术中成像新篇章：固态白光光源引领医疗照明革新

中国有句古话“人死如灯灭”。在手术台上，如果手术灯意外灭了，对手术过程和患者的生命安全也都将带来极大的风险和考验。这包含了一个核心问题——300W和400W氙弧灯在术中成像应用中众所周知的实际局限性。而这正是用固态照明器替换弧光灯的主要动机。而这类临床应用的核心要求是，输出至手术部位的光必须保持辐射强度和光谱强度一致，而整场手术可能持续数小时。
 

Lumencor几乎于十年前就开创了使用固态光源代替氙气灯照明的先河，并用于内窥镜检查和机器人手术。人们普遍认为，内窥镜可以通过较小的手术通道改善进入和可视化，而外窥镜适合较大手术通道的需求。外窥镜支持优化焦距、紧凑性、外科医生的手术姿势、学员教育以及助手参与。与显微镜相比，外窥镜提供更长的工作距离、更高的放大倍数和在视场深度较大时更宽的视野，同时还为外科医生和手术助手提供便捷的可视化信息(图1)。外窥镜的固态照明可以减少传统显微镜可能出现的热损伤和组织反光。

图1.正在使用的外科外窥镜。外窥镜安装在机械臂上，位于外科医生之间和患者的上方，将白光投射到下方的手术部位。照片右上方的监视器显示手术部位的放大图像。

Lumencor的SPECTRA系列光引擎可以配置为外科外窥镜的光源，其光谱输出如图2所示。输出由Lumencor专有的发光管（绿色光，图2）和5个LED光源的所组成。SPECTRA光谱输出在众所周知的“绿色能隙（green gap）”中包含了丰富的光，而在这个波长范围内（500~600nm），传统的LED通常缺乏光子生成。这 6 个光源可以根据客户的任意需求进行打开或关闭，它们的输出功率可以在20倍线性范围内独立调节(图2)。

在SPECTRA板载微处理器的控制下，图2所示的基本光谱输出可以在几秒钟内重构。这种性能与氙弧灯的不稳定光谱输出形成鲜明对比。氙灯的连续输出光谱位于300 nm 至 1200 nm 及以上。然而，超过 800 nm 的输出通常没有实际用途，并且可能导致热诱导的组织损伤。相比之下，SPECTRA 光引擎可以进行定制，仅输出那些产生有用光的波长，用于手术区域的可视化（图 2）。

在实际应用中，SPECTRA的五个可见光范围光源（紫色、蓝色、青色、绿色和红色、图2）可组合使用，产生具有相关色温（CCT）和显色指数（CRI）特征的白光，这些特征针对大体解剖的反射光成像进行了优化。

图2. SPECTRA 光引擎的光谱输出设计用于外科内窥镜。该输出由6个独立控制的固态光源产生的6个光谱带组成。在350nm以下或850nm以上不产生光输出。375-675nm范围内的光源被组合使用以生成白光。每个光源的功率输出可以在20倍的范围内独立调整（虚线表示的最低水平），从而实现CCT和CRI特性的优化。不可见的近红外输出用于激发荧光血管造影剂---吲哚菁绿（ICG）。

除了光谱输出外，SPECTRA光引擎还提供了三个附加功能，可增加其在术中成像应用中的实用性：

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光传输

SPECTRA光引擎的光输出通常以光纤束传输。光纤束可以进行分支，提供两路或者多个等分的光输出，这些光输出可以凭借不同的角度轨迹定向到手术区域。多向照明规避了可访问性和可见性的限制，在手术区域等密闭空间中实现三维成像。

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不同设备的一致性能

这一特性对于消除外窥镜或者其他手术设备中光源的安装和验证中的不确定性至关重要。因此，SPECTRA光引擎进行设计、制造和测试，旨在从一个设备到另一个设备提供一致的性能。图3展现了这一特性，比较了50台SPECTRA光引擎的输出功率，这些光引擎的规格与图2所示的相同。图中所示的测量功率输出的标准偏差（n=50）对应的方差系数（CV）仅1-3%。

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内置计量和自动化兼容性

像SPECTRA光引擎这样的固态照明器配备了板载微处理器，这些微处理器除了控制操作外，还监控系统性能。诸如累积光输出持续时间、电力消耗和内部运行温度等数据可以上传到实验室信息管理系统（LIMS），并支持监管合规性验证。

图3.按图2所示规格制造的50台SPECTRA光引擎的六个固态光源的最大功率输出。蓝色条的高度表示平均输出功率，黑色条的厚度表示50个样本的标准差(SD)。六个光源的总输出为每个光引擎7W，是配置用于宽视场荧光显微镜的输出功率两倍以上。

在神经外科等要求严苛的临床程序中，可视化工具的改进促进了外窥镜的使用，以提高外科医生的人体工程学，舒适度和患者的治疗效果。外窥镜具有更大的光学变焦、分辨率和较低光照度下的照明等优点。主刀医生和其他助手均可使用平视显示器，在将摄像头置于更多角度位置的同时，允许外科医生保持在中间位置。这种手术硬件的增强需要最高水准的照明，而Lumencor固态光源可以很好地支持性能的一致性、长寿命、稳定的光输出。为满足临床应用的可见光和近红外需求而量身定制的SPECTRA光引擎提供了耐用、强大的照明，与传统的氙灯成像非常匹配，同时还针对外科医生原位可视化所需的荧光染料进行了优化。基于集成固态光源的光引擎正在迅速淘汰内窥镜、外窥镜、机器人手术和其他大量对光源有高要求的临床应用中的传统灯泡和弧光灯。