Technologische Fortschritte und klinische Anwendungen von Operationsmikroskopen mit ultrahoher Auflösung

 

Operationsmikroskopespielen in modernen medizinischen Bereichen eine äußerst wichtige Rolle, insbesondere in hochpräzisen Bereichen wie der Neurochirurgie, Augenheilkunde, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde und minimalinvasiven Chirurgie, wo sie zu einer unverzichtbaren Grundausstattung geworden sind. Mit hohen Vergrößerungsmöglichkeiten,Operationsmikroskopebieten eine detaillierte Ansicht, die es Chirurgen ermöglicht, mit bloßem Auge nicht sichtbare Details wie Nervenfasern, Blutgefäße und Gewebeschichten zu erkennen. So können Ärzte während der Operation Schäden an gesundem Gewebe vermeiden. Insbesondere in der Neurochirurgie ermöglicht die hohe Vergrößerung des Mikroskops die präzise Lokalisierung von Tumoren oder erkranktem Gewebe, wodurch klare Resektionsränder gewährleistet und Schäden an kritischen Nerven vermieden werden. Dadurch verbessert sich die Qualität der postoperativen Genesung der Patienten.

Herkömmliche Operationsmikroskope sind in der Regel mit Anzeigesystemen mit Standardauflösung ausgestattet, die ausreichend visuelle Informationen liefern können, um komplexe chirurgische Eingriffe zu unterstützen. Mit der rasanten Entwicklung der Medizintechnik und insbesondere den Durchbrüchen im Bereich der visuellen Technologie ist die Bildqualität von Operationsmikroskopen jedoch zunehmend zu einem wichtigen Faktor für die Verbesserung der chirurgischen Präzision geworden. Im Vergleich zu herkömmlichen Operationsmikroskopen können Ultra-High-Definition-Mikroskope mehr Details darstellen. Durch die Einführung von Anzeige- und Bildgebungssystemen mit Auflösungen von 4K, 8K oder sogar höher ermöglichen Ultra-High-Definition-Operationsmikroskope Chirurgen eine genauere Identifizierung und Manipulation winziger Läsionen und anatomischer Strukturen, was die Präzision und Sicherheit der Operation erheblich verbessert. Durch die kontinuierliche Integration von Bildverarbeitungstechnologie, künstlicher Intelligenz und virtueller Realität verbessern Ultra-High-Definition-Operationsmikroskope nicht nur die Bildqualität, sondern bieten auch eine intelligentere Unterstützung der Chirurgie und ermöglichen so eine höhere Präzision und geringere Risiken bei chirurgischen Eingriffen.

 

Klinische Anwendung des Ultra-High-Definition-Mikroskops

Mit der kontinuierlichen Innovation der Bildgebungstechnologie spielen Ultra-High-Definition-Mikroskope dank ihrer extrem hohen Auflösung, hervorragenden Bildqualität und dynamischen Beobachtungsmöglichkeiten in Echtzeit zunehmend eine zentrale Rolle in klinischen Anwendungen.

