Какви са приложенията на диодите в хирургическите навигатори?

一, Фотодиод: „Невронното възприятие“ за изграждане на системи за оптично позициониране
1. от основните функции на хирургическия навигатор е да проследява пространствената позиция на хирургическите инструменти в реално-време, което разчита на прецизното разпознаване на маркирани точки от оптична система за позициониране. Фотодиодът, като основен сензор на системата, преобразува отразените светлинни сигнали в електрически сигнали чрез фотоелектричния ефект, предоставяйки данни за пространствени координати за навигационната система.

Приемане на сигнал в технология за проследяване на пасивно отражение
В системите за пасивно проследяване, базирани на -излъчващи светлина диоди (LED) или отразяващи топки, фотодиодна матрица е интегрирана в инфрачервена камера за получаване на светлинни сигнали, излъчвани от отразяващи маркери върху хирургически инструменти. Например, активната оптична навигационна система на Stryker възприема тригрупов детекторен дизайн, който улавя многоъгълна отразена светлина чрез фотодиоди и подобрява точността на позициониране до 0,3 mm. Този дизайн ефективно решава проблема със сляпото петно ​​на традиционните системи с двоен детектор чрез оптимизиране на разположението на фотодиодите и алгоритмите за обработка на сигнала.

2. Калибриране в реално време на динамична референтна рамка
Лекото движение на позицията на пациента по време на операцията може да причини навигационни грешки, така че е необходимо непрекъснато калибриране на пространствените координати чрез динамична референтна рамка. Фотодиодите играят двойна роля в този процес: първо, като маркиращи точки върху референтната рамка, те постигат проследяване на позицията чрез отразяване на специфични дължини на вълната на инфрачервена светлина; Второ, като детекторен компонент, той следи промените в интензитета на светлината в хирургическата зона и подпомага системата при идентифициране на тъканна деформация. Например, неврохирургичната навигационна система excelim-04, разработена от университета Фудан, постига компенсация-в реално време за изместване на мозъчната тъкан по време на операция чрез вграждане на фотодиоди с висока чувствителност в референтната рамка.

3. Синхронизиране на сигнала за комбиниране на мултимодални изображения
Съвременните хирургически навигатори поддържат слято показване на CT, MRI и интраоперативни рентгенови-изображения, което изисква фотодиоден масив за синхронно събиране на проекционни сигнали от различни модалности на изображения. Чрез регулиране на дължината на вълната на реакция и широчината на честотната лента на фотодиода, системата може да прави разлика между рентгеновите флуоресцентни сигнали от C-рамото и сигналите за маркиране на видима светлина, осигурявайки пространствено-времева последователност на модела на 3D реконструкция. Например, преносимата интелигентна навигационна система, въведена от Peking Union Medical College Hospital, използва персонализирани фотодиодни модули, за да съкрати времето за много-режимна регистрация на изображението от 120 секунди на традиционно оборудване до 15 секунди.

2, Светоизлъчващи диоди: Създаване на "визуална машина" за високопрецизна навигация
Като компонент на светлинен източник на хирургически навигационни устройства, диодите, излъчващи -светодиоди (LED) осигуряват стабилни и контролируеми условия на осветление, полагайки основата за оптично позициониране и получаване на изображения. Неговите сценарии за приложение обхващат три основни области: маркерно осветление, осветление на хирургично поле и спектрален анализ.

1. Оптимизиране на дължината на вълната на осветяването на маркерната точка
В системите за пасивно проследяване светодиодите трябва да излъчват инфрачервена светлина със специфични дължини на вълните (обикновено 850 nm или 940 nm), за да избегнат намеса в зрителното поле на хирургическия екип. Навигационната система на Stryker използва теснолентова LED матрица, която прецизно контролира разпределението на интензитета на светлината, за да поддържа висок контраст на отразяващите маркери в сложни фонове. Освен това технологията за импулсна модулация на LED може допълнително да потисне смущенията на околната светлина, като например увеличаване на съотношението сигнал-към-шум до над 40dB чрез 1kHz квадратна вълнова модулация.

