Considerações de projeto de iluminação para sistemas de visão de cirurgia robótica

O objetivo da robótica e da cirurgia assistida por robótica é permitir que os cirurgiões realizem procedimentos complexos, anteriormente não disponíveis, com maior precisão, o que leva à redução do tempo de cirurgia e recuperação, além de diminuir os riscos para os pacientes. A cirurgia robótica teve impactos significativos em muitas aplicações, incluindo prostatectomia, nefrectomia e cirurgia colorretal de histerectomia. Com os recentes avanços na tecnologia, agora há mais aplicativos de robótica em desenvolvimento do que nunca.

Para melhorar o fluxo de trabalho cirúrgico, o acesso ao local e os tempos de recuperação, novas inovações estão aparecendo em todos os subsistemas da arquitetura robótica cirúrgica. Melhorar a qualidade da imagem com visualização precisa e consistente permite que os cirurgiões tomem decisões cirúrgicas mais informadas durante um procedimento. Os sistemas de visão cirúrgica combinam câmeras de amplo campo de visão com fibra ótica ou componentes de iluminação LED. Muitas vezes, no desenvolvimento de produtos, no entanto, os requisitos de desempenho e o design do sistema de iluminação recebem muito menos tempo e recursos do que a câmera.

Para ter um produto de sucesso, deve-se considerar todos os subsistemas necessários para fornecer iluminação de alta qualidade. Um exemplo específico dessa situação é um laparoscópio 3D de alta definição que utiliza uma câmera com chip na ponta.

O sistema de visão cirúrgica 3D possui quatro subsistemas principais:

Cada subsistema tem suas próprias questões-chave que a equipe de projeto deve considerar.

Antes de projetar um sistema de iluminação robusto, o engenheiro de projeto deve ter uma compreensão abrangente dos objetivos da equipe clínica para um determinado procedimento cirúrgico. Freqüentemente, um gerente de produto atuando como a "voz do cliente" identificará um dispositivo predicado e solicitará a "melhor qualidade de imagem". A equipe de P&D terá que traduzir essa solicitação em requisitos quantitativos, identificando modalidades de imagem e limites numéricos em FOV, resolução, precisão de cores e contraste de imagem como exemplos, eventualmente levando aos requisitos completos do produto. Neste artigo vamos considerar uma fonte de luz para um laparoscópio 3D com um campo de visão da câmera de 80° e uma distância de trabalho de 5 a 100 mm. Consideraremos principalmente aplicações de luz branca, mas também discutiremos considerações de fluorescência.

Para elucidar isso, consideramos aqui o projeto de um sistema de iluminação baseado em fibra, com um motor de luz LED instalado em uma caixa de equipamento confinada como parte do "equipamento de capital", ou seja, torre de visão. O equipamento principal engloba o carrinho que normalmente abriga os sistemas de visão e controle adicionais da plataforma cirúrgica. A arquitetura pretendida do sistema cirúrgico é um estereolaparoscópio rígido para uso em um sistema cirúrgico robótico. Para reduzir o risco de cronograma, segurança e necessidades futuras do usuário de integrar fluorescência ou outras imagens dependentes de fonte, consideraremos uma solução baseada em fibra. Os autores apreciam os avanços que os LEDs continuam a fazer em tamanho e eficiência e abordarão o espaço de design no final do artigo.

A Figura 1 destaca as principais arquiteturas do sistema de iluminação para uma plataforma de cirurgia robótica. Para fornecer luz ao osciloscópio, é necessária uma fonte de iluminação – neste caso, um motor de luz. O mecanismo de luz acoplará a luz em um cone de fibra, se necessário, e então a entregará às fibras que transmitirão a luz para a ponta.

O motor leve é ​​uma fonte de luz instalada em equipamentos de capital. Existem arquiteturas diferentes para essas fontes, mas elas podem ser destiladas em dois tipos principais. Alguns motores de luz usarão uma única fonte de banda larga, enquanto outros aproveitarão a mistura de LEDs de banda estreita para criar uma fonte de banda larga. Um único LED de banda larga corre o risco de precisar corrigir a luz azul devido à arquitetura do LED branco que usa um LED azul para ativar um fósforo. Uma alta proporção de luz azul é absorvida pelo tecido vermelho. O sinal de azul alto no espectro pode levar a desafios no estágio de ajuste de cores e, potencialmente, imagens que parecem muito digitalizadas ou com "aparência falsa". Uma abordagem mista de LED RGB pode eliminar os problemas de excesso de luz azul, mas requer óptica mais complexa no mecanismo de luz para acoplar as três fontes ao sistema. Se o sistema exigir iluminação infravermelha próxima (NIR), os LEDs NIR também serão instalados no mecanismo de luz, compactando o design.