Optimisation du design d'illumination pour systèmes de vision en chirurgie robotique

L'objectif de la robotique et de la chirurgie assistée par robot est de permettre aux chirurgiens d'effectuer des procédures complexes, auparavant non disponibles, avec une précision accrue menant à des temps de chirurgie et de récupération réduits, ainsi qu'à la baisse des risques pour les patients. La chirurgie robotique a eu des impacts significatifs dans de nombreuses applications incluant prostatectomie, néphrectomie, et chirurgie colorectale d'hystérectomie. Avec les avancées technologiques récentes, il y a maintenant plus d'applications robotiques en développement que jamais.

Améliorer le flux chirurgical, l'accès au site, et les temps de récupération

Pour améliorer le flux chirurgical, l'accès au site, et les temps de récupération, de nouvelles innovations apparaissent dans tous les sous-systèmes à travers l'architecture robotique chirurgicale. Améliorer la qualité d'image avec une visualisation précise et cohérente permet aux chirurgiens de prendre des décisions chirurgicales plus éclairées pendant une procédure. Les systèmes de vision chirurgicale associent des caméras grand champ de vision avec des composants d'illumination par fibre optique ou LED. Souvent dans le développement produit, cependant, les exigences de performance et le design du système d'illumination reçoivent beaucoup moins de temps et ressources que la caméra.

Quatre sous-systèmes clés d'un système de vision chirurgical 3D

Pour avoir un produit réussi, il faut considérer tous les sous-systèmes requis pour délivrer une illumination de haute qualité. Un exemple spécifique est un laparoscope 3D haute définition utilisant une caméra puce sur pointe.

Le système de vision chirurgical 3D a quatre sous-systèmes clés :

1. Système d'illumination, qui apporte la lumière à la cible chirurgicale,
2. La caméra (lentilles et capteur CMOS) pour capturer la lumière du tissu,
3. Firmware pour contrôler la qualité d'image et la latence, et
4. Un système d'affichage (combinaison d'affichages 2D et 3D).

Chaque sous-système a ses propres questions clés que l'équipe de design devrait considérer.

Applications cliniques : comprendre les objectifs de l'équipe chirurgicale

Avant de designer un système d'illumination robuste, l'ingénieur design doit avoir une compréhension complète des objectifs de l'équipe clinique pour une procédure chirurgicale donnée. Souvent, un chef de produit agissant comme « Voix du Client » identifiera un dispositif prédicat et demandera la « meilleure qualité d'image ». L'équipe R&D devra traduire cette demande en exigences quantitatives, identifiant les modalités d'imagerie et limites numériques sur champ de vision, résolution, précision des couleurs, et contraste d'image comme exemples, menant éventuellement aux exigences produit complètes. Dans cet article nous considérerons une source lumineuse pour un laparoscope 3D avec champ de vision caméra de 80° et distance de travail de 5 à 100 mm. Nous considérerons principalement les applications lumière blanche mais discuterons aussi des considérations de fluorescence.

Pour élucider ceci, nous considérons ici le design d'un système d'illumination par fibre, avec un moteur lumineux LED installé dans un boîtier d'équipement confiné comme partie de l'« équipement capital », c'est-à-dire tour de vision. L'équipement capital englobe le chariot qui abrite typiquement la vision et les systèmes de contrôle additionnels de la plateforme chirurgicale. L'architecture prévue du système chirurgical est un laparoscope stéréo rigide pour usage dans un système chirurgical robotique. Pour réduire les risques pour le planning, la sécurité, et les futurs besoins utilisateurs d'intégration de fluorescence ou autre imagerie dépendante de la source, nous considérerons une solution par fibre. Les auteurs apprécient les avancées continues des LEDs en taille et efficacité et adresseront l'espace de design à la fin de l'article.

Considérations d'illumination pour la chirurgie robotique

La Figure 1 met en évidence les architectures majeures du système d'illumination pour une plateforme de chirurgie robotique. Pour délivrer la lumière au scope, une source d'illumination — dans ce cas, un moteur lumineux — est requise. Le moteur lumineux couplera la lumière dans un effileur de fibre, si nécessaire, puis la délivrera aux fibres qui transmettront la lumière à la pointe.

