비디오 기반 수술 현미경의 광학 이미징 개발

의학 분야에서 수술은 의심할 여지 없이 대다수 질병을 치료하는 핵심 수단이며, 특히 암의 조기 치료에 중요한 역할을 합니다. 외과 수술의 성공 여부는 절개 후 병리학적 단면을 명확하게 시각화하는 데 달려 있습니다.수술용 현미경3차원적 감각, 고화질, 고해상도라는 장점으로 인해 의료 수술 분야에서 널리 활용되어 왔습니다. 하지만 병리학적 부위의 해부학적 구조는 복잡하고 정교하며, 대부분 중요한 장기 조직에 인접해 있습니다. 밀리미터에서 마이크로미터 크기의 구조는 인간의 눈으로 관찰할 수 있는 범위를 크게 벗어났습니다. 또한, 인체의 혈관 조직은 좁고 복잡하며 조명이 부족합니다. 작은 편차라도 환자에게 해를 끼치고 수술 결과에 영향을 미치며 심지어 생명을 위협할 수 있습니다. 따라서 연구 개발은운영현미경충분한 확대율과 선명한 시각적 이미지를 갖는 것은 연구자들이 계속해서 심도 있게 탐구하고 있는 주제입니다.

현재 이미지 및 비디오, 정보 전송, 사진 기록과 같은 디지털 기술이 새로운 이점을 가지고 미세수술 분야에 도입되고 있습니다. 이러한 기술은 인간의 생활 방식에 지대한 영향을 미칠 뿐만 아니라, 미세수술 분야에 점차 통합되고 있습니다. 고화질 디스플레이, 카메라 등은 수술 정확도에 대한 현재의 요구를 효과적으로 충족할 수 있습니다. CCD, CMOS 및 기타 이미지 센서를 수광면으로 사용하는 비디오 시스템은 수술용 현미경에 점차 적용되고 있습니다. 비디오 수술 현미경의사가 수술하는 데 매우 유연하고 편리합니다. 내비게이션 시스템, 3D 디스플레이, 고화질 영상, 증강 현실(AR) 등 첨단 기술을 도입하여 수술 과정 중 여러 사람의 시야 공유를 가능하게 함으로써 의사의 수술 수행 능력을 더욱 향상시킵니다.

현미경 광학 이미징은 현미경 이미징 품질을 결정하는 주요 요소입니다. 비디오 수술 현미경의 광학 이미징은 고해상도, 고대비 CMOS 또는 CCD 센서와 같은 첨단 광학 부품 및 이미징 기술과 광학 줌 및 광학 보상과 같은 핵심 기술을 사용하는 고유한 설계 특징을 가지고 있습니다. 이러한 기술은 현미경의 이미징 선명도와 품질을 효과적으로 향상시켜 수술 시 우수한 시각적 확신을 제공합니다. 또한, 광학 이미징 기술과 디지털 처리를 결합하여 실시간 동적 이미징 및 3D 재구성을 달성하여 외과의에게 더욱 직관적인 시각적 경험을 제공합니다. 비디오 수술 현미경의 광학 이미징 품질을 더욱 향상시키기 위해 연구자들은 형광 이미징, 편광 이미징, 다중 스펙트럼 이미징 등과 같은 새로운 광학 이미징 방법을 끊임없이 연구하여 현미경의 이미징 해상도와 깊이를 향상시키고 있습니다. 또한, 광학 이미징 데이터의 후처리에 인공지능 기술을 활용하여 이미지 선명도와 대비를 향상시키고 있습니다.

초기 수술 과정에서는쌍안 현미경주로 보조 도구로 사용되었습니다. 쌍안 현미경은 프리즘과 렌즈를 사용하여 입체적인 시야를 확보하는 기기입니다. 단안 현미경에는 없는 깊이 지각과 입체적인 시야를 제공합니다. 20세기 중반, 폰 체헨더는 의료 안과 검사에 쌍안 돋보기를 적용하는 데 선구적인 역할을 했습니다. 이후 자이스는 작동 거리가 25cm인 쌍안 돋보기를 출시하여 현대 현미경 수술 발전의 토대를 마련했습니다. 쌍안 수술 현미경의 광학 이미징 측면에서 초기 쌍안 현미경의 작동 거리는 75mm였습니다. 의료 기기의 개발과 혁신을 통해 최초의 수술 현미경 OPMI1이 출시되었으며, 작동 거리는 최대 405mm에 달했습니다. 배율 또한 지속적으로 향상되고 있으며, 배율 옵션도 계속 증가하고 있습니다. 쌍안 현미경의 지속적인 발전과 함께 생생한 입체 효과, 높은 선명도, 긴 작동 거리와 같은 장점 덕분에 쌍안 수술 현미경은 다양한 부서에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 크기가 크고 깊이가 얕다는 한계를 무시할 수 없으며, 의료진은 수술 중 잦은 교정과 초점 조정이 필요하여 수술 난이도가 높아집니다. 또한, 장시간 시각적인 기구 관찰과 수술에 집중하는 외과의는 신체적 부담을 가중시킬 뿐만 아니라 인체공학적 원칙을 준수하지 않습니다. 의사는 환자를 수술하기 위해 고정된 자세를 유지해야 하며, 수동 조정이 필요하기 때문에 수술 난이도가 어느 정도 높아집니다.