Augenheilkunde

Die Augenchirurgie erfordert präzises Arbeiten, das hohe technische Anforderungen anophthalmologische Operationsmikroskope. Beispielsweise kann das Operationsmikroskop bei einer Hornhautinzision mit einem Femtosekundenlaser eine hohe Vergrößerung bieten, um die Vorderkammer und den zentralen Einschnitt des Augapfels zu beobachten und die Position des Einschnitts zu überprüfen. In der Augenchirurgie ist die Beleuchtung von entscheidender Bedeutung. Das Mikroskop bietet nicht nur optimale visuelle Effekte bei geringerer Lichtintensität, sondern erzeugt auch eine spezielle Rotlichtreflexion, die den gesamten Prozess der Kataraktoperation unterstützt. Darüber hinaus wird die optische Kohärenztomografie (OCT) in der Augenchirurgie häufig zur Visualisierung unterhalb der Oberfläche verwendet. Sie kann Querschnittsbilder liefern und so die Beschränkungen des Mikroskops selbst überwinden, das aufgrund der Frontalbeobachtung feine Gewebe nicht sehen kann. Kapeller et al. verwendeten beispielsweise ein 4K-3D-Display und einen Tablet-Computer, um das Effektdiagramm der mikroskopintegrierten OCT (miOCT) automatisch stereoskopisch anzuzeigen (4D-miOCT). Anhand subjektiven Benutzerfeedbacks, quantitativer Leistungsbewertung und verschiedener quantitativer Messungen demonstrierten sie die Machbarkeit der Verwendung eines 4K-3D-Displays als Ersatz für 4D-miOCT auf einem Weißlichtmikroskop. In ihrer Studie erfassten Lata et al. Fälle von 16 Patienten mit angeborenem Glaukom und kreisförmigem Beugefleck und verwendeten ein Mikroskop mit miOCT-Funktion, um den chirurgischen Vorgang in Echtzeit zu beobachten. Durch die Auswertung wichtiger Daten wie präoperativer Parameter, chirurgischer Details, postoperativer Komplikationen, endgültiger Sehschärfe und Hornhautdicke zeigten sie schließlich, dass miOCT Ärzten dabei helfen kann, Gewebestrukturen zu erkennen, Operationen zu optimieren und das Risiko von Komplikationen während der Operation zu senken. Obwohl sich OCT allmählich zu einem leistungsstarken Hilfsmittel in der vitreoretinalen Chirurgie entwickelt, insbesondere bei komplexen Fällen und neuartigen Operationen (wie der Gentherapie), bezweifeln einige Ärzte aufgrund der hohen Kosten und der langen Lernkurve, ob es die klinische Effizienz wirklich verbessern kann.

Hals-Nasen-Ohrenheilkunde

Die Hals-Nasen-Ohren-Chirurgie ist ein weiteres chirurgisches Fachgebiet, in dem Operationsmikroskope zum Einsatz kommen. Aufgrund der tiefen Hohlräume und empfindlichen Strukturen im Gesicht sind Vergrößerung und Beleuchtung entscheidend für den Operationserfolg. Obwohl Endoskope manchmal eine bessere Sicht auf enge Operationsbereiche bieten,Ultrahochauflösende Operationsmikroskopebieten Tiefenwahrnehmung und ermöglichen so die Vergrößerung enger anatomischer Bereiche wie der Cochlea und der Nebenhöhlen, was Ärzte bei der Behandlung von Erkrankungen wie Mittelohrentzündung und Nasenpolypen unterstützt. Dundar et al. verglichen beispielsweise die Wirkung von Mikroskop- und Endoskopmethoden bei Steigbügeloperationen zur Behandlung von Otosklerose und erhoben Daten von 84 Patienten mit diagnostizierter Otosklerose, die zwischen 2010 und 2020 operiert wurden. Die Endergebnisse, die die Veränderung der Luft-Knochen-Leitungsdifferenz vor und nach der Operation als Messindikator verwendeten, zeigten, dass beide Methoden zwar ähnliche Auswirkungen auf die Hörverbesserung hatten, Operationsmikroskope jedoch einfacher zu handhaben waren und eine kürzere Lernkurve aufwiesen. In einer prospektiven Studie von Ashfaq et al. führte das Forschungsteam zwischen 2020 und 2023 eine mikroskopassistierte Parotidektomie bei 70 Patienten mit Ohrspeicheldrüsentumoren durch und konzentrierte sich dabei auf die Bewertung der Rolle von Mikroskopen bei der Identifizierung und dem Schutz des Gesichtsnervs. Die Ergebnisse zeigten, dass Mikroskope erhebliche Vorteile hinsichtlich der Klarheit des Operationsfelds, der genauen Identifizierung des Hauptstamms und der Äste des Gesichtsnervs, der Verringerung der Nerventraktion und der Blutstillung bieten. Damit sind sie ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der Gesichtsnervenerhaltungsraten. Da Operationen zunehmend komplexer und präziser werden, ermöglicht die Integration von AR und verschiedenen Bildgebungsmodi in Operationsmikroskope Chirurgen zudem bildgeführte Operationen.

