Quali sono le applicazioni dei diodi nei navigatori chirurgici?

一, Fotodiodo: la "percezione neurale" per la costruzione di sistemi di posizionamento ottico
1. delle funzioni principali di un navigatore chirurgico è tracciare la posizione spaziale degli strumenti chirurgici in tempo reale-, che si basa sul riconoscimento preciso dei punti contrassegnati da un sistema di posizionamento ottico. Il fotodiodo, in quanto sensore centrale del sistema, converte i segnali luminosi riflessi in segnali elettrici attraverso l'effetto fotoelettrico, fornendo dati di coordinate spaziali per il sistema di navigazione.

Ricezione del segnale nella tecnologia di tracciamento della riflessione passiva
Nei sistemi di tracciamento passivo basati su-diodi emettitori di luce (LED) o sfere riflettenti, una serie di fotodiodi è integrata in una fotocamera a infrarossi per ricevere segnali luminosi emessi da marcatori riflettenti sugli strumenti chirurgici. Ad esempio, il sistema di navigazione ottica attiva di Stryker adotta un design con rilevatore a tre gruppi, che cattura la luce riflessa da più angoli attraverso fotodiodi e migliora la precisione di posizionamento fino a 0,3 mm. Questo design risolve efficacemente il problema dei punti ciechi dei tradizionali sistemi a doppio rilevatore ottimizzando la disposizione dei fotodiodi e gli algoritmi di elaborazione del segnale.

2. Calibrazione in tempo reale del sistema di riferimento dinamico
Il leggero spostamento della posizione del paziente durante l'intervento può causare errori di navigazione, per questo è necessario calibrare continuamente le coordinate spaziali attraverso un sistema di riferimento dinamico. I fotodiodi svolgono un duplice ruolo in questo processo: in primo luogo, come punti sul sistema di riferimento, ottengono il tracciamento della posizione riflettendo specifiche lunghezze d'onda della luce infrarossa; In secondo luogo, come componente rilevatore, monitora i cambiamenti nell'intensità della luce nell'area chirurgica e assiste il sistema nell'identificazione della deformazione del tessuto. Ad esempio, il sistema di navigazione neurochirurgica excelim-04 sviluppato dall'Università di Fudan ottiene una compensazione in tempo reale-per lo spostamento del tessuto cerebrale durante l'intervento chirurgico incorporando fotodiodi ad alta sensibilità nel quadro di riferimento.

3. Sincronizzazione del segnale per la fusione di immagini multimodali
I moderni navigatori chirurgici supportano la visualizzazione della fusione di immagini TC, MRI e raggi X intraoperatorie, che richiedono una serie di fotodiodi per raccogliere in modo sincrono i segnali di proiezione da diverse modalità di immagini. Regolando la lunghezza d'onda di risposta e la larghezza di banda del fotodiodo, il sistema è in grado di distinguere tra i segnali di fluorescenza a raggi X dal braccio a C- e i segnali di etichettatura della luce visibile, garantendo la coerenza spaziotemporale del modello di ricostruzione 3D. Ad esempio, il sistema di navigazione intelligente portatile introdotto dal Peking Union Medical College Hospital utilizza moduli fotodiodi personalizzati per ridurre il tempo di registrazione delle immagini in modalità multi-da 120 secondi delle apparecchiature tradizionali a 15 secondi.

2, Diodi emettitori di luce: creazione di un "motore visivo" per la navigazione ad alta precisione
In quanto componente della sorgente luminosa dei dispositivi di navigazione chirurgica, i-diodi emettitori di luce (LED) forniscono condizioni di illuminazione stabili e controllabili, gettando le basi per il posizionamento ottico e l'acquisizione di immagini. I suoi scenari applicativi coprono tre campi principali: illuminazione di segnalazione, illuminazione del campo chirurgico e analisi spettrale.

1. Ottimizzazione della lunghezza d'onda dell'illuminazione del punto marker
Nei sistemi di tracciamento passivo, i LED devono emettere lunghezze d'onda specifiche della luce infrarossa (solitamente 850 nm o 940 nm) per evitare di interferire con il campo visivo dell'équipe chirurgica. Il sistema di navigazione di Stryker utilizza una serie di LED a banda stretta, che controlla con precisione la distribuzione dell'intensità della luce per mantenere un elevato contrasto degli indicatori riflettenti in sfondi complessi. Inoltre, la tecnologia di modulazione degli impulsi del LED può sopprimere ulteriormente le interferenze della luce ambientale, ad esempio aumentando il rapporto segnale-rispetto-rumore a oltre 40 dB attraverso la modulazione a onda quadra da 1 kHz.

