CN103257437A - 特殊照明的外科手术立体显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其用于在特殊照明下观测物场(15)中的对象(6)，所述特殊照明外科手术立体显微镜包括外科手术照明光源(7，7a)，其用于经由照明光束路径(11)照亮物场(15)，并且还包括特殊照明光源。所述特殊照明光源适于受激发射的观测，并且包括激发光源(8a)，其用于经由激发光束路径(12a)对对象(6)的组织中包含的物质进行特殊激发，以及激励光源(8b)，其用于经由激励光束路径(12b)激励来自先前激发的物质的光的发射。提供共同的观测光束路径(14)用于引导由受激发射生成的光以及反射的外科手术照明光。

Description

特殊照明的外科手术立体显微镜

技术领域

本发明涉及一种特殊照明的外科手术立体显微镜，该术语包括传统的外科手术立体显微镜、视频外科手术显微镜、内窥镜、或一对外科手术放大镜，以及涉及一种用于操作这样的特殊照明外科手术立体显微镜的方法。

术语定义

下面将说明某些重要术语和功能的定义。

白光外科手术显微镜照明设备对于本领域技术人员来说是公知的，这是因为它广泛用于各种外科手术显微镜。它覆盖白光的整个光谱，由于它主要用于照亮手术区域，并且通常想要以尽可能中性色调的方式来实施。当然，落入术语“照明设备”下的对象包括单光源，但不限于此，并且还可以包括多光源。白光外科手术显微镜照明设备还可以包括其他对象，诸如导光元件、防护滤光器(例如，IR或UV滤光器等)。在本发明中，所使用的特定白光照明设备原则上对本发明的主要思想不是必需的。例如，本发明还可以与普通手术室照明一起作用，以及在极端情形中甚至与日光一起作用。因此，它对于本发明不是强制的，但通常假定特殊照明外科手术立体显微镜包括单独的白光外科手术显微镜照明设备。然而，这样的照明设备将通常存在以使得普通手术(不由特殊照明支持的)也能够执行。针对本发明而言的基本问题是实际上照明光从任意点传输到手术区域上，从而可以使得手术区域被照亮，并且使用者以尽可能以中性色调的方式观察手术区域。

在外科手术显微镜的情况下，特定的光波长范围被理解为在物场内的对象上产生特殊观察效果的光波长范围。根据现有技术，这样的观察效果可以特别是荧光、自体荧光和伪色照明等。此外，特殊照明未必一定来自前述的白光外科手术显微镜照明设备，而是还可以根据现有技术，由其他的光源或照明设备以已知的方式来提供。

在本申请中，术语“辐射”既包含“反射”又包含“发射”，后者是在荧光或受激发射的情形下。基于“光学百科全书(Encyclopedia of Optics)”，SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg，Berlin，ISBN3-8274-0382-0，1999，第188-189页，在下文中自发发射(荧光)和诱发(受激)发射之间作出严格的区别，虽然当从表面上观察时，诱发(受激)发射呈现给观测者的像荧光现象，但它明显不是一种荧光现象。

因此，术语“荧光”用于指的是电子从激发态到较低能级状态跃迁的过程中光的自发发射。电子先前通过特定波长的辐射从基态被提升至较高能级状态，从那儿经过振动弛豫到达中间状态。通过光的自发发射，即不受外界影响，电子变为较低能级状态，从那儿再一次通过振动弛豫到达基态(参见图1)。该过程中发射的光被感知为荧光辐射。

在现有技术中，特殊照明设备的光在手术期间借助于至少一种可选择引入的工作滤光器(例如，照明滤光器或激发滤光器用于激发荧光或自发发射)而处于可控光谱范围。

正如更广义的通用术语“特殊照明外科手术立体显微镜”所表达的那样，这样的外科手术显微镜必须既装备有用于外科手术的设备，又装备有用于特殊照明显微镜检查(例如，在荧光技术情形下的荧光显微镜检查)，以及还用于立体显微镜检查以使得它们用于特殊照明外科手术立体显微镜检查目的的设备。

外科手术照明光的反射部分沿观测光束路径通过并进入目镜或进入摄像机、或者到视频芯片上，以便经部分光束路径的每部分都能够被捕获、电子转换、并显示在一个或多个监视器或显示器上。

因此，外科手术立体显微镜允许观测者三维地观察物场，并且因而能够识别三维结构。外科手术立体显微镜通常具有相对低的放大率。

视频外科手术立体显微镜此外具有针对每个光束路径的立体摄像机、或视频芯片，其通过分束器布置在图像平面内以用于手术区域虚像的光电子转换。可选择地，这些立体摄像机或视频芯片可作为目镜或目镜光束路径的替换物，以单独经由监视器来向外科医生呈现信息。

