کاربرد دیودها در ناوبرهای جراحی چیست؟

一، فتودیود: "درک عصبی" برای ساختن سیستم های موقعیت یابی نوری
1. یکی از وظایف اصلی یک ناوبر جراحی، ردیابی موقعیت مکانی ابزارهای جراحی در زمان واقعی است، که بر تشخیص دقیق نقاط مشخص شده توسط یک سیستم موقعیت یابی نوری متکی است. فتودیود، به عنوان سنسور هسته سیستم، سیگنال های نور منعکس شده را از طریق اثر فوتوالکتریک به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند و داده مختصات مکانی را برای سیستم ناوبری فراهم می کند.

دریافت سیگنال در فناوری ردیابی بازتاب غیرفعال
در سیستم‌های ردیابی غیرفعال مبتنی بر{0}دیودهای ساطع کننده نور (LED) یا توپ‌های بازتابنده، یک آرایه فتودیود در یک دوربین مادون قرمز ادغام می‌شود تا سیگنال‌های نوری ساطع شده توسط نشانگرهای بازتابی در ابزار جراحی را دریافت کند. به عنوان مثال، سیستم ناوبری نوری فعال Stryker از طراحی آشکارساز سه گروهی استفاده می کند که نور منعکس شده چند زاویه ای را از طریق فتودیودها می گیرد و دقت موقعیت یابی را تا 0.3 میلی متر بهبود می بخشد. این طرح به طور موثر مشکل نقطه کور سیستم های آشکارساز دوگانه سنتی را با بهینه سازی طرح دیودهای نوری و الگوریتم های پردازش سیگنال حل می کند.

2. کالیبراسیون زمان واقعی چارچوب مرجع پویا
حرکت خفیف وضعیت بیمار در حین جراحی می تواند باعث ایجاد خطاهای ناوبری شود، بنابراین لازم است به طور مداوم مختصات فضایی از طریق یک چارچوب مرجع پویا کالیبره شود. فتودیودها در این فرآیند نقش دوگانه ای دارند: اولاً، به عنوان نقاط علامت گذاری روی قاب مرجع، با انعکاس طول موج های خاصی از نور مادون قرمز، به ردیابی موقعیت می رسند. در مرحله دوم، به عنوان یک جزء آشکارساز، تغییرات شدت نور را در ناحیه جراحی نظارت می کند و به سیستم در شناسایی تغییر شکل بافت کمک می کند. برای مثال، سیستم ناوبری جراحی اعصاب excelim-04 که توسط دانشگاه فودان توسعه داده شده است، با تعبیه دیودهای نوری با حساسیت بالا در چارچوب مرجع، به جبران{4}زمان واقعی جابجایی بافت مغز در حین عمل جراحی می‌پردازد.

3. همگام سازی سیگنال برای ادغام تصویر چند وجهی
ناوبرهای جراحی مدرن از نمایش ترکیبی CT، MRI، و تصاویر اشعه X حین عمل پشتیبانی می‌کنند، که به آرایه فتودیود برای جمع‌آوری همزمان سیگنال‌های برون‌تابی از روش‌های مختلف تصاویر نیاز دارد. با تنظیم طول موج پاسخ و پهنای باند فتودیود، سیستم می‌تواند بین سیگنال‌های فلورسانس اشعه ایکس از بازو C و سیگنال‌های برچسب‌گذاری نور مرئی تمایز قائل شود و از سازگاری مکانی-زمانی مدل بازسازی سه‌بعدی اطمینان حاصل کند. به عنوان مثال، سیستم ناوبری هوشمند قابل حمل که توسط بیمارستان کالج پزشکی اتحادیه پکن معرفی شده است، از ماژول های فوتودیود سفارشی شده برای کاهش زمان ثبت تصاویر چند حالته از 120 ثانیه تجهیزات سنتی به 15 ثانیه استفاده می کند.

2، دیودهای ساطع نور: ایجاد یک "موتور بصری" برای ناوبری با دقت بالا
دیودهای ساطع کننده نور (LED) به عنوان جزء منبع نور دستگاه‌های ناوبری جراحی، شرایط نوری پایدار و قابل کنترلی را فراهم می‌کنند و پایه و اساس موقعیت‌یابی نوری و گرفتن تصویر را می‌سازند. سناریوهای کاربردی آن سه زمینه اصلی را پوشش می‌دهند: نورپردازی نشانگر، روشنایی میدان جراحی و تحلیل طیفی.

1. بهینه سازی طول موج روشنایی نقطه نشانگر
در سیستم‌های ردیابی غیرفعال، LEDها باید طول موج‌های خاصی از نور مادون قرمز (معمولاً 850 نانومتر یا 940 نانومتر) ساطع کنند تا از تداخل با میدان دید تیم جراحی جلوگیری شود. سیستم ناوبری Stryker از یک آرایه LED باریک استفاده می کند که دقیقاً توزیع شدت نور را برای حفظ کنتراست بالای نشانگرهای بازتابنده در پس زمینه های پیچیده کنترل می کند. علاوه بر این، فناوری مدولاسیون پالس LED می‌تواند تداخل نور محیط را بیشتر سرکوب کند، مانند افزایش نسبت سیگنال به-به بیش از 40 دسی بل از طریق مدولاسیون موج مربعی 1 کیلوهرتز.

