術(shù)中成像新篇章：固態(tài)白光光源引導(dǎo)醫(yī)療照明革新

中國有句古話“人死如燈滅"。在手術(shù)臺上，如果手術(shù)燈意外滅了，對手術(shù)過程和患者的生命安全也都將帶來極大的風(fēng)險和考驗。這包含了一個核心問題——300W和400W氙弧燈在術(shù)中成像應(yīng)用中的實際局限性。而這正是用固態(tài)照明器替換弧光燈的主要動機(jī)。而這類臨床應(yīng)用的核心要求是，輸出至手術(shù)部位的光必須保持輻射強(qiáng)度和光譜強(qiáng)度一致，而整場手術(shù)可能持續(xù)數(shù)小時。

Lumencor幾乎于十年前就開創(chuàng)了使用固態(tài)光源代替氙氣燈照明的先河，并用于內(nèi)窺鏡檢查和機(jī)器人手術(shù)。人們普遍認(rèn)為，內(nèi)窺鏡可以通過較小的手術(shù)通道改善進(jìn)入和可視化，而外窺鏡適合較大手術(shù)通道的需求。外窺鏡支持優(yōu)化焦距、緊湊性、外科醫(yī)生的手術(shù)姿勢、學(xué)員教育以及助手參與。與顯微鏡相比，外窺鏡提供更長的工作距離、更高的放大倍數(shù)和在視場深度較大時更寬的視野，同時還為外科醫(yī)生和手術(shù)助手提供便捷的可視化信息(圖1)。外窺鏡的固態(tài)照明可以減少傳統(tǒng)顯微鏡可能出現(xiàn)的熱損傷和組織反光。

圖1.正在使用的外科外窺鏡。外窺鏡安裝在機(jī)械臂上，位于外科醫(yī)生之間和患者的上方，將白光投射到下方的手術(shù)部位。照片右上方的監(jiān)視器顯示手術(shù)部位的放大圖像。

Lumencor的SPECTRA系列光引擎可以配置為外科外窺鏡的光源，其光譜輸出如圖2所示。輸出由Lumencor專有的發(fā)光管（綠色光，圖2）和5個LED光源的所組成。SPECTRA光譜輸出在“綠色能隙（green gap）"中包含了豐富的光，而在這個波長范圍內(nèi)（500~600nm），傳統(tǒng)的LED通常缺乏光子生成。這 6 個光源可以根據(jù)客戶的任意需求進(jìn)行打開或關(guān)閉，它們的輸出功率可以在20倍線性范圍內(nèi)獨立調(diào)節(jié)(圖2)。

在SPECTRA板載微處理器的控制下，圖2所示的基本光譜輸出可以在幾秒鐘內(nèi)重構(gòu)。這種性能與氙弧燈的不穩(wěn)定光譜輸出形成鮮明對比。氙燈的連續(xù)輸出光譜位于300 nm 至 1200 nm 及以上。然而，超過 800 nm 的輸出通常沒有實際用途，并且可能導(dǎo)致熱誘導(dǎo)的組織損傷。相比之下，SPECTRA 光引擎可以進(jìn)行定制，僅輸出那些產(chǎn)生有用光的波長，用于手術(shù)區(qū)域的可視化（圖 2）。

在實際應(yīng)用中，SPECRA的五個可見光范圍光源（紫色、藍(lán)色、青色、綠色和紅色、圖2）可組合使用，產(chǎn)生具有相關(guān)色溫（CCT）和顯色指數(shù)（CRI）特征的白光，這些特征針對大體解剖的反射光成像進(jìn)行了優(yōu)化。

圖2. SPECTRA 光引擎的光譜輸出設(shè)計用于外科內(nèi)窺鏡。該輸出由6個獨立控制的固態(tài)光源產(chǎn)生的6個光譜帶組成。在350nm以下或850nm以上不產(chǎn)生光輸出。375-675nm范圍內(nèi)的光源被組合使用以生成白光。每個光源的功率輸出可以在20倍的范圍內(nèi)獨立調(diào)整（虛線表示的zui低水平），從而實現(xiàn)CCT和CRI特性的優(yōu)化。不可見的近紅外輸出用于激發(fā)熒光血管造影劑---吲哚菁綠（ICG）。

除了光譜輸出外，SPECTRA光引擎還提供了三個附加功能，可增加其在術(shù)中成像應(yīng)用中的實用性：

1.光傳輸

SPECTRA光引擎的光輸出通常以光纖束傳輸。光纖束可以進(jìn)行分支，提供兩路或者多個等分的光輸出，這些光輸出可以憑借不同的角度軌跡定向到手術(shù)區(qū)域。多向照明規(guī)避了可訪問性和可見性的限制，在手術(shù)區(qū)域等密閉空間中實現(xiàn)三維成像。

2.不同設(shè)備的一致性能

這一特性對于消除外窺鏡或者其他手術(shù)設(shè)備中光源的安裝和驗證中的不確定性至關(guān)重要。因此，SPECTRA光引擎進(jìn)行設(shè)計、制造和測試，旨在從一個設(shè)備到另一個設(shè)備提供一致的性能。圖3展現(xiàn)了這一特性，比較了50臺SPECTRA光引擎的輸出功率，這些光引擎的規(guī)格與圖2所示的相同。圖中所示的測量功率輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=50）對應(yīng)的方差系數(shù)（CV）僅1-3%。

3.內(nèi)置計量和自動化兼容性

像SPECTRA光引擎這樣的固態(tài)照明器配備了板載微處理器，這些微處理器除了控制操作外，還監(jiān)控系統(tǒng)性能。諸如累積光輸出持續(xù)時間、電力消耗和內(nèi)部運行溫度等數(shù)據(jù)可以上傳到實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS），并支持監(jiān)管合規(guī)性驗證。

圖3.按圖2所示規(guī)格制造的50臺SPECTRA光引擎的六個固態(tài)光源的大功率輸出。藍(lán)色條的高度表示平均輸出功率，黑色條的厚度表示50個樣本的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。六個光源的總輸出為每個光引擎7W，是配置用于寬視場熒光顯微鏡的輸出功率兩倍以上。

在神經(jīng)外科等要求嚴(yán)苛的臨床程序中，可視化工具的改進(jìn)促進(jìn)了外窺鏡的使用，以提高外科醫(yī)生的人體工程學(xué)，舒適度和患者的治療效果。外窺鏡具有更大的光學(xué)變焦、分辨率和較低光照度下的照明等優(yōu)點。主刀醫(yī)生和其他助手均可使用平視顯示器，在將攝像頭置于更多角度位置的同時，允許外科醫(yī)生保持在中間位置。這種手術(shù)硬件的增強(qiáng)需要zui高水準(zhǔn)的照明，而Lumencor固態(tài)光源可以很好地支持性能的一致性、長壽命、穩(wěn)定的光輸出。為滿足臨床應(yīng)用的可見光和近紅外需求而量身定制的SPECTRA光引擎提供了耐用、強(qiáng)大的照明，與傳統(tǒng)的氙燈成像非常匹配，同時還針對外科醫(yī)生原位可視化所需的熒光染料進(jìn)行了優(yōu)化。基于集成固態(tài)光源的光引擎正在迅速淘汰內(nèi)窺鏡、外窺鏡、機(jī)器人手術(shù)和其他大量對光源有高要求的臨床應(yīng)用中的傳統(tǒng)燈泡和弧光燈。

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