本发明背景下所使用的术语“监视器”还包括用于将图像反射进入例如外科手术显微镜或平视显示器的可视观测光束路径的设备。

此外，除了另外的(特殊)照明设备之外，传统的特殊照明外科手术立体显微镜还包括滤光器设备，其允许外科医生经由光学或物理效应来识别物场内对象的更多的细节或更多的物理或生物细节。一个示例是外科手术荧光立体显微镜检查，其允许借助于荧光激发和观测使得肿瘤组织能够与健康组织加以区别。

背景技术

外科手术荧光显微镜检查在现有技术中是公知的。在该技术中，身体外来的物质以及在已经引入血流或组织之后存在于人体或动物组织内的物质被激发光激发而发荧光。产生的荧光辐射由外科医生经由观测滤光器而直接进行观测。

外科手术荧光立体显微镜是一种适于观测荧光现象的显微镜，以及出于此目的，其特别提供有激发光源，该激发光源具有激发滤光器和处于观测光束路径中的观测滤光器。在激发源的宽带光中，只有物场中激发荧光的光穿过激发滤光器并到达物场。随后，观测滤光器转而阻碍激发光并且只允许荧光现象的光通过(参见US6,510,338A)。常常，白光外科手术照明设备，即其白光光源被用作激发光源。

德国专利公开DE19548913A1在荧光观测或光动力学诊断(PDD)上提供了类似的信息，其使用的是具有至少波长范围从370至780nm的白光。DE19548913A1公开了照明光束路径中的激发滤光器和观测光束路径中的观测滤光器，用于使荧光现象可视化。

欧洲专利公开EP1691229A1公开了在立体显微镜的情况下的照明设备，其由一起用于使彼此的光增强的两种不同的照明设备组成。然而，由于两种照明设备都一起使用，用于在荧光激发照明期间进行放大，所以两种照明设备必须基本地且必定地共有的光的光谱范围就是荧光激发范围是符合逻辑的。根据EP1691229A1，只要两个光谱范围仍至少具有共同的荧光激发范围，则两个光谱范围的宽度应当不同。对于红光荧光，第二照明设备优选发射红光至红外光。相反，对于蓝光荧光，第二照明设备将更优选地处于光谱的蓝光至紫外光范围，而第一外科手术照明设备优选地在两种情形下都用于白光。

因而，例如对于在大脑中的肿瘤组织的分析和可视化，特殊照明设备和可能的滤光器或滤光器组合，与外科手术显微镜一起使用，以用于在脑部手术中更好地可视化。在传统的外科手术荧光显微镜检查中，使用荧光药物(例如5-ALA(氨基乙酰丙酸))，其可能会对患者有损伤并且不得不经历漫长的审批手续。

发明内容

本发明的一个目的在于避免使用这样的药物。

该主题在很多公开文献中提出，包括DE102007034936A1、DE19721454A1、EP2074933A1和US4786154A。

此外，基于荧光的有公开文献WO87/04804A1，借此通过使用滤光器转盘使荧光物质的可视性增强。

美国专利号US3798435A公开了提供有四个光源的显微镜，其能够在不同模式下操作，包括尤其是基于荧光原理的模式、透射光模式和/或入射光模式。

德国专利公开DE10123785A1公开了具有两个用于照亮物场的光源的显微镜。

在外科手术荧光显微镜检查中使用滤光器来将激发光与发射光分开对来自外科手术照明设备的白光的效能有负面影响。发射光通常很微弱，并且对比于可视的白光(以及，例如还与环境光对比)就很难看到。因此，需要在照明和滤光器技术方面对显微镜的制造作出很大的努力。

在外科手术显微镜检查中，数据覆叠设备通常又例如用于覆叠伪色图像、轮廓等。这一方面增加了设备的复杂性，并且另一方面相对于来自手术区域的可视光而言又减小了照明效能。

并非每种染料、发色团都是荧光的。在非荧光染料中还特别有的是内源性染料，诸如血红素或细胞色素。

以上描述是简化的，这是因为对于本领域技术人员而言，自发发射的物理原理是公知的。

受激发射，其物理基础在20世纪初就已经成熟，必须与荧光现象进行清楚的区分。在非荧光的染料中，从激发的中间状态返回到较低能级状态是由无辐射跃迁来发生的，即没有光子的发射。然而，为了使这样的染料发射辐射或光，受激发射的原理被用于其他技术领域。具体而言，能够在电子从激发态向基态跃迁期间激发电子，而不发射光子[原文如此(sic)]。在该过程中，受激原子或分子已经处于加强的光源(激发光)场中。受激发射在存在谐振时发生。针对作用机制而言，可参照“光学百科全书”，Gottfried，Würzburg，ISBN3-8274-0382-0，1999，第188-189页，以及“技术光学(Technical Optics)”，

