Das 3D-Display-System in der Augenoperation (Heads-up-Chirurgie / 3D-Digitalmikroskopie) ist eine Methode, bei der das optische System des Operationsmikroskops mit einer Kamera aufgenommen und das Bild auf einem großen 3D-fähigen Bildschirm angezeigt wird, sodass der Chirurg operiert. Der Chirurg schaut nicht direkt in die Okulare des Mikroskops, sondern trägt eine polarisierte oder LCD-Shutter-3D-Brille und operiert, während er auf den Monitor schaut.
Historischer Hintergrund: Das Konzept der Heads-up-Chirurgie wurde erstmals 2010 von Weinstock et al. berichtet. Später wurde die Anwendung auf die vitreoretinale Chirurgie von Eckardt und Paulo berichtet, und die Verbreitung im gesamten augenheilkundlichen Bereich nahm zu.
Bei der herkömmlichen optischen Mikroskopchirurgie musste der Chirurg seine Augen nahe an die Okulare bringen und über längere Zeit eine nach vorne gebeugte Haltung beibehalten. Das 3D-Display-System ist eine technologische Innovation, die diese Haltungsbelastung grundlegend beseitigt.
Bei der herkömmlichen Mikroskopchirurgie wird eine nach vorne gebeugte Haltung mit den Augen nahe an den Okularen beibehalten, während bei der Heads-up-Chirurgie der Chirurg in einer natürlichen Haltung mit erhobenem Kopf auf einen großen 3D-Monitor schaut und operiert. Dadurch wird die Haltungsbelastung von Nacken und Lendenwirbelsäule reduziert, und die gleichzeitige Beobachtung durch mehrere Personen zu Ausbildungszwecken wird erleichtert.
Im Folgenden werden die wichtigsten Vorteile des 3D-Displaysystems im Vergleich zum herkömmlichen optischen Mikroskop aufgeführt.
Ergonomie (Haltungsverbesserung) : 62 % der Augenärzte haben Nackenbeschwerden, und die Erhaltung der Gesundheit des Chirurgen ist eine ernsthafte Herausforderung. Das 3D-Displaysystem ermöglicht es dem Chirurgen, in einer natürlichen Sitzhaltung mit erhobenem Kopf zu operieren, wodurch die Belastung von Nacken und Lendenwirbelsäule erheblich reduziert wird.
Beitrag zu Lehre und Zusammenarbeit : Die Bilder des Operationsfeldes können gleichzeitig auf mehreren Monitoren ausgegeben werden. Der leitende Chirurg und der Assistenzarzt können das gleiche Bild teilen und gleichzeitig operieren, was die Lehreffizienz verbessert. Besucher und Operationssaalpersonal können die intraoperative Situation ebenfalls mit dem gleichen Sichtfeld überprüfen.
Digitale Bildverbesserung : Die von der Kamera erfassten digitalen Bilder können in Echtzeit verarbeitet werden. Kontrastverstärkung, Rauschunterdrückung, digitale Filter und Farbkorrektur können intraoperativ angewendet werden und werden zur Verbesserung der Sichtbarkeit der Färbung der inneren Grenzmembran (ILM) verwendet.
Reduzierung der Netzhautlichtexposition : Das 3D-Displaysystem ermöglicht Operationen bei schwachem Licht und reduziert die Lichtexposition der Netzhaut im Vergleich zum herkömmlichen Mikroskop1). Dies ist eine wichtige Eigenschaft zur Verringerung des Risikos von Netzhautschäden durch Phototoxizität.
Verbesserung des Chirurgenkomforts : Die Ermüdung des Chirurgen bei langen Operationen wird reduziert, und eine anhaltende Konzentration wird erwartet1).
Vergleich der Hauptmerkmale des 3D-Displaysystems und des herkömmlichen optischen Mikroskops.
| Merkmal | 3D-Displaysystem | Herkömmliches Mikroskop |
|---|---|---|
| Chirurgenhaltung | Kopf hoch (natürliche Haltung) | Nach vorne gebeugt (direkter Blick durch Okulare) |
| Lichtexposition | Reduziert1) | Standard |
| Bildverarbeitung | Digitale Verstärkung möglich | Nur Optik |
Es wurde bestätigt, dass das 3D-Anzeigesystem eine vergleichbare Wirksamkeit wie das herkömmliche optische Mikroskop aufweist1). In Bezug auf Operationsergebnisse (Sehschärfeerholung, anatomische Ergebnisse) steht es dem bestehenden optischen Mikroskop in nichts nach und übertrifft es in den Bereichen Ergonomie, Reduzierung der Lichtexposition und digitale Bildverstärkung.
Das 3D-Anzeigesystem kann auf verschiedene ophthalmologische Verfahren angewendet werden.
