University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική Βιοϊατρική Οπτική ΙΙ
Απεικόνιση Πραγματικός Κόσμος Οπτικά Αισθητήρας 2
Φακοί (Lenses) Δημιουργία Εικόνας με Λεπτούς (Thin) Φακούς Με τους φακούς αποφεύγονται τα προβλήματα με τις μικρές οπές Ιδανικός (Ideal) φακός: Προβάλλει όπως και η οπή αλλά μαζεύει περισσότερο φως! Πραγματικοί φακοί Ψηλός δείκτης διάθλασης Δύο ακτίνες καμπυλότητας Εξίσωση Κατασκευαστών φακών (Lensmakers) 1 s o 1 s i n 2 1 R1 R2 Εστιακή απόσταση (Focal length) 1 f 1 1 1 n 2 1 R1 R2 1 Συγκλίνοντας (Εστιάζον) Φακός Converging (focusing) Lens Αποκλίνοντας (Αντι-εστιάζον) Φακός Diverging (defocusing) Lens (Η εστιακή απόσταση είναι αρνητική) 3
Φακοί για Απεικόνιση Παραξονική(Paraxial) Προσέγγιση Γεωμετρική Οπτική Ιχνηλάτηση Ακτίνας (Ray Tracing) h o D s i Δημιουργία εικόνας με ένα φακό s o 2f f f h i Ιδανικός (Ideal) λεπτός (thin) φακός 1 1 1 f s s o i f = εστιακή απόσταση (focal length) s i = απόσταση ειδώλου s o = απόσταση αντικειμένου 2f f f 2f Μεγέθυνση (Magnification) M s s i o h h i o 2f f f 2f 4
Φακοί και Κυματική Οπτική Περίθλαση σε κυκλικό άνοιγμα Airy Disk a f x I 2 2J 1( ) I0 1.22 d NA a sin Διάμετρος του κύριου λοβού: D 1 NA nsinf 2 f 2 f /# Όσο ποιο μικρή η διάμετρος D τόσο ποιο μεγάλη η διάμετρος d z D f d f 5
Χαρακτηριστικά Των Φακών f F-number: f /# D Numerical aperture: Αριθμητικό άνοιγμα (n: δείκτης διάθλασης) Διάμετρος Εστιακού Σημείου: Βάθος Εστίασης: NA nsinf 2 f z 1.22 cosf D, για μικρές γωνίες: 2.44 f 1.22 d 2.44 f /# D NA 2, για μικρές γωνίες: D 1 NA 2 f 2 f /# 1.22 z 2 NA D f z d f 6
Χαρακτηριστικά Φακών Ο Gromit με f/22 (αριστερά) και f/4 (δεξιά). Μικρή Διάμετρος Μεγάλη Εστιακή Απόσταση Μεγάλη Διάμετρος Μικρή Εστιακή Απόσταση Βάθος Εστίασης, Ευκρίνεια Βάθος Εστίασης, Ευκρίνεια 7
Φακοί και Γκαουσιανές Δέσμες Γκαουσιανές Δέσμες (Gaussian Beams) Π.χ. από λέιζερ ή οπτική ίνα, Ενεργή (effective) διάμετρος D: 2w Προφίλ Έντασης: 2r Ακτινικής Διατομή (Beam waist): I Ομοεστιακή παράμετρος (Confocal parameter): I Μακριά από τη μέση:, γωνία απόκλισης : (divergence) 0 e z w w 0 2 / w 2 w w 0 1 z w 2 0 2 z R w 2 0 2 0.637 w 0 w 0 8
Χαρακτηριστικά Φακών Standard Lens Gaussian Beam Aperture size D 2w Focal spot size d 2.44 f D d 2w 0 2.54 f 2w Depth of focus z 2 f 1.22 D 2 z 2 f 1.27 2w 2 9
