CN108227173B - 电子显微镜 - Google Patents

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Abstract

一种电子显微镜，包括用于产生初级图像数据组的电子图像传感器，该图像传感器用于生成对应于多个不同的接收光谱的图像信号，并且每个对应于多个图像区域之一的初级图像数据组包括属于多个不同的接收光谱中的每一个的至少一个图像信号。显微镜的控制装置用于控制照射装置循环发射具有多个不同的照射光谱的电磁辐射，以及驱动图像传感器对应于多个不同的照射光谱中的每一个产生相应的初级图像数据组。显微镜的计算单元用于对于多个图像区域中的至少一些从所生成的初级图像数据组来计算反射光谱，并且基于对应于多个不同的照明光谱的初级图像数据组，确定出作为反射光谱的函数的至少一个次级图像数据组，其相对于初级图像数据组至少部分地被修改。

Description

电子显微镜
技术领域
本发明涉及一种电子显微镜，其具有用于产生若干图像数据组的至少一个电子图像传感器，用于在图像传感器上产生处于显微镜的记录区域中的物体的图像的成像光学器件以及用于显示对应于相应的一图像数据组的图像的电子取景器。
背景技术
与传统的非电子显微镜相比，这种显微镜尤其可用作手术显微镜以提高有创医疗过程(手术)的质量。
尽管电子手术显微镜已经具有良好的显示能力，但是仍然希望进一步提高显示能力，例如可以改善向用户呈现的物体的图像或物体的电子显示。尤其是，需要提高考虑到主观感知标准和/或客观物体属性的表示能力。例如，应当根据手术部位的性质(例如，光学性质和/或几何尺寸)来增加图像的可感知的信息内容。此外，需要能够根据手术任务或手术过程来选择电子取景器上的图像显示的信息内容。
增加视觉信息获取以及在电子取景器中相应显示增加的或可选的信息内容的障碍，一方面在于在图像传感器中提供的光谱信道的数量与可用照射光谱的数量之间的冲突，另一方面在于图像传感器的最高可能的空间和时间分辨率以及亮度敏感度与被照明的所观察物体的可容许的加热程度之间的冲突。
发明内容
本发明的目的是提供一种上述类型的电子显微镜，其具有改进的显示能力，尤其是增加的信息内容和/或可以被显微镜的用户影响的图形化表示的信息内容。
本发明的目的通过具有下述特征的电子显微镜来实现。
根据本发明的显微镜包括至少一个用于生成若干初级图像数据组的电子图像传感器，成像光学器件，电子取景器，照射装置，控制装置，存储器和计算单元。
该至少一个电子图像传感器被设计成生成对应于多个不同的接收光谱的图像信号。例如，可以提供两个，优选地至少三个或四个不同的接收光谱和相关联的图像信号(例如，红色，绿色和蓝色)。术语“接收光谱”被理解为表示与所对应的图像信号相关的图像传感器的敏感的光谱范围。针对各个图像区域生成的并且对应于几个不同的接收光谱的图像信号优选地至少基本上同时生成。然而，原则上也可以一个接一个地产生这些图像信号，特别是在静态物体的情况下或者在相对较慢(与图像传感器的图像记录频率相比)移动的物体的情况下。
每个初级图像数据组对于多个图像区域中的每一个包括多个接收光谱中的每一个的至少一个图像信号，优选恰好一个图像信号。例如，对于每个图像区域，所有接收光谱的图像信号都是可用的。各个图像信号可以对应于一实际记录的像素或者来自于多个像素的内插，其中相应的图像区域可以包括一个或多个像素。例如，在图像传感器具有拜耳滤色器阵列的情况下，四个彼此相邻地布置的图像点形成一图像区域，其中，对应于绿，红，绿和蓝的滤色器或接收光谱被分配给这四个像素。可选地，也可以采用多个具有不同光谱灵敏度的图像传感器(例如，红色，绿色和蓝色)，每个通过分光的方式仅接收所收到的辐射的一部分，而其中各个像素相应于所接收光束的路径在几何上彼此一致地设置，使得相应的图像区域仅在一个像素上延伸。即使使用所谓的Foveon图像传感器，其中本质上产生对于不同接收光谱(红色，绿色和蓝色)的三个图像信号，相应的图像区域仅包括一个像素。
