CN103251454A - 用于手术显微镜的多光子荧光法辅助模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于手术显微镜的多光子荧光法辅助模块。用于手术显微镜(10)的辅助模块(100)可被插入到所述手术显微镜的物镜(11)和待观测的物体(O)之间的主光学路径中，且包括：多光子荧光镜(110)，包括用于发射激发光的光源(111)、用于将所述激发光引导到所述物体(O)上的扫描装置(112)以及用于检测从所述物体(O)发射的荧光的检测器(113)；输入耦合光学部件，用于将来自所述扫描装置的激发光反射到所述物体(O)上。

Description

用于手术显微镜的多光子荧光法辅助模块

技术领域

本发明涉及一种用于手术显微镜的辅助模块、一种包括这种辅助模块的检查装置以及一种包括这种检查装置的显微镜系统。

背景技术

在显微镜辅助的手术中，光显微成像可以被其他方法支持。例如，从文章“CombiningOptical Coherence Tomography(OCT)with an Operating Microscope，E.Lankenau等，Advancesin Medical Engineering，Springer Verlag，第114卷，343-348页”中已知：手术显微镜可以配备有OCT(光学相干断层扫描)单元，以便特别地在眼科学中，除了眼睛的光显微图像之外可以利用来自更深层的图像。手术显微镜的放大率和OCT单元的放大率为相同数量级的放大率。

在神经外科学中，例如在DE102005005984A1中所描述的，除了光显微成像之外还使用荧光显微术。在这种方法中，通过标记化学物质的配给激发组织发荧光以便能够检测组织改变。荧光显微法的放大率也与光学显微法的放大率近似。

但是，尤其对于组织的病理评估，需要更高的放大率。

目的是例如能够更好地区分健康组织和染病组织，以便例如外科医生可以看见她或他是否已经移除所有的肿瘤组织。这在例如既不能移除过多的组织也不能移除过少的组织的脑部手术的领域中是特别重要的。

发明内容

本发明提出根据独立权利要求的用于手术显微镜的辅助模块、包括这种辅助模块的检查装置以及包括这种检查装置的显微镜系统。在此使用的术语“辅助模块”被理解为指的是为了使用而设置在待观测的物体和显微镜的主物镜之间的模块。优选实施例是从属权利要求的主题和下面的描述。

本发明的优点

本发明提供一种为手术显微镜配备多光子荧光镜的方式，以便除了光显微图像之外，还可以在外科手术进行中利用更高放大率的重构图像。外科手术进行中的使用是特别有利的，这是因为：一方面，极大地减小任何所需的等待和中断次数；另一方面，对患者几乎没有副作用。

多光子荧光典型地使用激光扫描技术，其中使用专门的激光束扫描待观测的物体。照射点被激发以发射多光子(通常为两光子)荧光。荧光被捕获、分析和用于重构图像。操作的原理与共焦激光扫描方法的原理类似，共焦激光扫描方法的原理从WO2010/146134A2中已知，因此此处不再详细讨论。

但是，虽然共焦激光扫描显微法具有50-80μm的穿透深度(取决于抽样)，但是多光子荧光使得到达例如200μm的深度的更深的区域是可能的，在有利的情况下甚至可以直到1mm。这使得捕获活组织的图像是可能的，否则活组织的成像将是难以得到的。

多光子荧光需要激发光的锐聚焦。因此，使用具有非常短的焦距和高数值孔径的专门的物镜，特别地，焦距小于10mm，数值孔径大于0.3。专门的物镜可形成辅助模块的部分或与辅助模块分离。它可以是非接触式物镜或接触式物镜(例如，接触镜(contact glass)、接触透镜(contact lens))。

辅助模块的一个优选实施例额外地具有矫正凸透镜，矫正凸透镜设置在辅助模块的物镜端并缩短手术显微镜的物镜的焦距。矫正凸透镜特别地与专门的物镜相结合，在补偿光显微光束路径中的专门的物镜的存在的方面提供特殊的优点。

根据本发明的显微镜系统在手术应用中是特别有利的。当多光子荧光镜与手术显微镜结合时，荧光显微镜可以特别地用于检查细胞结构以便例如检查组织的特定区域。多光子荧光显微镜使得在手术过程中分辨细胞结构是可能的，由此例如区分健康组织和染病组织。为此，还可有利地将重构图像传送至远程位置，例如病理化验室。