Σχηματισμός Εικόνας Ευκρίνεια (resolution) εικόνας Η μικρότερη διακριτή χωρική συχνότητα μικρότερη διακριτή λεπτομέρεια = οπτική ευκρίνεια (optical resolution) Οπτική Ευκρίνεια Κριτήριο Rayleigh 3 db πτώση μεταξύ κορυφών Κριτήριο Sparrow Διάμετρος συνάρτησης μεταφοράς σημείου (Point Spread Function ή PSF) Τα σφάλματα υποβαθμίζουν την ευκρίνεια d 3dB 1.02 NA d 1.22 NA Ευκρίνεια Κάμερας Αριθμός εικονοστοιχείων (pixels) (π.χ. 1024x1024) Πρέπει να είναι αρκετά ώστε να ψηφιοποιείται σωστά η οπτική ευκρίνεια Διαφορετικά η ευκρίνεια της εικόνας θα μειώνεται λόγω κάμερας Κριτήριο Nyquist d camera = d optical / 2 D θ R D NA x x d d PSF N pixel = h i / d camera 10
Οπτικά Σφάλματα(Aberrations) Σφάλματα Χρωματικά (Chromatic) Σφαιρικά (Spherical) Καμπύλωση Πεδίου (Curvature of Field) Αστιγματισμός (Astigmatism) Κόμη (Coma) Διαστροφή (Distortion) Βινιετάρισμα (Vignetting) Μειώνονται με καλύτερα (και πολυπλοκότερα / ακριβότερα) οπτικά συστήματα 11
Ενδοσκόπηση Ενδοσκόπηση Ελάχιστα επεμβατική διαγνωστική ιατρική διαδικασία Εξέταση των εσωτερικών κοιλοτήτων του σώματος Χρησιμοποιώντας ένα εξειδικευμένο ιατρικό εργαλείο, το ενδοσκόπιο Λήψη φωτογραφιών των κοίλων εσωτερικών οργάνων Οπτική μαρτυρία του προβλήματος π.χ. καρκίνος, έλκος ή φλεγμονή Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συλλέξει ένα δείγμα ιστού ή να αφαιρέσει προβληματικό ιστό Εκτελείται υπό Ενσυνείδητη καταστολή, ή Ολική Αναισθησία 12
Ενδοσκόπηση Οι γιατροί χρησιμοποιούν ενδοσκόπηση για Διάγνωση Παρακολούθηση Χειρουργική θεραπεία διαφόρων ιατρικών προβλημάτων Το ενδοσκόπιο εισάγεται στο σώμα μέσω Ενός ανοίγματος του σώματος (όπως το στόμα ή ο πρωκτός), ή Μιας μικρής τομής στο δέρμα. 13
Ενδοσκόπηση Επιπλοκές της ενδοσκόπησης Ελάχιστες (πολύ ασφαλής) Επιπλοκές νάρκωσης Βλάβη στην οδοντοφυΐα Αναρρόφηση Διάτρηση, λοίμωξη, ή αιμορραγία μετά Παγκρεατίτιδα, χολαγγειίτιδα, διάτρηση ή αιμορραγία μετά ενδοσκόπηση της χολυδόχου 14
Ενδοσκόπηση Το ενδοσκόπιο Ένα λεπτός, εύκαμπτος ή άκαμπτος σωλήνας Εξοπλισμένος με φακούς και μια πηγή φωτός που μεταδίδει φώς μέσω μιας δέσμης οπτικών ινών (δέσμη φωτισμού) Κάμερα CCD χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει βίντεο στην οθόνη Μέσω των συμπληρωματικών καναλιών παρέχεται νερό και αέρας που πλένουν και στεγνώνουν το χειρουργικό πεδίο. Επίσης, υπάρχει κανάλι μέσω του οποίου οι χειρουργοί μπορούν να χειριστούν μικροσκοπικά εργαλεία, Μια ποικιλία μέσων που μπορούν να εφαρμοστούν στο ενδοσκόπιο για διαφορετικούς σκοπούς Π.χ. λαβίδες, χειρουργικά ψαλίδια, συσκευές αναρρόφησης, κλπ 15
