Vilka är tillämpningarna av dioder i kirurgiska navigatorer?

一, fotodiod: "Perception Neural" för att bygga optiska positioneringssystem
1. av kärnfunktionerna hos en kirurgisk navigator är att spåra den rumsliga positionen för kirurgiska instrument i realtid-, vilket är beroende av den exakta igenkänningen av markerade punkter av ett optiskt positioneringssystem. Fotodiod, som kärnsensorn i systemet, omvandlar reflekterade ljussignaler till elektriska signaler genom den fotoelektriska effekten, vilket ger rumsliga koordinatdata för navigationssystemet.

Signalmottagning i passiv reflektionsspårningsteknik
I passiva spårningssystem baserade på ljus-emitterande dioder (LED) eller reflekterande bollar, är en fotodioduppsättning integrerad i en infraröd kamera för att ta emot ljussignaler som sänds ut av reflekterande markörer på kirurgiska instrument. Till exempel antar Strykers aktiva optiska navigationssystem en detektordesign med tre grupper, som fångar reflekterat ljus i flera vinklar genom fotodioder och förbättrar positioneringsnoggrannheten till 0,3 mm. Denna design löser effektivt problemet med döda vinkeln med traditionella dubbla detektorsystem genom att optimera layouten av fotodioder och signalbehandlingsalgoritmer.

2. Realtidskalibrering av dynamisk referensram
Den lätta rörelsen av patientens position under operationen kan orsaka navigeringsfel, så det är nödvändigt att kontinuerligt kalibrera de rumsliga koordinaterna genom en dynamisk referensram. Fotodioder spelar en dubbel roll i denna process: för det första, som markeringspunkter på referensramen, uppnår de positionsspårning genom att reflektera specifika våglängder av infrarött ljus; För det andra, som en detektorkomponent, övervakar den förändringarna i ljusintensiteten i det kirurgiska området och hjälper systemet att identifiera vävnadsdeformation. Exempelvis uppnår excelim-04 neurokirurgiska navigationssystemet utvecklat av Fudan University realtidskompensation för hjärnvävnadsförskjutning under operation genom att bädda in högkänsliga fotodioder i referensramen.

3. Signalsynkronisering för multimodal bildfusion
Moderna kirurgiska navigatorer stöder fusionsvisning av CT-, MRI- och intraoperativa röntgenbilder, vilket kräver en fotodioduppsättning för att synkront samla in projektionssignaler från olika bildmodaliteter. Genom att justera fotodiodens svarsvåglängd och bandbredd kan systemet skilja mellan röntgenfluorescenssignaler från C--armen och märkningssignaler för synligt ljus, vilket säkerställer spatiotemporal konsistens hos 3D-rekonstruktionsmodellen. Till exempel använder det bärbara intelligenta navigationssystemet som introducerats av Peking Union Medical College Hospital anpassade fotodiodmoduler för att förkorta bildregistreringstiden för flera-lägen från 120 sekunder med traditionell utrustning till 15 sekunder.

2, ljusemitterande dioder: Skapa en "visuell motor" för högprecisionsnavigering
Som ljuskällaskomponenten i kirurgiska navigationsenheter ger ljus-emitterande dioder (LED) stabila och kontrollerbara ljusförhållanden, vilket lägger grunden för optisk positionering och bildinsamling. Dess tillämpningsscenarier täcker tre huvudområden: markörbelysning, kirurgisk fältbelysning och spektralanalys.

1. Våglängdsoptimering av markörpunktsbelysning
I passiva spårningssystem måste lysdioder avge specifika våglängder av infrarött ljus (vanligtvis 850nm eller 940nm) för att undvika att störa det kirurgiska teamets synfält. Strykers navigationssystem använder en smalbandig LED-array, som exakt kontrollerar ljusintensitetsfördelningen för att bibehålla hög kontrast av reflekterande markörer i komplexa bakgrunder. Dessutom kan LED-pulsmoduleringstekniken ytterligare undertrycka störningar från omgivande ljus, som att öka signal--till-brusförhållandet till över 40dB genom 1kHz fyrkantvågsmodulering.