2. طراحی طیفی روشنایی میدان جراحی
دستگاه ناوبری جراحی باید عملکرد نور بدون سایه را ادغام کند تا میدان دید واضحی را برای پزشک فراهم کند. ال ای دی ها مزایای قابل توجهی در این زمینه نشان داده اند: اولا، با ترکیب چند تراشه، دمای رنگ را می توان تنظیم کرد (4000K-6000K) تا با نیازهای رندر رنگ انواع مختلف بافت مطابقت داشته باشد. ثانیاً، اتخاذ طراحی نوری ثانویه (مانند آرایه لنز و فنجان بازتابی) می‌تواند نرخ بهره‌وری نور را به بیش از 85 درصد افزایش دهد و به طور قابل‌توجهی تأثیر تابش حرارتی بر ناحیه جراحی را کاهش دهد. به عنوان مثال، سیستم ناوبری ارتوپدی S8 که توسط اولین بیمارستان مردمی شهر نانتونگ معرفی شده است دارای یک چراغ جراحی LED است که می تواند در فاصله کاری 40 سانتی متری به روشنایی 160000 لوکس برسد، در حالی که دمای سطح فقط 2.3 درجه افزایش می یابد.

3. گسترش طول موج برای تجزیه و تحلیل طیفی
برخی از{0}}سیستم‌های ناوبری پیشرفته عملکردهای تجزیه و تحلیل سازمانی{1} زمان واقعی را ادغام می‌کنند، طول موج‌های خاصی از نور را از طریق LED‌ها ساطع می‌کنند (مانند نور سبز ۵۴۰ نانومتری برای تشخیص اکسیژن خون و نور قرمز ۶۳۰ نانومتری برای تصویربرداری جریان خون)، و با استفاده از دیودهای نوری برای دریافت طیف‌های بازتابی برای دستیابی به پایش پارافیزیولوژیکی. ماژول LED درجه پزشکی توسعه یافته توسط Shihua High Tech Semiconductor با کنترل دقیق طول موج (Δλ کمتر یا مساوی 5 نانومتر) برای دستیابی به خطای اندازه گیری اشباع اکسیژن خون کمتر یا مساوی 2 درصد، پشتیبانی تصمیم گیری حیاتی را برای جراحی مغز و اعصاب و جراحی قلب و عروق فراهم می کند.

3، دیود ویژه: ابزاری نوآورانه برای شکستن تنگناهای تکنولوژیکی
علاوه بر فتودیودها و LED های سنتی، دیودهای ویژه ای مانند دیودهای بهمنی (APD) و دیودهای لیزری (LD) کاربردهای بالقوه ای در زمینه ناوبری جراحی نشان می دهند.

1. دیود بهمن: بهبود حساسیت تشخیص نور کم
در جراحی عمیق (مانند اصلاح اسکولیوز)، سیگنال نور منعکس شده در نقطه مشخص شده ممکن است به دلیل ضعیف شدن بافت ضعیف شود. دیودهای بهمنی جریان نوری را 100 تا 1000 برابر از طریق اثر ضرب بهمن حامل های بار داخلی تقویت می کنند و به طور قابل توجهی توانایی سیستم را برای تشخیص نور ضعیف افزایش می دهند. به عنوان مثال، سیستم ناوبری چشمی Zeiss CALLISTO از یک آرایه APD برای افزایش فاصله ردیابی نشانه های قرنیه از 30 سانتی متر در سیستم های سنتی به 60 سانتی متر استفاده می کند.

2. دیود لیزر: دستیابی به اندازه‌گیری فاصله با دقت بالا
دیودهای لیزری (LDs) می‌توانند با انتشار پرتوهای لیزری با عرض خط باریک و ترکیب آنها با زمان پرواز (ToF) یا اصول محدوده اختلاف فاز، اطلاعات عمق را برای ناوبرهای جراحی فراهم کنند. ماژول ناوبری LD معرفی شده توسط بیمارستان چشمی Zhuhai Ximalin Shunchao با اندازه گیری اختلاف زمانی بین انتشار لیزر و دریافت انعکاس (با دقت 0.1ps) خطای موقعیت سوزن فیکوامولسیفیکاسیون را برای جراحی آب مروارید در ± 0.05 میلی متر کنترل می کند.

3. دیود زنر: تضمین ثبات سیستم
دستگاه‌های ناوبری جراحی به پایداری توان بسیار بالایی نیاز دارند و نوسانات ولتاژ ممکن است باعث رانش تصویر یا خرابی موقعیت شود. دیودهای زنر ولتاژ ورودی را در یک مقدار از پیش تعیین شده (مانند 5 ولت ± 0.1 ولت) از طریق ویژگی‌های شکست معکوس تثبیت می‌کنند و شرایط کاری قابل اعتمادی را برای آرایه‌های فوتودیود و واحدهای پردازش تصویر فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، سیستم ناوبری جراحی مغز و اعصاب Angelplan-CAS-1000 یک طراحی تنظیم ولتاژ چند سطحی را اتخاذ می‌کند، که سیستم را قادر می‌سازد تا دقت موقعیت‌یابی را در 0.5 میلی‌متر حفظ کند، حتی زمانی که ولتاژ شبکه 20 ± در نوسان است.