Εύκαμπτο Ενδοσκόπιο Ενδοσκόπιο Οπτικών Ινών Χρησιμοποιεί δέσμη απεικόνισης 2 3 mm διάμετρος περιέχει 20 000 40 000 λεπτές ίνες από γυαλί, διαμέτρου 10 μm η κάθε μια Κάθε οπτική ίνα καλύπτεται από επίστρωση με μικρότερο δείκτη διάθλασης για να επιτυγχάνεται κυματοδήγηση Μεταξύ των ινών υπάρχει νεκρός χώρος παρουσιάζεται σαν πλέγμα στην εικόνα Προτερήματα Πολύ εύκαμπτα Μπορούν να μεταδώσουν εικόνα ακόμα και δεμένα κόμπο! Μικρή διάμετρος Άμεση θέαση (δεν χρειάζεται οθόνη) Μειονεκτήματα Η ποιότητα της εικόνας μιας εύκαμπτης δέσμης, αν και εξαιρετική, δεν μπορεί ποτέ να φτάσει εκείνη ενός άκαμπτου συστήματος με φακούς ή ένας βίντεο-ενδοσκοπίου Περιορισμένος αριθμός "pixels" 16
Εύκαμπτο Ενδοσκόπιο Βιντεο-Ενδοσκόπιο Χρησιμοποιεί μόνο δέσμη φωτισμού Η δέσμη απεικόνισης αντικαθιστάται από λεπτά καλώδια Μια κάμερα CCD και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά τοποθετούνται στο μπροστινό άκρο Περαιτέρω ηλεκτρονικά και διακόπτες τοποθετούνται εξωτερικά Πλεονεκτήματα Βελτιωμένη ποιότητα εικόνας Θέαση μέσα από μια οθόνη Ο γιατρός δεν χρειάζεται να κρατάει το όργανο κοντά στο μάτι του Πρακτικότητα και ασφάλεια (αποφυγή μόλυνσης από σταγονίδια) Βελτιωμένος σχεδιασμός και χειρισμός οργάνων Μειονεκτήματα Δεν υπάρχει άμεση θέαση Δεν μπορεί να γίνει <5 mm 17
Εύκαμπτο Ενδοσκόπιο Τμήμα εισαγωγής Το τμήμα του ενδοσκοπίου που εισάγεται μέσα στον ασθενή Το μήκος, η διάμετρος, και ο βαθμός ακαμψίας του σωλήνα εισαγωγής διαφέρουν μεταξύ των μοντέλων. Ο σωλήνας εισαγωγής περιέχει Μία ή δύο δέσμες φωτισμού (οπτικών ινών) Ένα κανάλι αέρα, ένα κανάλι νερού Είτε μια δέσμη απεικόνισης ή μια κάμερα CCD με καλώδια Ένα ή δύο κανάλια εργαλείων Συνδέσεις και καλώδια καθοδήγησης Air / Water 18
Εύκαμπτο Ενδοσκόπιο Συμπληρωματικά Εργαλεία Ενδοσκόπησης Λαβίδες βιοψίας Λαβίδες κράτησης Καλάθια Εγχυτήρες Διαστολείς Μαχαίρια Αξεσουάρ ενδο-θεραπείας με ηλεκτρισμό... πάρα πολλοί τύποι εργαλείων! 19
Άκαμπτο Ενδοσκόπιο Ένα σύστημα φακών μεταδίδει την εικόνα Συνήθως, ένα σύστημα φακών αναμετάδοσης Μακροί κυλινδρικοί φακοί (rod lenses) παρέχουν καλύτερη ποιότητα εικόνας και απόδοση φωτός Χαρακτηριστικά + Καλύτερη ποιότητα εικόνας + Άμεση θέαση (δεν χρειάζονται ηλεκτρονικά και κάμερα) + Διαφορετικές διάμετροι και γωνίες θέασης - Δεν μπορεί να εισαχθεί βαθειά Χρήσεις Ελάχιστα επεμβατικές Επεμβατικές χειρουργικές 20
Εύκαμπτη Ενδοσκόπηση Διάφορα όργανα Ανάλογα με το μέρος του σώματος, κάθε τύπος ενδοσκόπησης έχει τη δική της ειδική ονομασία της, π.χ. Λαρυγγοσκόπηση (φωνητικές χορδές) Βρογχοσκόπηση (πνεύμονες) Κολονοσκόπηση (παχύ έντερο) Οισοφαγοσκόπηση (οισοφάγος) Γαστροσκόπηση (στομάχι) Υστεροσκόπηση (μήτρα) κλπ 21
Βρογχοσκόπηση 22
Οισοφαγοσκόπηση 23
Άκαμπτη ή Χειρουργική Ενδοσκόπηση Ελάχιστα Επεμβατικές Υστεροσκόπηση (Μήτρα) Λαρυγγοσκόπηση (λάρυγγας) Πρωκτοσκόπηση (Ορθό, πρωκτός) Κυστεοσκόπηση (Ουροδόχος Κύστη) Επεμβατικές / Χειρουργικές Αρθροσκόπηση (Κλειδώσεις) Λαπαροσκόπηση (δηλ. εγχείρηση μέσω ενδοσκοπίου) Πολλές χειρουργικές εφαρμογές (γαστρεκτομή, νευροχειρουργική,... κλπ). 24