根据本发明的显微镜系统在医疗/手术应用中的使用对于患者是特别温和的。可以快速可靠地区分健康组织和染病组织。现今，典型地使用荧光显微法和快速切片(rapid sectioning)来执行组织鉴定。两种方法对于患者都是相对繁重的。在传统的荧光显微法中，患者必须咽下通常具有强副作用的标记化学品。而且，通过这种方法区分健康组织和染病组织通常是不准确的，从而通常移除过多或过少的组织，这两者都具有有害的结果。在快速切片技术中，移除并检查组织。这也对患者具有极大的负面影响，并且本质上导致健康组织也被移除。相反地，通过本发明使得健康组织和染病组织的图形区分不需要额外的介入，因此特别的温和。特别地，由于受激发射，不必需要为多光子荧光法配给化学品。

优选地，显微镜系统包括显示单元，例如监控器，用于显示重构图像。如果显微镜系统具有相机，还可在显示单元上显示光显微图像。

例如在EP1224499B1中描述的，有利地使用图像叠加装置将重构图像注入手术显微镜的观测光束路径中。立体显微镜，例如此处描述的立体显微镜，可被有利地用作手术显微镜。由此，外科医生可以保持他或她的眼睛在手术过程中一直看向显微镜，而不必多次来回观看。

优选地，通过图像叠加装置从重构图像和光显微图像中生成组合图像。对于组合图像的观测者，有利地既看见由多光子荧光镜捕获的图像的精细结构又通过显微镜图像获取概观。有利地，替换与显微图像叠加或者除了与显微图像叠加之外，在与显微图像分离的单独的区域中示出重构图像。由此，操作者可以看见重构图像，而不必从显微镜看向别处。

当使用立体显微镜作为手术显微镜时，有利地使用用于每个观测光束路径的不同的图像三维地执行图像叠加。特别地，通过处理单元生成不同的图像。

本发明可以有利地用于例如眼科学中，用于检查视网膜、玻璃体和/或眼前血管中层(anterior ocular media)。应用的另一优选领域是脑部和皮肤手术中的肿瘤边界的识别和组织区分。由此，可以例如避免活组织切除。

本发明的进一步优点和实施例将从描述和附图中变得明显。

应理解的是，在不脱离本发明的范围的前提下，上述的和下面描述的特征不仅可以用于特定的组合，也可以用于其他组合或者单独使用。

本发明将在使用示例性实施例的附图中示意性地示出，并在下面结合附图详细描述。

附图说明

图1是根据本发明的显微镜系统的优选实施例的侧面示意图。

具体实施方式

在图1中，以示意图的方式示出优选的显微镜系统，并将其作为整体标记为300。在优选实施例中，显微镜系统300包括作为光显微镜的手术显微镜10和检查装置200。

检查装置200包括辅助模块100。辅助模块100在使用中被放置在物镜11和待观测的物体O之间的手术显微镜10的主光学路径中。为此，辅助模块可附接于手术显微镜10自身或附接于支撑物(未示出)，手术显微镜也可安装在支撑物上。特别地，辅助模块100被可移动地支撑以便它可以如所需要地被插入到主光学路径中并在使用后从其中移走。

辅助模块100具有多光子荧光镜110。多光子荧光镜110包括：用于发射激发光的光源，此处以红外激光器111的形式；用于将激发光引导到物体O上的扫描装置，此处以扫描镜112的形式；以及用于检测从物体O发射的荧光的检测器113。辅助模块100进一步具有将来自扫描装置的激发光反射到物体O上的输入耦合光学部件，此处以分束镜120的形式。

辅助模块进一步包括在其物体端的用于将反射的激发光聚焦到物体O上的专门的物镜140。为了这个目的，专门的物镜具有相对短的焦距和相对大的数值孔径。如图所示，专门的物镜可以是非接触式物镜。但是，特别地在眼科学中，有利地采用接触式物镜，如接触透镜。

专门的物镜140将物体O的图像投射到中间图像平面E中。这个图像最初不在手术显微镜10的焦点处，因此，此外，优选地在辅助模块的(显微镜)物镜端提供矫正凸透镜130以减小手术显微镜10的物镜11的焦距，以便物体总体上持续地在手术显微镜中清晰地成像。

由于在E处的中间图像的形成，用于手术显微镜的右目镜和左目镜的光束路径被交换。这是由变换器150反转的。优选地，在辅助模块中，在手术显微镜10的物镜11和中间图像平面E之间的物镜端提供变换器。

除了辅助模块100之外，检查装置200还包括控制器201(例如，处理单元)。控制器被编程用于执行上面描述的步骤。特别地，控制器201适用于控制多光子荧光镜110和显微镜系统的其他组件，以及计算物体O的重构图像。

检查装置200进一步包括相机203和显示单元(此处以监控器202的形式)。监控器还可以与外部计算机单元(例如PC)连接，用于视觉显示和/或进一步的数据处理，外部计算机单元接着与控制器201相连。

