Ποιες είναι οι εφαρμογές των διόδων σε χειρουργικούς πλοηγούς;

一, Photodiode: The "Perception Neural" for Building Optical Positioning Systems
1. από τις βασικές λειτουργίες ενός χειρουργικού πλοηγού είναι η παρακολούθηση της χωρικής θέσης των χειρουργικών εργαλείων σε πραγματικό-χρόνο, ο οποίος βασίζεται στην ακριβή αναγνώριση των σημειωμένων σημείων από ένα οπτικό σύστημα εντοπισμού θέσης. Η φωτοδίοδος, ως ο κεντρικός αισθητήρας του συστήματος, μετατρέπει τα ανακλώμενα φωτεινά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, παρέχοντας δεδομένα χωρικών συντεταγμένων για το σύστημα πλοήγησης.

Λήψη σήματος στην τεχνολογία παρακολούθησης παθητικής ανάκλασης
Σε συστήματα παθητικής παρακολούθησης που βασίζονται σε διόδους εκπομπής φωτός{{0}(LED) ή ανακλαστικές μπάλες, μια συστοιχία φωτοδιόδων είναι ενσωματωμένη σε μια κάμερα υπερύθρων για τη λήψη φωτεινών σημάτων που εκπέμπονται από ανακλαστικούς δείκτες σε χειρουργικά όργανα. Για παράδειγμα, το ενεργό σύστημα οπτικής πλοήγησης της Stryker υιοθετεί ένα σχέδιο ανιχνευτή τριών ομάδων, που συλλαμβάνει το ανακλώμενο φως πολλαπλών γωνιών μέσω φωτοδιόδων και βελτιώνει την ακρίβεια τοποθέτησης στα 0,3 mm. Αυτός ο σχεδιασμός λύνει αποτελεσματικά το πρόβλημα του τυφλού σημείου των παραδοσιακών συστημάτων διπλού ανιχνευτή βελτιστοποιώντας τη διάταξη των φωτοδιόδων και των αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος.

2. Βαθμονόμηση σε πραγματικό χρόνο δυναμικού πλαισίου αναφοράς
Η ελαφρά μετακίνηση της θέσης του ασθενούς κατά τη διάρκεια της επέμβασης μπορεί να προκαλέσει σφάλματα πλοήγησης, επομένως είναι απαραίτητο να βαθμονομούνται συνεχώς οι χωρικές συντεταγμένες μέσω ενός δυναμικού πλαισίου αναφοράς. Οι φωτοδίοδοι διαδραματίζουν διπλό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία: πρώτον, ως σημεία σήμανσης στο πλαίσιο αναφοράς, επιτυγχάνουν παρακολούθηση θέσης αντανακλώντας συγκεκριμένα μήκη κύματος υπέρυθρου φωτός. Δεύτερον, ως συστατικό ανιχνευτή, παρακολουθεί τις αλλαγές στην ένταση του φωτός στη χειρουργική περιοχή και βοηθά το σύστημα στον εντοπισμό της παραμόρφωσης των ιστών. Για παράδειγμα, το νευροχειρουργικό σύστημα πλοήγησης excelim-04 που αναπτύχθηκε από το Πανεπιστήμιο Fudan επιτυγχάνει αντιστάθμιση σε πραγματικό-χρόνο για τη μετατόπιση του εγκεφαλικού ιστού κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης ενσωματώνοντας φωτοδιόδους υψηλής ευαισθησίας στο πλαίσιο αναφοράς.

3. Συγχρονισμός σήματος για πολυτροπική σύντηξη εικόνας
Οι σύγχρονοι χειρουργικοί πλοηγοί υποστηρίζουν τη σύντηξη απεικόνισης CT, MRI και διεγχειρητικών εικόνων ακτίνων Χ-, οι οποίες απαιτούν μια διάταξη φωτοδιόδου για τη συγχρονισμένη συλλογή σημάτων προβολής από διαφορετικούς τρόπους εικόνων. Προσαρμόζοντας το μήκος κύματος απόκρισης και το εύρος ζώνης της φωτοδιόδου, το σύστημα μπορεί να διακρίνει τα σήματα φθορισμού ακτίνων Χ από τον βραχίονα C και τα σήματα σήμανσης ορατού φωτός, διασφαλίζοντας τη χωροχρονική συνέπεια του μοντέλου 3D ανακατασκευής. Για παράδειγμα, το φορητό έξυπνο σύστημα πλοήγησης που εισήχθη από το Peking Union Medical College Hospital χρησιμοποιεί προσαρμοσμένες μονάδες φωτοδιόδων για να συντομεύσει τον χρόνο καταγραφής εικόνας πολλαπλών{6}λειτουργιών από 120 δευτερόλεπτα παραδοσιακού εξοπλισμού σε 15 δευτερόλεπτα.

