Mengembangkan Sistem Penerangan &Pencitraan Tingkat Lanjut untuk Endoskopi Fluoresensi Medis

(Gambar:sofiko14/adobe.stock.com)

Pengembangan sistem pencitraan endoskopi memerlukan koordinasi antara berbagai disiplin ilmu teknik, terutama untuk penerangan optik dan mesin pencitraan, terutama ketika menambahkan kemampuan pencitraan fluoresensi. Penerangan optik dan mesin pencitraan menjadi landasan dalam membangun produk pencitraan yang intuitif dan efektif dan menjadi lebih penting lagi ketika menambahkan kemampuan pencitraan fluoresensi (FI) sesuai kebutuhan pengguna.

FI membantu dalam menemukan anatomi kritis selama pembedahan, menggunakan kontras sistemik seperti ICG dan fluorescein, dan kontras yang ditargetkan seperti CYTALUX.1 Untuk melakukan hal ini, FI intraoperatif memerlukan pertimbangan desain sistem yang berbeda — dan seringkali berlawanan — jika dibandingkan dengan endoskopi cahaya putih.2

Pencitraan fluoresensi dalam endoskopi menghadirkan tantangan karena intensitas sinyal yang rendah dan kompleksitas perangkat keras, yang memerlukan sensor sensitif, filter optik spesifik, dan sumber penerangan pita sempit bertenaga tinggi. (Gambar:iStock)

FI dalam endoskopi menghadirkan tantangan karena intensitas sinyal yang rendah dan kompleksitas perangkat keras, yang memerlukan sensor sensitif, filter optik spesifik, dan sumber penerangan pita sempit bertenaga tinggi. Tim pengembangan harus mempertimbangkan implikasi teknis ini ketika merancang kemampuan FI ke dalam produk endoskopi mereka tanpa mengorbankan fungsi endoskopi cahaya putih. Fungsionalitas FI menambah jalur pemrosesan sinyal gambar, spesifikasi sistem tertanam, alur kerja visualisasi gambar, dan rekayasa faktor manusia. Mempertimbangkan kebutuhan ini dalam menentukan pencitraan dan pencahayaan FI menjadi dasar pengembangan produk dan sangat memengaruhi keberhasilan proyek.

Dalam artikel ini, kami membahas beberapa poin penting yang perlu dipertimbangkan dalam mengembangkan mesin pencitraan dan penerangan endoskopi fluoresensi untuk mendukung pekerjaan pengembangan yang lebih luas yang diperlukan untuk meluncurkan produk Anda. Penekanannya adalah pada pengembangan bersama mesin iluminasi dan pencitraan untuk memposisikan tim pengembangan produk Anda sebaik-baiknya dalam meraih kesuksesan melalui eksekusi dan mitigasi risiko.

Dimensi fisik sensor kamera dan ukuran kemasan menginformasikan desain lensa dan spesifikasi selubung mekanis. (Gambar:FISBA)

Definisi Produk

Tim perlu memahami beberapa persyaratan utama terlebih dahulu sebelum menentukan cakupan spesifikasi teknis:

• Indikasi Klinis

  Kondisi dan penyakit apa yang akan digunakan untuk mengobatinya?

• Di mana perangkat Anda akan digunakan?

  Apakah Anda menginginkan laparoskop kaku untuk bedah umum, artroskop tertutup rapat untuk bedah ortopedi, teropong luminal fleksibel, atau yang lainnya?

• Berapa jarak kerja yang perlu dicitrakan selama prosedur?

  Apakah pengguna akan melakukan pencitraan arthroscopic di tempat yang sempit? Menavigasi anatomi empedu melalui trocar? Pencitraan struktur luminal seperti saluran pencernaan atau paru-paru?

• Apa ekspektasi pengguna terhadap kinerja sistem pencitraan?

  Apakah mereka berharap melihat cahaya putih dan kontras pencitraan fluoresensi secara bersamaan? Bagaimana alur kerja langkah demi langkah untuk produk ideal dalam praktik klinis?