Gottfried，Würzburg，ISBN3-8023-0067-X，1984，第4.3.5节。在那里，受激发射被描述为激光效应的基础。第二激发激光束越强，则这样的受激发射发生的可能性越大(参见“光谱科学”(Spectrum of Science)，2010年4月；Stefan A.Maier的“光的受迫发射(Forced Emission of Light)”)。这篇文章多次错误地谈及荧光，但是，正如前面已经说明的，荧光定义为自发发射，并且因此与Einstein假设的受激发射无关。无论如何，此处同样重要的是受激发射与激励同时发生。这意味着一方面入射激发光被反射，而另一方面还被来自对象的发射而辐射。

Wei Min等在“Nature”第461卷第22期、2009年10月上的文章″ImagingChromophores with Undetectable Fluorescence by Stimulated Emission Microscopy″描述了受激发射的原理能够用于使进行了基因处理的细胞可视化。

具体而言，该科技论文公开了具有极高放大率的透射显微镜(允许低至1μm(微米)的对象的观测)，其中激发光束和激励光束从下方导引至样本并穿过该样本。激发光束和激励光束通过输入耦合光学系统在空间上覆叠，并从下方导引至样本从而穿过它。配置在样本对侧且具有下游锁定放大器的光电二极管检测例如gtCP和cjBlue的色蛋白的受激发射。在试验设置中，200fs(飞秒)脉冲序列用于激发，并且另一个200fs脉冲序列用于激励。两个脉冲序列之间的延迟选定为300fs。在5MHz下调制激发光束，从而使得由激励光和受激发射光组成的合成信号也关于发射分量而在5MHz下调制。这使得在分析探测器接收的信号期间将受激发射与激励辐射区分开来成为可能。相应的解调由锁定放大器来执行。

该技术必须与受激发射损耗(STED)显微镜检查进行清楚的区分。STED显微镜检查目的在于增加非常小的对象(小于用于检查的光的波长)的分辨率。在STED显微镜检查中，分辨率不受衍射的限制。STED显微镜检查还能够仅借助荧光染料来执行。由于来自样本区域的光小于光学分辨率，因此实现了更高的分辨率。为此，在荧光激发后，受激点有选择地由第二光束进行去激发。该第二光束具有在光束中心为零的强度分布。因此，在该点不发生受激发射，从而使得可以检测到来自中心区域的荧光辐射并用于生成图像。因而，观测到的光是荧光辐射，即自发发射。该技术仅用于扫描显微镜检查中(参见WO2005/024486A1)。

所有引用的公开文献的内容被合并引入本文作为参考。

然而，在外科手术显微镜检查中，技术需求与高放大率扫描显微镜检查或透射显微镜检查领域中的那些技术需求是完全不同的。放大率相对较低(约4-40倍)；需要始终实现组织结构的识别而不用分析和处理过程，并且能够直接由外科医生来执行。来自对象的光必须是可实时通过目镜直接观察的。此外，或者有时可替代的，对监视器的透射是可能的且也必须是实时执行的并且是来自于外科医生视野的透视图，即来自反射光观测期间的透视图。所提及的文章和科学工作在这方面没有提供任何教导或建议，并因此，将不被本领域技术人员考虑来用于实现本发明的目的。

荧光造影剂的使用与重大的医疗副作用有关。不过，造影(contrast)通常带来很多期望的东西。对于使用的滤光器组合，必须进行折中(照明和激发光的效能减小)。大量所需的滤光器和它们的控制装置使得显微镜制造复杂且难以使用。

本发明的另一目的同样是克服这些缺陷，并且提供一种特殊照明外科手术立体显微镜，其能够对观察者而言在组织结构之间实现更好的造影，并且能够用于其预期的目的，而不必管理施加至患者的荧光造影剂，同时增加外科手术显微镜自身使用的简易性。

根据本发明，该目的由根据权利要求1的特殊照明外科手术立体显微镜，以及根据权利要求16的方法来实现。为了允许来自物场内包含在组织中的物质的光的受激发射的观测，外科手术立体显微被配置为至少包括以下设备：

-外科手术照明设备，其具有白光光源和照明光束路径，用于物场的常规照明，

-激发照明设备，其具有激发光源和激发光束路径，用于物场内对象的组织中所包含的物质的特定激发，

-激励照明设备，其具有激励光源和激励光束路径，用于激励来自先前激发的物质的光的发射，

-(常规)观测光束路径，沿该路径由受激发射生成的光和/或由白光外科手术照明反射产生的光从对象引导(离开对象)。

本发明的思想是基于外科手术显微镜检查中的事实，特别是外科手术立体显微镜检查中的事实，引起不显示出可视荧光的内源性组织物质中的光发射现也已成为可能。在本发明中，受激光发射的可视化与传统的外科手术显微镜检查技术相结合，其中至今为止，仅可通过白色外科手术照明光的反射或通过荧光来实现对象的可视化。根据本发明，不需要滤光器或药物，这避免了上述的缺陷。

