AI và Công nghệ nội soi: Bước tiến cách mạng giúp phẫu thuật an toàn hơn

Phẫu thuật nội soi đã thay đổi nền y học hiện đại, nhưng vẫn còn đó những thách thức về thị giác. Một nghiên cứu đột phá đã đề xuất giải pháp công nghệ AI có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong phòng mổ. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về hệ thống 3DMISPE hứa hẹn sẽ mang lại trường nhìn rộng và khả năng quan sát 3D theo thời gian thực cho các phẫu thuật viên tại: Designing a New Endoscope for Panoramic-View with Focus-Area 3D-Vision in Minimally Invasive Surgery | Journal of Medical and Biological Engineering

1. Nỗi trăn trở của các phẫu thuật viên nội soi

Phẫu thuật xâm lấn tối thiểu (Minimally Invasive Surgery – MIS), hay còn gọi là phẫu thuật nội soi, đã trở thành một kỹ thuật phổ biến và được ưa chuộng rộng rãi trên toàn thế giới.

Thay vì rạch một đường lớn trên cơ thể, phẫu thuật viên chỉ cần tạo ra vài vết rạch nhỏ, sau đó đưa ống nội soi và các dụng cụ chuyên dụng vào bên trong. Kỹ thuật này mang lại vô số lợi ích cho bệnh nhân: vết sẹo nhỏ hơn, ít đau hơn, thời gian phục hồi nhanh hơn, và giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng. Tuy nhiên, phẫu thuật nội soi cũng đặt ra hai thách thức lớn cho các bác sĩ.

Đầu tiên, đó là trường nhìn hạn chế (limited Field of View – FOV). 

• Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng sửa chữa một món đồ phức tạp bằng cách nhìn qua một cái lỗ nhỏ. Bạn chỉ có thể nhìn thấy một phần rất nhỏ của “bức tranh” tổng thể, trong khi các khu vực xung quanh vẫn là một ẩn số. 
• Tương tự như vậy, ống nội soi tiêu chuẩn chỉ cung cấp một góc nhìn hẹp, khiến phẫu thuật viên khó quan sát toàn bộ khu vực phẫu thuật. Điều này không chỉ gây khó khăn trong việc định vị các cơ quan mà còn tiềm ẩn rủi ro bỏ sót những chi tiết quan trọng.

Thứ hai, đó là thiếu nhận thức về chiều sâu. 

• Ống nội soi tiêu chuẩn chỉ có một camera (ống nội soi một mắt), tạo ra hình ảnh 2D trên màn hình. Mặc dù các phẫu thuật viên giàu kinh nghiệm có thể dựa vào kinh nghiệm và sự di chuyển của dụng cụ để ước lượng chiều sâu, nhưng việc thiếu đi cảm giác không gian 3D vẫn là một rào cản lớn. 
• Đối với các thao tác đòi hỏi độ chính xác cao như khâu vá, cắt bỏ khối u hay kẹp mạch máu, việc không thể cảm nhận được khoảng cách và độ sâu một cách trực quan có thể dẫn đến sai sót.

Để phẫu thuật nội soi trở nên an toàn và hiệu quả hơn, việc giải quyết hai vấn đề này là điều bắt buộc.

2. Giải pháp hệ thống nội soi 3DMISPE

Để giải quyết những hạn chế của phẫu thuật nội soi truyền thống, một nhóm nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống nội soi mới đầy hứa hẹn, được gọi là 3DMISPE (New Endoscope for Panoramic-View with Focus-Area 3D-Vision). Cái tên này đã nói lên mục tiêu của nó: cung cấp một trường nhìn toàn cảnh và khả năng quan sát 3D ngay tại khu vực phẫu thuật.

Vậy, hệ thống này hoạt động như thế nào?

Thay vì chỉ sử dụng một camera, hệ thống 3DMISPE sử dụng hai camera nội soi được gắn cố định với nhau. Đây là một ý tưởng đơn giản nhưng vô cùng hiệu quả, bởi nó mô phỏng cách hai mắt của chúng ta hoạt động. 

Khi hai mắt nhìn vào một vật thể, mỗi mắt sẽ ghi nhận một hình ảnh hơi khác nhau. Não bộ của chúng ta sẽ tổng hợp hai hình ảnh này lại để tạo ra một hình ảnh 3D hoàn chỉnh, giúp chúng ta cảm nhận được khoảng cách và chiều sâu.

Để tái tạo quá trình này một cách tự động, các nhà nghiên cứu đã phát triển một thuật toán ghép nối hình ảnh mới dựa trên lý thuyết thị giác lập thể (stereo vision synthesis). Thuật toán này là “bộ não” của toàn bộ hệ thống, thực hiện hai nhiệm vụ song song:

• Ghép nối hình ảnh: Thuật toán thông minh này sẽ “khâu” hai khung hình từ hai camera lại với nhau, tạo ra một hình ảnh duy nhất với trường nhìn rộng gấp đôi.
• Tái tạo hình ảnh 3D: Đồng thời, thuật toán sẽ phân tích sự khác biệt rất nhỏ trong vùng chồng lấp của hai hình ảnh để tính toán độ sâu và tái tạo lại hình ảnh dưới dạng 3D.