相机203附接至手术显微镜10，由此可以捕获物体O的光显微图像。由相机捕获到的图像被传送到控制器201用于进一步的处理、显示和/或存储。优选地在监控器上显示重构图像和捕获到的图像。特别地，可以在监控器202上显示观测者或操作者看到的视图；即，特别地，显微镜图像，以及可能叠加数据。特别地，监控器和/或外部计算机单元可以适当地用于检查或手术过程的远程监控或观察。

手术显微镜10被配置为具有主物镜11以及图像叠加装置12的立体显微镜，从主物镜11发出两个观测光束路径13(立体光束路径)。如本领域技术人员所知的，显微镜包括例如透镜、镜子和棱镜的光学部件。

使用这种图像叠加装置12，可将图像数据(特别地，重构图像、数值或文本信息、十字准线等)叠加到与各自的显微镜图像相关的显微镜图像上。例如，可将重构图像投射到通过手术图像表示的特定手术位点上，由此叠加到显微镜图像上以实现诊断和手术的更好匹配。由此，其他图像叠加(例如关于尺寸范围、十字准线、指示箭头等的数值和文本信息)也是可能的。为了图像叠加，控制器201控制显微镜10中的图像叠加装置12。图像叠加本身是已知的，因此关于这一点可参考已知的文献例如EP1224499B1。三维图像叠加也是可能的，例如对于立体手术显微镜的每个光束路径使用不同的图像。

作为图像叠加的结果，当外科医生通过手术显微镜10观察物体O时，他或她看到具有第一放大率的显微图像和具有第二明显更高的放大率的重构(荧光镜的)图像的组合图像。在根据本发明的显微镜系统的示例使用中，为了移除染病组织，使用多光子荧光镜检查第一暴露区域，并在手术显微镜下移除染病组织。然后，再次使用多光子荧光镜检查由此出现的区域，以此类推。

Claims (13)

1.一种用于手术显微镜(10)的辅助模块(100)，所述辅助模块(100)可被插入到所述手术显微镜的物镜(11)和待观测的物体(O)之间的主光学路径中，且包括：

多光子荧光镜(110)，包括用于发射激发光的光源(111)，用于将所述激发光引导到所述物体(O)上的扫描装置(112)，以及用于检测从所述物体(O)发射的荧光的检测器(113)；

输入耦合光学部件(120)，用于将来自所述扫描装置的激发光反射到所述物体(O)上。

2.根据权利要求1所述的辅助模块，进一步包括在所述辅助模块的物体端的专门的物镜(140)，用于将反射的所述激发光聚焦到所述物体(O)上。

3.根据权利要求2所述的辅助模块，其中所述专门的物镜(140)为接触式物镜或非接触式物镜。

4.根据权利要求2或3所述的辅助模块，进一步包括在所述辅助模块的物镜端的变换器(150)，用于交换用于所述手术显微镜的观测光束路径(13)。

5.根据前述权利要求的任一项所述的辅助模块，进一步包括在所述辅助模块的物镜端的矫正凸透镜(130)，用于缩短所述物镜(11)的焦距。

6.一种检查装置(200)，包括：

根据前述权利要求的任一项所述的辅助模块(100)；以及

控制器(201)，适用于控制所述多光子荧光镜(110)和从检测到的所述荧光计算所述物体(O)的重构图像。

7.根据权利要求6所述的检查装置(200)，包括显示单元(202)，其中，所述控制器(201)适用于在所述显示单元(202)上显示所述物体(O)的重构图像。

8.根据权利要求7所述的检查装置(200)，包括用于捕获所述物体(O)的光显微图像的相机(203)，其中，所述控制器(201)适用于在所述显示单元(202)上显示由所述相机(203)捕获的所述物体(O)的光显微图像。

9.一种显微镜系统(300)，包括：

光学显微镜(10)，特别是手术显微镜，用于生成显微图像；以及

根据权利要求6至8任一项所述的检查装置(200)。

10.根据权利要求9所述的显微镜系统(300)，进一步包括图像叠加装置(12)，所述图像叠加装置(12)将所述物体(O)的重构图像注入到所述光学显微镜(10)的观测光束路径(13)中。

11.根据权利要求9或10所述的显微镜系统(300)，其中，所述控制器(201)适用于控制所述图像叠加装置(12)仅显示所述显微图像，仅显示将被叠加的图像，或者显示两个图像的叠加或并行表示。

12.根据权利要求9至11任一项所述的显微镜系统(300)，其中，所述光学显微镜(10)被配置为具有至少两个观测光束路径(13)的立体显微镜。

13.根据权利要求11或12所述的显微镜系统(300)，其中，所述控制器(201)适用于使用用于所述至少两个观测光束路径(13)的每个的不同的图像三维地叠加所述重构图像。