2, Δίοδοι εκπομπής φωτός: Δημιουργία "Visual Engine" για πλοήγηση υψηλής ακρίβειας
Ως στοιχείο πηγής φωτός των χειρουργικών συσκευών πλοήγησης, οι δίοδοι εκπομπής φωτός{0}(LED) παρέχουν σταθερές και ελεγχόμενες συνθήκες φωτισμού, θέτοντας τα θεμέλια για την οπτική τοποθέτηση και τη λήψη εικόνας. Τα σενάρια εφαρμογής του καλύπτουν τρία κύρια πεδία: φωτισμό δείκτη, φωτισμό χειρουργικού πεδίου και φασματική ανάλυση.

1. Βελτιστοποίηση μήκους κύματος φωτισμού σημείου δείκτη
Στα συστήματα παθητικής παρακολούθησης, τα LED πρέπει να εκπέμπουν συγκεκριμένα μήκη κύματος υπέρυθρου φωτός (συνήθως 850 nm ή 940 nm) για να αποφευχθεί η παρεμβολή στο οπτικό πεδίο της χειρουργικής ομάδας. Το σύστημα πλοήγησης του Stryker χρησιμοποιεί μια συστοιχία LED στενής ζώνης, η οποία ελέγχει με ακρίβεια την κατανομή της έντασης του φωτός για να διατηρεί υψηλή αντίθεση των ανακλαστικών δεικτών σε πολύπλοκα φόντο. Επιπλέον, η τεχνολογία διαμόρφωσης παλμού των LED μπορεί να καταστείλει περαιτέρω τις παρεμβολές φωτός περιβάλλοντος, όπως η αύξηση της αναλογίας σήματος προς-θόρυβο σε πάνω από 40dB μέσω διαμόρφωσης τετραγωνικών κυμάτων 1kHz.

2. Φασματικός σχεδιασμός φωτισμού χειρουργικού πεδίου
Η χειρουργική συσκευή πλοήγησης πρέπει να ενσωματώνει τη λειτουργία άσκιου φωτός για να παρέχει στους γιατρούς ένα καθαρό οπτικό πεδίο λειτουργίας. Τα LED έχουν επιδείξει σημαντικά πλεονεκτήματα σε αυτόν τον τομέα: πρώτον, με το συνδυασμό πολλαπλών τσιπ, η θερμοκρασία χρώματος μπορεί να ρυθμιστεί (4000K-6000K) ώστε να ταιριάζει με τις ανάγκες απόδοσης χρώματος διαφορετικών τύπων ιστού. Δεύτερον, η υιοθέτηση δευτερεύοντος οπτικού σχεδιασμού (όπως η διάταξη φακών και το ανακλαστικό κύπελλο) μπορεί να αυξήσει το ποσοστό χρήσης φωτός σε πάνω από 85%, μειώνοντας σημαντικά την επίδραση της θερμικής ακτινοβολίας στην χειρουργική περιοχή. Για παράδειγμα, το ορθοπεδικό σύστημα πλοήγησης S8 που εισήχθη από το First People's Hospital of Nantong City διαθέτει χειρουργικό φως LED που μπορεί να επιτύχει φωτισμό 160000 lux σε απόσταση εργασίας 40 cm, ενώ η θερμοκρασία της επιφάνειας αυξάνεται μόνο κατά 2,3 βαθμούς.