通过使用完全不同的光源来完成激发，所述光源在用于外科手术显微镜中并不是公知的，且其能够使通常不发光的内源性物质发射可见光，诸如例如血红素(例如，在20mW下使用830nm激发光，例如以及在3mW下600nm的激励波长)。此外，这对于区分血管丰富的肿瘤组织和健康的、更少血管的组织而言是重要的。为此，根据本发明，受激发射在外科手术显微镜下以一种新的方式使用。该技术明显不同于迄今为止用于外科手术荧光显微镜下的荧光技术。只有外科医生观测到的效果看起来是相似的。然而，如果适当地设计了光源和操作模式，特别是当同样考虑由视频图像数据处理带来的放大的可能性时，效果就表现得更好。

为了实现这一原理，需要两个另外的光源，优选地是两个激光光源，其在除了现有的白光外科手术照明设备之外进行提供。这些另外的光源必须能够通过来自一个(激光)光源和随后来自另一个激光光源的时间交错的脉冲而产生受激发射。激发光源(激光光源中的一个)具有特定的波长或窄带波长，用于选择性地激发所寻找的物质的电子。所使用的波长对应于相应物质的电子能级之间的能量差。激励光源(第二激光光源)用于激励光从中间状态Z1发射(图1)，其通过振动弛豫从第一激发态A到达。在受激发射期间，电子从状态Z1到较低能级状态，并且从那儿再一次通过振动弛豫到达初始基态。因而，激励光源的波长、或窄带波长比激发光源的波长要小(在每种情况下根据由振动弛豫引发的能量差)。

通过使用物理或几何分束器，激光脉冲通过输入耦合光学系统被耦合到外科手术照明光源的照明光束路径中。可选择地，为了避免干扰照明光束路径或观测光束路径，激光还可以从显微镜的侧面直接辐射在对象上，从而可能增加激光的效能。

激光器的空间需求持续减小，从而，在本发明的一个实施例中，激光器还可以直接安装在此时以前使用的照明设备中，这消除了对于特殊输入耦合设备的需求。这不仅节省了空间，还减少了显微镜外部其他组件的数量。

从Christoph Walther等在“Science”2010年3月19日、第327卷第5972期、第1495-1497页的文章“Microcavity Laser Oscillating in a Circuit BasedResonator”中可知，微型激光器的尺寸甚至可以比所产生的光的波长更小。成功地制造了具有30μm大小的激光器。该公开文献的内容被合并引入本文作为参考。在其中所述的激光器能够用于本发明的目的。

在本发明的一个实施例中，通过对脉冲持续时间和脉冲间隔的调制，控制器暂时地以使得能够观测最优化受激发射这样的方式来控制激光光源。因而，在本发明的这个配置中，不需要使用昂贵的特殊光谱过滤器，其会使可见光减弱。

现有技术中描述的受激发射并没有提供可用于外科手术显微镜的任何教导，这是因为它仅针对用于透射光的显微镜的放大，其具有极大的放大率(约1000倍)，这通常不进行实立体镜地操作，并且这需要复杂的处理过程。此外，在现有技术中，由于与设计相关的原因，使用者无法直接观测到受激发射光。并且，不能够实时地生成可用图像。此外，已知的技术使用透射照明的原理，这完全不适于外科手术显微镜检查。因此，本领域技术人员将不会考虑这样的显微镜及它们的照明设备作为现有特殊照明外科手术立体显微镜的替换。

本发明针对外科手术立体显微镜，因为在外科手术显微镜检查中，手术部位的三维放大可视化是最重要的，还因为本发明现在允许其以最优化的方式用在受激发射的情况下。

本发明的其他实施例将从附图、说明书和所附的权利要求中变得显而易见。

附图标记列表，诸如权利要求的技术内容，是本公开的一部分。

本发明被以示例的方式，并参照附图更详细地进行示意性地描述。

对附图进行共同描述。相同附图标记表示相同组件；具有不同索引的附图标记从功能上表示相同的或相似的组件。

附图说明

在附图中，

图1示出了受激发射的能级图；

图2示出了根据本发明的特殊照明外科手术立体显微镜；

图2a图示了类似于图2的配置，但包括扫描器和白光激光器作为外科手术照明光源；

图2b示出了类似于图2a的配置，但具有额外的传统外科手术照明光源7；

图3描绘了其中激发光源和激励光源与外科手术照明光源结合为照明光源单元的一种变体；

图3a图示了类似于图3的配置，但具有额外的白光激光器作为第二外科手术照明光源；

图4描绘了其中激发光源和激励光源被布置在外科手术照明光源的相对侧的一种变体；

图5示出了激发光源和激励光源被布置在凹透镜的壁内或开口内的一种变体；

图5a图示了类似于图5的配置，但包括额外的白光激光光源和激光光束扩张光学系统；

图5b图示了对应于图5a的原理的配置，但省去了传统的照明设备和凹透镜；

图6、7、8图示了不同操作模式中照明光、激发光和激励光辐射的时间序列；以及

图9描绘了具有视频芯片的可替换配置。

具体实施方式

图1示出了图示了受激发射、无辐射跃迁、和自发发射(荧光)之间的差别的能级图。来自激发光源的辐射使电子从基态G进入激发态A。从那里，电子进入中间状态Z1。在非荧光物质的情况下，随后是无辐射跃迁到较低能级状态Z2，从那里再一次通过振动弛豫到达基态G。