Kataraktchirurgie: Das TrueVision-System wurde als wegweisende Plattform für die 3D-Heads-up-Kataraktchirurgie entwickelt. Linsenkernspaltung, Phakoemulsifikation und IOL-Insertion können alle unter 3D-Sicht durchgeführt werden.
Netzhaut-Glaskörper-Chirurgie: Dies ist der Bereich, in dem die Heads-up-Chirurgie am umfassendsten bewertet wurde. Bei der Makulalochchirurgie hat das 3D-Anzeigesystem eine vergleichbare Wirksamkeit wie das herkömmliche Mikroskop und eine Reduzierung der Netzhautlichtexposition wurde bestätigt1). Vitrektomie, Membranpeeling und Laserphotokoagulation können ebenfalls unter 3D-Sicht durchgeführt werden.
Hornhautchirurgie: Für die Anwendung bei DSAEK (Descemet-Membran-Endothel-Keratoplastik) gibt es Berichte über nDSAEK (nanoultrathin DSAEK). Die Handhabung ultradünner Transplantate und die Injektion von Luftblasen können unter digitaler Sicht präzise durchgeführt werden.
Glaukomchirurgie: Die Anwendung bei Vorderabschnittsoperationen wie Trabekulotomie und filtrierender Chirurgie wurde ebenfalls berichtet, und die Erweiterung der geeigneten Verfahren schreitet voran.
Nachfolgend sind repräsentative 3D-Anzeigesysteme aufgeführt, die derzeit kommerziell erhältlich sind.
NGENUITY
Hersteller: Alcon
Display : 4K OLED 3D-Monitor
Stereoskopie-Verfahren : Polarisationsverfahren
Merkmale : Für die Netzhaut-Glaskörper-Chirurgie konzipiert. Optionale intraoperative OCT-Integration. Ausgestattet mit digitalen Filtern und Kontrastverstärkungsfunktionen. Derzeit am weitesten verbreitetes kommerzielles System.
TrueVision
Hersteller : TrueVision 3D Surgical
Zieloperationen : Kataraktchirurgie und Vorderabschnittschirurgie
Stereoskopie-Verfahren : Aktives Shutter-Verfahren
Merkmale : Pionierplattform für Heads-up-Chirurgie. Ermöglichte frühzeitig die digitale 3D-Visualisierung bei Kataraktoperationen. Integration mit ORA (intraoperative Aberrometrie) möglich.
Sony HMS-3000MT
Hersteller : Sony
Format : HMD (Head-Mounted Display) Verfahren
Stereoskopie-Verfahren : HMS (Head-Mounted System)
Merkmale : Liefert das Bild an ein vom Chirurgen getragenes HMD. Kein Monitor erforderlich, passt sich leicht an individuelle Unterschiede an. Beispiel für ein Verfahren, das ein aktives statt passives stereoskopisches Erlebnis bietet.
Vergleich der Spezifikationen der drei Hauptsysteme.
| System | Auflösung | Stereoskopie |
|---|---|---|
| NGENUITY | 4K | Polarisationsverfahren |
| TrueVision | HD bis 4K | Aktiv-Shutter |
| HMS-3000MT | HD | HMD-Verfahren |
Dieser Abschnitt beschreibt die wichtigsten Technologien, die in 3D-Anzeigesystemen eingesetzt werden.
HDR-Anzeige (High Dynamic Range) : Stellt einen breiten Kontrast von hoher bis niedriger Helligkeit dar. Der Unterschied zwischen der dunklen Glaskörperhöhle und dem hellen Beleuchtungslicht wird natürlich dargestellt und verbessert die Sichtbarkeit des Gewebes.
4K- bis 8K-Hochauflösung : Derzeit ist 4K-Auflösung (3840×2160 Pixel) der Standard, und die 8K-Unterstützung wird für die nächste Generation entwickelt. Die hohe Auflösung verbessert die Sichtbarkeit der inneren Grenzmembran und feiner Netzhautstrukturen.
Digitale Filter : Während der Operation können in Echtzeit Filterverfahren angewendet werden. Farbverstärkung der Anfärbung der inneren Grenzmembran (Brilliant Blue G usw.), Kontrastkorrektur und Falschfarbendarstellung sind verfügbar.
Intraoperative OCT-Integration : Es wurde eine Technologie entwickelt, die die optische Kohärenztomographie (OCT) in das Operationsmikroskop integriert und tomographische Bilder in Echtzeit auf dem 3D-Monitor überlagert1). Dadurch kann der Verschluss eines Makulaforamens bestätigt und die Membranablösung während der Operation beurteilt werden.
Signalverstärkung und Aufnahmen bei schwachem Licht : Durch die erhöhte Empfindlichkeit des Kamerasensors können hochwertige Bilder bei reduzierter Beleuchtungsstärke aufgenommen werden. Dies ist der Hauptmechanismus zur Reduzierung der Lichtexposition der Netzhaut.
