術中成像新篇章：固態(tài)白光光源引導醫(yī)療照明革新

中國有句古話“人死如燈滅"。在手術臺上，如果手術燈意外滅了，對手術過程和患者的生命安全也都將帶來極大的風險和考驗。這包含了一個核心問題——300W和400W氙弧燈在術中成像應用中的實際局限性。而這正是用固態(tài)照明器替換弧光燈的主要動機。而這類臨床應用的核心要求是，輸出至手術部位的光必須保持輻射強度和光譜強度一致，而整場手術可能持續(xù)數小時。

Lumencor幾乎于十年前就開創(chuàng)了使用固態(tài)光源代替氙氣燈照明的先河，并用于內窺鏡檢查和機器人手術。人們普遍認為，內窺鏡可以通過較小的手術通道改善進入和可視化，而外窺鏡適合較大手術通道的需求。外窺鏡支持優(yōu)化焦距、緊湊性、外科醫(yī)生的手術姿勢、學員教育以及助手參與。與顯微鏡相比，外窺鏡提供更長的工作距離、更高的放大倍數和在視場深度較大時更寬的視野，同時還為外科醫(yī)生和手術助手提供便捷的可視化信息(圖1)。外窺鏡的固態(tài)照明可以減少傳統(tǒng)顯微鏡可能出現(xiàn)的熱損傷和組織反光。

圖1.正在使用的外科外窺鏡。外窺鏡安裝在機械臂上，位于外科醫(yī)生之間和患者的上方，將白光投射到下方的手術部位。照片右上方的監(jiān)視器顯示手術部位的放大圖像。

Lumencor的SPECTRA系列光引擎可以配置為外科外窺鏡的光源，其光譜輸出如圖2所示。輸出由Lumencor專有的發(fā)光管（綠色光，圖2）和5個LED光源的所組成。SPECTRA光譜輸出在“綠色能隙（green gap）"中包含了豐富的光，而在這個波長范圍內（500~600nm），傳統(tǒng)的LED通常缺乏光子生成。這 6 個光源可以根據客戶的任意需求進行打開或關閉，它們的輸出功率可以在20倍線性范圍內獨立調節(jié)(圖2)。

在SPECTRA板載微處理器的控制下，圖2所示的基本光譜輸出可以在幾秒鐘內重構。這種性能與氙弧燈的不穩(wěn)定光譜輸出形成鮮明對比。氙燈的連續(xù)輸出光譜位于300 nm 至 1200 nm 及以上。然而，超過 800 nm 的輸出通常沒有實際用途，并且可能導致熱誘導的組織損傷。相比之下，SPECTRA 光引擎可以進行定制，僅輸出那些產生有用光的波長，用于手術區(qū)域的可視化（圖 2）。

在實際應用中，SPECRA的五個可見光范圍光源（紫色、藍色、青色、綠色和紅色、圖2）可組合使用，產生具有相關色溫（CCT）和顯色指數（CRI）特征的白光，這些特征針對大體解剖的反射光成像進行了優(yōu)化。

圖2. SPECTRA 光引擎的光譜輸出設計用于外科內窺鏡。該輸出由6個獨立控制的固態(tài)光源產生的6個光譜帶組成。在350nm以下或850nm以上不產生光輸出。375-675nm范圍內的光源被組合使用以生成白光。每個光源的功率輸出可以在20倍的范圍內獨立調整（虛線表示的zui低水平），從而實現(xiàn)CCT和CRI特性的優(yōu)化。不可見的近紅外輸出用于激發(fā)熒光血管造影劑---吲哚菁綠（ICG）。

除了光譜輸出外，SPECTRA光引擎還提供了三個附加功能，可增加其在術中成像應用中的實用性：

1.光傳輸

SPECTRA光引擎的光輸出通常以光纖束傳輸。光纖束可以進行分支，提供兩路或者多個等分的光輸出，這些光輸出可以憑借不同的角度軌跡定向到手術區(qū)域。多向照明規(guī)避了可訪問性和可見性的限制，在手術區(qū)域等密閉空間中實現(xiàn)三維成像。

2.不同設備的一致性能

這一特性對于消除外窺鏡或者其他手術設備中光源的安裝和驗證中的不確定性至關重要。因此，SPECTRA光引擎進行設計、制造和測試，旨在從一個設備到另一個設備提供一致的性能。圖3展現(xiàn)了這一特性，比較了50臺SPECTRA光引擎的輸出功率，這些光引擎的規(guī)格與圖2所示的相同。圖中所示的測量功率輸出的標準偏差（n=50）對應的方差系數（CV）僅1-3%。

3.內置計量和自動化兼容性

像SPECTRA光引擎這樣的固態(tài)照明器配備了板載微處理器，這些微處理器除了控制操作外，還監(jiān)控系統(tǒng)性能。諸如累積光輸出持續(xù)時間、電力消耗和內部運行溫度等數據可以上傳到實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS），并支持監(jiān)管合規(guī)性驗證。

圖3.按圖2所示規(guī)格制造的50臺SPECTRA光引擎的六個固態(tài)光源的大功率輸出。藍色條的高度表示平均輸出功率，黑色條的厚度表示50個樣本的標準差(SD)。六個光源的總輸出為每個光引擎7W，是配置用于寬視場熒光顯微鏡的輸出功率兩倍以上。

在神經外科等要求嚴苛的臨床程序中，可視化工具的改進促進了外窺鏡的使用，以提高外科醫(yī)生的人體工程學，舒適度和患者的治療效果。外窺鏡具有更大的光學變焦、分辨率和較低光照度下的照明等優(yōu)點。主刀醫(yī)生和其他助手均可使用平視顯示器，在將攝像頭置于更多角度位置的同時，允許外科醫(yī)生保持在中間位置。這種手術硬件的增強需要zui高水準的照明，而Lumencor固態(tài)光源可以很好地支持性能的一致性、長壽命、穩(wěn)定的光輸出。為滿足臨床應用的可見光和近紅外需求而量身定制的SPECTRA光引擎提供了耐用、強大的照明，與傳統(tǒng)的氙燈成像非常匹配，同時還針對外科醫(yī)生原位可視化所需的熒光染料進行了優(yōu)化?；诩晒虘B(tài)光源的光引擎正在迅速淘汰內窺鏡、外窺鏡、機器人手術和其他大量對光源有高要求的臨床應用中的傳統(tǒng)燈泡和弧光燈。

關于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產品專業(yè)代理商，產品包括各類激光器、光電調制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務。