自发发射(自体荧光)，其同样示于图1中，仅在荧光物质中发生并且不需要单独的激发。然而，由于除了那些相当低的自体荧光之外，内源性物质并不表现出荧光性，并且因此使用外来的荧光物质，作为对比，本发明使用受激发射的原理，其在体内很多感兴趣内源性物质(例如血红素)中在可见范围内发生。如图1的图表中所指示的，受激发射显著更强并因此能够始终更好地被看到且不需要使用荧光染料。

图2示出了根据本发明的外科手术显微镜1。外科手术照明光源7发出白光、或者至少接近白光，其沿照明光束路径11导引以照亮物场15，物场15中有对象6位于其内。附图标记10表示偏转元件，诸如平面镜或棱镜(参见图9中的10d)，其将外科手术照明光束导引到对象6上。从对象6反射的光沿观测光束路径14导引至观测者。光穿过主物镜2、可变焦距系统3、管4和目镜5。因此，通过使用白光，为外科医生提供了物场15内对象6的通常自然图像。

根据本发明，提供了额外的激发光源8a和激励光源8b，它们的辐射经由激发/激励光束路径12耦合到照明光束路径11中，并通过输入耦合光学系统9。激发光源8a在特定波长下发射，该波长对应于特定物质(例如血红素)中基态和激发态之间的能量差(参见图1，“激发”)。代替离散的波长，还能够使用该特定波长周围的窄带光谱。

激励光源8b发射光，其具有比激发光源8a的波长更小的波长，并且其与随后从正在观测的相应内源性物质发射的光的波长相对应，它(激励波长)对应于受激发射光的波长并且能够通过去激发而最佳地进行相同的触发。这里也可以使用类似的物质特定波长周围的窄带光谱来替换该离散波长。然而，激励光的波段越窄，则能够被激发为受激发射的具有该发射特性的特定材料就越具体。

根据想使哪种内源性物质被激发成荧光，需要不同的激发和激励光源。为了进行确认，必须使用一种物质的单独的能级图，其则限定波长。

激光更优选地用作激发光源和激励光源。飞秒激光完全适合于这一目的，这是由于它们能够以很短的脉冲持续时间和高的重复频率交替地进行激发或者触发。所需的波长取决于待检查的组织物质，但是受激发射优选地在可视范围内发生。然而，使用受激发射和适当的视觉辅助设备(例如传感器/监视器系统)的方法从而不排除在本发明之外。

外科医生不必去适应对传统荧光辅助手术的改变。仅仅是改善了可见度，并且消除了先前所需的从多种滤光器中进行选择的努力。

本发明的外科手术显微镜不需要任何照明滤光器或观测滤光器，这是由于特殊的激发和激励都使用特定波长或非常窄的频带的激光光源来实现。

在图2的示例性实施例中，激发光源8a和激励光源8b被集成到激发/激励设备8中，其优选地可替换地安装为外科手术显微镜1中的单个单元，以为特殊物质提供特定波长。

可替代的，激发/激励设备8’可直接从显微镜的侧面辐射对象6。相应的变体在图2中以虚线图示出。

由受激发射生成的光，诸如从对象反射的照明光，经由观测光束路径14传送至观测者。然而，通常，这会在时间上相继发生；即外科医生决定他或她是想要在白光外科手术照明还是在受激发射模式下看到物场。当然，组合照明也是可能的。为了提供物场的特殊背景照明，白光可以借助于中性密度滤光器进行低强度辐射。通过使用不同种类的滤色器，还能够以可选光谱的方式提供背景照明。在这一点上，可以参照本申请人的在先未公开德国专利申请DE102010044503。该申请的内容被合并引入本文作为参考，用于结合本申请的教导并从而进行披露。

电子控制和数据处理单元16连接至激发光源8a、激励光源8b和外科手术照明光源7，并控制单个光脉冲的时序，即单个光源的操作。控制和数据处理单元16还可以连接至激发/激励设备8’和外科手术照明光源7。控制和数据处理单元16的操作原理和不同操作模式将在下面作进一步说明。

图2的一个变体被图示于图2a中，其中白光激光源7a用于代替传统的白光外科手术照明光源。可选择地，该激光光源7a还可设计为白光飞秒激光器，其以这样的方式计时，即它关于传送至对象的光能量以激光器8a和8b交替，从而实现不能够处于同时照明下的两种观察模式。这，特别是还与定时视频芯片相组合，能够使白光照明和激发/激励照明彼此分开。