Setelah pertanyaan-pertanyaan kunci ini terjawab, spesifikasi rinci akan dibahas selanjutnya.

Pemilihan Fluorofor

Fluorofor yang dipilih akan menentukan kompleksitas persyaratan desain optik, spesifikasi filter, kontras sinyal yang diharapkan. Pada gilirannya, keputusan ini juga menentukan spesifikasi mesin penerangan dan sensor gambar yang diperlukan untuk produk berperforma tinggi. Saat mengevaluasi kandidat fluorofor, pertimbangkan hal berikut:

• Indikasi yang disetujui dan di luar label akan menentukan kapan perangkat tersebut dapat berguna dalam praktik klinis.

• Rentang konsentrasi yang relevan secara fisiologis menetapkan ekspektasi terhadap kontras gambar dan mempersempit spesifikasi kamera, lensa, dan desain mesin iluminasi.

• Spektrum eksitasi dan emisi fluoresensi akan memandu desain lensa, komponen mesin iluminasi, dan spesifikasi filter.

• Efisiensi kuantum menunjukkan seberapa efisien iluminasi akan diubah menjadi foton fluoresen yang dapat dideteksi, sehingga menentukan spesifikasi mesin iluminasi dan pencitraan.

• Fotabilitas menentukan berapa lama fluorofor dapat menyala sebelum kehilangan sinyal dan seberapa terang mesin penerangan yang dibutuhkan.

• Tingkat pembersihan fisiologis mendefinisikan prosedur alur kerja yang menginformasikan fungsionalitas perangkat.

Parameter ini akan membantu Anda memperkirakan dan membuat model seberapa banyak cahaya yang dapat Anda lihat selama prosedur klinis guna menentukan spesifikasi komponen yang diperlukan untuk produk Anda.

Pemilihan Sensor Kamera

Terdapat solusi di mana pun cahaya putih diarahkan ke aplikasi melalui serat optik tipis. Modul LED RGB memungkinkan indeks rendering warna yang tinggi dan fleksibilitas suhu warna. (Gambar:FISBA)

Faktor bentuk produk, kualitas gambar, dan batas deteksi sangat bergantung pada sensor gambar. Bergantung pada fluorofor, selubung mekanis yang diinginkan produk, dan spesifikasi lensa gambar, opsi sensor kamera Anda dapat dipersempit.

Banyak tim perlu memutuskan sejak awal mengenai arsitektur endoskopi berbasis chip-on-tip (COT) atau lensa batang. Endoskopi COT cenderung menggunakan sensor yang lebih kecil yang meminimalkan selubung mekanis dan bekerja dengan baik untuk aplikasi endoskopi cahaya putih yang fleksibel. Sensor gambar COT cenderung mengorbankan ketepatan spasial dan kontras demi ukuran dan biaya, sehingga mungkin kesulitan dengan aplikasi dengan sensitivitas tinggi seperti lokalisasi tumor. Endoskopi lensa batang gaya Hopkins umum digunakan pada laparoskop kaku dan artroskop. Mereka biasanya dilengkapi kepala kamera yang sering digunakan sehingga memberikan fleksibilitas spesifikasi dan kualitas gambar yang berlebihan dengan mengorbankan ukuran dan biaya.

Spesifikasi penting yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan kamera adalah:

• Dimensi fisik sensor kamera dan ukuran kemasan menginformasikan desain lensa dan spesifikasi selubung mekanis.

• Sensor resolusi asli menentukan spesifikasi pemrosesan gambar dan sistem tertanam yang diperlukan untuk menghasilkan gambar berkualitas tinggi.

• Beberapa spesifikasi sensor menawarkan fleksibilitas untuk memilih sensor optimal untuk fluoresensi dan endoskopi cahaya putih secara terpisah, jika perangkat mekanis Anda memungkinkannya.

