Яке застосування діодів у хірургічних навігаторах?

一, Фотодіод: «Нейрон сприйняття» для побудови оптичних систем позиціонування
1. Однією з основних функцій хірургічного навігатора є відстеження просторового положення хірургічних інструментів у реальному-часі, що ґрунтується на точному розпізнаванні позначених точок системою оптичного позиціонування. Фотодіод, як основний датчик системи, перетворює відбиті світлові сигнали в електричні за допомогою фотоелектричного ефекту, надаючи просторові координатні дані для навігаційної системи.

Прийом сигналу в технології відстеження пасивного відображення
У пасивних системах відстеження на основі світло-діодів (світлодіодів) або відбиваючих кульок матриця фотодіодів інтегрована в інфрачервону камеру для отримання світлових сигналів, випромінюваних відбивними маркерами на хірургічних інструментах. Наприклад, система активної оптичної навігації Stryker використовує тригруповий детектор, який вловлює відбите світло під різними кутами через фотодіоди та покращує точність позиціонування до 0,3 мм. Ця конструкція ефективно вирішує проблему сліпих зон традиційних систем з подвійним детектором шляхом оптимізації компонування фотодіодів і алгоритмів обробки сигналу.

2. Калібрування динамічної системи відліку в реальному часі
Невеликі зміни положення пацієнта під час операції можуть спричинити помилки навігації, тому необхідно постійно калібрувати просторові координати через динамічну систему відліку. Фотодіоди відіграють у цьому процесі подвійну роль: по-перше, як точки відмітки на опорній системі, вони забезпечують відстеження положення шляхом відбиття певних довжин хвиль інфрачервоного світла; По-друге, як компонент детектора, він відстежує зміни інтенсивності світла в хірургічній зоні та допомагає системі ідентифікувати деформацію тканини. Наприклад, нейрохірургічна навігаційна система excelim-04, розроблена Університетом Фудань, забезпечує-компенсацію в реальному часі зміщення тканини мозку під час операції шляхом вбудовування високочутливих фотодіодів у систему відліку.

3. Синхронізація сигналу для мультимодального злиття зображень
Сучасні хірургічні навігатори підтримують об’єднане відображення КТ, МРТ та інтраопераційних рентген-зображень, для чого потрібна матриця фотодіодів для синхронного збору проекційних сигналів від різних модальностей зображень. Регулюючи довжину хвилі відповіді та смугу пропускання фотодіода, система може розрізняти рентгенівські флуоресцентні сигнали від C-дуги та сигнали маркування видимого світла, забезпечуючи просторово-часову узгодженість моделі 3D-реконструкції. Наприклад, портативна інтелектуальна навігаційна система, представлена ​​лікарнею Пекінського медичного коледжу, використовує налаштовані фотодіодні модулі, щоб скоротити час реєстрації зображення в багато-режимі зі 120 секунд традиційного обладнання до 15 секунд.

2, світловипромінювальні діоди: створення «візуального механізму» для високоточної навігації
Як компонент джерела світла хірургічних навігаційних пристроїв світло-діоди (світлодіоди) забезпечують стабільні й контрольовані умови освітлення, закладаючи основу для оптичного позиціонування та отримання зображень. Його сценарії застосування охоплюють три основні сфери: маркерне освітлення, освітлення хірургічного поля та спектральний аналіз.

1. Оптимізація довжини хвилі підсвічування точки маркера
У системах пасивного відстеження світлодіоди повинні випромінювати інфрачервоне світло певної довжини хвилі (зазвичай 850 нм або 940 нм), щоб уникнути перешкод для поля зору хірургічної бригади. У навігаційній системі Stryker використовується вузькосмугова світлодіодна матриця, яка точно контролює розподіл інтенсивності світла для підтримки високого контрасту світловідбивних маркерів на складному фоні. Крім того, технологія імпульсної модуляції світлодіодів може ще більше пригнічувати перешкоди навколишнього світла, наприклад, збільшувати відношення сигнал-до-шуму понад 40 дБ за допомогою прямокутної модуляції 1 кГц.

