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手术显微镜综合综述

2022-04-12 15:47:36

抽象

意义:手术显微镜提供可调节的放大倍率,明亮的照明和手术区域的清晰可视化,并已越来越多地用于手术室。先进的手术显微镜与各种成像方式集成在一起,例如用于图像引导手术的光学相干断层扫描(OCT),荧光成像和增强现实(AR)。


目的:这篇综合综述基于500多篇论文的文献,涵盖了过去一个世纪外科显微镜的技术发展和应用。本综述的目的有三个:(i)提供手术显微镜的技术概述,(ii)为显微镜的选择和系统开发提供关键参考,以及(iii)提供各种医疗应用的概述。


方法:收集和审查了500多个参考文献。本研究提供了手术显微镜发展过程中重要里程碑的时间表。提供了光学系统、机械系统、照明、可视化以及与成像模式集成的深入技术概述。描述了手术显微镜在神经外科和脊柱外科,眼科手术,耳鼻喉(ENT)手术,牙髓病学以及整形和重建手术中的各种医学应用。


结果:手术显微镜在高的光学、无明影照明、稳定灵活的机械设计和多功能可视化等技术方面取得了显著的进步。新的成像方式,如高光谱成像、OCT、荧光成像、光声显微镜和激光斑点造影成像,正在与手术显微镜集成。先进的可视化和AR正在被添加到手术显微镜中,作为改变手术室临床实践的新功能。


结论:新的成像技术和手术显微镜的结合将使外科医生能够执行具有挑战性的手术并改善手术结果。凭借先进的可视化和改进的人体工程学设计,手术显微镜已成为神经外科、脊柱手术、耳鼻喉科、眼科、整形手术和重建手术的强大工具。


手术显微镜经历了漫长的演变和发展。由于众多吸引人的功能和新的成像方式,手术显微镜不会止步于此,而是将继续蓬勃发展。大体积,高成本和高功率照明的潜在组织损伤的局限性将通过机器人定位,提高利用率和更好的光管理进一步解决。手术显微镜的三个主要未来方向包括与更先进的技术集成,推出新的可视化方法,以及越来越多地用于更多的临床应用。


首先,HSI、LSCI、PAM、偏振成像与手术显微镜的整合以及相关的成像处理方法将变得更加成熟和完善,除了荧光成像和OCT之外,还将提供手术指导。它们可以在手术过程中随时使用,无需给药时间,并实时提供丰富的定量诊断信息。同时,HSI和LSCI都有一个非常简单的适应系统和易于解释的图像。因此,医生采用这些方法需要较少的努力。较新的机器人可视化系统中的内窥镜工具也为一些成像方式提供了机会,这些成像方式不容易与传统手术显微镜一起适应,例如共聚焦显微镜和拉曼光谱。其次,将扩大手术显微镜的可视化。它不会限于团队在手术室中共享的清晰视图。新的可视化方法将使外科医生能够通过会议室中的监视器,耳机,智能手机和大屏幕自由地在任何地方可视化程序。凭借先进的通信技术和发达的AR辅助平台,更大的团队将能够远程参与这些程序。预计手术显微镜将越来越多地用于更多的应用,如骨科脊柱手术和白内障手术。特别是,手术显微镜带来了牙科的革命,但它们主要用于牙髓病学。因此,手术显微镜有望更多地用于其他牙科应用,如牙周外科。此外,新的内窥镜工具和画中画可视化模式使用户可以访问更深的结构,这大大提高了手术显微镜在各种耳鼻喉科手术中的竞争力。


手术显微镜大致可分为显微镜体、光源和支撑结构,72,73,114其中每一项对显微镜的性能都至关重要。除了这三个传统部件外,现代显微镜还采用了先进的技术来促进可视化和手术导航。


显微镜主体具有所有高精度光学元件,可提供清晰放大的图像,失真小。115安装在显微镜头上的双筒望远镜提供立体视觉。116多个光学端口开放,用于适应成像设备,如摄像机,或供助手共享相同的视场。25,117


光源安装在远离显微镜的地方,以避免加热显微镜光学元件或手术部位。8手术显微镜常用的光源是氙气灯泡,卤素灯泡或发光二极管(LED)。118–120来自光源的照明通过光纤导轨传输到显微镜,然后穿过物镜,并在受焦距限制的距离处照亮手术部位。115良好的照明布置(如同轴照明)克服了 FOV 的阴影和暗淡。74,114同时,先进的光管理确保了照明的稳定性以及组织的安全性。


根据配置,有四种类型的手术显微镜:(i)在脚轮上,(ii)壁挂式,(iii)桌面式和(iv)天花板安装。由于具有更好的移动性,脚轮支架是受欢迎的支撑结构,但天花板安装或壁挂支架可以帮助空间管理。73,95现代显微镜的支撑结构具有准确的电动机械结构,因此显微镜可以轻松平衡并灵活地调整到正确的位置。这也是支撑结构以保持显微镜稳定的基本任务。已经为“免提”手术开发了各种控制方法,改进的人体工程学设计减少了外科医生在长时间手术中的压力。此外,一些新的显微镜支架具有高清显示和记录设备,便于共享操作过程。


近几十年来,图像引导手术先进技术的采用和模块化得到了好的评估。一方面,术中成像方式已使用手术显微镜进行评估,以提供实时诊断信息。成像方式利用人体组织的某些特性,揭示的信息超出了人眼所能看到的范围,甚至是组织表面下方的更深层结构。为了应用这些成像方式,已经对显微镜进行了某些系统调整。系统适配的目标是在不中断手术工作流程或降低显微镜性能的情况下轻松启用和禁用这些成像功能。另一方面,AR在新一代显微镜中发挥着重要作用,特别是随着微创手术的发展。它帮助外科医生在术中将术前二维(2D)图像与真实的3D手术部位相关联以进行导航。AR可以处理各种图像模式,无论是术前还是术中,并将图像叠加到手术部位,因此外科医生无需在手术部位和图像之间切换视线。此外,图像的叠加不仅揭示了3D模型,还揭示了患者皮肤下的解剖结构。通过适当的系统调整,准确的校准和配准以及方便的可视化方法,AR可以很大地帮助临床手术。


在本节中,我们将提供手术显微镜的详细技术描述,包括其光学系统,照明,机械系统和可视化。将解释用于图像引导手术的手术显微镜采用的先进技术,即AR,术中荧光成像,显微镜安装OCT,HSI和光声成像。本节的目的是解释手术显微镜的原理以及如何采用先进技术。它为显微镜选择和系统开发提供了参考。

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