Последнее обновление 04.02
Новая технология преодолевает проблемы отражения и дыма при эндоскопии
Когда хирург выполняет деликатную малоинвазивную процедуру, изображение часто омрачается яркими бликами. Это сильные отражения от влажных поверхностей тканей, которые часто скрывают критически важные кровеносные сосуды или нервы. Альтернативно, «хирургический дым», образующийся при разрезании тканей электрохирургическими ножами, может быстро заполнить поле зрения, делая все изображение туманным и размытым, как будто операция проводится за слоем матового стекла. Это не только вызывает значительную зрительную усталость у хирурга, но и напрямую увеличивает риск проведения процедуры.
Это вызов, с которым хирурги по всему миру сталкиваются каждый день. Однако исследовательская группа из Чжэцзянского университета и Чжэцзянской лаборатории опубликовала новаторскую разработку в престижном журнале Device, которая обещает кардинально изменить эту ситуацию: поляризационно-сохраняющий эндоскоп. Эта технология позволяет врачам «видеть сквозь» отражения и дым, улучшая четкость изображения в сценах, затронутых дымом, на 73%.
I. Почему поле зрения в хирургии становится нечетким в традиционных эндоскопах?
Эндоскопы, широко используемые сегодня в больницах, известны как «эндоскопы с белым светом». Они работают как миниатюрные камеры, вводимые глубоко в тело, излучают белый свет и захватывают цветные изображения, что делает их очень интуитивно понятными.
Однако их недостатки столь же очевидны — они уязвимы как для «отражения», так и для «дыма».
Отражение (зеркальное отражение):
Поверхность человеческих тканей (например, влажных органов) действует как маленькое зеркало. При освещении мощным источником света эндоскопа она отражает свет непосредственно обратно в линзу, создавая яркие блики высокой интенсивности. Эти зеркальные блики полностью скрывают детали подлежащих тканей.
Дым:
Когда хирурги используют энергетические устройства, такие как электрохирургические ножи или ультразвуковые скальпели, для рассечения тканей или достижения гемостаза, они генерируют дым, похожий на дым от горящих материалов. Эти мельчайшие частицы остаются взвешенными в замкнутой полости тела, сильно рассеивая изображение света. Это приводит к значительному снижению контрастности изображения и потере мелких деталей по всему полю зрения.
Для решения этих проблем ученые обратились к поляризационным свойствам света.
Простыми словами, обычный свет можно представить как группу "волн", колеблющихся и распространяющихся во всех направлениях, тогда как поляризованный свет состоит из "волн", колеблющихся только в одном определенном направлении. Используя это свойство, теоретически возможно различать сильный свет, непосредственно отраженный от поверхности ткани (который в значительной степени сохраняет свою поляризацию), и полезный сигнал света, рассеянный из более глубоких тканей (поляризация которого нарушена). Это позволяет системе отфильтровывать нежелательные отражения или проникать сквозь дым.
Однако эта многообещающая концепция была сильно ограничена самим эндоскопом.
Чтобы выдерживать высокотемпературную и высокое давление стерилизации, а также сложную среду внутри тела, самая передняя линза всех медицинских эндоскопов герметизируется и защищается чрезвычайно твердым сапфировым стеклом. Проблема заключается в том, что сапфир является двулучепреломляющим кристаллом. Когда свет проходит через него, он расщепляется на два луча, движущихся с немного разными скоростями, что вносит «задержку», нарушающую направление поляризации.
Это аналогично попытке проанализировать чистоту воды через специализированный фильтр (технология поляризационной визуализации), только чтобы обнаружить, что сама водопроводная труба (эндоскоп) активно перемешивает и мутит воду. В результате традиционные эндоскопы неизбежно мешают поляризационной визуализации, делая эту технологию непрактичной для клинического применения.
II. Основная технология: Применение принципа «минус на минус дает плюс» для оснащения эндоскопов «поляризационными солнцезащитными очками»
Поскольку проблема вызвана сапфировым окном, может возникнуть вопрос: почему бы просто не заменить его? Ответ: нет. Твердость, герметичность и биосовместимость сапфира незаменимы и представляют собой критическую «красную линию» для клинической безопасности.
Команда Чжэцзянского университета применила другой подход и нашла гениальное решение, использующее «копье врага для атаки на щит врага»: компенсацию двулучепреломления.
Принцип несложен: поскольку эффект двулучепреломления сапфира нарушает поляризационное состояние света, команда поместила непосредственно за ним кристалл с противоположным и равным эффектом двулучепреломления — фторид магния. Сапфир заставляет свет «расщепляться» и вносит определенную задержку, в то время как фторид магния «скручивает» его обратно в исходное состояние.
Благодаря точным расчетам и моделированию исследователи определили оптимальное «золотое сечение» толщин между сапфиром и фторидом магния (примерно 2,29:1). Когда луч поляризованного света последовательно проходит через эту «золотую пару», его поляризационное состояние сохраняется почти идеально, как будто оно никогда не было нарушено.
Еще более впечатляющим является то, что это решение обеспечивает высокую устойчивость к производственным отклонениям. Даже при угловом отклонении до 2 градусов или ошибке толщины в пределах 0,03 мм при установке, производительность по-прежнему значительно превосходит традиционные эндоскопы. Это делает технологию весьма применимой для крупномасштабного производства.
