로봇 수술 비전 시스템을 위한 조명 설계 고려 사항

로봇 공학 및 로봇 보조 수술의 목표는 외과의가 이전에는 불가능했던 복잡한 절차를 정밀하게 수행하여 수술 및 회복 시간을 단축하고 환자의 위험을 낮출 수 있도록 하는 것입니다. 로봇 수술은 전립선 절제술, 신장 절제술 및 자궁 절제술 결장직장 수술을 비롯한 많은 응용 분야에서 상당한 영향을 미쳤습니다. 최근 기술의 발전으로 이전보다 더 많은 로봇 공학 애플리케이션이 개발되고 있습니다.

수술 워크플로, 사이트 액세스 및 복구 시간을 개선하기 위해 수술 로봇 아키텍처의 모든 하위 시스템에 새로운 혁신이 나타나고 있습니다. 정확하고 일관된 시각화로 이미지 품질을 개선하면 외과의가 절차 중에 더 많은 정보에 입각한 수술 결정을 내릴 수 있습니다. 수술용 비전 시스템은 광섬유 또는 LED 조명 구성 요소가 있는 넓은 시야각 카메라와 일치합니다. 그러나 종종 제품 개발 과정에서 조명 시스템의 성능 요구 사항과 설계에는 카메라보다 훨씬 적은 시간과 리소스가 할당됩니다.

성공적인 제품을 위해서는 고품질 조명을 제공하는 데 필요한 모든 하위 시스템을 고려해야 합니다. 이러한 상황의 구체적인 예는 칩 온 팁 카메라를 사용하는 고화질 3D 복강경입니다.

3D 수술 비전 시스템에는 4가지 주요 하위 시스템이 있습니다.

1. 수술 대상에 빛을 비추는 조명 시스템
2. 조직에서 빛을 포착하는 카메라(렌즈 및 CMOS 센서)
3. 이미지 품질 및 지연 시간을 제어하는 ​​펌웨어 및
4. 디스플레이 시스템(2D 및 3D 디스플레이의 조합).

각 하위 시스템에는 디자인 팀이 고려해야 할 고유한 핵심 질문이 있습니다.

임상 응용

강력한 조명 시스템을 설계하기 전에 설계 엔지니어는 주어진 수술 절차에 대한 임상 팀의 목표를 포괄적으로 이해해야 합니다. 종종 "고객의 소리" 역할을 하는 제품 관리자가 선행 장비를 식별하고 "최고의 이미지 품질"을 요구합니다. R&D 팀은 이 요청을 정량적 요구 사항으로 변환하여 FOV, 해상도, 색상 정확도 및 이미지 대비에 대한 이미징 방식과 수치적 한계를 예로 들어 궁극적으로 완전한 제품 요구 사항을 도출해야 합니다. 이 기사에서는 카메라 시야가 80°이고 작동 거리가 5~100mm인 3D 복강경용 광원을 고려할 것입니다. 우리는 주로 백색광 적용을 고려할 것이지만 형광 고려사항도 논의할 것입니다.

이를 설명하기 위해 우리는 여기에서 "자본 장비", 즉 비전 타워의 일부로 제한된 장비 하우징에 설치된 LED 조명 엔진이 있는 섬유 기반 조명 시스템의 설계를 고려합니다. 자본 장비는 일반적으로 수술 플랫폼의 비전 및 추가 제어 시스템을 수용하는 카트를 포함합니다. 수술 시스템의 의도된 아키텍처는 로봇 수술 시스템에 사용하기 위한 견고한 스테레오 복강경입니다. 형광 또는 기타 소스 종속 이미징 통합의 일정, 안전 및 향후 사용자 요구에 대한 위험을 줄이기 위해 섬유 기반 솔루션을 고려할 것입니다. 저자는 LED가 계속해서 크기와 효율성을 향상시키는 데 감사하며 기사 끝에서 디자인 공간을 다룰 것입니다.

로봇 수술을 위한 조명 고려 사항

그림 1은 로봇 수술 플랫폼용 조명 시스템의 주요 시스템 아키텍처를 보여줍니다. 스코프에 빛을 전달하려면 조명 소스(이 경우 조명 엔진)가 필요합니다. 라이트 엔진은 필요한 경우 빛을 파이버 테이퍼에 결합한 다음 빛을 팁으로 전달하는 파이버에 전달합니다.

