COT图像传感器为尺寸和成本牺牲空间保真度和对比度，可能在肿瘤定位等高灵敏度应用挣扎。Hopkins式杆透镜内窥镜常用于刚性腹腔镜和关节镜。通常特性持久使用相机头，提供规格灵活性和图像质量余量，代价是尺寸和成本。
相机选择关键规格：
相机传感器物理尺寸和封装尺寸决定透镜设计和机械包络规格。
传感器原生分辨率决定产生高质量图像所需图像处理和嵌入式系统规格。
多传感器规格提供灵活性分别为荧光和白光内窥镜选最优传感器，若机械包络允许。
不同色通道光谱灵敏度——特别是荧光团发射波段——影响设备照明引擎和成像透镜规格。
传感器量子效率告知照明引擎、图像处理、透镜规格。
动态范围决定产品荧光检测极限，驱动照明引擎、透镜设计、图像处理、嵌入式系统规格。
输出图像位深影响图像灵敏度、检测极限、图像信号处理复杂度、嵌入式系统规格。
暗噪声和读噪声性能决定产品检测极限，影响图像处理、可视化、嵌入式系统规格。
电子接口协议决定可视化引擎如何稳定连接相机硬件？
主光线角规格某些图像传感器将告知透镜设计规格，影响大色域图像质量。
先进图像传感器架构可扩展标准RGB彩色成像格式至其他光谱带。不提供可见光RGB图像，这些传感器用专用像素级彩色滤波器增强RGB图像，单传感器封装包含不同光谱范围。虽增加图像信号处理工作流复杂度，但提供精简硬件包制造。荧光团选择、透镜设计、照明引擎规格将决定这些传感器架构是否可行选项。
透镜设计与滤波
低f/#、色差优化成像透镜将最大化FI信号检测，为图像信号处理和嵌入式系统开发提供更多灵活性。但常伴随视场窄、景深浅。早期澄清和优先用户需求确保较少硬件性能规格相关阻碍。
考虑以下透镜设计规格为关键起点：
系统机械包络定义透镜设计尺寸约束。
相机传感器物理尺寸决定光学设计尺寸和复杂度。
相机传感器像素尺寸（间距、排列）设定给定透镜设计最大可用图像分辨率规格。
视场影响透镜设计复杂度
视向影响透镜设计复杂度
景深影响给定透镜系统最大荧光检测灵敏度，影响感知图像质量
空间分辨率影响感知图像质量。
波长范围影响透镜设计复杂度。
最大主光线角告知滤波规格和检测极限。
畸变影响感知图像质量。
图像场均匀性/亮度影响全设备视场检测极限，进而影响感知图像质量。
支持ICG和CYTALUX等近红外荧光团需更复杂透镜设计。替代地，荧光素（黄色荧光团）放宽透镜设计要求，代价是组织成像深度。
色彩滤波和色差图像质量在内窥镜透镜中具挑战，因其大视场、短有效焦距、FI带宽要求。这可能强制透镜设计更高主光线角，负面影响FI滤波性能和成像灵敏度。图像传感器主光线角规格助可见色彩准确但可能妥协FI灵敏度。以像侧远心透镜设计为目标将保持滤波性能并最大化FI灵敏度。
照明引擎规格
照明需求对荧光成像系统至关重要。照明引擎设计聚焦提供生成可用FI图像所需颜色、光功率、均匀性。随视场和景深要求增加，照明引擎功率和均匀性规格受挑战。考虑以下照明引擎设计规格：
设备工作距离范围决定有效照明视场所需功率范围
独立可寻址波长数由选定荧光团属性和白光成像集成方式驱动。每个颜色源需以下规格：
- 光谱带宽决定滤波器规格和检测灵敏度
- 可用光功率输出确立光源需多少指定功率
- 最大和最小成像辐照度定义成像灵敏度和产品热安全
照明路由和输出定义光如何传递至设备视场（如光纤束、尖端光源）
照明均匀性驱动图像质量、全视场检测灵敏度。
激光或LED光引擎决定设备所需监管监督和标签级别。
光强度控制将与嵌入式系统和图像处理管线接口。
铭记这些考量确保硬件设计产出高性能内窥镜产品。
成像速度考量
FI因低可检测光电平天生比常规白光内窥镜慢。光子丰富时（白光内窥镜），调整曝光时间、数字化增益、自动图像增强有助优化用户体验和临床表现。光子匮乏成像中，保持图像质量和检测极限更依赖快速透镜设计、均匀高功率照明引擎、与白光内窥镜不同的精细调整图像处理。
FI需更长曝光时间，降低成像速度。图像数字化增益可补偿但固有增加输出图像噪声，需图像处理和可视化考量。在产品易用性和可行技术规格间找平衡，成为开发团队所有学科微妙协作。
清晰、定义明确的产品需求是任何重大开发工作起点。现有许多工具帮助可测试设备原型前界定风险。仿真和快速原型是解除复杂技术FI开发项目阻碍关键工具。
光学与数字成像仿真
光学仿真软件包让团队设计透镜系统、确定照明引擎规格、建模真实图像传感器性能、原型图像信号处理、建造前测试组件规格。这使跨技术学科跨学科协作在开发早期降低技术需求风险。Ansys、Synopsis、Lambda Research等提供全面套件在siclico中自信设计仿真光学系统概念。充分利用仿真工作依赖内部技术专长和沟通最大化效用。
快速原型
快速原型与仿真降低风险同等重要。需更多开发制造资源但提供最切实方式在批准设计和验证前降低产品规格风险。这让您在资源设计和试制全功能原型前解决未答技术问题。
光学透镜小批量原型有风险。光学工程师常用现成组件帮助降低设计概念风险，助图像处理和照明引擎系统开发前提交试产量透镜生产。关键是有条理放宽原型产品需求理解其局限以优先降低风险。
快速原型目标在全量投入最终产品设计前降低风险。问题和风险仍存但一般不阻碍产品发布计划。
总结
指定成像和照明引擎为成功推出FI内窥镜产品奠基。这些引擎深度绑定软件、嵌入式系统、人因、工业设计使产品发布成为可能。考虑这些跨学科规格对交付完整产品原型至关重要。我们列出开发跨学科FI内窥镜产品时考虑关键点。项目全程牢记这些点确保产品对手术引导产生愉悦且有影响力影响力。
本文由Wilson Adams，顾问，FISBA北美（缅因州Saco）撰写。更多信息请访问此处。
参考文献
- Hazel L Stewart and David J S Birch. Methods Appl. Fluoresc. 2021.
- Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, et al. AAPM Task Group Report 311: Guidance for performance evaluation of fluorescence-guided surgery systems. Med Phys. 2024.
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