로봇 수술 비전 시스템을 위한 조명 설계 고려 사항

로봇 공학 및 로봇 보조 수술의 목표는 외과 의사가 복잡하고 이전에는 불가능했던 수술을 정밀도를 높여 수술 및 회복 시간을 단축하고 환자의 위험을 낮출 수 있도록 하는 것입니다. 로봇수술은 전립선절제술, 신장절제술, 자궁절제술, 대장직장수술 등 다양한 응용분야에 큰 영향을 미쳤습니다. 최근 기술의 발전으로 인해 이전보다 더 많은 로봇 공학 애플리케이션이 개발되고 있습니다.

수술 워크플로우, 현장 접근 및 회복 시간을 개선하기 위해 수술 로봇 아키텍처 전반의 모든 하위 시스템에 새로운 혁신이 나타나고 있습니다. 정확하고 일관된 시각화를 통해 이미지 품질을 개선하면 외과의사가 시술 중에 더 많은 정보를 바탕으로 수술 결정을 내릴 수 있습니다. 수술용 비전 시스템은 넓은 시야의 카메라와 광섬유 또는 LED 조명 구성 요소를 결합합니다. 그러나 제품 개발에서는 조명 시스템의 성능 요구 사항과 설계에 카메라보다 훨씬 적은 시간과 리소스가 할당되는 경우가 많습니다.

성공적인 제품을 얻으려면 고품질 조명을 제공하는 데 필요한 모든 하위 시스템을 고려해야 합니다. 이러한 상황의 구체적인 예는 칩 온 팁 카메라를 활용하는 고화질 3D 복강경입니다.

3D 수술용 비전 시스템에는 다음과 같은 4가지 주요 하위 시스템이 있습니다.

각 하위 시스템에는 설계 팀이 고려해야 할 고유한 주요 질문이 있습니다.

견고한 조명 시스템을 설계하기 전에 설계 엔지니어는 특정 수술 절차에 대한 임상 팀의 목표를 포괄적으로 이해해야 합니다. 종종 "고객의 소리" 역할을 하는 제품 관리자가 전제 장치를 식별하고 "최고의 이미지 품질"을 요구합니다. R&D 팀은 이 요청을 양적 요구 사항으로 변환하여 FOV, 해상도, 색상 정확도 및 이미지 대비에 대한 이미징 방식과 수치 제한을 예로 식별하여 결국 전체 제품 요구 사항으로 이어져야 합니다. 이 기사에서는 카메라 시야각이 80°이고 작동 거리가 5~100mm인 3D 복강경용 광원을 살펴보겠습니다. 우리는 주로 백색광 응용 분야를 고려할 것이지만 형광성 고려 사항에 대해서도 논의할 것입니다.

이를 명확히 하기 위해 여기서는 "자본 장비", 즉 비전 타워의 일부로 제한된 장비 하우징에 LED 조명 엔진이 설치된 광섬유 기반 조명 시스템의 설계를 고려합니다. 주요 장비에는 일반적으로 수술 플랫폼의 비전 및 추가 제어 시스템을 수용하는 카트가 포함됩니다. 수술 시스템의 의도된 아키텍처는 로봇 수술 시스템에 사용하기 위한 견고한 입체 복강경입니다. 형광 또는 기타 소스 종속 이미징 통합에 대한 일정, 안전 및 향후 사용자 요구 사항에 대한 위험을 줄이기 위해 섬유 기반 솔루션을 고려할 것입니다. 저자는 크기와 효율성 면에서 계속해서 발전하고 있는 LED의 발전을 높이 평가하며 기사 마지막 부분에서 설계 공간에 대해 다룰 것입니다.

그림 1은 로봇 수술 플랫폼용 조명 시스템의 주요 시스템 아키텍처를 보여줍니다. 스코프에 빛을 전달하려면 조명 소스(이 경우 조명 엔진)가 필요합니다. 광 엔진은 필요한 경우 빛을 섬유 테이퍼에 결합한 다음 빛을 팁으로 전달하는 섬유에 전달합니다.

광엔진은 자본장비에 설치되는 광원이다. 이러한 소스에는 다양한 아키텍처가 있지만 두 가지 기본 유형으로 압축할 수 있습니다. 일부 조명 엔진은 단일 광대역 소스를 사용하는 반면, 다른 조명 엔진은 협대역 LED를 혼합하여 광대역 소스를 생성하는 이점을 활용합니다. 단일 광대역 LED는 청색 LED를 사용하여 형광체를 활성화하는 백색 LED 아키텍처로 인해 청색광을 보정해야 할 위험이 있습니다. 청색광의 높은 비율이 적색 조직에 흡수됩니다. 스펙트럼의 높은 청색 신호는 색상 조정 단계에서 문제를 일으킬 수 있으며 잠재적으로 이미지가 너무 디지털화되거나 "가짜처럼 보이는" 것처럼 보일 수 있습니다. 혼합 RGB LED 접근 방식은 과도한 청색광 문제를 제거할 수 있지만 세 가지 광원을 시스템에 결합하려면 조명 엔진에 더 복잡한 광학 장치가 필요합니다. 시스템에 근적외선(NIR) 조명이 필요한 경우 NIR LED가 조명 엔진에도 설치되어 설계가 간결해집니다.