开发用于医用荧光内窥镜的先进照明和成像系统

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内窥镜成像系统的开发需要各个工程学科之间的协调，特别是光学照明和成像引擎，特别是在添加荧光成像功能时。光学照明和成像引擎为构建直观有效的成像产品奠定了基础，并且在根据用户需求添加荧光成像 (FI) 功能时变得更加重要。

FI 有助于在手术过程中定位关键解剖结构，使用 ICG 和荧光素等系统对比以及 CYTALUX 等目标对比。1 为此，术中 FI 需要与白光内窥镜检查相比不同的（通常是相反的）系统设计考虑因素。2

由于信号强度低和硬件复杂性，内窥镜中的荧光成像面临挑战，需要灵敏的传感器、特定的光学滤波器和高功率窄带照明源。 （图片来源：iStock）

由于信号强度低和硬件复杂性，内窥镜中的 FI 面临着挑战，需要灵敏的传感器、特定的光学滤波器和高功率窄带照明源。开发团队在将 FI 功能设计到内窥镜产品中时必须考虑这些技术影响，同时又不影响白光内窥镜功能。 FI 功能增加了图像信号处理管道、嵌入式系统规范、图像可视化工作流程和人因工程。在指定 FI 成像和照明时考虑这些需求为产品开发奠定了基础，并对项目的成功产生关键影响。

在本文中，我们讨论了开发荧光内窥镜成像和照明引擎时需要考虑的一些关键点，以支持推出产品所需的更广泛的开发工作。重点放在共同开发照明和成像引擎上，以便您的产品开发团队能够通过执行和降低风险获得成功。

相机传感器的物理尺寸和封装尺寸决定了镜头设计和机械封装规格。 （图片来源：FISBA）

产品定义

在确定技术规范范围之前，团队需要预先了解一些关键要求：

• 临床适应症

  它们将用于治疗哪些病症和疾病？

• 您的设备将部署在哪里？

  您的目标是用于普通外科手术的刚性腹腔镜、用于骨科手术的紧密限制的关节镜、柔性管腔镜还是其他？

• 手术过程中需要成像的工作距离是多少？

  用户是否会在狭小的空间内进行关节镜成像？通过套管针浏览胆道解剖结构？对胃肠道或肺部等管腔结构进行成像？

• 用户对成像系统性能的期望是什么？

  他们是否期望同时看到白光和荧光成像对比度？临床实践中理想产品的分步工作流程是怎样的？

回答了这些关键问题后，接下来将讨论详细的规格。

荧光团选择

所选荧光团将定义光学设计要求、滤光片规格、预期信号对比度的复杂性。反过来，这一决定也决定了高性能产品所需的照明引擎和图像传感器规格。在评估候选荧光团时，请考虑以下因素：

• 批准和标签外适应症 将决定该设备何时可用于临床实践。

• 生理相关浓度范围 建立对图像对比度的期望，并缩小相机、镜头和照明引擎设计的规格范围。

• 荧光激发和发射光谱 将指导镜头设计、照明引擎组件和滤光片规格。

• 量子效率 指示照明如何有效地转换为可检测的荧光光子，定义照明和成像引擎规格。

• 光稳定性 决定了荧光团在失去信号之前可以被照亮多长时间以及照明引擎需要多亮。

• 生理清除率 定义告知设备功能的工作流程。

这些参数将帮助您估计和建模在临床手术期间预计会看到多少光，从而定义产品所需的组件规格。

相机传感器选择

对于通过细光纤将白光引导到应用的任何地方，都有一些解决方案。 RGB LED 模块可实现高显色指数和色温灵活性。 （图片来源：FISBA）

产品外形尺寸、图像质量和检测极限在很大程度上取决于图像传感器。根据荧光团、产品所需的机械包络以及成像镜头规格，您的相机传感器选项可以缩小。

许多团队需要尽早决定采用尖端芯片 (COT) 或基于杆透镜的内窥镜架构。 COT 内窥镜倾向于使用较小的传感器，以最大限度地减少机械包络，并且非常适合灵活的白光内窥镜应用。 COT 图像传感器往往会为了尺寸和成本而牺牲空间保真度和对比度，因此可能难以适应肿瘤定位等高灵敏度应用。霍普金斯式棒状透镜内窥镜常见于硬性腹腔镜和关节镜中。它们通常具有持久使用的摄像头，可以提高规格灵活性和图像质量开销，但以尺寸和成本为代价。

