Die Entwicklung der optischen Bildgebung in videobasierten Operationsmikroskopen

In der Medizin ist die Chirurgie zweifellos das wichtigste Mittel zur Behandlung der meisten Krankheiten und spielt insbesondere bei der Früherkennung von Krebs eine entscheidende Rolle. Der Schlüssel zum Erfolg einer chirurgischen Operation liegt in der klaren Visualisierung des pathologischen Schnitts nach der Präparation.OperationsmikroskopeAufgrund ihrer ausgeprägten Dreidimensionalität, hohen Definition und Auflösung finden sie breite Anwendung in der medizinischen Chirurgie. Die anatomische Struktur des pathologischen Bereichs ist jedoch komplex und oft eng mit lebenswichtigen Organen verbunden. Strukturen im Millimeter- bis Mikrometerbereich liegen weit außerhalb des vom menschlichen Auge sichtbaren Bereichs. Hinzu kommt, dass das Gefäßgewebe im menschlichen Körper eng und dicht ist und die Beleuchtung unzureichend ist. Jede noch so kleine Abweichung kann dem Patienten schaden, den Operationserfolg beeinträchtigen und sogar lebensbedrohlich sein. Daher ist die Forschung und Entwicklung von bildgebenden Verfahren unerlässlich.BetriebMikroskopemit ausreichender Vergrößerung und klaren visuellen Bildern ist ein Thema, das Forscher weiterhin eingehend untersuchen.

Digitale Technologien wie Bild- und Videoübertragung, Informationsübertragung und fotografische Aufzeichnung bringen derzeit neue Vorteile in die Mikrochirurgie. Sie beeinflussen nicht nur unseren Alltag grundlegend, sondern finden auch zunehmend Anwendung in der Mikrochirurgie. Hochauflösende Displays und Kameras erfüllen die heutigen Anforderungen an chirurgische Präzision. Videosysteme mit CCD-, CMOS- und anderen Bildsensoren als Empfangsflächen werden zunehmend in Operationsmikroskopen eingesetzt. Video-OperationsmikroskopeSie sind für Ärzte äußerst flexibel und komfortabel in der Anwendung. Die Einführung fortschrittlicher Technologien wie Navigationssysteme, 3D-Displays, hochauflösende Bildqualität, Augmented Reality (AR) usw., die die gemeinsame Ansicht durch mehrere Personen während des chirurgischen Eingriffs ermöglichen, unterstützt Ärzte zusätzlich bei der Durchführung intraoperativer Operationen.

Die optische Bildgebung ist der Hauptfaktor für die Bildqualität von Mikroskopen. Videochirurgische Mikroskope zeichnen sich durch einzigartige Konstruktionsmerkmale aus und nutzen fortschrittliche optische Komponenten und Bildgebungstechnologien wie hochauflösende, kontrastreiche CMOS- oder CCD-Sensoren sowie Schlüsseltechnologien wie optischen Zoom und optische Kompensation. Diese Technologien verbessern die Bildschärfe und -qualität von Mikroskopen effektiv und gewährleisten eine hohe visuelle Sicherheit bei chirurgischen Eingriffen. Durch die Kombination von optischer Bildgebung mit digitaler Verarbeitung werden zudem dynamische Echtzeit-Bildgebung und 3D-Rekonstruktion ermöglicht, was Chirurgen ein intuitiveres visuelles Erlebnis bietet. Um die optische Bildqualität von Videochirurgischen Mikroskopen weiter zu verbessern, erforschen Wissenschaftler kontinuierlich neue optische Bildgebungsverfahren wie Fluoreszenz-, Polarisations- und Multispektralbildgebung, um die Bildauflösung und -tiefe zu erhöhen. Künstliche Intelligenz wird zur Nachbearbeitung der optischen Bilddaten eingesetzt, um Bildschärfe und Kontrast weiter zu optimieren.

Bei frühen chirurgischen EingriffenBinokularmikroskopeMonokularmikroskope wurden hauptsächlich als Hilfsmittel eingesetzt. Ein Binokularmikroskop ist ein Instrument, das Prismen und Linsen nutzt, um stereoskopisches Sehen zu ermöglichen. Es bietet Tiefenwahrnehmung und Stereosicht, die monokulare Mikroskope nicht bieten. Mitte des 20. Jahrhunderts leistete von Zehender Pionierarbeit bei der Anwendung von Binokularlupen in der Augenheilkunde. Anschließend brachte Zeiss eine Binokularlupe mit einem Arbeitsabstand von 25 cm auf den Markt und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der modernen Mikrochirurgie. Im Bereich der optischen Bildgebung von Binokular-Operationsmikroskopen betrug der Arbeitsabstand früherer Modelle 75 mm. Mit der Weiterentwicklung und Innovation medizinischer Instrumente wurde das erste Operationsmikroskop OPMI1 eingeführt, dessen Arbeitsabstand bis zu 405 mm betrug. Auch die Vergrößerung und die Auswahl an Vergrößerungsoptionen haben sich stetig verbessert. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Binokularmikroskopen und ihrer Vorteile wie lebendiger Stereoskopie, hoher Bildschärfe und großem Arbeitsabstand finden Binokular-Operationsmikroskope heute breite Anwendung in verschiedenen Fachbereichen. Die Einschränkungen durch die Größe und geringe Tiefe des Instruments sind jedoch nicht zu vernachlässigen. Das medizinische Personal muss während der Operation häufig nachjustieren und sich konzentrieren, was den Eingriff erschwert. Zudem erhöht die lange Konzentration der Chirurgen auf die visuelle Instrumentenbeobachtung und die Operation selbst nicht nur ihre körperliche Belastung, sondern verstößt auch gegen ergonomische Prinzipien. Ärzte müssen bei chirurgischen Untersuchungen eine fixierte Körperhaltung einnehmen, und manuelle Anpassungen sind erforderlich, was die Operation zusätzlich erschwert.