• Sensitivitas spektral saluran warna berbeda — terutama pada pita emisi spektral fluorofor Anda — memengaruhi mesin iluminasi dan spesifikasi lensa pencitraan untuk perangkat Anda.

• Efisiensi Kuantum Sensor menginformasikan mesin iluminasi, pemrosesan gambar, dan spesifikasi lensa untuk produk Anda.

• Rentang dinamis akan menentukan batas deteksi fluoresensi produk Anda dan menggerakkan mesin penerangan, desain lensa, pemrosesan gambar, dan spesifikasi sistem tertanam.

• Kedalaman Bit Gambar Keluaran memengaruhi sensitivitas gambar, batas deteksi, kompleksitas pemrosesan sinyal gambar, dan spesifikasi sistem tertanam.

• Performa kebisingan gelap dan kebisingan baca menentukan batas deteksi produk dan memengaruhi pemrosesan gambar, visualisasi, dan spesifikasi sistem tertanam.

• Protokol antarmuka elektronik membentuk bagaimana mesin visualisasi Anda berinteraksi dengan perangkat keras kamera secara stabil?

• Spesifikasi sudut sinar utama pada beberapa sensor gambar akan menginformasikan spesifikasi desain lensa yang memengaruhi kualitas gambar pada rentang warna yang luas.

Arsitektur sensor gambar tingkat lanjut dapat memperluas format pencitraan warna RGB standar ke pita spektral lainnya. Daripada memberikan gambar RGB cahaya tampak, sensor ini menggunakan filter warna tingkat piksel khusus untuk menambah gambar RGB dengan rentang spektral berbeda dalam satu paket sensor. Meskipun mempersulit alur kerja pemrosesan sinyal gambar, sensor ini menawarkan paket perangkat keras yang efisien untuk dibuat. Pemilihan fluorofor, desain lensa, dan spesifikasi mesin iluminasi akan menentukan apakah arsitektur sensor ini merupakan opsi yang layak.

Desain dan Pemfilteran Lensa

Lensa pencitraan f/# rendah dan dioptimalkan secara kromatis akan memaksimalkan deteksi sinyal FI dan menawarkan lebih banyak fleksibilitas untuk pemrosesan sinyal gambar dan pengembangan sistem tertanam. Namun, hal ini sering kali disertai dengan bidang pandang yang lebih sempit dan kedalaman bidang yang lebih dangkal. Mengklarifikasi dan memprioritaskan kebutuhan pengguna di awal proyek akan memastikan lebih sedikit hambatan yang muncul terkait dengan spesifikasi kinerja perangkat keras.

Mempertimbangkan spesifikasi berikut untuk desain lensa Anda adalah titik awal yang penting:

• Selubung mekanis sistem menentukan batasan ukuran di sekitar desain lensa.

• Dimensi fisik sensor kamera menentukan ukuran dan kompleksitas desain optik.

• Dimensi piksel sensor kamera (pitch, pengaturan) mengatur spesifikasi resolusi gambar maksimum yang dapat digunakan untuk desain lensa tertentu.

• Bidang pandang memengaruhi kompleksitas desain lensa

• Arah pandang memengaruhi kompleksitas desain lensa

• Kedalaman bidang memengaruhi sensitivitas deteksi fluoresensi maksimal untuk sistem lensa tertentu dan memengaruhi kualitas gambar yang dirasakan

• Resolusi spasial memengaruhi kualitas gambar yang dirasakan.

• Rentang panjang gelombang memengaruhi kompleksitas desain lensa.

• Sudut sinar utama maks menginformasikan spesifikasi pemfilteran dan batas deteksi.

• Distorsi memengaruhi kualitas gambar yang dirasakan.

• Keseragaman/kecerahan bidang gambar memengaruhi batas deteksi di seluruh bidang pandang perangkat sehingga memengaruhi kualitas gambar yang dirasakan.