Nói một cách đơn giản, hệ thống 3DMISPE không chỉ giúp phẫu thuật viên nhìn thấy “bức tranh toàn cảnh” mà còn biến một phần của bức tranh đó thành một hình ảnh 3D sống động, giúp họ có được cảm nhận không gian và khoảng cách một cách trực quan, chính xác.

3. Những kết quả ấn tượng đã thay đổi cuộc chơi

Các thí nghiệm đã chứng minh hiệu quả vượt trội của hệ thống 3DMISPE. Kết quả đạt được không chỉ là những con số trên lý thuyết, mà còn là những bước tiến thực sự có thể thay đổi cách thức phẫu thuật nội soi được thực hiện.

3.1. Mở rộng trường nhìn, đánh tan điểm mù

Điểm cải tiến đầu tiên và rõ rệt nhất là khả năng kết hợp hai trường nhìn của ống nội soi thành một trường nhìn rộng hơn. Thay vì chỉ có một góc nhìn hẹp, phẫu thuật viên giờ đây có thể quan sát một khu vực rộng lớn hơn nhiều. 

Điều này giúp họ định vị các cơ quan, mạch máu và mô một cách dễ dàng hơn, giảm thiểu nguy cơ bỏ sót các vùng quan trọng và tăng tính an toàn cho ca phẫu thuật.

3.2. Từ hình ảnh phẳng đến thế giới 3D chân thực

Nhờ vào thuật toán thị giác lập thể, hệ thống đã thành công trong việc tổng hợp hình ảnh 3D tại vùng chồng lấp của hai camera.

Đây là một bước đột phá quan trọng, bởi nó cung cấp thông tin về chiều sâu và khoảng cách mà các hệ thống nội soi cũ không có được. 

Đáng chú ý, các thử nghiệm cho thấy độ chính xác của hình ảnh 3D này rất cao, với sai số chỉ khoảng 1 mm. Với độ chính xác này, phẫu thuật viên có thể thực hiện các thao tác đòi hỏi sự tỉ mỉ, như khâu vết mổ, với sự tự tin và kiểm soát cao hơn bao giờ hết.

3.3. Tốc độ “ánh sáng” và chất lượng hình ảnh hoàn hảo

Một yếu tố then chốt đối với mọi công cụ phẫu thuật là khả năng hoạt động theo thời gian thực (real-time). Một hình ảnh bị giật, lag có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Hệ thống 3DMISPE đã chứng minh được hiệu suất ấn tượng:

• Đạt tốc độ lên đến 11,3 khung hình/giây (fps) chỉ với một CPU thông thường.
• Khi sử dụng thêm GPU, tốc độ này tăng vọt lên 17,6 fps, đảm bảo hình ảnh hiển thị mượt mà và không bị trễ.

Hơn nữa, thuật toán ghép ảnh mới trong nghiên cứu này đã được chứng minh là nhanh hơn 1,4 lần so với phương pháp cũ.

Điều quan trọng hơn, nó đã giảm đáng kể lỗi căn chỉnh và hiện tượng “bóng ma” (ghosting) – những hình ảnh bị mờ hoặc mờ ảo do lỗi ghép ảnh. Điều này giúp phẫu thuật viên có được một hình ảnh sắc nét, rõ ràng, không bị xao nhãng bởi các lỗi thị giác.

4. Tương Lai Của Phẫu Thuật Nội Soi

Hệ thống 3DMISPE không chỉ là một công nghệ mới, mà còn là một lời hứa hẹn đầy tiềm năng.

Bằng cách giải quyết hai hạn chế lớn nhất của phẫu thuật nội soi là trường nhìn hẹp và thiếu nhận thức về chiều sâu, hệ thống này có thể giúp các phẫu thuật viên thực hiện các ca phẫu thuật một cách hiệu quả và an toàn hơn bao giờ hết.

Với trường nhìn toàn cảnh, họ có thể dễ dàng điều hướng và kiểm soát khu vực phẫu thuật. Với khả năng quan sát 3D theo thời gian thực, họ có thể thực hiện các thao tác tỉ mỉ với độ chính xác tuyệt đối.

Đây chính là bước tiến lớn hướng tới một tương lai nơi mà phẫu thuật nội soi không chỉ là một lựa chọn tốt hơn, mà còn là một kỹ thuật hoàn hảo hơn.

Hệ thống 3DMISPE là minh chứng rõ ràng cho việc trí tuệ nhân tạo và công nghệ xử lý hình ảnh đang và sẽ tiếp tục cách mạng hóa nền y học, mang lại lợi ích trực tiếp và to lớn cho sức khỏe con người.