[论文解读] Video-rate multispectral imaging in laparoscopic surgery: First-in-human application

Leonardo Ayala, Sebastian Wirkert+7 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques参考文献 20被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种轻量化、视频速率的多光谱成像系统，可与标准腹腔镜集成，实现实时灌注监测，用于腹腔镜手术。该系统利用快照多光谱相机在25 Hz下捕获16个光谱波段，成功实现部分肾切除术中缺血的在体检测，基于UMAP的光谱分析可有效区分钳夹前后的灌注变化。

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).

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、实时的多光谱成像系统，适用于集成至标准腹腔镜手术流程。
• 实现每秒25帧的视频速率光谱成像（16个光谱波段），用于微创手术的临床应用。
• 证明多光谱成像在部分肾切除术中实时监测组织灌注的可行性。
• 替代或补充当前具有长清除时间且可重复性有限的吲哚菁绿（ICG）荧光方法。
• 评估多光谱成像通过氧合估计预测术后肾功能的潜力。

提出的方法

• 采用紧凑型xiQ多光谱相机（MQ022HG-IM-SM4x4），其4×4马赛克滤波器图案可在单次快照中捕获16个光谱波段。
• 系统与标准30°腹腔镜及C-Mount转接环集成，使用335–610 nm带通滤波器以平衡各光谱波段的相机响应。
• 以25 Hz的帧率采集多光谱数据，每帧包含每个像素的16个光谱波段。
• 通过ℓ₁归一化对光谱数据进行归一化处理，并应用UMAP降维方法将16维光谱投影至二维，以实现可视化与聚类分析。
• 采用随机搜索优化UMAP超参数（有效最小距离与局部邻域大小），性能通过Kullback-Leibler散度评估。
• 在在体数据上执行感兴趣区域（ROI）追踪，以比较钳夹前与钳夹期间的光谱变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功将视频速率多光谱成像系统集成至标准腹腔镜系统中，实现实时组织监测？
• RQ2 多光谱成像能否检测到部分肾切除术中（特别是选择性钳夹期间）肾脏灌注的变化？
• RQ3 基于UMAP的光谱分析能否在体内有效区分钳夹前与钳夹期间的组织状态？
• RQ4 该系统在可重复性与实时反馈方面是否优于或可作为ICG荧光在缺血检测中的可行替代方案？
• RQ5 能否利用多光谱光谱特征估计组织氧合，并预测术后肾功能？

主要发现

• 系统成功以25 Hz的帧率实现紧凑、轻量化的多光谱视频采集（32g，26×26×31mm），适用于腹腔镜手术流程集成。
• 通过UMAP成功对肾脏组织在钳夹前后的光谱数据进行聚类，最优参数为有效最小距离0.8，局部邻域大小5。
• UMAP可视化揭示了与组织灌注变化相对应的显著光谱偏移，表明缺血检测具有可靠性。
• 该系统在首次人体研究中成功实现部分肾切除术中实时灌注监测的可行性。
• 结果表明，多光谱成像可替代或补充ICG荧光，提供更快的可重复性与动态反馈。
• 该方法在基于光谱特征估计氧合水平以预测术后肾功能方面展现出潜力。