3. Επέκταση μήκους κύματος για φασματική ανάλυση
Ορισμένα-συστήματα πλοήγησης υψηλής τεχνολογίας ενσωματώνουν λειτουργίες οργανωτικής ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο, εκπέμποντας συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός μέσω LED (όπως πράσινο φως 540 nm για ανίχνευση οξυγόνου στο αίμα και κόκκινο φως 630 nm για απεικόνιση ροής αίματος) και χρησιμοποιώντας φωτοδίοδοι για λήψη ανακλώμενων φασμάτων για την επίτευξη διεγχειρητικής παραμετρικής παρακολούθησης. Η μονάδα LED ιατρικής ποιότητας που αναπτύχθηκε από τη Shihua High Tech Semiconductor παρέχει υποστήριξη κρίσιμων αποφάσεων για νευροχειρουργική και καρδιαγγειακή χειρουργική ελέγχοντας με ακρίβεια το μήκος κύματος (Δλ μικρότερο ή ίσο με 5nm) για την επίτευξη σφάλματος μέτρησης κορεσμού οξυγόνου στο αίμα μικρότερο ή ίσο με 2%.

3, Ειδική δίοδος: ένα καινοτόμο εργαλείο για να ξεπεράσετε τα τεχνολογικά σημεία συμφόρησης
Εκτός από τις παραδοσιακές φωτοδίοδοι και LED, ειδικές δίοδοι όπως οι διόδους χιονοστιβάδας (APD) και οι δίοδοι λέιζερ (LD) παρουσιάζουν πιθανές εφαρμογές στον τομέα της χειρουργικής πλοήγησης.

1. Δίοδος χιονοστιβάδας: βελτίωση της ευαισθησίας ανίχνευσης χαμηλού φωτός
Σε βαθιές χειρουργικές επεμβάσεις (όπως η διόρθωση σκολίωσης), το ανακλώμενο φωτεινό σήμα στο σημειωμένο σημείο μπορεί να γίνει αδύναμο λόγω της εξασθένησης του ιστού. Οι δίοδοι χιονοστιβάδας ενισχύουν το φωτορεύμα κατά 100-1000 φορές μέσω του φαινομένου πολλαπλασιασμού της χιονοστιβάδας των εσωτερικών φορέων φορτίου, ενισχύοντας σημαντικά την ικανότητα του συστήματος να ανιχνεύει αδύναμο φως. Για παράδειγμα, το σύστημα πλοήγησης ματιών Zeiss CALLISTO χρησιμοποιεί μια συστοιχία APD για να επεκτείνει την απόσταση παρακολούθησης των ορόσημων του κερατοειδούς από 30 cm στα παραδοσιακά συστήματα στα 60 cm.

2. Δίοδος λέιζερ: επίτευξη μέτρησης απόστασης υψηλής ακρίβειας{{1}
Οι δίοδοι λέιζερ (LDs) μπορούν να παρέχουν πληροφορίες βάθους για χειρουργικούς πλοηγούς εκπέμποντας δέσμες λέιζερ στενού πλάτους γραμμής και συνδυάζοντάς τις με αρχές του εύρους χρόνου-από-πτήσεως (ToF) ή διαφοράς φάσης. Η μονάδα πλοήγησης LD που εισήχθη από το Zhuhai Ximalin Shunchao Eye Hospital ελέγχει το σφάλμα τοποθέτησης της βελόνας φακοθρυψίας για χειρουργική επέμβαση καταρράκτη εντός ± 0,05 mm μετρώντας τη χρονική διαφορά μεταξύ εκπομπής λέιζερ και λήψης ανάκλασης (με ακρίβεια 0,1 ps).

3. Δίοδος Zener: διασφαλίζει τη σταθερότητα του συστήματος
Οι χειρουργικές συσκευές πλοήγησης απαιτούν εξαιρετικά υψηλή σταθερότητα ισχύος και οι διακυμάνσεις της τάσης μπορεί να προκαλέσουν μετατόπιση εικόνας ή αστοχία τοποθέτησης. Οι δίοδοι Zener σταθεροποιούν την τάση εισόδου σε μια προκαθορισμένη τιμή (όπως 5V ± 0,1V) μέσω χαρακτηριστικών αντίστροφης διάσπασης, παρέχοντας αξιόπιστες συνθήκες εργασίας για τις συστοιχίες φωτοδιόδων και τις μονάδες επεξεργασίας εικόνας. Για παράδειγμα, το σύστημα πλοήγησης νευροχειρουργικής Angelplan-CAS-1000 υιοθετεί έναν σχεδιασμό ρύθμισης τάσης πολλαπλών επιπέδων, ο οποίος επιτρέπει στο σύστημα να διατηρεί την ακρίβεια τοποθέτησης εντός 0,5 mm ακόμη και όταν η τάση του δικτύου κυμαίνεται κατά ± 20%.