Neurochirurgie

Die Anwendung von Ultra-High-DefinitionOperationsmikroskope in der Neurochirurgiehat sich von der traditionellen optischen Beobachtung zur Digitalisierung, erweiterter Realität (AR) und intelligenter Unterstützung verlagert. Draxinger et al. beispielsweise verwendeten ein Mikroskop in Kombination mit einem selbst entwickelten MHz-OCT-System, das hochauflösende dreidimensionale Bilder mit einer Abtastfrequenz von 1,6 MHz liefert und Chirurgen erfolgreich dabei unterstützt, in Echtzeit zwischen Tumoren und gesundem Gewebe zu unterscheiden und die chirurgische Präzision zu verbessern. Hafez et al. verglichen die Leistung herkömmlicher Mikroskope und des mikrochirurgischen Bildgebungssystems mit ultrahoher Auflösung (Exoscope) bei experimenteller zerebrovaskulärer Bypass-Chirurgie und fanden heraus, dass das Mikroskop zwar kürzere Nahtzeiten (P < 0,001) erforderte, das Exoscope jedoch hinsichtlich der Nahtverteilung (P = 0,001) besser abschnitt. Zudem ermöglichte das Exoscope eine bequemere Operationshaltung und gemeinsame Sicht, was pädagogische Vorteile bot. Auf ähnliche Weise verglichen Calloni et al. die Anwendung des Exoscope und herkömmlicher Operationsmikroskope bei der Ausbildung von Assistenzärzten für Neurochirurgie. Sechzehn Assistenzärzte führten mit beiden Geräten wiederholte Aufgaben zur Strukturerkennung an Schädelmodellen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass es zwar keinen signifikanten Unterschied in der Gesamtoperationsdauer zwischen beiden gab, das Exoscope jedoch bei der Identifizierung tiefer Strukturen besser abschnitt und von den meisten Teilnehmern als intuitiver und komfortabler empfunden wurde. Es hat das Potenzial, sich in Zukunft durchzusetzen. Ultrahochauflösende Operationsmikroskope mit 4K-HD-Displays können allen Teilnehmern chirurgische 3D-Bilder in besserer Qualität liefern, was die chirurgische Kommunikation und Informationsübertragung erleichtert und die Effizienz der Lehre verbessert.

Wirbelsäulenchirurgie

UltrahochauflösendOperationsmikroskopespielen eine zentrale Rolle in der Wirbelsäulenchirurgie. Durch hochauflösende dreidimensionale Bilder ermöglichen sie Chirurgen eine klarere Darstellung der komplexen anatomischen Struktur der Wirbelsäule, einschließlich feiner Teile wie Nerven, Blutgefäße und Knochengewebe, und erhöhen so die Präzision und Sicherheit der Operation. Bei der Skoliosekorrektur können Operationsmikroskope die chirurgische Sicht und die Feinmanipulation verbessern und Ärzten so helfen, Nervenstrukturen und erkranktes Gewebe im engen Wirbelkanal präzise zu identifizieren und so Dekompressions- und Stabilisierungsverfahren sicher und effektiv durchzuführen.