成像光学器件用于在图像传感器上产生布置在显微镜的记录区域中的物体的图像。术语“物体”应被广义地理解。因此，尤其是，作为医疗过程的主体的区域可以视为本发明意义上的物体。同样，作为组织学检查对象的组织样本也可以视为这样的物体。
电子取景器表示提供给显微镜的用户的光学可视界面。电子取景器尤其可以包括具有上游目镜的电子显示装置(例如显示器)。对于立体显微镜，电子取景器可以特别设计为电子双目镜。而且，电子取景器可能还包括一个2D或3D监视器，可以同时被几个人查看。
照射装置被设计成向记录区域中发射具有可变照射光谱的电磁辐射。电磁辐射可以具有可见或不可见的波长。尤其是，波长也可以处于红外或紫外范围。
控制装置被设计为用于控制照射装置在每个照明周期循环重复地产生具有多个不同的照射光谱的电磁辐射，以及驱动所述至少一个图像传感器产生与多个不同的照射光谱中的每一个对应的初级图像数据组。一个照明周期优选地包括至少三个，尤其是四个或五个不同的照射光谱，它们被反复地一个接着一个按照一重复的顺序发送出去。各个照射光谱可以基本上包括一波长或一波长范围。多个不同的照射光谱可以彼此不相交并且在光谱上相互隔开，或者彼此不相交并且相邻，或者彼此重叠。尤其是，不同的照射光谱可以包括多个可见的相互不同的颜色。而布置在显微镜的记录区域的物体被连续地暴露于来自多个不同的照射光谱的电磁辐射，图像传感器产生与每个照射光谱相关联的一初级图像数据组，例如，属于多个不同的接收光谱中的每一个的至少一个图像信号，一个初级图像数据组对应于一个图像区域。因此，对于每个照射光谱，多个(几何)图像区域中的每一个具有不同接收光谱的多个图像信号。
计算指令被存储在存储器中，该计算指令建基于电子显微镜的特殊情况并且尤其是考虑到不同的接收光谱和照射光谱。计算规则用于表示每个图像区域的反射光谱，该反射光谱建基于各个图像区域产生的图像信号，该图像信号相应于多个接收光谱中的每一个并相应于多个照射光谱中的每一个。换言之，如将在下面更详细地描述的，计算规则能够基于来自于对应的图像信号的几个不同的接收光谱与多个不同的(适当地选择)照射光谱的相应的组合(至少近似地)计算出一至少基本地完整的反射光谱，其中也包括光谱范围，并且其并不直接与不同的接收光谱或照射光谱重合。
通过为接收光谱和照射光谱的不同组合产生测量值，可以获得多个不同的响应函数，这些函数允许近似地，但仍具有高精度并且低于人眼的可感知阈值地，计算相应的反射光谱，其中所计算出的反射光谱可以还包括一个或多个位于多个不同照射光谱和接收光谱之外的光谱区域。例如，通过在照明周期内使用四个不同的照射光谱和三个不同的接收光谱，可以确定和评估十二个这样的响应函数，只要所有这些响应函数是非零且彼此线性独立的。
具体而言，所计算出的反射光谱可以在这样的光谱范围上延伸，该范围基本上从包括在不同的接收光谱和照射光谱中的最低波长延伸到被不同的接收光谱和照射光谱覆盖的最大波长。
所述反射光谱通常表现出在一光谱范围内反射率对波长的依赖性。通常将反射率定义为电磁辐射的反射与入射强度之比。对于与被观察的图像区域对应的物体区域，反射率因此可以是在物体区域处反射的辐射强度与在物体区域处接收的照射装置的辐射强度的比率。