三个激光器7a、8a和8b将光导引在扫描镜10a上，其由扫描器电机10b以使得它沿扫描轨迹逐点照亮物场这样的方式进行控制。如果三个激光器7a、8a、8b的激光束以空间上不同的方式导引在扫描镜10a上，那么白光照明、激发、和激励在时间上相继发生，从而使得不存在组织的局部覆叠，以及反射、激发和激励，即受激发射，针对物场的每个点在不同的时刻发生。虽然观测者将不能通过肉眼感知这些过程，但是快速高分辨率视频芯片可以利用对象的这种时间上的逐点照明来生成完全不同的可用图像，用于在合适的数据处理后分别根据白光照明、激发态、和受激发射进行显示。

当然，在本发明中，还能够针对每个激光器使用单独的扫描设备，以代替共用的扫描镜10a。可替代的，还能够省掉扫描器以及例如使用光束扩张装置(参见图3a，18)。然而，在这种情况下，激光器自身将更优选地以使得它们在不同的时刻照亮对象这样的方式进行定时以便清楚地分离效果。

图2b示出了类似于图2a的配置，但不同的在于提供了另外的(传统)白光照明光源7，其能够经由单独的偏转元件10c来照亮物场15。这种配置允许外科医生像以前一样使用这种外科手术立体显微镜。然而，现在还可能通过使用白光激光器7a和上面指出的其他照明和观察模式来获得白光的放大。

通过对来自白光激光器7a的光进行光谱分离(例如，使用棱镜)，可获得任何需要的波长并用于照亮对象。因此，在合适地设计白光激光器7a的情况下，它可以代替激发激光器8a和激励激光器8b，从而使得其可以以时间交错的方式执行所有功能，对光谱分离(即，棱镜的)给予合适的控制。

图3描述了外科手术显微镜1的变体，为简单起见，在视图中仅示出部分(图2的右部分)。在图3中所示的配置中，激发/激励设备8设置在外科手术照明光源7的紧邻。这里，所有的光源7、8a、8b都集成到共同的照明光源单元中。这产生了从光源7、8a、8b到对象6的共同光束路径11。

光源7、8a、8b位于凹透镜17的聚焦区，其使光束从光源朝向对象6聚焦。因此，来自激发光源8a和激励光源8b的发射不必是定向的，虽然通常以及特别地对于优选的激光光源而言，这通常都如此。代替凹透镜17，其依照光束形状的需求可以具有自由形态的表面，还能够使用其他的光束成形元件，例如诸如其他的透镜或平面镜。

图3a图示了图3中所示的变体的配置，并且包括额外的白光激光器7a，其类似于激发/激励设备8，设置在外科手术照明光源7的区域内，并且可用于照亮对象。所有的激光器7a、8a、8b可以具有集成的扫描设备或光束扩张设备18，以便分别照亮整个物场15和对象6。

图4示出了其中激发光源8a和激励光源8b设置在外科手术照明光源7的相对侧并且与外科手术照明光源7间隔开的变体。通过该方法，所有的光源7、8a、8b都可以相对于凹透镜17的焦点轴对称布置。这确保了不管选择哪个特定的光源，都能尽可能同样地照亮物场。此外，照明质量的主要部分，即光分布的主要部分，由白光外科手术照明光源根据通常由每个外科医生设置在任何外科手术显微镜上的需求来提供。

在另一变体中(图5)，激发光源8a和激励光源8b设置在壁中外科手术照明光源7的后面，即凹透镜17的开口内。所使用的光源优选地为定向激光光源。若有必要，激光光源可具有与其关联的合适的光束成形光学系统，其使平面或椭圆形状的光束尽可能地圆，从而确保物场以激光均匀照明。此外，在本发明的另一实施例中，有益的是以扫描模式跨过待照明、激发和/或激励的表面来扫描激光束。借助于上游光束偏转元件跨过待照明的表面来扫描激光束，并且以使得整个表面逐点被照亮这样的方式。这使得对于激发和激励而言达到特别高的能量密度，并且从而产生特别强的受激发射成为可能。

可选择地，扫描操作可在时间或空间演替中依次执行，从而使得激发激光束在激励光束之前沿相同的路径行进(run)。使用合适的激发波长和相应的高激光功率，从而可能激发最大发射。

图5a示出了图5中的相同配置，其不同在于这里额外提供了白光激光器7a作为第二外科手术照明光源，其可替代地或者除光源7以外使用。

图5b中示出的配置对应于图5a的原理，其不同在于省去了传统的照明设备7，并因而也可以省掉凹透镜。这里，白光激光光源7a提供了完全的白光外科手术照明。偏转设备10a此处适合于扫描照明并且因此还提供了扫描器电机10b。