选择相机时要考虑的关键规格是：

• 相机传感器物理尺寸和包装尺寸 告知镜头设计和机械包络规格。

• 传感器原始分辨率 规定了生成高质量图像所需的图像处理和嵌入式系统规范。

• 多种传感器规格 如果您的机械外壳允许，可以灵活地分别选择用于荧光和白光内窥镜检查的最佳传感器。

• 不同颜色通道的光谱灵敏度 - 特别是在荧光团的光谱发射波段 - 影响您设备的照明引擎和成像镜头规格。

• 传感器量子效率 告知您产品的照明引擎、图像处理和镜头规格。

• 动态范围 将决定您的产品荧光检测限制并驱动照明引擎、镜头设计、图像处理和嵌入式系统规格。

• 输出图像位深度 影响图像灵敏度、检测极限、图像信号处理复杂性和嵌入式系统规格。

• 暗噪声和读取噪声性能 决定了产品的检测限制并影响图像处理、可视化和嵌入式系统规格。

• 电子接口协议 决定您的可视化引擎如何与相机硬件稳定连接？

• 主光线角度规格 某些图像传感器上的信息将告知镜头设计规范，这些规范会影响大颜色范围内的图像质量。

先进的图像传感器架构可以将标准 RGB 彩色成像格式扩展到其他光谱带。这些传感器不是提供可见光 RGB 图像，而是使用专门的像素级滤色器在单传感器封装中增强具有不同光谱范围的 RGB 图像。尽管图像信号处理工作流程变得复杂，但这些传感器提供了简化的硬件封装来制造。荧光团选择、透镜设计和照明引擎规格将决定这些传感器架构是否是可行的选择。

镜头设计和滤镜

低 f/#、色彩优化的成像镜头将最大限度地提高 FI 信号检测，并为图像信号处理和嵌入式系统开发提供更大的灵活性。然而，这通常会带来更窄的视野和更浅的景深。在项目早期明确用户需求并确定其优先级将确保减少与硬件性能规范相关的障碍。

考虑镜头设计的以下规格是一个关键的起点：

• 系统机械外壳 定义了镜头设计的尺寸限制。

• 相机传感器物理尺寸 决定光学设计的尺寸和复杂性。

• 相机传感器像素尺寸 （间距、排列）设置给定镜头设计的最大可用图像分辨率规格。

• 视野 影响镜头设计复杂性

• 视图方向 影响镜头设计复杂性

• 景深 影响给定镜头系统的最大荧光检测灵敏度并影响感知的图像质量

• 空间分辨率 影响感知图像质量。

• 波长范围 影响镜头设计的复杂性。

• 最大主光线角度 告知过滤规范和检测限度。

• 失真 影响感知图像质量。

• 像场均匀性/亮度 影响整个设备视野中的检测极限，从而影响感知的图像质量。

支持 ICG 和 CYTALUX 等 NIR 荧光团需要更复杂的透镜设计。或者，荧光素（一种黄色荧光团）可以放宽这些镜头设计要求，但会牺牲组织成像深度。

由于内窥镜镜头的视场大、有效焦距短以及 FI 的带宽要求，滤色和彩色图像质量面临着挑战。这会迫使镜头设计采用更高的主光线角度，从而对 FI 滤波性能和成像灵敏度产生负面影响。图像传感器的主光线角度规格有助于可见颜色准确性，但会损害 FI 灵敏度。以像侧远心镜头设计为目标，将保持滤波性能并最大限度地提高 FI 灵敏度。

照明引擎规格

照明要求对于荧光成像系统至关重要。照明引擎设计的重点是提供生成可用 FI 图像所需的颜色、光功率和均匀性。随着视场和景深要求的增加，照明引擎的功率和均匀性规格受到挑战。考虑您的照明引擎设计的以下规格：