Ουρυθρο-Κυστεοσκόπηση 25
Αρθροσκόπηση 26
Λαπαροσκοπική Χειρουργική Μια χειρουργική επέμβαση με ελάχιστη πρόσβαση Εκτέλεση των χειρουργικών θεραπευτικών διαδικασιών μέσω μικρών τομών (3-4) Ελάχιστα σωματικά και ψυχολογικά τραύματα Ένα άκαμπτο ενδοσκόπιο εισάγεται μέσω ενός ανοίγματος στην περιτοναϊκή κοιλότητα Η κοιλιακή χώρα φουσκώνεται με διοξείδιο του άνθρακα Περαιτέρω ανοίγματα (συνήθως ακόμα 2-3) καταστούν δυνατή την πρόσβαση στο όργανο και εισαγωγή χειρουργικών εργαλείων 27
Λαπαροσκοπική Χειρουργική Παραδείγμα Λαπαρασκοπική χολυκεστεκτομή Η συνήθης πρακτική στη διαχείριση χολολιθίασης χωρίς επιπλοκές Βελτίωση της τεχνολογίας και περισσότερη εμπειρία όλο και περισσότερες επεμβάσεις θα γίνονται πλήρως λαπαροσκοπικά Π.χ. λαπαροσκοπική κολεκτομή για κακοήθεια 28
Λαπαροσκοπική Χειρουργική Προτερήματα + Μικρότερες τομές + Βελτιωμένη αισθητική + Μειωμένη πιθανότητα μόλυνσης + Μειωμένος μετεγχειρητικός πόνο + Μειωμένη απώλεια αίματος + Γρηγορότερη επιστροφή στο σπίτι + Γρηγορότερη επιστροφή στην εργασία Μειονεκτήματα - Εξ αποστάσεως θέαση και λειτουργία - Απώλεια απτικής ανάδρασης - Εξαρτάται από το συντονισμό χεριούματιού του χειρούργου - Δυσκολία στην αιμόσταση - Δύσκολη η αφαίρεση μεγάλων δειγμάτων - Εξαρτάται από νέες τεχνολογίες (λιγότερη εμπειρία) 29
Χειρουργικό Σύστημα Da Vinci Στην πραγματικότητα ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ένα ρομπότ! Σύστημα Κύριου- Ακόλουθου (Master-slave) Ο χειρουργός ελέγχει άμεσα όλες τις κινήσεις των ρομποτικών εργαλείων σε πραγματικό χρόνο Το πρωτότυπο αναπτύχθηκε από το Stanford Research Institute στη δεκαετία του 1980 Χρηματοδοτήθηκε από το στρατό των ΗΠΑ χειρουργική επέμβαση σε μάχες εξ αποστάσεως από έναν χειρούργο στα ασφαλή μετόπισθεν Το FDA ενέκρινε ανθρώπινη χρήση το 2000 30
Χειρουργικό Σύστημα Da Vinci Απεικόνιση Διπλό λαπαροσκόπιο 3D, ψηλής ευκρίνειας, διοπτρικό (stereo) 10-15X μεγέθυνση Δεξιότητες Τα εργαλεία Endowrist έχουν 6 βαθμούς ελευθερίας Φιλτράρισμα αφαιρεί τρόμο από το χέρι Μικραίνει το εύρος των κινήσεων 1-5X 31
Χειρουργικό Σύστημα Da Vinci Το DaVinci προσφέρει + Βελτιωμένη δεξιότητα + Καλύτερο έλεγχο + Βελτιωμένη ακρίβεια + Βελτιωμένη εργονομία - μειωμένη κούραση και πίεση + Μειωμένη παραμονή στο νοσοκομείο + Μόνοι επιλογή για κάποιους ασθενείς ψηλού κινδύνου + Απαιτείται λιγότερο προσωπικό Περιορισμοί - Το κόστος του εξοπλισμού ($ 1 εκατομμύριο) - Δύσκολη αρχική εκμάθηση για τους χειρουργούς - Οι γιατροί νοιώθουν περιορισμένοι από την έλλειψη απτικής ανάδρασης ( αίσθησης του ιστού) - Χειρουργική με το σύστημα αυτό διαρκεί 40-50 λεπτά περισσότερο από ότι η συνήθης διαδικασία 32