Mendukung fluorofor NIR seperti ICG dan CYTALUX memerlukan desain lensa yang lebih kompleks. Alternatifnya, fluorescein (fluorofor kuning) melonggarkan persyaratan desain lensa ini dengan mengorbankan kedalaman pencitraan jaringan.

Pemfilteran warna dan kualitas gambar kromatik merupakan tantangan pada lensa endoskopi karena bidang pandangnya yang luas, panjang fokus efektif yang pendek, dan persyaratan bandwidth untuk FI. Hal ini dapat memaksa sudut sinar utama yang lebih tinggi dalam desain lensa, yang berdampak negatif terhadap kinerja penyaringan FI dan sensitivitas gambar. Spesifikasi sudut sinar utama pada sensor gambar membantu akurasi warna tampak namun dapat membahayakan sensitivitas FI. Mengarahkan desain lensa telesentris sisi gambar akan menjaga performa pemfilteran dan memaksimalkan sensitivitas FI.

Spesifikasi Mesin Penerangan

Persyaratan pencahayaan sangat penting untuk sistem pencitraan fluoresensi. Desain mesin iluminasi fokus pada penyediaan warna, kekuatan optik, dan keseragaman yang diperlukan untuk menghasilkan gambar FI yang dapat digunakan. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan bidang pandang dan kedalaman bidang, spesifikasi daya dan keseragaman dari mesin penerangan menjadi menantang. Pertimbangkan spesifikasi berikut untuk desain mesin penerangan Anda:

• Rentang jarak kerja perangkat akan menentukan rentang daya yang diperlukan untuk menerangi bidang tampilan secara efektif

• Jumlah panjang gelombang yang dapat dialamatkan secara independen akan didorong oleh properti fluorofor yang dipilih dan metode integrasi pencitraan cahaya putih. Setiap sumber warna memerlukan spesifikasi berikut:

  • Bandwidth spektral akan menentukan spesifikasi filter dan sensitivitas deteksi
  • Output daya optik yang dapat digunakan menentukan berapa banyak daya tertentu yang diperlukan dari sumber cahaya.
  • Iradiansi pencitraan maksimum dan minimum menentukan sensitivitas pencitraan dan keamanan termal produk

• Perutean dan keluaran iluminasi menentukan cara cahaya disalurkan ke bidang pandang perangkat (misalnya, bundel serat optik, source-on-tip)

• Keseragaman iluminasi meningkatkan kualitas gambar dan sensitivitas deteksi di seluruh bidang pandang.

• Mesin lampu berbasis laser atau LED akan menentukan tingkat pengawasan peraturan dan pelabelan yang diperlukan untuk perangkat.

• Kontrol intensitas cahaya akan berinteraksi dengan sistem tersemat dan pipeline pemrosesan gambar.

Dengan mempertimbangkan pertimbangan ini akan memastikan desain perangkat keras menghasilkan produk endoskopi yang berkinerja baik.

Pertimbangan Kecepatan Pencitraan

FI secara inheren lebih lambat dibandingkan endoskopi cahaya putih konvensional karena rendahnya tingkat cahaya yang dapat dideteksi. Ketika foton berlimpah (yaitu, endoskopi cahaya putih), penyesuaian waktu pemaparan, perolehan digitalisasi, dan peningkatan gambar otomatis membantu mengoptimalkan pengalaman pengguna dan kinerja klinis. Dalam pencitraan yang kekurangan foton, menjaga kualitas gambar dan batas deteksi lebih bergantung pada desain lensa yang cepat, mesin penerangan berdaya tinggi yang seragam, penyesuaian pemrosesan gambar yang rumit, berbeda dari endoskopi cahaya putih.

FI memerlukan waktu pemaparan yang lebih lama, yang akan memperlambat kecepatan pencitraan. Penguatan digitalisasi gambar dapat ditambahkan untuk mengimbangi hal ini tetapi secara inheren akan menambah noise pada gambar keluaran, sehingga memerlukan pertimbangan pemrosesan gambar dan visualisasi. Menemukan keseimbangan antara kegunaan produk dan spesifikasi teknis yang layak menjadi kolaborasi yang rumit antara semua disiplin tim pengembangan Anda.