所用的激光光源优选地为小型激光二极管状激光光源。然而，在本发明的背景下，术语“激光光源”应该理解为还包括光波导的末端，激光可通过它从远程激光光源传送至指定位置。同理，可类似地用于外科手术光源，其自身可以是白光激光光源。如有必要，还可能提供传统白光光源(灯)和白光激光源。这允许外科医生根据每个特定用途的需要选择最佳的照明。如果可以使用高功率白光激光源，该激光源还可借助基于棱镜的色彩分离或通过滤光器用于提供激发光或激励光。如果激光器是脉冲激光器，那么脉冲速率和脉冲持续时间就会匹配以获得最佳的发射性能。该发射性能最终由外科医生的眼睛捕获或者由视频芯片捕获，并且若有必要则进一步处理。

在图像处理期间，可以使用不同信号分析的原理：通过传统的白光照明使组织进入已知状态。利用激发波长对组织的额外激发通常不能在视觉上感知，这是由于激发光通常处于可视光谱之外。用足够数量的激励光照亮受激组织会产生同步受激发射。这意味着被照亮的对象不仅由于在该区域的采用激励光的照明而且还由于额外发生的受激发射从而更强烈地发射。使用视频技术可以容易的产生相同波长的激励和同时发射之间的差分信号，从而使得受激发射的可视化可通过图像处理而显著增强。

由于组织未被激发和受激发射而“消耗”，所以任何组织可通过激发光和激励光的任意数量的脉冲序列进行可视化。

下面，将结合图6、7和8来更详细地说明各种操作模式的操作原理。正如通常所公知的那样，外科手术照明光源7和/或7a(白光激光器)原则上能够单独照亮对象，并且使外科医生能够在照亮点观察并执行外科手术。

图6示出了图示了光源的优选打开(ON)/关闭(OFF)时序的视图。来自外科手术照明光源7或7a(盒形区域设计7)的辐射为外科医生提供了对象6的中性色彩的图像。在外科手术照明光源7仍处于打开时，打开激发光源8a。该同时操作增大了激发效能，这是由于白光照明也包含激发波长并且因此能够有助于激发，但是自然地，仅达到在相同时刻不包含同等数量的激励波长的程度。在完成激发时，激发被中断并且开始激励(通过打开激励光源8b)。在该实施例中，在激励和所导致的受激光发射期间，外科手术照明光7一直关闭或由遮板、滤光器等使其变暗。这阻止了外科手术照明光覆没受激发射光。特定的打开/关闭时序例如可由控制和数据处理单元16来实现，从而使激发光的切换以这样的方式触发外科手术照明光的关闭，即外科手术照明光7随着激发光关闭之前不久或同时被关闭。

可替代的(图7)，外科手术照明光在激发之前被关闭。这里，外科手术照明光7的关闭可以触发激发光源8a的打开。

图7还象征性地示出了视频传感器的打开(ON)时间，其一方面适于白光检测(白光传感器)，而另一方面用于荧光检测(受激发射光的检测)。由于发射光的记录发生在与白光辐射不同的时刻，就不存在可以引起覆没效果的覆叠。另一方面，由于光8a以完全不同的波长发射，通常为更长的波长，反射光最多会被图像处理遮蔽。

图8图示了操作的另一模式，其中外科手术照明光7是永久打开的。这是控制方面最简单的情形，但是涉及了受激发射光被外科手术照明光覆没的风险，除非使用合适的滤光器或屏蔽装置来执行光强度的适当减小和/或光波长的改变。此处，还参照本申请人的先前未公开德国专利申请DE102010044503。

单个操作模式的选择可通过电气开关来完成。另外使用受激发射的所有操作模式共有的是，激发光源和激励光源相继切换；即，一次激发必须先于一次成功的激励。因而，激发光源和激励光源总是以时间交错的方式切换。

图9示出了象征性的配置，其中所有提到的激光光源7a、8a、8b安置在同一单元内，而另一单元包括传统的外科手术照明光源7。偏转棱镜10c和10d，此处图示为棱镜[原文如此]，用于使光转向并导引它同过主物镜2。在显微镜的上部，提供有分束器用于提取光并将它导引在视频芯片19上，其经由具有图像处理能力的控制器21连接至监视器20。

本发明不限于外科手术显微镜，但可用于外科手术中使用的任何光学视觉辅助设备，其允许观测者或外科医生观察受激发射光。这些示例特别包括，内窥镜和其他用于外科手术的光学视觉辅助设备，还包括外科手术放大镜。立体显微镜检查的限制是有意挑选的，这是因为外科手术显微镜通常为立体显微镜，还因为恰恰这种设计能够为外科医生提供最佳的帮助。然而，在各个情形中，本发明还适合以类似方式与单视场视觉辅助设备一起使用。权利要求和前面的说明书应当作出相对广义的解释。