• 设备工作距离范围 将决定有效照亮视场所需的功率范围

• 可独立寻址的波长数量 将由选定的荧光团特性和白光成像集成方法驱动。每个颜色源都需要以下规格：

  • 光谱带宽将影响滤光片规格和检测灵敏度
  • 可用光功率输出确定光源需要多少指定功率。
  • 最大和最小成像辐照度决定了成像灵敏度和产品热安全性

• 照明路由和输出 定义光如何传递到设备的视野（例如光纤束、尖端光源）

• 照明均匀度 提高整个视场的图像质量和检测灵敏度。

• 基于激光或 LED 的光引擎 将决定设备所需的监管和标签级别。

• 光强度控制 将与嵌入式系统和图像处理管道接口。

牢记这些注意事项将确保硬件设计产生高性能的内窥镜产品。

成像速度注意事项

由于可检测光水平较低，FI 本质上比传统白光内窥镜检查慢。当光子丰富时（即白光内窥镜检查），调整曝光时间、数字化增益和自动图像增强有助于优化用户体验和临床表现。在光子饥饿成像中，保持图像质量和检测极限更多地依赖于快速镜头设计、均匀的高功率照明引擎、与白光内窥镜不同的精细调整图像处理。

FI 需要较长的曝光时间，这会降低成像速度。可以添加图像数字化增益来补偿这一点，但本质上会向输出图像添加噪声，需要考虑图像处理和可视化。在产品可用性和可行的技术规范之间找到平衡成为开发团队所有学科之间的微妙协作。

清晰、明确的产品需求是任何重大开发工作的开始。现在存在许多工具来帮助在可测试设备原型设计开始之前确定风险范围。仿真和快速原型设计是解锁复杂技术 FI 开发项目的关键工具。

光学和数字成像模拟

光学仿真软件包使团队能够设计镜头系统、确定照明引擎规格、模拟真实图像传感器性能、原型图像信号处理以及在构建之前测试组件规格。这使得跨技术学科的跨学科协作成为可能，从而在开发项目的早期消除技术要求的风险。 Ansys、Synopsis、Lambda Research 和其他公司提供了一套全面的工具，可以在 siclico 中自信地设计和模拟光学系统概念。充分利用您的模拟工作依赖于内部技术专业知识和沟通，以最大限度地发挥其效用。

快速原型制作

快速原型设计与通过模拟降低风险同样重要。它需要更多的开发和制造资源，但提供了在绿色设计和验证之前消除产品规格风险的最切实方法。这使您可以在资源设计和试验功能齐全的原型之前解决未解答的技术问题。

小批量制作光学镜片原型可能存在风险。通常，光学工程师可以使用现成的组件来帮助消除设计概念的风险，这有助于在投入试批量镜头生产之前进行图像处理和照明引擎系统的开发。关键是通过有条不紊地放宽原型产品要求以了解其局限性来优先考虑消除风险。

快速原型设计的目标是在将资源完全投入最终产品设计之前降低风险。问题和风险仍然存在，但通常会阻碍您产品的发布计划。

摘要

指定您的成像和照明引擎为成功推出 FI 内窥镜产品奠定了基础。这些引擎与软件、嵌入式系统、人为因素和工业设计紧密相连，从而促成产品的发布。考虑这些跨学科规范对于交付完整的产品原型至关重要。我们列出了开发跨学科 FI 内窥镜产品时需要考虑的关键点。在整个项目中牢记这些要点，以确保您的产品对手术指导产生令人愉快且有影响力的影响。

本文由 FISBA 北美地区（缅因州萨科）顾问 Wilson Adams 撰写。如需了解更多信息，请访问此处。

参考文献

1. 黑泽尔·L·斯图尔特和大卫·J·S·伯奇。方法应用荧光。 2021 年。
2. Pogue BW、Zhu TC、Ntziachristos V 等。 AAPM 任务组报告 311：荧光引导手术系统性能评估指南。医学物理。 2024 年。