Architectures de moteur lumineux : large bande unique vs RGB mélangé

Le moteur lumineux est une source lumineuse installée dans l'équipement capital. Il y a différentes architectures pour ces sources, mais elles peuvent être distillées en deux types principaux. Certains moteurs lumineux utiliseront une source unique à large bande, tandis que d'autres profiteront du mélange de LEDs à bande étroite pour créer une source à large bande. Une LED blanche unique a le risque de devoir corriger pour la lumière bleue due à l'architecture de LED blanche qui utilise une LED bleue pour activer un phosphore. Une haute proportion de lumière bleue est absorbée par les tissus rouges. Le signal bleu élevé dans le spectre peut mener à des défis à l'étape d'étalonnage des couleurs et, potentiellement, à des images qui paraissent trop numérisées ou « fausses ». Une approche LED RGB mélangée peut éliminer les problèmes d'excès de lumière bleue mais nécessite des optiques plus complexes dans le moteur lumineux pour coupler les trois sources dans le système. Si le système nécessite une illumination proche infrarouge (NIR), les LEDs NIR sont installées dans le moteur lumineux aussi, compactant le design.

En logeant les LEDs RGB et NIR dans le même boîtier, les sources lumineuses peuvent partager les mêmes fibres qui délivrent la lumière à la pointe. Cela maximise l'efficacité du système d'illumination de l'endoscope. Pour transférer la lumière du moteur lumineux à la pointe de l'endoscope, des fibres optiques à grande ouverture numérique (NA) sont requises ainsi qu'un système optique pour relayer la lumière de la source à la pointe. Le terme pour décrire la sortie angulaire d'une fibre est l'ouverture numérique, ou NA. Plus le NA est haut, plus la sortie angulaire de la fibre est haute. Le NA est égal au sinus de l'angle le plus haut qui peut entrer et sortir de la fibre. Le NA de la fibre est déterminé par l'indice de réfraction du cœur et du gaine de la fibre. Plus le NA est haut, plus l'angle de sortie de la lumière sera haut, illuminant un pourcentage plus élevé du champ de vision.

Effileur de fibre pour augmenter l'angle de sortie

Pour obtenir la meilleure performance du câble à fibres optiques, l'équipe de design doit considérer la relation entre la sortie du moteur lumineux et le câble à fibres optiques. Une solution commune est d'utiliser un effileur de fibre pour augmenter l'angle de la lumière entrant dans l'endoscope. L'effileur de fibre est typiquement installé sur l'extrémité proximale de l'endoscope où le câble lumineux se connecte. L'effileur convertit la sortie grande surface, faible angle du moteur lumineux en sortie petite surface, angle élevé.

Le NA de la lumière sortant de la boîte lumineuse est typiquement de l'ordre de 0,5 NA, les angles associés à la robotique chirurgicale peuvent atteindre 0,87 NA ou plus. Les fibres qui se connectent à la boîte lumineuse devraient égaler le NA de sortie de la boîte lumineuse. L'effileur convertira la lumière faible angle en lumière angle élevé pour atteindre l'angle d'illumination le plus large. La Figure 2 montre ce qui arrive à un faisceau de lumière entrant et sortant de l'effileur.

Alternative : lentille à la pointe du laparoscope

Une alternative à l'utilisation d'un effileur pour atteindre des angles de sortie élevés est de designer une lentille pour étaler la lumière sortant de la pointe du laparoscope. Un système d'illumination assisté par lentille permet des angles de sortie plus élevés, permettant des caméras à FOV plus élevé pour usage dans le corps, mais au prix d'un design moins compact.

Conditionnement des fibres à la pointe pour éviter les ombres

Une fois la lumière transmise aux fibres optiques du laparoscope, les fibres sont conditionnées pour sortir la lumière à travers la pointe, montrée en Figure 3. C'est plus bénéfique qu'avoir une seule face de sortie lumineuse pour deux raisons. Premièrement, cela permet une intégration plus facile des fibres dans le scope, et deuxièmement cela empêche les ombres indésirables des outils chirurgicaux d'impacter l'image.

