Các ứng dụng của điốt trong thiết bị định hướng phẫu thuật là gì?

一, Photodiode: "Thần kinh nhận thức" cho hệ thống định vị quang học trong tòa nhà
1. Chức năng cốt lõi của thiết bị điều hướng phẫu thuật là theo dõi vị trí không gian của dụng cụ phẫu thuật trong-thời gian thực, dựa trên khả năng nhận dạng chính xác các điểm được đánh dấu bằng hệ thống định vị quang học. Photodiode, với vai trò là cảm biến cốt lõi của hệ thống, chuyển đổi tín hiệu ánh sáng phản xạ thành tín hiệu điện thông qua hiệu ứng quang điện, cung cấp dữ liệu tọa độ không gian cho hệ thống định vị.

Tiếp nhận tín hiệu trong công nghệ theo dõi phản xạ thụ động
Trong hệ thống theo dõi thụ động dựa trên điốt phát sáng (đèn LED) hoặc bóng phản chiếu, mảng điốt quang được tích hợp vào camera hồng ngoại để nhận tín hiệu ánh sáng phát ra từ các điểm đánh dấu phản chiếu trên dụng cụ phẫu thuật. Ví dụ: hệ thống định vị quang học chủ động của Stryker áp dụng thiết kế máy dò ba nhóm, giúp thu ánh sáng phản xạ đa góc thông qua điốt quang và cải thiện độ chính xác định vị lên 0,3 mm. Thiết kế này giải quyết hiệu quả vấn đề điểm mù của hệ thống dò kép truyền thống bằng cách tối ưu hóa cách bố trí các điốt quang và thuật toán xử lý tín hiệu.

2. Hiệu chỉnh thời gian thực của khung tham chiếu động
Sự dịch chuyển nhẹ của vị trí bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật có thể gây ra lỗi điều hướng, do đó cần liên tục hiệu chỉnh tọa độ không gian thông qua hệ quy chiếu động. Điốt quang đóng vai trò kép trong quá trình này: thứ nhất, là điểm đánh dấu trên hệ quy chiếu, chúng đạt được khả năng theo dõi vị trí bằng cách phản xạ các bước sóng cụ thể của ánh sáng hồng ngoại; Thứ hai, là một thành phần của máy dò, nó theo dõi sự thay đổi cường độ ánh sáng ở vùng phẫu thuật và hỗ trợ hệ thống xác định biến dạng mô. Ví dụ: hệ thống định vị phẫu thuật thần kinh excelim-04 do Đại học Fudan phát triển có thể bù đắp-thời gian thực cho sự dịch chuyển mô não trong quá trình phẫu thuật bằng cách nhúng các điốt quang có độ nhạy cao vào khung tham chiếu.

3. Đồng bộ hóa tín hiệu cho phản ứng tổng hợp hình ảnh đa phương thức
Các thiết bị điều hướng phẫu thuật hiện đại hỗ trợ hiển thị tổng hợp các hình ảnh CT, MRI và tia X{0}}trong phẫu thuật, đòi hỏi mảng điốt quang để thu thập đồng bộ các tín hiệu chiếu từ các phương thức hình ảnh khác nhau. Bằng cách điều chỉnh bước sóng phản hồi và băng thông của điốt quang, hệ thống có thể phân biệt giữa tín hiệu huỳnh quang tia X từ nhánh C- và tín hiệu ghi nhãn ánh sáng khả kiến, đảm bảo tính nhất quán về không gian theo thời gian của mô hình tái tạo 3D. Ví dụ: hệ thống định vị thông minh di động do Bệnh viện Đại học Y Liên minh Bắc Kinh giới thiệu sử dụng mô-đun photodiode tùy chỉnh để rút ngắn thời gian đăng ký hình ảnh đa chế độ từ 120 giây của thiết bị truyền thống xuống còn 15 giây.

2, Điốt phát sáng: Tạo ra một "Công cụ trực quan" cho việc điều hướng có độ chính xác cao
Là thành phần nguồn sáng của thiết bị điều hướng phẫu thuật, điốt phát quang (LED)-cung cấp điều kiện ánh sáng ổn định và có thể kiểm soát được, đặt nền tảng cho việc định vị quang học và thu nhận hình ảnh. Các kịch bản ứng dụng của nó bao gồm ba lĩnh vực chính: chiếu sáng điểm đánh dấu, chiếu sáng trường phẫu thuật và phân tích quang phổ.

1. Tối ưu hóa bước sóng chiếu sáng điểm đánh dấu
Trong hệ thống theo dõi thụ động, đèn LED cần phát ra các bước sóng ánh sáng hồng ngoại cụ thể (thường là 850nm hoặc 940nm) để tránh cản trở tầm nhìn của đội phẫu thuật. Hệ thống định vị của Stryker sử dụng dãy đèn LED dải hẹp, điều khiển chính xác sự phân bố cường độ ánh sáng để duy trì độ tương phản cao của các điểm đánh dấu phản chiếu trong nền phức tạp. Ngoài ra, công nghệ điều chế xung của đèn LED có thể hạn chế hơn nữa nhiễu ánh sáng xung quanh, chẳng hạn như tăng tỷ lệ nhiễu tín hiệu-trên-lên hơn 40dB thông qua điều chế sóng vuông 1kHz.