附图标记列表

1-外科手术显微镜；特殊照明外科手术立体显微镜

2-主物镜

3-可变焦距系统

4-管

5-目镜

6-对象

7-外科手术照明光源

7a-白光激光照明源；外科手术照明光源

8，8’-激发/激励设备

8a-激发光源

8b-激励光源

9-输入耦合光学系统

10-偏转元件

10a-扫描镜形式的偏转元件

10b-用于扫描镜的扫描器电机

10c-偏转元件；偏转棱镜

10d-偏转元件；偏转棱镜

11-照明光束路径

12-激发/激励光束路径

12a-激发光束路径

12b-激励光束路径

13-激发/激励光束路径

14-观测光束路径

15-物场

16-控制和数据处理单元

17-凹透镜

18-激光束扩张光学系统

19-图像传感器，视频芯片

20-监视器

21-控制器

Claims (17)

1.一种特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其用于在特殊照明下观测物场(15)中的对象(6)，包括：

-外科手术照明光源(7，7a)，其用于经由照明光束路径(11)照亮所述物场(15)，并且还包括特殊照明光源，其中所述特殊照明光源适于受激发射的观测，以及包括：

-激发光源(8a)，其用于经由激发光束路径(12a)对所述对象(6)的组织中包含的物质进行特殊激发，以及

-激励光源(8b)，其用于经由激励光束路径(12b)激励来自先前激发的物质的光的发射，以及

-共同的观测光束路径(14)，其用于引导由受激发射生成的光以及反射的外科手术照明光。

2.如权利要求1中所述的特殊照明外科手术立体显微镜，其中所述激发光源(8a)和所述激励光源(8b)都结合到激发/激励设备(8，8’)中，作为照明光源单元，并且其中所述激发光束路径(12a)和激励光束路径(12b)同时进入从所述光源到所述物场(15)的激发/激励光束路径(12)，或者从侧面导引到物场以独立于外科手术照明光源(7)之外而照亮物场。

3.如权利要求2所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述激发/激励设备(8，8’)还包括所述外科手术照明光源(7)和/或第二照明光源(7a)。

4.如权利要求2或权利要求3所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述激发/激励设备(8，8’)组成单个照明光源单元，其可替换地安装在所述外科手术显微镜(1)中。

5.如前述权利要求中的一个所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述光源(7，7a，8a，8b)具有与之关联的共同的光束成形元件。

6.如权利要求5所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述光束成形元件包括自由形态表面。

7.如权利要求5或6所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述光束成形元件包括凹透镜(17)。

8.如权利要求7所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述外科手术照明光源(7，7a)位于所述凹透镜(17)的焦点处，并且所述激发光源(8a)和所述激励光源(8b)每个都设置在外科手术照明光源(7，7a)的辐射距处。

9.如权利要求7或8中一个所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述激发光源(8a)和激励光源(8b)都设置在所述凹透镜(17)的壁内所形成的开口中。

10.如前述权利要求中一个所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述激发光源(8a)和/或所述激励光源(8b)和/或所述外科手术照明光源(7，7a)都采用激光光源的形式。

11.如前述权利要求中一个所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中提供控制和数据处理单元(16)用于以时间序列切换所述光源(7，7a，8a，8b)，所述控制(16)适于相继切换所述激发光源(8a)和所述激励光源(8b)。

12.如权利要求11所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中在一种操作状态中，所述控制和数据处理单元(16)以这样的方式被配置，即在所述激励光源(8b)操作期间，所述外科手术照明光源(7)关闭和/或在所述激发光源(8a)操作期间，所述外科手术照明光源(7，7a)打开。

13.如权利要求11或权利要求12所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中在一种操作状态中，所述控制和数据处理单元(16)以这样的方式被配置，即在所述激励光源(8b)操作期间，所述外科手术照明光源(7，7a)以减小的光强度和/或在不同于所述激励光源(8b)的光谱范围内进行操作。

14.如前述权利要求中一个所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述激光光源(7a，8a，8b)以定时方式与至少两个图像传感器互连，所述图像传感器的一个被提供用于处理所述白光，并且另一个图像传感器被提供用于处理所述受激发射光。

15.如前述权利要求中一个所述的特殊照明外科手术立体显微镜(1)，其中所述至少一个激光光源(7a，8a，8b)具有至少一个与之关联的扫描设备，用于将所述发射的激光导引在所述对象(6)上。

16.一种用于操作根据所述前述权利要求中的一个的特殊照明外科手术立体显微镜(1)的方法，

其中所述激发光源(8a)和所述激励光源(8b)以预定的脉冲频率相继切换。

17.如权利要求16所述的方法，其中在所述激励光源(8b)操作期间，所述外科手术照明光源(7，7a)关闭或者以减小的光强度和/或在不同于所述激励光源(8b)的光谱范围内进行操作；和/或其中在所述激发光源(8a)操作期间，所述外科手术照明光源(7)打开。

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