ビデオベースの外科用顕微鏡における光学イメージングの発展

医学分野において、手術は疑いなく大多数の疾患の治療の中核をなす手段であり、特にがんの早期治療において重要な役割を果たしている。外科医の手術の成功の鍵は、解剖後の病理組織像を明確に視覚化することにある。手術用顕微鏡立体感、高精細度、高解像度といった特性から、医療外科手術において広く用いられてきました。しかし、病変部の解剖学的構造は複雑で入り組んでおり、その多くは重要な臓器組織に隣接しています。ミリメートルからマイクロメートル単位の構造は、人間の目で観察できる範囲をはるかに超えています。さらに、人体内の血管組織は狭く密集しており、光量も不足しています。わずかなずれでも患者に危害を与え、手術効果に影響を与え、ひいては生命を脅かす可能性があります。そのため、研究開発が進められています。オペレーティング顕微鏡十分な倍率と鮮明な視覚画像を得ることは、研究者たちが引き続き深く探求しているテーマである。

現在、画像や動画、情報伝送、写真撮影といったデジタル技術が、新たな利点を携えてマイクロサージェリーの分野に進出している。これらの技術は、人々の生活様式に大きな影響を与えているだけでなく、マイクロサージェリーの分野にも徐々に浸透しつつある。高精細ディスプレイやカメラなどは、現在の手術精度に対する要求を効果的に満たすことができる。CCD、CMOSなどのイメージセンサーを受光面とするビデオシステムは、手術用顕微鏡に徐々に応用されつつある。 ビデオ手術用顕微鏡医師にとって非常に柔軟で操作しやすい。ナビゲーションシステム、3Dディスプレイ、高精細画像、拡張現実（AR）などの先進技術の導入により、手術中に複数人で画像を共有できるようになり、医師は術中操作をより効果的に行うことができるようになる。

顕微鏡の光学イメージングは​​、顕微鏡の画像品質を決定する主要な要素です。ビデオ手術用顕微鏡の光学イメージングは​​、高解像度、高コントラストのCMOSまたはCCDセンサーなどの高度な光学部品とイメージング技術、および光学ズームや光学補正などの主要技術を使用する独自の設計機能を備えています。これらの技術は、顕微鏡の画像の鮮明さと品質を効果的に向上させ、手術操作に優れた視覚的保証を提供します。さらに、光学イメージング技術とデジタル処理を組み合わせることで、リアルタイムの動的イメージングと3D再構成が実現され、外科医により直感的な視覚体験を提供しています。ビデオ手術用顕微鏡の光学イメージング品質をさらに向上させるために、研究者は、顕微鏡の画像解像度と深度を向上させるために、蛍光イメージング、偏光イメージング、マルチスペクトルイメージングなどの新しい光学イメージング方法を絶えず探求しています。また、光学イメージングデータの後処理に人工知能技術を利用して、画像の鮮明さとコントラストを向上させています。

初期の外科手術では、双眼顕微鏡双眼顕微鏡は主に補助ツールとして使用されていました。双眼顕微鏡は、プリズムとレンズを使用して立体視を実現する装置です。単眼顕微鏡にはない奥行き知覚と立体視を提供できます。20世紀半ば、フォン・ツェーエンダーは医療眼科検査に双眼拡大鏡を応用する先駆者となりました。その後、ツァイ​​スは作動距離25cmの双眼拡大鏡を導入し、現代のマイクロサージェリーの発展の基礎を築きました。双眼手術用顕微鏡の光学イメージングに関して言えば、初期の双眼顕微鏡の作動距離は75mmでした。医療機器の開発と革新に伴い、最初の手術用顕微鏡OPMI1が導入され、作動距離は405mmに達しました。倍率も絶えず増加し、倍率の選択肢も絶えず増加しています。双眼顕微鏡の継続的な進歩により、鮮明な立体効果、高い明瞭度、長い作動距離などの利点により、双眼手術用顕微鏡はさまざまな部門で広く使用されるようになりました。しかし、その大型で奥行きが浅いという制約は無視できず、医療スタッフは手術中に頻繁に調整や焦点合わせを行う必要があり、手術の難易度が高まります。さらに、長時間にわたり視覚的な器具の観察と操作に集中する外科医は、身体的負担が増加するだけでなく、人間工学の原則にも反します。医師は患者の手術検査を行う際に一定の姿勢を維持する必要があり、手動による調整も必要となるため、手術の難易度がいくらか高まります。

