[논문 리뷰] Video-rate multispectral imaging in laparoscopic surgery: First-in-human application

Leonardo Ayala, Sebastian Wirkert외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 28.

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 복강수술 중 실시간 혈류 모니터링을 위해 표준 복강내시경과 통합된 경량의 영상 속도 다스펙트럴 영상 시스템을 제시한다. 시스템은 스태트샷 다스펙트럴 카메라를 사용하여 25 Hz에서 16개의 스펙트럴 대역을 촬영하며, 부분 신장절제술 중 이소계를 실시간으로 감지할 수 있다. UMAP 기반 스펙트럴 분석은 조임 전과 조임 중의 혈류 변화를 성공적으로 구분하였다.

ABSTRACT

Collection of files associated with the publication "Video-rate multispectral imaging in laparoscopic surgery: First-in-human application". It includes: 1. Sample video showing the results of tracking a region of interest from multispectral images recorded during partial nephrectomy before a clamp is applied to the renal artery (before clamping) and after clamping the artery (during clamping).

연구 동기 및 목표

• 표준 복강수술 워크플로우에 적합한 컴act하고 실시간 다스펙트럴 영상 시스템을 개발하는 것.
• 최소 침습 수술 임상 적용을 위한 영상 속도 스펙트럴 영상(25 Hz)과 16개의 스펙트럴 대역을 가능하게 하는 것.
• 다스펙트럴 영상이 부분 신장절제술 중 조직 혈류 모니터링을 실시간으로 수행할 수 있음을 입증하는 것.
• 장기간 배출 시간과 반복성 부족으로 인해 제한이 있는 현재의 인도시아린 녹색(ICG) 형광 방법을 대체하거나 보완하는 것.
• 다스펙트럴 영상이 산소포화도 추정을 통해 수술 후 신기능을 예측할 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 4×4 모자이크 필터 패턴을 가진 컴act한 xiQ 다스펙트럴 카메라(MQ022HG-IM-SM4x4)가 단일 스타샷으로 16개의 스펙트럴 대역을 촬영한다.
• 표준 30° 복강내시경과 C-마운트 어댑터에 통합되며, 스펙트럴 대역 간 카메라 반응을 균형 있게 유지하기 위해 335–610 nm 대역통과 필터를 사용한다.
• 스펙트럴 데이터는 25 Hz에서 촬영되며, 각 프레임은 픽셀당 16개의 스펙트럴 대역을 포함한다.
• 스펙트럴 데이터는 ℓ₁ 정규화를 사용하여 정규화되며, 16차원 스펙트럼을 2차원으로 투영하기 위해 UMAP 차원 감소 기법이 적용된다. 이는 시각화 및 군집화를 위해 사용된다.
• 랜덤 검색을 통해 UMAP 하이퍼파라미터(효율적 최소 거리 및 국소 이웃 수)를 최적화하며, 성능 평가에는 쿨백-라이블러 발산도가 사용된다.
• 실시간 데이터에 대한 영역 관심(ROI) 추적을 수행하여 조임 전과 조임 중의 스펙트럴 변화를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영상 속도의 다스펙트럴 영상 시스템이 표준 복강수술 장비에 성공적으로 통합되어 실시간 조직 모니터링이 가능한가?
• RQ2 다스펙트럴 영상이 부분 신장절제술 중, 특히 선택적 조임 동안 신장 혈류 변화를 감지할 수 있는가?
• RQ3 실시간으로 살아있는 조직에서 UMAP 기반 스펙트럴 분석이 조임 전과 조임 중의 조직 상태를 효과적으로 구분할 수 있는가?
• RQ4 반복성과 실시간 피드백 측면에서 ICG 형광 방법보다 시스템이 우월하거나 실용적인 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 다스펙트럴 스펙트럴 서명을 사용하여 조직 산소포화도를 추정하고 수술 후 신기능을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 컴act하고 경량화된 설계(32g, 26×26×31mm)를 통해 25 Hz에서 다스펙트럴 영상 영상을 성공적으로 촬영하여 복강수술 워크플로우에 통합 가능한 것으로 확인되었다.
• UMAP를 사용한 신장 조직의 조임 전 및 조임 중 스펙트럴 데이터는 성공적으로 군집화되었으며, 최적의 하이퍼파라미터는 효율적 최소 거리 0.8과 국소 이웃 수 5로 도출되었다.
• UMAP 시각화 결과는 혈류 변화에 해당하는 명확한 스펙트럴 이동을 보여주었으며, 이는 이소계의 신뢰성 있는 감지 가능성을 시사한다.
• 시스템은 부분 신장절제술 중 실시간 혈류 모니터링 가능성을 인간 대상 첫 번째 연구에서 입증하였다.
• 결과적으로 다스펙트럴 영상이 ICG 형광을 대체하거나 보완할 수 있으며, 더 빠른 반복성과 동적 피드백을 제공할 수 있음을 시사한다.
• 스펙트럼 서명 기반 산소포화도 추정을 통해 수술 후 신기능을 예측할 잠재력이 있음을 보여주었다.