2. Спектрален дизайн на осветяване на хирургичното поле
Хирургическото навигационно устройство трябва да интегрира функция за безсенчеста светлина, за да осигури на лекарите ясно оперативно зрително поле. Светодиодите демонстрират значителни предимства в тази област: първо, чрез комбиниране на множество чипове, цветната температура може да се регулира (4000K-6000K), за да отговаря на нуждите за цветопредаване на различни видове тъкани; Второ, приемането на вторичен оптичен дизайн (като масив от лещи и отразяваща чаша) може да увеличи степента на използване на светлинната ефективност до над 85%, като значително намалява въздействието на топлинното излъчване върху хирургическата зона. Например, ортопедичната навигационна система S8, въведена от Първата народна болница в град Нантонг, има LED хирургическа светлина, която може да постигне осветеност от 160 000 лукса на работно разстояние от 40 см, докато температурата на повърхността се повишава само с 2,3 градуса.

3. Разширение на дължината на вълната за спектрален анализ
Някои-навигационни системи от висок клас интегрират функции за организационен анализ в-време, излъчващи специфични дължини на вълните на светлината чрез светодиоди (като 540nm зелена светлина за откриване на кислород в кръвта и 630nm червена светлина за изображения на кръвния поток) и използват фотодиоди за получаване на отразени спектри за постигане на интраоперативно наблюдение на физиологичните параметри. Медицинският LED модул, разработен от Shihua High Tech Semiconductor, осигурява критична подкрепа за вземане на решения за неврохирургия и сърдечно-съдова хирургия чрез точно контролиране на дължината на вълната (Δλ по-малко или равно на 5nm), за да се постигне грешка при измерване на насищането с кислород в кръвта от по-малко или равно на 2%.

3, Специален диод: иновативен инструмент за преодоляване на технологичните затруднения
В допълнение към традиционните фотодиоди и светодиоди, специални диоди като лавинни диоди (APD) и лазерни диоди (LD) показват потенциални приложения в областта на хирургическата навигация.

1. Лавинен диод: подобряване на чувствителността при откриване на слаба светлина
При дълбока хирургия (като корекция на сколиоза), отразеният светлинен сигнал в маркираната точка може да стане слаб поради затихване на тъканите. Лавинните диоди усилват фототока 100-1000 пъти чрез ефекта на лавинообразното умножаване на вътрешните носители на заряд, което значително подобрява способността на системата да открива слаба светлина. Например, очната навигационна система Zeiss CALLISTO използва APD матрица, за да удължи разстоянието за проследяване на ориентирите на роговицата от 30 cm в традиционните системи до 60 cm.

2. Лазерен диод: постигане на високо-прецизно измерване на разстояние
Лазерните диоди (LD) могат да осигурят информация за дълбочината на хирургическите навигатори, като излъчват лазерни лъчи с тясна ширина на линията и ги комбинират с принципите за време-на-полет (ToF) или принципи за обхват на фазовата разлика. Навигационният модул LD, въведен от Zhuhai Ximalin Shunchao Eye Hospital, контролира грешката при позициониране на иглата за факоемулсификация за операция на катаракта в рамките на ± 0,05 mm чрез измерване на разликата във времето между лазерното излъчване и приемането на отражение (с точност от 0,1 ps).

3. Ценеров диод: осигурява стабилност на системата
Хирургическите навигационни устройства изискват изключително висока стабилност на мощността и колебанията на напрежението могат да причинят отклонение на изображението или неуспешно позициониране. Ценеровите диоди стабилизират входното напрежение при предварително зададена стойност (като 5V ± 0,1V) чрез обратни характеристики на разрушаване, осигурявайки надеждни работни условия за фотодиодни матрици и модули за обработка на изображения. Например навигационната система за неврохирургия Angelplan-CAS-1000 приема многостепенна конструкция за регулиране на напрежението, което позволява на системата да поддържа точност на позициониране в рамките на 0,5 mm дори когато напрежението на мрежата варира с ± 20%.