라이트 엔진은 자본 장비에 설치되는 광원입니다. 이러한 소스에는 서로 다른 아키텍처가 있지만 두 가지 기본 유형으로 요약할 수 있습니다. 일부 라이트 엔진은 단일 광대역 소스를 사용하는 반면 다른 라이트 엔진은 협대역 LED를 혼합하여 광대역 소스를 생성합니다. 단일 광대역 LED는 청색 LED를 사용하여 형광체를 활성화하는 백색 LED 아키텍처로 인해 청색광을 보정해야 할 위험이 있습니다. 청색광의 높은 비율은 적색 조직에 흡수됩니다. 스펙트럼의 하이 블루 신호는 색상 조정 단계에서 문제를 일으킬 수 있으며 잠재적으로 너무 디지털화되거나 "가짜처럼 보이는" 이미지를 유발할 수 있습니다. 혼합 RGB LED 접근 방식은 과도한 청색광 문제를 제거할 수 있지만 세 가지 소스를 시스템에 연결하기 위해 조명 엔진에 더 복잡한 광학 장치가 필요합니다. 시스템에 근적외선(NIR) 조명이 필요한 경우 NIR LED도 조명 엔진에 설치되어 설계를 압축합니다.

RGB 및 NIR LED를 동일한 하우징에 하우징함으로써 광원은 팁에 빛을 전달하는 동일한 섬유를 공유할 수 있습니다. 이는 내시경 조명 시스템의 효율성을 극대화합니다. 라이트 엔진에서 내시경 팁으로 빛을 전달하려면 광원에서 팁으로 빛을 전달하는 광학 시스템뿐만 아니라 높은 수치(NA) 조리개 광섬유가 필요합니다. 광섬유의 각도 출력을 설명하는 용어는 개구수 또는 NA입니다. NA가 높을수록 광섬유의 각도 출력이 높아집니다. NA는 광섬유에 들어가고 나갈 수 있는 가장 높은 각도의 사인과 같습니다. 광섬유의 NA는 광섬유의 코어와 클래딩의 굴절률에 의해 결정됩니다. NA가 높을수록 더 높은 각도의 빛이 광섬유를 빠져나가 시야의 더 높은 비율을 비춥니다.

광섬유 케이블에서 최상의 성능을 얻으려면 설계 팀은 광 엔진의 출력과 광섬유 케이블 간의 관계를 고려해야 합니다. 일반적인 솔루션은 광섬유 테이퍼를 사용하여 내시경에 들어오는 빛의 각도를 늘리는 것입니다. 광섬유 테이퍼는 일반적으로 광 케이블이 연결되는 내시경의 근위 끝에 설치됩니다. 파이버 테이퍼는 광 엔진의 넓은 영역의 낮은 각도 출력을 작은 영역의 높은 각도 출력으로 변환합니다.

라이트 박스를 빠져나가는 빛의 NA는 일반적으로 0.5NA 정도이며, 수술 로봇과 관련된 각도는 0.87NA 이상에 도달할 수 있습니다. 라이트 박스에 연결된 광섬유는 라이트 박스의 기존 NA와 같아야 합니다. 테이퍼는 로우 앵글 라이트를 하이 앵글 라이트로 변환하여 가장 넓은 조명 각도를 달성합니다. 그림 2는 테이퍼에 들어오고 나가는 광선에 어떤 일이 발생하는지 보여줍니다.

높은 출력 각도에 도달하기 위해 테이퍼를 사용하는 것의 대안은 복강경의 끝에서 나오는 빛을 확산시키는 렌즈를 설계하는 것입니다. 렌즈 보조 조명 시스템은 더 높은 출력 각도를 허용하여 본체에서 더 높은 FOV 카메라를 사용할 수 있지만 덜 컴팩트한 디자인의 비용이 듭니다.

빛이 복강경의 광섬유로 전송되면 그림 3과 같이 광섬유가 팁을 가로질러 빛을 출력하도록 포장됩니다. 이는 두 가지 이유로 단일 광 출력면을 갖는 것보다 더 유리합니다. 첫째, 광섬유를 스코프에 더 쉽게 통합할 수 있고, 둘째는 이미지에 영향을 미치는 수술 도구의 원치 않는 그림자를 방지합니다.