2. Spektral design av kirurgisk fältbelysning
Den kirurgiska navigeringsenheten måste integrera skuggfri ljusfunktion för att ge läkare ett tydligt operationssynfält. Lysdioder har visat betydande fördelar inom detta område: för det första, genom att kombinera flera chips, kan färgtemperaturen justeras (4000K-6000K) för att matcha färgåtergivningsbehoven för olika vävnadstyper; För det andra kan en sekundär optisk design (såsom linsarray och reflekterande kopp) öka ljuseffektiviteten till över 85 %, vilket avsevärt minskar effekten av termisk strålning på operationsområdet. Till exempel har det ortopediska navigationssystemet S8 som introducerats av First People's Hospital i Nantong City ett LED-kirurgiskt ljus som kan uppnå en belysning på 160 000 lux på ett arbetsavstånd på 40 cm, medan yttemperaturen bara ökar med 2,3 grader .

3. Våglängdsförlängning för spektralanalys
Vissa avancerade-navigeringssystem integrerar organisationsanalysfunktioner i realtid, sänder ut specifika våglängder av ljus genom lysdioder (som 540 nm grönt ljus för blodsyredetektering och 630 nm rött ljus för blodflödesavbildning) och använder fotodioder för att ta emot reflekterade spektra för att uppnå intraoperativ övervakning av fysiologiska parametrar. Den medicinska LED-modulen utvecklad av Shihua High Tech Semiconductor ger kritiskt beslutsstöd för neurokirurgi och kardiovaskulär kirurgi genom att noggrant kontrollera våglängden (Δλ Mindre än eller lika med 5 nm) för att uppnå ett mätfel för blodsyremättnad på mindre än eller lika med 2%.

3, Specialdiod: ett innovativt verktyg för att bryta igenom tekniska flaskhalsar
Förutom traditionella fotodioder och lysdioder visar speciella dioder som lavindioder (APD) och laserdioder (LD) potentiella tillämpningar inom området kirurgisk navigering.

1. Lavindiod: förbättrar känsligheten för upptäckt av svagt ljus
Vid djup kirurgi (som skolioskorrigering) kan den reflekterade ljussignalen vid den markerade punkten bli svag på grund av vävnadsförsvagning. Lavindioder förstärker fotoströmmen med 100-1000 gånger genom lavinförökningseffekten av interna laddningsbärare, vilket avsevärt förbättrar systemets förmåga att upptäcka svagt ljus. Till exempel använder Zeiss CALLISTO ögonnavigeringssystem en APD-array för att utöka spårningsavståndet för hornhinnas landmärken från 30 cm i traditionella system till 60 cm.

2. Laserdiod: uppnår hög-avståndsmätning med hög precision
Laserdioder (LDs) kan ge djupinformation för kirurgiska navigatorer genom att sända ut laserstrålar med smal linjebredd och kombinera dem med--flygtid (ToF) eller fasskillnadsavståndsprinciper. LD-navigeringsmodulen introducerad av Zhuhai Ximalin Shunchao Eye Hospital kontrollerar positioneringsfelet för fakoemulsifieringsnålen för gråstarrkirurgi inom ± 0,05 mm genom att mäta tidsskillnaden mellan laseremission och reflektionsmottagning (med en noggrannhet på 0,1ps).

3. Zenerdiod: säkerställer systemets stabilitet
Kirurgiska navigationsenheter kräver extremt hög effektstabilitet, och spänningsfluktuationer kan orsaka bilddrift eller positioneringsfel. Zenerdioder stabiliserar ingångsspänningen vid ett förinställt värde (som 5V ± 0,1V) genom omvända nedbrytningsegenskaper, vilket ger tillförlitliga arbetsförhållanden för fotodioduppsättningar och bildbehandlingsenheter. Till exempel antar Angelplan-CAS-1000 neurokirurginavigationssystemet en design för spänningsreglering på flera nivåer, vilket gör att systemet kan bibehålla positioneringsnoggrannheten inom 0,5 mm även när nätspänningen fluktuerar med ± 20 %.