Considérations de calibration et test

Lors du design de la source lumineuse, l'équipe doit aussi considérer le pipeline de signal d'image (ISP) qui convertira l'image capturée et l'affichera sur un moniteur 2D et 3D haute définition pour l'équipe chirurgicale. L'ISP peut avoir diverses calibrations appliquées au système, incluant non-uniformité du signal noir sur le capteur d'image, non-uniformité de photo-réponse, calibration des couleurs, et balance des blancs. Ces calibrations permettent des corrections créant une image de haute qualité ; cependant, si l'ISP repose trop lourdement sur les calibrations, l'image peut paraître hautement traitée et distraire l'équipe chirurgicale.

Un ISP aura des blocs nécessitant la calibration de chaque unité. Les données de calibration sont typiquement sauvées en mémoire installée sur l'endoscope. Commencer la définition du processus de calibration tôt et coordonner avec les ingénieurs développement ISP réduira le risque de problèmes de développement en phase tardive. En considérant l'ISP et calibrations tôt, multiples révisions de la source lumineuse et firmware sont possibles avant lancement produit. Les calibrations ont des limites, et si le système d'illumination est conçu plus près de l'usage chirurgical prévu, moins de dépannage de calibrations dans le processus de développement est requis.

Exemples de calibrations liées à la source lumineuse

Exemples de calibrations liées à la source d'illumination sont la non-uniformité de photo-réponse (PRNU), balance des blancs, et correction des couleurs. Ces calibrations sont toutes limitées dans leur efficacité si la source lumineuse elle-même a un design inférieur. La dépendance aux calibrations pour « corriger » le design de la source lumineuse peut mener à l'image produite paraissant sur-traitée. De plus, si l'ISP doit avoir de la mémoire allouée aux calibrations, il y a un risque d'augmenter la latence du système de vision, limitant la performance robotique.

Tests automatisés pour maintenir les standards

Finalement, après que le moteur lumineux, l'illumination, les optiques d'imagerie, et le firmware caméra sont conçus, des tests appropriés sont requis. Souvent les composants du système d'illumination nécessitent une inspection et calibration à 100% sur les sources dans l'équipement capital et laparoscopes aussi. Ces tests requièrent d'opérer le dispositif testé dans une variété de conditions en utilisant des cibles spécialisées pour mesurer la précision des couleurs, l'uniformité, et la puissance de sortie. Designer un système pour automatiser ces tests réduit le risque de variabilité pièce-à-pièce et testeur-à-testeur, assurant que les standards produit sont maintenus sur le terrain. Ces stations de test requièrent un design mécanique, système, et logiciel détaillé pour assurer leur déploiement réussi sur les lignes de fabrication.

Il y a d'autres considérations pour l'endoscopie, ou applications scope flexible. Ces dispositifs ont souvent plus de limitations sur l'espace disponible pour l'illumination, peuvent n'avoir que l'imagerie 2D, être à usage unique, ou autres mises en garde ne concernant pas les paramètres présentés dans l'article. Pour dispositifs petit diamètre et usage unique, fibres plastiques, LEDs dans la pointe et autres solutions plus compactes, peuvent permettre un produit réussi, où différentes considérations de design et atténuation de risques sont considérées.

Résumé

Pour résumer, le développement des composants d'illumination pour systèmes de chirurgie robotique est un processus complexe. On devrait partir d'une compréhension complète de l'application clinique et construire à partir de cette compréhension. Si on dessine un système robotique pour applications lumière blanche et NIR, on recommande un design basé sur l'utilisation d'une fibre à haut NA avec un moteur lumineux installé dans l'équipement capital. Pour atteindre l'angle d'illumination le plus large, l'utilisation de fibres à haut NA pour délivrer la lumière à la pointe du dispositif est recommandée. C'est l'approche de design la plus concise qui évite un design de contournement trop complexe. D'autres solutions peuvent mener à des gaps de fonctionnalité, résultant en un design de contournement.

Cet article a été écrit par Jonathan Brand, Ingénieur Systèmes Optiques, et Neil Anderson, PhD, VP Ventes et Marketing, Gray Optics (Portland, ME). Pour plus d'information, contactez Neil Anderson à l'adresse email protégée, ou visitez ici.