교정 및 테스트 고려 사항

광원을 설계할 때 팀은 캡처한 이미지를 변환하여 외과 팀을 위한 고화질 2D 및 3D 모니터에 표시하는 ISP(이미지 신호 파이프라인)도 고려해야 합니다. ISP는 이미지 센서의 다크 신호 불균일, 광 응답 불균일, 색상 보정, 화이트 밸런싱을 포함하여 시스템에 적용되는 다양한 보정을 가질 수 있습니다. 이러한 보정을 통해 고품질 이미지를 생성하는 보정이 가능합니다. 그러나 ISP가 보정에 너무 많이 의존하는 경우 이미지가 고도로 처리되어 보일 수 있으며 수술 팀의 주의가 산만해집니다.

ISP에는 각 장치의 보정이 필요한 블록이 있습니다. 교정 데이터는 일반적으로 내시경에 설치된 메모리에 저장됩니다. 교정 프로세스의 정의를 조기에 시작하고 ISP 개발 엔지니어와 조정하면 후기 개발 문제의 위험을 줄일 수 있습니다. ISP 및 캘리브레이션을 조기에 고려하여 제품 출시 이전에 광원 및 펌웨어의 여러 수정이 가능합니다. 보정에는 한계가 있으며 조명 시스템이 의도된 수술 용도에 더 가깝게 설계되면 개발 프로세스에서 보정 문제 해결이 덜 필요합니다.

광원과 관련된 보정의 예로는 PRNU(photo-response non-uniformity), 화이트 밸런스 및 색상 보정이 있습니다. 이러한 보정은 광원 자체의 디자인이 열등한 경우 효과가 모두 제한됩니다. 광원 설계를 "수정"하기 위해 보정에 의존하면 생성된 이미지가 지나치게 처리되어 보일 수 있습니다. 또한 ISP가 보정에 메모리를 할당해야 하는 경우 비전 시스템의 대기 시간이 증가하여 로봇 성능이 제한될 위험이 있습니다.

마지막으로 조명 엔진, 조명, 이미징 광학 장치 및 카메라 펌웨어를 설계한 후에는 적절한 테스트가 필요합니다. 종종 조명 시스템 구성 요소는 자본 장비 및 복강경의 소스에 대한 100% 검사 및 보정이 필요합니다. 이러한 테스트에서는 색상 정확도, 균일성 및 전력 출력을 측정하기 위해 특수 타겟을 사용하여 다양한 조건에서 테스트 중인 장치를 작동해야 합니다. 이러한 테스트를 자동화하는 시스템을 설계하면 부품 간 및 테스터 간 변동 위험이 줄어들어 현장에서 제품 표준이 유지됩니다. 이러한 테스트 스테이션은 제조 현장에 성공적으로 배포할 수 있도록 상세한 기계, 시스템 및 소프트웨어 설계가 필요합니다.

내시경 또는 유연한 스코프 적용에 대한 다른 고려 사항이 있습니다. 이러한 장치는 종종 조명에 사용할 수 있는 공간에 더 많은 제한이 있고, 2D 이미징만 있을 수 있으며, 일회용이거나 기사에 제공된 매개변수와 관련이 없는 기타 주의 사항이 있을 수 있습니다. 소구경 및 일회용 장치의 경우 플라스틱 섬유, 팁의 LED 및 기타 더 컴팩트한 솔루션을 사용하면 다양한 설계 고려 사항과 위험 완화가 고려되는 성공적인 제품을 만들 수 있습니다.

요약하자면 로봇 수술 시스템을 위한 조명 구성 요소의 개발은 복잡한 과정입니다. 임상 적용에 대한 완전한 이해에서 시작하여 그 이해를 바탕으로 구축해야 합니다. 백색광 및 NIR 응용 분야를 위한 로봇 시스템을 설계하는 경우 자본 장비에 설치된 광 엔진과 함께 높은 NA 광섬유를 활용하는 설계를 권장합니다. 가장 넓은 조명 각도를 얻으려면 높은 NA 섬유를 사용하여 장치 끝에 빛을 전달하는 것이 좋습니다. 이것은 지나치게 복잡한 디자인을 피하는 가장 간결한 디자인 접근 방식입니다. 다른 솔루션을 사용하면 기능에 차이가 생겨 해결 방법이 설계될 수 있습니다.

이 기사는 광학 시스템 엔지니어인 Jonathan Brand와 Gray Optics(ME 포틀랜드)의 영업 및 마케팅 부사장인 Neil Anderson 박사가 작성했습니다. 자세한 내용은 Neil Anderson에게 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 을(를) 방문하십시오. 여기 .