Das stereoskopische Sehen mittels 3D-Display-System erzeugt die Tiefenwahrnehmung, indem jedem Auge unabhängige Bilder präsentiert werden. Zwei Hauptverfahren werden verwendet.
Aktives stereoskopisches Sehen (aktive Methode) : Verwendet eine Brille mit Flüssigkristallverschlüssen. Die Brille blockiert abwechselnd schnell die linke und rechte Linse und schaltet synchron mit dem Monitor bildweise zwischen Bildern für das linke und rechte Auge um. Wird im TrueVision-System eingesetzt.
Passives stereoskopisches Sehen (passive Methode) : Verwendet eine Brille mit Polarisationsfiltern. Der Monitor zeigt gleichzeitig horizontal und vertikal polarisierte Bilder an, und die entsprechende Polarisationsbrille trennt die Bilder für links und rechts. Wird im NGENUITY-System eingesetzt. Vorteil ist eine leichte, batterielose Brille.
HMS (Head-Mounted) Methode : Das Bild wird direkt auf dem vom Chirurgen getragenen HMD angezeigt. Da das Bild ohne Monitor direkt vor den Augen des Chirurgen präsentiert wird, ist die Anpassung an den individuellen Pupillenabstand einfach. Das Sony HMS-3000MT verwendet diese Methode.
Die Kameraeinheit erfasst das Licht über den Strahlteiler des Operationsmikroskops. Die vom CMOS-Sensor aufgenommenen Bilder werden in Echtzeit verarbeitet und als 3D-Bild ausgegeben. Die Minimierung der Latenz ist eine wichtige Herausforderung zur Aufrechterhaltung der chirurgischen Präzision und wird in aktuellen Systemen auf ein kaum wahrnehmbares Niveau reduziert.
Sowohl bei der Polarisations- als auch bei der Verschlussmethode ist die Latenz auf ein kaum wahrnehmbares Niveau reduziert, und die Auswirkung auf die chirurgische Präzision des Chirurgen wird als minimal angesehen. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit des 3D-Display-Systems als gleichwertig mit dem herkömmlichen Mikroskop bestätigt1). Es wird anerkannt, dass es zu Beginn eine Lernkurve gibt.
8K Ultrahochauflösung : Die Entwicklung von 8K-kompatiblen Systemen als nächste Generation der aktuellen 4K-Auflösung ist im Gange. Mit einer 8K-Auflösung (7680×4320 Pixel) wird erwartet, dass die Feinstrukturen der inneren Grenzmembran und Details der Netzhautgefäße mit bisher unübertroffener Genauigkeit beobachtet werden können.
Entwicklung von Head-Mounted-Systemen (HMS): Die Verbesserung von HMDs, die perfekt an die individuellen Seheigenschaften (Pupillendistanz, Refraktionskorrektur) angepasst sind, wird fortgesetzt. Speziell für die Chirurgie optimierte HMDs der nächsten Generation mit hoher Helligkeit und niedriger Latenz befinden sich in der Entwicklung.
Integration mit erweiterter Realität (AR): Die Forschung an AR-Operationssystemen, die intraoperative OCT-Bilder, Fluoreszenzangiographie und Patienteninformationen in Echtzeit auf das Operationsvideo einblenden, schreitet voran. Ziel ist die Schaffung einer Umgebung, in der der Chirurg auf verschiedene Informationen zugreifen kann, ohne den Blick abwenden zu müssen.
Heads-up-Anwendung an der Spaltlampe: Es wurde über Versuche berichtet, das 3D-Heads-up-System nicht nur am Operationsmikroskop, sondern auch am in der ambulanten Untersuchung verwendeten Spaltlampenmikroskop einzuführen. Zu den Vorteilen gehören eine verbesserte Ergonomie bei der Untersuchung und eine einfachere Bildaufzeichnung.
Integration mit KI-Bildanalyse: Die Entwicklung von Systemen, die das aufgenommene Echtzeit-Video mittels künstlicher Intelligenz (KI) in Echtzeit analysieren und Gewebeidentifikation sowie Dissektionsunterstützung bieten, ist im Gange. Auch die Kombination mit Operationsrobotern wird erforscht.
Mit der Senkung der Technologiekosten und der Ansammlung klinischer Evidenz nimmt die Verbreitung von 3D-Anzeigesystemen zu. Die mehreren Vorteile wie verbesserte Ergonomie des Chirurgen, reduzierte Lichtexposition und digitale Bildverarbeitung werden geschätzt, und die Einführung nimmt insbesondere in großen Einrichtungen zu. Es wird erwartet, dass die Integration mit intraoperativer OCT und AR in Zukunft fortschreitet und sich zu einer noch leistungsfähigeren Plattform entwickelt.