因此，所提到的计算规则表示出了，在考虑到一个照明周期的多个初级图像数据组中的所有图像数据组的情况下，一个相应的物体区域的反射光谱如何能够被近似地作为被观察的图像区域的图像信号的函数。
计算单元被设计为基于存储的计算规则由对应于多个不同的照射光谱的若干初级图像数据组为多个图像区域中的至少一些图像区域计算相应的反射光谱。所述计算单元进一步用于基于相应的图像区域的所计算出的反射光谱，从对应于多个不同的照射光谱的若干初级图像数据组出发，确定出至少一个次级图像数据组，其相对于若干初级图像数据组至少部分地被修改。这尤其是可以在电子显微镜的操作期间实时地发生，也就是说，当用户正在电子取景器上观看相应地被确定的或合成的图像时。尤其是，所确定的次级图像数据组可以表示与前述多个不同的照射光谱不同的另一照射光谱。换言之，所确定的次级图像数据组可以对应于与照射装置的实际使用的照射光谱不同的“虚拟照射光谱”。
控制装置还可以被设计成用于控制电子取景器以显示对应于次级图像数据组的图像。
为确定和可视化次级图像数据组，高光谱分辨率的反射光谱可以为此目的采用多光谱解析的方式从对应于不同的照射光谱被周期性地记录的若干初级图像数据组近似地获得，以从若干初级图像数据组产生至少一个可以在电子取景器上显示的次级图像数据组。所观察物体的反射光谱能够给出关于该物体(例如，化学或生物物质)的属性的有价值的信息。这些信息，如将在下文中更详细地解释地，可以以各种方式被使用。这些信息可以显示在显微镜的电子取景器上，通过适当地修改由图像传感器所生成的若干初级图像数据组，这取决于多个图像区域中的一些或全部区域的应用和目的，并对相应于于特定照明周期的不同照射光谱的一个，几个或全部不同的初级图像数据组进行处理。
电子显微镜的控制装置，存储器和计算单元以及下面提到的电子显微镜的选择装置和评估装置可以部分地或完全地由单个电子单元(例如，微处理器)形成。
本发明的有利地实施方式将详述于下并在从属权利要求中给出以及在附图中示出。
根据一个实施例，期望的观察光谱可以通过一选择装置来选择，尤其是以手动或自动的方式，然后对应于初级图像数据组的次级图像数据组是基于所选择的观察光谱被修改。为此，属于至少一些图像区域的次级图像数据组可以表现出处于记录区域的物体在所选择的观察光谱范围内的反射率。换言之，在该实施例中，所选择的观察光谱构成了作用于初级图像数据组的“虚拟光谱滤波器”。如所讨论的，电子显微镜的计算单元根据所存储的计算规则从对应于多个不同的照射光谱生成的初级图像数据组计算出对应于一些或全部图像区域的相应的反射光谱。前述选择一期望的观察光谱从而意味着对应的次级图像数据组仅包括所计算出的(完整的)反射光谱的光谱段，以表示出在所选择的光谱段的情况下所观察的物体的反射率(在相应的图像区域)。尤其是，可以通过放大和/或衰减某些光谱分量(例如使用一个或多个带通或评估函数)来改变初级图像数据组在相应的光谱范围内的内容。由此，例如，使物体的图像的某些细节对于人眼更加可见或可区分，和/或使视觉再现在主观上更加愉快。为此，在电子取景器上显示的检测到的次级图像数据组可以表示在所选择的观察光谱范围内的物体的反射率。因此，相应地选择的观察光谱可以改善所观察的物体的可见度，使得具有不同反射率的物体区域实际上在视觉上可区分。在用作手术显微镜的情况下，这是特别有用的，因为外科医生可以更好地区分不同类型的组织。例如，低氧血液可以更好地与富氧血液区分。