2. Thiết kế quang phổ chiếu sáng trường phẫu thuật
Thiết bị định vị phẫu thuật cần tích hợp chức năng ánh sáng không bóng để cung cấp cho bác sĩ tầm nhìn phẫu thuật rõ ràng. Đèn LED đã chứng tỏ được lợi thế đáng kể trong lĩnh vực này: thứ nhất, bằng cách kết hợp nhiều chip, nhiệt độ màu có thể được điều chỉnh (4000K-6000K) để phù hợp với nhu cầu hiển thị màu của các loại mô khác nhau; Thứ hai, việc áp dụng thiết kế quang học thứ cấp (chẳng hạn như dãy thấu kính và cốc phản chiếu) có thể tăng tỷ lệ sử dụng hiệu suất ánh sáng lên hơn 85%, giảm đáng kể tác động của bức xạ nhiệt lên vùng phẫu thuật. Ví dụ, hệ thống định vị chỉnh hình S8 do Bệnh viện Nhân dân số 1 của Thành phố Nam Thông giới thiệu có đèn phẫu thuật LED có thể đạt độ chiếu sáng 160000 lux ở khoảng cách làm việc 40 cm, trong khi nhiệt độ bề mặt chỉ tăng 2,3 độ.

3. Mở rộng bước sóng để phân tích quang phổ
Một số-hệ thống điều hướng cao cấp tích hợp chức năng phân tích tổ chức-theo thời gian thực, phát ra các bước sóng ánh sáng cụ thể thông qua đèn LED (chẳng hạn như ánh sáng xanh lục 540nm để phát hiện oxy trong máu và ánh sáng đỏ 630nm để chụp ảnh lưu lượng máu) và sử dụng điốt quang để nhận quang phổ phản xạ nhằm đạt được mục đích theo dõi thông số sinh lý trong phẫu thuật. Mô-đun LED cấp y tế do Shihua High Tech Semiconductor phát triển cung cấp hỗ trợ quyết định quan trọng cho phẫu thuật thần kinh và phẫu thuật tim mạch bằng cách kiểm soát chính xác bước sóng (Δλ Nhỏ hơn hoặc bằng 5nm) để đạt được sai số đo độ bão hòa oxy trong máu Nhỏ hơn hoặc bằng 2%.

3, Diode đặc biệt: một công cụ sáng tạo để vượt qua các nút thắt công nghệ
Ngoài các điốt quang và đèn LED truyền thống, các điốt đặc biệt như điốt tuyết lở (APD) và điốt laser (LD) đang cho thấy những ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực điều hướng phẫu thuật.

1. Diode tuyết lở: cải thiện độ nhạy phát hiện ánh sáng yếu
Trong phẫu thuật sâu (như chỉnh sửa vẹo cột sống), tín hiệu ánh sáng phản xạ tại điểm được đánh dấu có thể trở nên yếu do suy giảm mô. Điốt tuyết lở khuếch đại dòng quang lên 100-1000 lần thông qua hiệu ứng nhân tuyết lở của các hạt mang điện bên trong, tăng cường đáng kể khả năng phát hiện ánh sáng yếu của hệ thống. Ví dụ: hệ thống định vị mắt Zeiss CALLISTO sử dụng mảng APD để mở rộng khoảng cách theo dõi các mốc giác mạc từ 30cm trong hệ thống truyền thống lên 60cm.

2. Đi-ốt laze: đạt được phép đo khoảng cách-có độ chính xác cao
Điốt laze (LD) có thể cung cấp thông tin chuyên sâu cho người điều hướng phẫu thuật bằng cách phát ra các chùm tia laze có băng thông hẹp và kết hợp chúng với các nguyên tắc về thời gian bay--bay (ToF) hoặc lệch pha. Mô-đun điều hướng LD do Bệnh viện Mắt Zhuhai Ximalin Shunchao giới thiệu kiểm soát lỗi định vị của kim phacoemulsization để phẫu thuật đục thủy tinh thể trong phạm vi ± 0,05mm bằng cách đo chênh lệch thời gian giữa phát xạ laser và tiếp nhận phản xạ (với độ chính xác 0,1ps).

3. Diode Zener: đảm bảo sự ổn định của hệ thống
Các thiết bị định vị phẫu thuật yêu cầu độ ổn định công suất cực cao và sự dao động điện áp có thể gây ra hiện tượng lệch hình ảnh hoặc lỗi định vị. Điốt Zener ổn định điện áp đầu vào ở giá trị đặt trước (chẳng hạn như 5V ± 0,1V) thông qua đặc tính đánh thủng ngược, cung cấp điều kiện làm việc đáng tin cậy cho mảng photodiode và bộ xử lý hình ảnh. Ví dụ: hệ thống định vị phẫu thuật thần kinh Angelplan-CAS{6}}1000 áp dụng thiết kế điều chỉnh điện áp nhiều cấp, cho phép hệ thống duy trì độ chính xác định vị trong phạm vi 0,5mm ngay cả khi điện áp lưới dao động ± 20%.