Sun et al. verglichen die Wirksamkeit und Sicherheit mikroskopassistierter anteriorer zervikaler Chirurgie und traditioneller offener Chirurgie bei der Behandlung von Verknöcherungen des hinteren Längsbandes der Halswirbelsäule. Sechzig Patienten wurden in die mikroskopassistierte Gruppe (30 Fälle) und die Gruppe mit traditioneller Chirurgie (30 Fälle) aufgeteilt. Die Ergebnisse zeigten, dass die mikroskopassistierte Gruppe im Vergleich zur Gruppe mit traditioneller Chirurgie einen geringeren intraoperativen Blutverlust, eine geringere Krankenhausaufenthaltsdauer und geringere postoperative Schmerzen aufwies und auch die Komplikationsrate in der mikroskopassistierten Gruppe niedriger war. Auf ähnliche Weise verglichen Singhatanadgige et al. bei Wirbelsäulenfusionsoperationen die Anwendungseffekte orthopädischer Operationsmikroskope und chirurgischer Lupen bei minimalinvasiver transforaminaler Lendenfusion. Die Studie umfasste 100 Patienten und zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Gruppen hinsichtlich postoperativer Schmerzlinderung, funktioneller Verbesserung, Erweiterung des Wirbelkanals, Fusionsrate und Komplikationen, aber das Mikroskop bot ein besseres Sichtfeld. Darüber hinaus werden Mikroskope in Kombination mit AR-Technologie häufig in der Wirbelsäulenchirurgie eingesetzt. Carl et al. testeten beispielsweise AR-Technologie bei zehn Patienten mithilfe des am Kopf montierten Displays eines Operationsmikroskops. Die Ergebnisse zeigten, dass AR großes Anwendungspotenzial in der degenerativen Wirbelsäulenchirurgie hat, insbesondere bei komplexen anatomischen Situationen und in der Ausbildung von Assistenzärzten.

 

Zusammenfassung und Ausblick

Im Vergleich zu herkömmlichen Operationsmikroskopen bieten hochauflösende Operationsmikroskope zahlreiche Vorteile, darunter mehrere Vergrößerungsoptionen, eine stabile und helle Beleuchtung, präzise optische Systeme, erweiterte Arbeitsabstände und ergonomische, stabile Stative. Darüber hinaus unterstützen ihre hochauflösenden Visualisierungsoptionen, insbesondere die Integration verschiedener Bildgebungsmodi und AR-Technologie, bildgeführte Operationen effektiv.

Trotz der zahlreichen Vorteile von Operationsmikroskopen stehen sie immer noch vor erheblichen Herausforderungen. Aufgrund ihrer Größe bereiten hochauflösende Operationsmikroskope beim Transport zwischen Operationssälen und bei der intraoperativen Positionierung gewisse Schwierigkeiten, was die Kontinuität und Effizienz chirurgischer Eingriffe beeinträchtigen kann. In den letzten Jahren wurde die Struktur von Mikroskopen deutlich optimiert. Ihre optischen Träger und binokularen Objektivtubus ermöglichen eine Vielzahl von Neigungs- und Dreheinstellungen. Dies erhöht die Flexibilität der Geräte erheblich und ermöglicht dem Chirurgen eine natürlichere und bequemere Beobachtungs- und Operationsposition. Darüber hinaus bietet die kontinuierliche Weiterentwicklung tragbarer Displaytechnologie Chirurgen eine ergonomischere visuelle Unterstützung bei mikrochirurgischen Eingriffen. Dies trägt dazu bei, Ermüdungserscheinungen zu reduzieren und die chirurgische Präzision sowie die Leistungsfähigkeit des Chirurgen zu verbessern. Aufgrund der fehlenden Stützstruktur ist jedoch häufiges Nachfokussieren erforderlich, wodurch die Stabilität tragbarer Displaytechnologie der von herkömmlichen Operationsmikroskopen unterlegen ist. Eine weitere Lösung ist die Weiterentwicklung der Gerätestruktur hin zu Miniaturisierung und Modularisierung, um sie flexibler an verschiedene Operationsszenarien anzupassen. Allerdings erfordert die Volumenreduzierung häufig Präzisionsbearbeitungsprozesse und teure integrierte optische Komponenten, wodurch die tatsächlichen Herstellungskosten der Geräte hoch ausfallen.