Nach den 1990er Jahren hielten Kamerasysteme und Bildsensoren zunehmend Einzug in die chirurgische Praxis und zeigten dabei ein beachtliches Anwendungspotenzial. 1991 entwickelte Berci ein innovatives Videosystem zur Visualisierung von Operationsgebieten mit einem einstellbaren Arbeitsabstand von 150–500 mm und einem sichtbaren Objektdurchmesser von 15–25 mm bei einer Schärfentiefe von 10–20 mm. Obwohl die hohen Wartungskosten für Objektive und Kameras die breite Anwendung dieser Technologie in vielen Krankenhäusern damals einschränkten, trieben Forscher die technologische Innovation weiter voran und begannen mit der Entwicklung fortschrittlicherer videobasierter Operationsmikroskope. Im Vergleich zu binokularen Operationsmikroskopen, die einen langen Zeitraum in derselben Position benötigen und daher leicht zu körperlicher und geistiger Ermüdung führen können, projiziert das videobasierte Operationsmikroskop das vergrößerte Bild auf einen Monitor und vermeidet so ein langes Verharren in einer ungünstigen Körperhaltung. Videobasierte Operationsmikroskope ermöglichen es Ärzten, anatomische Strukturen mithilfe hochauflösender Bildschirme zu operieren und sind somit von einer starren Körperhaltung befreit.

In den letzten Jahren haben sich Operationsmikroskope dank des rasanten Fortschritts der künstlichen Intelligenz zunehmend intelligent entwickelt, und videobasierte Operationsmikroskope sind mittlerweile weit verbreitet. Moderne videobasierte Operationsmikroskope kombinieren Computer Vision und Deep Learning, um Bilderkennung, -segmentierung und -analyse zu automatisieren. Während des Eingriffs unterstützen intelligente videobasierte Operationsmikroskope Ärzte dabei, erkranktes Gewebe schnell zu lokalisieren und die chirurgische Präzision zu verbessern.

Im Entwicklungsprozess von binokularen Mikroskopen hin zu videobasierten Operationsmikroskopen wird deutlich, dass die Anforderungen an Genauigkeit, Effizienz und Sicherheit in der Chirurgie stetig steigen. Der Bedarf an optischer Bildgebung in Operationsmikroskopen beschränkt sich heutzutage nicht mehr nur auf die Vergrößerung pathologischer Bereiche, sondern ist zunehmend vielfältiger und effizienter. In der klinischen Medizin werden Operationsmikroskope durch die Integration von Fluoreszenzmodulen mit Augmented Reality (AR) häufig in der Neuro- und Wirbelsäulenchirurgie eingesetzt. AR-Navigationssysteme erleichtern komplexe minimalinvasive Eingriffe an der Wirbelsäule, und fluoreszierende Substanzen unterstützen Ärzte bei der vollständigen Entfernung von Hirntumoren. Darüber hinaus ist es Forschern gelungen, Stimmbandpolypen und Leukoplakie mithilfe eines hyperspektralen Operationsmikroskops in Kombination mit Bildklassifizierungsalgorithmen automatisch zu erkennen. Videobasierte Operationsmikroskope finden durch die Kombination mit Fluoreszenz-, Multispektral- und intelligenter Bildverarbeitungstechnologie breite Anwendung in verschiedenen chirurgischen Bereichen wie der Schilddrüsen-, Netzhaut- und Lymphchirurgie.

Im Vergleich zu binokularen Operationsmikroskopen bieten Videomikroskope die Möglichkeit der gemeinsamen Videoübertragung an mehrere Benutzer, hochauflösende Operationsbilder und sind ergonomischer, wodurch die Ermüdung des Arztes reduziert wird. Die Entwicklung optischer Bildgebung, Digitalisierung und künstlicher Intelligenz hat die Leistung optischer Systeme von Operationsmikroskopen erheblich verbessert, und Echtzeit-Dynamikbildgebung, Augmented Reality und andere Technologien haben die Funktionen und Module videobasierter Operationsmikroskope deutlich erweitert.

Die optische Bildgebung zukünftiger videobasierter Operationsmikroskope wird präziser, effizienter und intelligenter sein und Ärzten umfassendere, detailliertere und dreidimensionale Patienteninformationen zur Verfügung stellen, um chirurgische Eingriffe besser zu steuern. Gleichzeitig wird dieses System mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt und der Erweiterung der Anwendungsgebiete auch in weiteren Bereichen eingesetzt und weiterentwickelt werden.