ビデオベースの手術用顕微鏡における光学イメージングの開発

医学分野において、手術は紛れもなくほとんどの疾患の治療の中核を成す手段であり、特に癌の早期治療において重要な役割を果たしています。外科医による手術の成功の鍵は、切開後の病理組織切片を明確に視覚化することにあります。手術用顕微鏡立体感、高精細度、高解像度といった特徴から、医療外科手術において広く利用されてきました。しかし、病変部位の解剖学的構造は複雑で、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、人体の血管組織は狭く密集しており、照明も不十分です。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、ひいては生命を危険にさら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拡大率と鮮明な画像で観察することは、研究者が引き続き深く研究しているテーマです。

現在、画像・動画、情報伝送、写真記録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分野に進出しつつあります。これらの技術は人々の生活に深く影響を与えているだけでなく、マイクロサージェリー分野にも徐々に浸透しつつあります。高解像度ディスプレイやカメラなどは、手術精度に対する現在の要求に効果的に応えることができます。CCD、CMOSなどのイメージセンサーを受光面として用いたビデオシステムは、手術用顕微鏡にも徐々に応用されつつあります。 ビデオ手術用顕微鏡手術の柔軟性と利便性に優れています。ナビゲーションシステム、3Dディスプレイ、高解像度の画質、拡張現実（AR）などの先進技術の導入により、手術中に複数人での映像共有が可能になり、医師による術中手術の効率がさらに向上します。

顕微鏡の光学イメージングは​​、顕微鏡の撮像品質を決定づける主な要因です。ビデオ手術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撮像技術、光学ズームや光学補正などの主要技術を採用した独自の設計特徴を備えています。これらの技術は、顕微鏡の撮像の鮮明度と画質を効果的に向上させ、手術の視覚的安全性を高めます。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、リアルタイムの動画像化と3D再構成を実現し、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、研究者は蛍光イメージング、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手法を絶えず研究し、顕微鏡の撮像解像度と深度を向上させています。また、人工知能技術を利用して光学画像データを後処理し、画像の鮮明度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、プリズムとレンズを使用して立体視を実現する機器で、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、ツェーヘンダーは医療眼科検査における双眼拡大鏡の応用を開拓しました。その後、ツァイ​​スは作動距離25cmの双眼拡大鏡を導入し、現代の顕微手術の発展の基礎を築きました。双眼手術用顕微鏡の光学画像の観点から、初期の双眼顕微鏡の作動距離は75mmでした。医療機器の発展と革新により、最初の手術用顕微鏡OPMI1が導入され、作動距離は405mmに達することができます。倍率も絶えず増加しており、倍率の選択肢も増え続けています。双眼顕微鏡の継続的な進歩により、鮮やかな立体感、高い透明度、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ています。しかし、その大型化と奥行きの狭さという制約は無視できず、医療従事者は手術中に頻繁にキャリブレーションとピント合わせを行う必要があり、手術の難易度を高めています。さらに、長時間にわたり視覚的な器具観察と操作に集中する外科医は、身体的負担が増大するだけでなく、人間工学的原則にも適合していません。医師は患者の手術検査を行うために固定姿勢を維持する必要があり、手動調整も必要となるため、ある程度、手術の難易度を高めています。

1990年代以降、カメラシステムとイメージセンサーは外科手術の現場に徐々に導入され始め、大きな応用可能性を示しました。1991年、ベルチは手術部位を視覚化する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、15～25mmの観察対象径、そして10～20mmの被写界深度を維持します。当時、レンズとカメラの維持費が高かったため、多くの病院でこの技術が広く採用されることは限られていましたが、研究者たちは技術革新を追求し続け、より高度なビデオ手術顕微鏡の開発に着手しました。双眼手術顕微鏡では、この動作モードを一定に維持するのに長時間かかるため、肉体的および精神的な疲労につながりやすいという問題がありました。ビデオ手術顕微鏡は、拡大画像をモニターに投影するため、外科医が長時間にわたって悪い姿勢を維持することを防ぎます。ビデオ手術顕微鏡は、医師を特定の姿勢から解放し、高解像度のスクリーンを通して解剖学的部位を手術することを可能にします。

近年、人工知能技術の急速な進歩に伴い、手術顕微鏡は徐々にインテリジェント化が進み、ビデオベースの手術顕微鏡が市場の主流となっています。現在のビデオベースの手術顕微鏡は、コンピュータービジョンとディープラーニング技術を融合させ、画像の自動認識、セグメンテーション、分析を実現しています。手術過程において、インテリジェントなビデオベースの手術顕微鏡は、医師が病変組織を迅速に特定し、手術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手術顕微鏡への発展過程において、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、手術顕微鏡の光学イメージングに対する需要は、病変部位の拡大にとどまらず、ますます多様化、効率化しています。臨床医学において、手術顕微鏡は、拡張現実（AR）と統合された蛍光モジュールを通じて、神経外科手術や脊椎手術に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、蛍光剤は医師を誘導して脳腫瘍を完全に除去することができます。さらに、研究者たちは、ハイパースペクトル手術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ました。ビデオ手術顕微鏡は、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、甲状腺摘出術、網膜手術、リンパ節手術など、さまざまな外科分野で広く使用されています。

双眼手術顕微鏡と比較して、ビデオ顕微鏡は複数ユーザーによるビデオ共有、高解像度の手術画像の提供が可能で、人間工学に基づいた設計により医師の疲労を軽減します。光学イメージング、デジタル化、インテリジェント化の発展により、手術顕微鏡の光学系の性能は大幅に向上し、リアルタイム動画像、拡張現実（AR）などの技術により、ビデオベースの手術顕微鏡の機能とモジュールは大幅に拡張されました。

将来のビデオベース手術顕微鏡の光学画像は、より高精度、高効率、そしてインテリジェントとなり、医師に包括的で詳細な3次元の患者情報を提供することで、より的確な手術ガイドを提供します。同時に、技術の継続的な進歩と応用分野の拡大に伴い、このシステムはより多くの分野に応用・発展していくでしょう。