Ενδοσκόπηση με Κάψουλα Ενδοσκόπηση του λεπτού εντέρου είναι ιδιαίτερα δύσκολη 6 μέτρα περιπλεγμένου εντέρου Ενδοσκόπιο με δύο μπαλόνια (push-pull) Απεικόνιση μόνο του πρώτου μέρους του ετέρου Λύση: Ενδοσκόπηση με κάψουλα Πρώτη χρήση στον άνθρωπο το 1999. Πρώτη αναφορά στο περιοδικό Nature το 2000 (Iddan et al, Nature. 2000; 405:417) Κάψουλες από δύο κύριες εταιρίες Given Imaging (PillCam) Olympus (EndoCapsule) Καινούργιες κάψουλες Μέγεθος 26x11 mm Ικανές να μεταδίδουν 50 000 έγχρωμες εικόνες κατά τη μετάβαση τους διαμέσου του πεπτικού συστήματος του ασθενούς 33
Ενδοσκόπηση με Κάψουλα Μέρη της Κάψουλας 1. Οπτικός θόλος 2. Βάση του φακού 3. Φακός 4. LED φωτισμού 5. Αισθητήρας απεικόνισης CMOS 6. Μπαταρίες 7. Πομπός ASIC 8. Κεραίες 34
Ενδοσκόπηση με Κάψουλα Πώς λειτουργεί η ενδοσκόπηση με κάψουλα Ο ασθενής καταπίνει την κάψουλα όπως ένα χάπι. Η κάψουλα παίρνει εικόνες καθώς προωθείται προς τα εμπρός από τις περισταλτικές κινήσεις του εντέρου Ένα ασύρματος δέκτης, που φορά ο ασθενής εξωτερικά στη ζώνη, λαμβάνει τις εικόνες που μεταδίδονται. Ένας υπολογιστής επεξεργάζεται τα δεδομένα και παράγει μια σειρά από στατικές εικόνες. Χρήσεις Όγκοι του λεπτού εντέρου και αγγειακές διαταραχές. Ελκώδης Κολίτιδα και Νόσος του Crohn. Διαταραχές δυσαπορρόφησης. Τραυματισμός του λεπτού εντέρου 35
Ενδοσκόπηση με Κάψουλα Πλεονεκτήματα της ενδοσκόπησης με κάψουλα Ανώδυνη, δεν έχει παρενέργειες ή επιπλοκές. Κατασκευασμένη από βιο-συμβατά υλικά, δεν προκαλεί καμία βλάβη στον οργανισμό Μικρό μέγεθος Μπορεί να κινηθεί εύκολα μέσα από το πεπτικό σύστημα. Ακριβής και αποτελεσματική. Οι εικόνες που λαμβάνονται είναι ψηλής ποιότητας Αποστέλλονται σχεδόν άμεσα για αποθήκευση. 36
Ενδοσκόπηση με Κάψουλα Μειονεκτήματα της ενδοσκόπησης με κάψουλα Ανατομικοί Περιορισμοί Αργή γαστρική / εντερική κινητικότητα Στένωση ή απόφραξη Σε κάποιες περιπτώσεις παρεμποδίζεται η θέα Υπερβολικά παχύσαρκοι ασθενείς Τεχνικοί περιορισμοί Φτωχότερη ποιότητα εικόνων σε σύγκριση με τα ενδοσκόπια Η θέση και η γωνία θέασης της κάψουλας δεν ελέγχονται Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων εξαρτάται πολύ από τον παρατηρητή Τα ευρήματα μπορεί να είναι αδιευκρίνιστης σημασίας ή ενδιαφέροντος. Αδυναμία εκτέλεσης βιοψίας ή θεραπείας οποιασδήποτε παθολογίας και αν απεικονισθεί. Πως μπορούν αν υπερπηδηθούν κάποιοι από τους περιορισμούς; Μικρότερες συσκευές Ελεγχόμενη μετακίνηση και κατεύθυνση Απεικόνιση και προς τις δυο κατευθύνσεις 37