2. Progettazione spettrale dell'illuminazione del campo chirurgico
Il dispositivo di navigazione chirurgica deve integrare la funzione di luce senza ombre per fornire ai medici un campo visivo chiaro. I LED hanno dimostrato vantaggi significativi in ​​questo campo: in primo luogo, combinando più chip, è possibile regolare la temperatura del colore (4000K-6000K) per soddisfare le esigenze di resa cromatica dei diversi tipi di tessuto; In secondo luogo, l’adozione di un design ottico secondario (come la serie di lenti e la coppa riflettente) può aumentare il tasso di utilizzo dell’efficienza luminosa fino a oltre l’85%, riducendo significativamente l’impatto delle radiazioni termiche sull’area chirurgica. Ad esempio, il sistema di navigazione ortopedico S8 introdotto dal First People's Hospital della città di Nantong è dotato di una lampada chirurgica a LED che può raggiungere un'illuminazione di 160.000 lux ad una distanza di lavoro di 40 cm, mentre la temperatura superficiale aumenta solo di 2,3 gradi.

3. Estensione della lunghezza d'onda per l'analisi spettrale
Alcuni sistemi di navigazione-di fascia alta integrano funzioni di analisi organizzativa-in tempo reale, emettendo specifiche lunghezze d'onda della luce tramite LED (come la luce verde da 540 nm per il rilevamento dell'ossigeno nel sangue e la luce rossa da 630 nm per l'imaging del flusso sanguigno) e utilizzando fotodiodi per ricevere spettri riflessi per ottenere il monitoraggio dei parametri fisiologici intraoperatori. Il modulo LED di grado medico sviluppato da Shihua High Tech Semiconductor fornisce un supporto decisionale critico per la neurochirurgia e la chirurgia cardiovascolare controllando accuratamente la lunghezza d'onda (Δλ inferiore o uguale a 5 nm) per ottenere un errore di misurazione della saturazione di ossigeno nel sangue inferiore o uguale al 2%.

3, Diodo speciale: uno strumento innovativo per superare i colli di bottiglia tecnologici
Oltre ai tradizionali fotodiodi e LED, diodi speciali come i diodi da valanga (APD) e i diodi laser (LD) mostrano potenziali applicazioni nel campo della navigazione chirurgica.

1. Diodo valanga: migliora la sensibilità di rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione
Nella chirurgia profonda (come la correzione della scoliosi), il segnale luminoso riflesso nel punto contrassegnato può indebolirsi a causa dell'attenuazione dei tessuti. I diodi a valanga amplificano la fotocorrente di 100-1000 volte attraverso l'effetto di moltiplicazione a valanga dei portatori di carica interni, migliorando significativamente la capacità del sistema di rilevare la luce debole. Ad esempio, il sistema di navigazione oculare Zeiss CALLISTO utilizza un array APD per estendere la distanza di tracciamento dei punti di riferimento corneali da 30 cm nei sistemi tradizionali a 60 cm.

2. Diodo laser: raggiungimento di una misurazione della distanza ad alta-precisione
I diodi laser (LD) possono fornire informazioni sulla profondità per i navigatori chirurgici emettendo raggi laser a larghezza di linea ridotta e combinandoli con i principi del tempo-di{1}}volo (ToF) o della differenza di fase. Il modulo di navigazione LD introdotto dallo Zhuhai Ximalin Shunchao Eye Hospital controlla l'errore di posizionamento dell'ago di facoemulsificazione per la chirurgia della cataratta entro ± 0,05 mm misurando la differenza temporale tra l'emissione laser e la ricezione del riflesso (con una precisione di 0,1 ps).

3. Diodo Zener: garantisce la stabilità del sistema
I dispositivi di navigazione chirurgica richiedono una stabilità di potenza estremamente elevata e le fluttuazioni di tensione possono causare deviazioni dell'immagine o errori di posizionamento. I diodi Zener stabilizzano la tensione di ingresso a un valore preimpostato (come 5 V ± 0,1 V) attraverso caratteristiche di rottura inversa, fornendo condizioni di lavoro affidabili per le serie di fotodiodi e le unità di elaborazione delle immagini. Ad esempio, il sistema di navigazione per neurochirurgia Angelplan-CAS-1000 adotta un design di regolazione della tensione multilivello, che consente al sistema di mantenere una precisione di posizionamento entro 0,5 mm anche quando la tensione di rete fluttua di ± 20%.