2. Спектральна схема освітлення операційного поля
Хірургічний навігаційний пристрій має інтегрувати функцію безтіньового світла, щоб забезпечити лікарям чітке операційне поле зору. Світлодіоди продемонстрували значні переваги в цій галузі: по-перше, шляхом поєднання кількох чіпів колірну температуру можна регулювати (4000K-6000K), щоб відповідати потребам передачі кольору для різних типів тканин; По-друге, використання вторинної оптичної конструкції (такої як матриця лінз і відбиваюча чаша) може збільшити коефіцієнт використання світлової ефективності до понад 85%, значно зменшуючи вплив теплового випромінювання на хірургічну область. Наприклад, ортопедична навігаційна система S8, запроваджена Першою народною лікарнею міста Наньтун, має світлодіодний хірургічний світильник, який може досягати освітленості 160 000 люкс на робочій відстані 40 см, тоді як температура поверхні підвищується лише на 2,3 градуса.

3. Розширення довжини хвилі для спектрального аналізу
Деякі-навігаційні системи високого класу об’єднують функції-організаційного аналізу в реальному часі, випромінюючи світлодіоди певної довжини хвилі (наприклад, 540 нм зелене світло для виявлення кисню в крові та 630 нм червоне світло для зображення кровотоку) і використовуючи фотодіоди для отримання відбитих спектрів для досягнення інтраопераційного моніторингу фізіологічних параметрів. Світлодіодний модуль медичного класу, розроблений компанією Shihua High Tech Semiconductor, забезпечує важливу підтримку прийняття рішень для нейрохірургії та серцево-судинної хірургії шляхом точного контролю довжини хвилі (Δλ менше або дорівнює 5 нм) для досягнення похибки вимірювання насичення крові киснем менше або дорівнює 2%.

3, спеціальний діод: інноваційний інструмент для подолання технологічних вузьких місць
На додаток до традиційних фотодіодів і світлодіодів, спеціальні діоди, такі як лавинні діоди (APD) і лазерні діоди (LD), демонструють потенційне застосування в області хірургічної навігації.

1. Лавинний діод: покращує чутливість виявлення слабкого освітлення
У глибокій хірургії (наприклад, при корекції сколіозу) відбитий світловий сигнал у позначеній точці може стати слабким через ослаблення тканин. Лавинні діоди підсилюють фотострум у 100-1000 разів завдяки ефекту лавинного розмноження внутрішніх носіїв заряду, значно підвищуючи здатність системи виявляти слабке світло. Наприклад, очна навігаційна система Zeiss CALLISTO використовує матрицю APD для збільшення відстані відстеження орієнтирів рогівки з 30 см у традиційних системах до 60 см.

2. Лазерний діод: досягнення високої-точності вимірювання відстані
Лазерні діоди (LD) можуть надавати інформацію про глибину для хірургічних навігаторів, випромінюючи лазерні промені з вузькою шириною лінії та поєднуючи їх із принципами часу--прольоту (ToF) або принципів діапазону різниці фаз. Навігаційний модуль LD, представлений очною лікарнею Zhuhai Ximalin Shunchao Eye Hospital, контролює похибку позиціонування голки факоемульсифікації для хірургії катаракти в межах ± 0,05 мм, вимірюючи різницю в часі між лазерним випромінюванням і прийомом відбиття (з точністю 0,1 пс).

3. Стабілітрон: забезпечення стабільності системи
Хірургічні навігаційні пристрої вимагають надзвичайно високої стабільності живлення, і коливання напруги можуть спричинити дрейф зображення або помилку позиціонування. Стабілітрони стабілізують вхідну напругу на заданому значенні (наприклад, 5 В ± 0,1 В) за допомогою характеристик зворотного пробою, забезпечуючи надійні умови роботи для матриць фотодіодів і блоків обробки зображень. Наприклад, навігаційна система для нейрохірургії Angelplan-CAS-1000 використовує багаторівневу конструкцію регулювання напруги, що дозволяє системі підтримувати точність позиціонування в межах 0,5 мм, навіть коли напруга мережі коливається на ± 20%.