1990년대 이후, 카메라 시스템과 이미지 센서는 수술 현장에 점진적으로 통합되기 시작하며 상당한 응용 잠재력을 보여주었습니다. 1991년, 베르치는 수술 부위를 시각화하는 혁신적인 비디오 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 150~500mm의 조정 가능한 작동 거리 범위와 15~25mm의 관찰 가능한 물체 직경을 가지면서도 10~20mm의 피사계 심도를 유지했습니다. 당시 렌즈와 카메라의 높은 유지 보수 비용으로 인해 많은 병원에서 이 기술의 광범위한 적용이 제한되었지만, 연구자들은 기술 혁신을 지속하여 더욱 진보된 비디오 기반 수술 현미경을 개발하기 시작했습니다. 이러한 작업 모드를 유지하는 데 오랜 시간이 걸리는 양안 수술 현미경과 비교했을 때, 비디오 기반 수술 현미경은 신체적, 정신적 피로를 유발하기 쉽습니다. 비디오 기반 수술 현미경은 확대된 이미지를 모니터에 투사하여 외과의가 장시간 잘못된 자세를 유지하는 것을 방지합니다. 비디오 기반 수술 현미경은 의사를 고정된 자세에서 벗어나 고화질 화면을 통해 해부학적 부위를 수술할 수 있도록 해줍니다.

최근 인공지능 기술의 급속한 발전으로 수술 현미경은 점차 지능화되고 있으며, 비디오 기반 수술 현미경이 시장의 주류 제품으로 자리 잡았습니다. 현재의 비디오 기반 수술 현미경은 컴퓨터 비전 기술과 딥러닝 기술을 결합하여 자동 이미지 인식, 분할 및 분석을 구현합니다. 수술 과정에서 지능형 비디오 기반 수술 현미경은 의사가 병변 조직을 신속하게 파악하고 수술 정확도를 높이는 데 도움을 줄 수 있습니다.

쌍안 현미경에서 비디오 기반 수술 현미경으로 발전하는 과정에서 수술의 정확성, 효율성, 그리고 안전성에 대한 요구가 날로 높아지고 있음을 쉽게 알 수 있습니다. 현재 수술 현미경의 광학 영상에 대한 수요는 병리학적 부위 확대에 그치지 않고 점점 더 다양하고 효율적인 방향으로 발전하고 있습니다. 임상 의학에서 수술 현미경은 증강 현실과 통합된 형광 모듈을 통해 신경 및 척추 수술에 널리 사용되고 있습니다. AR 내비게이션 시스템은 복잡한 척추 수술(keyhole surgery)을 용이하게 하고, 형광 물질은 의사가 뇌종양을 완전히 제거할 수 있도록 안내합니다. 또한, 연구자들은 이미지 분류 알고리즘과 결합된 초분광 수술 현미경을 사용하여 성대 용종과 백반증을 자동으로 검출하는 데 성공했습니다. 비디오 수술 현미경은 형광 영상, 다중 스펙트럼 영상, 그리고 지능형 영상 처리 기술과 결합하여 갑상선 절제술, 망막 수술, 림프관 수술 등 다양한 수술 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

쌍안 수술 현미경에 비해 비디오 현미경은 다중 사용자 비디오 공유, 고화질 수술 영상 제공, 그리고 더욱 인체공학적인 설계로 의사의 피로를 줄여줍니다. 광학 이미징, 디지털화, 그리고 지능화 기술의 발전은 수술 현미경 광학 시스템의 성능을 크게 향상시켰으며, 실시간 동적 이미징, 증강 현실 등의 기술들은 비디오 기반 수술 현미경의 기능과 모듈을 크게 확장시켰습니다.

미래 비디오 기반 수술 현미경의 광학 이미징은 더욱 정밀하고 효율적이며 지능적일 것입니다. 이를 통해 의사는 더욱 포괄적이고 상세하며 3차원적인 환자 정보를 확보하여 수술 과정을 더욱 효과적으로 진행할 수 있습니다. 기술의 지속적인 발전과 응용 분야 확대에 따라 이 시스템은 더욱 다양한 분야에 적용되고 개발될 것입니다.