Eine weitere Herausforderung bei Operationsmikroskopen mit ultrahoher Auflösung sind Hautverbrennungen durch die starke Beleuchtung. Um helle visuelle Effekte zu erzielen, insbesondere in Anwesenheit mehrerer Beobachter oder Kameras, muss die Lichtquelle starkes Licht ausstrahlen, das das Gewebe des Patienten verbrennen kann. Berichten zufolge können Operationsmikroskope für die Ophthalmologie auch Phototoxizität an der Augenoberfläche und dem Tränenfilm verursachen, was zu einer verminderten Funktion der Augenzellen führt. Daher ist die Optimierung des Lichtmanagements, d. h. die Anpassung von Punktgröße und Lichtintensität je nach Vergrößerung und Arbeitsabstand, bei Operationsmikroskopen besonders wichtig. Zukünftig könnte die optische Bildgebung Panoramabildgebung und dreidimensionale Rekonstruktionstechnologien einführen, um das Sichtfeld zu erweitern und die dreidimensionale Anordnung des Operationsbereichs präzise wiederherzustellen. Dadurch können Ärzte die Gesamtsituation des Operationsbereichs besser verstehen und vermeiden, dass wichtige Informationen übersehen werden. Panoramabildgebung und dreidimensionale Rekonstruktion erfordern jedoch die Erfassung, Registrierung und Rekonstruktion hochauflösender Bilder in Echtzeit, wodurch riesige Datenmengen entstehen. Dies stellt extrem hohe Anforderungen an die Effizienz der Bildverarbeitungsalgorithmen, die Rechenleistung der Hardware und die Speichersysteme, insbesondere während chirurgischer Eingriffe, bei denen die Echtzeitleistung entscheidend ist, was diese Herausforderung noch größer macht.

Mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie medizinischer Bildgebung, künstlicher Intelligenz und computergestützter Optik haben hochauflösende Operationsmikroskope großes Potenzial zur Verbesserung von chirurgischer Präzision, Sicherheit und Bedienkomfort bewiesen. Künftig könnten hochauflösende Operationsmikroskope in die folgenden vier Richtungen weiterentwickelt werden: (1) Bei der Geräteherstellung sollten Miniaturisierung und Modularisierung zu geringeren Kosten erreicht werden, um einen groß angelegten klinischen Einsatz zu ermöglichen; (2) Entwicklung fortschrittlicherer Lichtmanagementmodi zur Lösung des Problems von Lichtschäden bei langwierigen Operationen; (3) Gestaltung intelligenter Hilfsalgorithmen, die sowohl präzise als auch leichtgewichtig sind, um die Anforderungen der Geräte an die Rechenleistung zu erfüllen; (4) Tiefe Integration von AR- und robotergestützten Operationssystemen, um Plattformunterstützung für Remote-Zusammenarbeit, präzise Bedienung und automatisierte Prozesse zu bieten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hochauflösende Operationsmikroskope sich zu einem umfassenden chirurgischen Assistenzsystem entwickeln werden, das Bildverbesserung, intelligente Erkennung und interaktives Feedback vereint und so zum Aufbau eines digitalen Ökosystems für die Chirurgie der Zukunft beiträgt.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Fortschritte bei gängigen Schlüsseltechnologien ultrahochauflösender Operationsmikroskope, wobei der Schwerpunkt auf deren Anwendung und Entwicklung bei chirurgischen Eingriffen liegt. Dank der verbesserten Auflösung spielen ultrahochauflösende Mikroskope eine zentrale Rolle in Bereichen wie der Neurochirurgie, Augenheilkunde, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde und Wirbelsäulenchirurgie. Insbesondere die Integration intraoperativer Präzisionsnavigationstechnologie in minimalinvasive Operationen hat die Präzision und Sicherheit dieser Verfahren erhöht. Mit der Weiterentwicklung künstlicher Intelligenz und Robotertechnologien werden ultrahochauflösende Mikroskope künftig eine effizientere und intelligentere chirurgische Unterstützung bieten, die Entwicklung minimalinvasiver Operationen und der Fernzusammenarbeit vorantreiben und so die chirurgische Sicherheit und Effizienz weiter erhöhen.