III. Фактическая производительность: отражения «исчезают мгновенно», дым «виден насквозь», диагностика «улучшена».
Прототип поляризационно-сохраняющего эндоскопа (PME), разработанный на основе этого принципа, продемонстрировал революционную производительность в экспериментах:
1. Реальное время и полное устранение отражений
В экспериментах по визуализации полости рта новый эндоскоп в реальном времени физически устранил 100% отражающих областей без необходимости какой-либо длительной компьютерной обработки.
В отличие от этого, даже самые передовые алгоритмы восстановления изображений на основе ИИ, доступные в настоящее время, обрабатывают одно изображение примерно за 2 секунды. Они могут лишь частично уменьшить отражения и часто генерируют неправильные текстуры посредством «галлюцинаций». Изображения, полученные непосредственно с помощью PME, показывают истинный вид тканей без бликов.
2. Проникновение сквозь дым с улучшением четкости на 73%
В экспериментах на мышах, имитирующих хирургический дым, изображение обычного эндоскопа стало полностью размытым. Комбинируя свой уникальный алгоритм поляризационной визуализации, PME точно оценивает и устраняет воздействие дыма, значительно улучшая качество изображения (пиковое отношение сигнал/шум) на 73%.
Традиционные алгоритмы «устранения дымки», основанные исключительно на анализе цвета, страдают от сильных искажений цвета по сравнению с ними, а их восстановление деталей значительно уступает решению PME.
3. За пределами цвета: выявление «текстуры» тканей
Традиционные эндоскопы действуют как «цветные камеры», способные показывать только цвет и морфологию. В отличие от них, PME функционирует как «поляризационная камера», обнаруживая различия в поляризационной информации, вызванные изменениями в микроскопических структурах тканей (например, расположением коллагеновых волокон).
Это открывает совершенно новую возможность: выявление ранних патологических изменений до возникновения цветовых изменений. Например, в некоторых ранних раковых тканях расположение коллагеновых волокон уже изменилось, в то время как цвет остался прежним. PME может выделить эти различия с помощью поляризационных изображений, предоставляя врачам критически важное дополнительное измерение для диагностики.
IV. Перспективы: оснащение прецизионной хирургии «мудрым глазом»
Основной прорыв данного исследования заключается в его способности достичь технологических инноваций, не ставя под угрозу фундаментальные принципы безопасности медицинских устройств (сохраняя сапфировое окно). Вместо этого, благодаря изобретательному оптическому дизайну, ему удается «получить лучшее из двух миров».
Для хирургов это означает:
➤ Повышенная безопасность: более четкое и стабильное поле зрения обеспечивает более точные манипуляции, значительно снижая риск случайного повреждения кровеносных сосудов и нервов.
➤ Более высокая эффективность: сокращает время, затрачиваемое на многократное протирание линзы или ожидание рассеивания дыма из-за плохой видимости, тем самым ускоряя рабочий процесс операции.
➤ Повышенная точность: Предоставляя патологическую информацию, выходящую за рамки традиционных изображений, это помогает хирургам более точно определять границы опухоли во время операций, обеспечивая более полное удаление. В настоящее время команда подала заявки на патенты, основанные на этом исследовательском достижении. Благодаря дальнейшей инженерной разработке и клиническим испытаниям, эта «китайская» технология поляризационно-сохраняющего эндоскопа, как ожидается, появится в операционных в ближайшие несколько лет. Она станет более ярким и «умным» «глазом» в руках хирургов, позволяя большему числу пациентов получить пользу от более безопасных и точных минимально инвазивных процедур.
Эта работа, выполненная исследователями, включая Сун Цзявэя, Ван Дацяня и Чжоу Чанцзяна, не только решает давнюю техническую проблему в области эндоскопической визуализации, но и закладывает важную основу для разработки интеллектуальных хирургических систем и хирургической навигации с дополненной реальностью.
Информация о статье:
Song et al., "A polarization-maintaining endoscope for surgical imaging," Device 3, 100871, November 21, 2025.
Другие новости
Новая технология преодолевает проблемы отражения и дыма при эндоскопииКогда хирург выполняет деликатную минимально инвазивную процедуру, изображение часто омрачается яркими бликами. Это сильные отражения от влажных поверхностей тканей, которые часто скрывают критически важные кровеносные сосуды или нервы. А
Последнее обновление 04.02
Добро пожаловать на стенд Reescope на CMEF 20269 апреля на Китайской международной выставке медицинского оборудования (CMEF) Reescope представит новые продукты.
До встречи в Шанхае!
Последнее обновление 03.31
Топ-7 мировых компаний по производству хирургических роботовThese surgical robot hardware and software systems are precisely integrated, combining mechanical operational accuracy with advanced software operating systems. This enables surgeons to perform procedures through small incisions while viewing the sur
Последнее обновление 03.30
Почему эндоскопические устройства становятся все более размытыми: причины и решенияКак профессионалы в эндоскопической индустрии, самое распространенное предложение, которое мы слышим при послепродажном обслуживании на месте: Этот эндоскоп становится все более и более размытым — не могли бы вы взглянуть и посмотреть, можно ли его отрегулировать, чтобы он снова стал четким?
Многие пользователи немедленно
Последнее обновление 03.20
WhatsApp