1990年代以降、カメラシステムとイメージセンサーは徐々に外科手術に統合され始め、大きな応用可能性を示しました。1991年、ベルチは手術領域を視覚化するための革新的なビデオシステムを開発しました。このシステムは、150～500mmの調整可能な作動距離範囲と、15～25mmの観察対象径範囲を持ち、10～20mmの被写界深度を維持します。当時のレンズとカメラの維持費が高額であったため、多くの病院でこの技術が広く普及することはありませんでしたが、研究者たちは技術革新を追求し続け、より高度なビデオベースの外科用顕微鏡の開発に着手しました。長時間同じ作業モードを維持する必要のある双眼外科用顕微鏡と比較すると、ビデオタイプの外科用顕微鏡は拡大画像をモニターに投影するため、外科医の長時間の不自然な姿勢を避けることができます。ビデオベースの外科用顕微鏡は、医師を単一の姿勢から解放し、高精細スクリーンを通して解剖学的部位を操作できるようにします。

近年、人工知能技術の急速な進歩に伴い、手術用顕微鏡は徐々にインテリジェント化し、ビデオベースの手術用顕微鏡が市場の主流製品となっています。現在のビデオベースの手術用顕微鏡は、コンピュータビジョンとディープラーニング技術を組み合わせることで、画像の自動認識、セグメンテーション、および分析を実現しています。手術中、インテリジェントなビデオベースの手術用顕微鏡は、医師が病変組織を迅速に特定し、手術の精度を向上させるのに役立ちます。

双眼顕微鏡からビデオベースの外科用顕微鏡への開発過程において、手術における精度、効率、安全性に対する要求が日々高まっていることは容易に理解できます。現在、外科用顕微鏡の光学イメージングに対する需要は、病変部の拡大にとどまらず、ますます多様化し、効率化が進んでいます。臨床医学においては、拡張現実と統合された蛍光モジュールを介して、外科用顕微鏡が神経外科や脊椎外科で広く使用されています。ARナビゲーションシステムは複雑な脊椎キーホール手術を容易にし、蛍光剤は医師が脳腫瘍を完全に除去するのに役立ちます。さらに、研究者らは、ハイパースペクトル外科用顕微鏡と画像分類アルゴリズムを組み合わせることで、声帯ポリープや白板症の自動検出に成功しています。ビデオ外科用顕微鏡は、蛍光イメージング、マルチスペクトルイメージング、インテリジェント画像処理技術と組み合わせることで、甲状腺切除、網膜手術、リンパ外科など、さまざまな外科分野で広く使用されています。

双眼式手術用顕微鏡と比較して、ビデオ顕微鏡は複数ユーザーによるビデオ共有、高精細な手術画像を提供でき、人間工学的に優れているため、医師の疲労を軽減します。光学画像処理、デジタル化、およびインテリジェンスの発展により、手術用顕微鏡の光学システムの性能は大幅に向上し、リアルタイム動的画像処理、拡張現実などの技術により、ビデオベースの手術用顕微鏡の機能とモジュールが大幅に拡張されました。

将来のビデオ式手術用顕微鏡の光学画像処理は、より高精度、高効率、かつインテリジェントになり、医師はより包括的で詳細な三次元的な患者情報を得ることができ、手術をより適切に誘導できるようになるでしょう。同時に、技術の継続的な進歩と応用分野の拡大に伴い、このシステムはさらに多くの分野で応用・発展していくと考えられます。