Persyaratan produk yang jelas dan terdefinisi dengan baik adalah awal dari setiap upaya pengembangan besar. Banyak alat yang ada sekarang untuk membantu mengukur risiko sebelum pembuatan prototipe perangkat yang dapat diuji dimulai. Simulasi dan pembuatan prototipe cepat merupakan alat penting untuk membuka hambatan pada proyek pengembangan FI teknis yang rumit.

Simulasi Pencitraan Optik dan Digital

Paket perangkat lunak simulasi optik memungkinkan tim merancang sistem lensa, menentukan spesifikasi mesin penerangan, memodelkan kinerja sensor gambar realistis, pemrosesan sinyal gambar prototipe, dan menguji spesifikasi komponen sebelum dibuat. Hal ini memungkinkan kolaborasi lintas disiplin ilmu teknis untuk menghilangkan risiko persyaratan teknis di awal proyek pembangunan. Ansys, Synopsis, Lambda Research, dan lainnya menawarkan serangkaian alat komprehensif untuk merancang dan mensimulasikan konsep sistem optik dengan percaya diri di siclico. Mendapatkan hasil maksimal dari pekerjaan simulasi Anda bergantung pada keahlian teknis dan komunikasi internal untuk memaksimalkan kegunaannya.

Pembuatan Prototipe Cepat

Pembuatan prototipe cepat sama pentingnya dengan menghilangkan risiko melalui simulasi. Hal ini memerlukan lebih banyak sumber daya pengembangan dan fabrikasi, namun menawarkan cara paling nyata untuk mengurangi risiko spesifikasi produk sebelum desain dan validasi lampu hijau. Hal ini memungkinkan Anda mengatasi pertanyaan teknis yang belum terjawab sebelum melakukan perancangan dan uji coba prototipe yang berfungsi penuh.

Lensa optik bisa berisiko untuk dibuat prototipe dalam jumlah kecil. Seringkali, insinyur optik dapat membantu mengambil risiko konsep desain dengan komponen siap pakai, yang membantu pemrosesan gambar dan pengembangan sistem mesin penerangan sebelum melakukan produksi lensa volume percontohan. Kuncinya adalah memprioritaskan pengurangan risiko dengan secara metodis melonggarkan persyaratan produk prototipe untuk memahami keterbatasannya.

Tujuan pembuatan prototipe cepat adalah untuk memitigasi risiko sebelum mengerahkan sumber daya sepenuhnya untuk desain produk akhir. Pertanyaan dan risiko akan tetap ada, namun secara umum akan membatalkan rencana peluncuran produk Anda.

Ringkasan

Menentukan mesin pencitraan dan iluminasi Anda menjadi dasar peluncuran produk endoskopi FI yang sukses. Mesin-mesin ini sangat terkait dengan perangkat lunak, sistem tertanam, faktor manusia, dan desain industri yang membuat peluncuran produk terjadi. Mengingat spesifikasi lintas disiplin ini sangat penting untuk menghasilkan prototipe produk yang lengkap. Kami memaparkan poin-poin penting yang perlu dipertimbangkan ketika mengembangkan produk endoskopi FI lintas disiplin. Ingatlah poin-poin ini selama proyek Anda untuk memastikan produk Anda memberikan pengaruh yang menyenangkan dan berdampak pada panduan bedah.

Artikel ini ditulis oleh Wilson Adams, Konsultan, FISBA Amerika Utara (Saco, ME). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini  .

Referensi

1. Hazel L Stewart dan David J S Birch. Metode Aplikasi. Fluoresensi 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, dkk. Laporan Kelompok Tugas AAPM 311:Panduan untuk evaluasi kinerja sistem bedah yang dipandu fluoresensi. Kedokteran Fisika. 2024.