观察光谱(即，“虚拟光谱滤波器”)的选择可以由用户预先确定和/或由显微镜的控制器通过预定手段自动进行。也可以预先设定一个特定的观察光谱，这个观察光谱只是根据用户的需要而改变。相应的观察光谱也可以由用户改变，例如，通过可调参数。为了由用户手动设置期望的观察光谱，选择装置可以包括一输入装置。输入装置可以包括，例如，选择按钮，滑块，一个用于输入数字的转盘或数字区域，这些输入装置可以以物理和/或虚拟(尤其是在电子取景器或单独的显示器上，例如，通过鼠标点击或触摸功能)的方式提供。期望的观察光谱的选择尤其可以在电子显微镜的操作过程中进行。
根据另一个实施例，借助于电子显微镜的评估装置可以针对物体的至少一个属性评估相应图像区域的所计算出的反射光谱，基于至少一个所评估的物体属性来相对于初级图像数据组进行修改获得次级图像数据组。具体而言，所确定的次级图像数据组因此可以针对相应的图像区域表现出至少一个所评估的物体属性。
所提到的物体的属性可以尤其是物体的性质或物体的类型。此外，物体区域或轮廓也可以是由评估装置检测到的物体的属性。物体属性的其他示例包括颜色，大小和纹理等。
对于作为手术或医疗显微镜的应用，物体属性可以尤其是组织类型。换言之，所计算出的反射光谱可用于解决在被观察的图像区域中被成像的是哪个组织类型(例如，神经组织，肌肉组织，脂肪组织，结缔组织，特别是骨和软骨)的问题。因此，基于计算出的反射光谱能够进行组织分类。此外，恶性组织类型(例如肿瘤组织)也可以与良性组织类型区分。为了确定这些医学方面的物体属性，对于相应的图像区域，例如可以将计算出的反射光谱与存储在显微镜中的多个反射光谱进行比较，对于这些已存储的反射光谱相应的组织类型已知。然后例如可借助于光谱距离测量或数学比较来确定所存储的反射光谱中的哪一个最接近所计算出的反射光谱。如果光谱距离低于一阈值，则可以假设针对观察的图像区域计算出的反射光谱表示对应于所存储的反射光谱的已知组织类型。
根据针对几个图像区域确定的组织类型或医学方面的属性，然后可以以这样的方式修改一个或多个初级图像数据组，使得不同的组织类型可以更好地在视觉上相互区分。具体而言，需要特别关注的特别感兴趣的组织类型(例如肿瘤组织)，可以通过颜色或光谱或者适当叠加的标记来识别。如本领域技术人员可认识到的，还有许多可能的方式来改善不同类型的组织或可视化物体属性的区别度。可以想象，例如还可以用一种表示错误的颜色来代表那些被识别成特定组织类型的图像区域。可选地，也可以只标记组织类型的轮廓。
可以理解，可以以固定的时间间隔重新确定各个图像区域的反射光谱。由此，物体的动态变化，特别是在手术情况下可以预期的变化，能够被考虑在内。
由于在电子取景器上实现图像显示的“差异化”信息内容的许多可能性，可以基于至少一个物体属性来设置对初级图像数据记录的修改。例如，用户可以在多个预设的修改变量之间进行选择，或指定修改的参数。由此，就显示这方面而言，可以对用户的个人偏好做出特别好的响应。
根据另一个实施例，选择装置适于基于至少一个物体属性自动选择观察光谱。换言之，显微镜可以自动地“适应”物体，以实现光谱上地更好区别性地视觉表示。
如已经提到的那样，计算单元根据存储的计算规则，根据针对多个不同的照射光谱生成的初级图像数据组，计算多个图像区域中的至少一些图像区域的相应的反射光谱。根据一个实施例，计算单元可以针对多个图像区域中的每个图像区域以帧模式计算相应的反射光谱。尤其是，计算单元还可以针对多个图像区域中的每一个，基于初级图像数据组修改确定次级图像数据组。因此，在这种全屏模式下，可以修改在电子取景器上显示的整个图像信息。但是，这不是强制性的。尤其是，所说的计算也可以仅针对一些图像区域执行，例如，如果希望减少所需的计算时间。
在另一个实施例中，电子取景器可以在标准操作模式和过滤操作模式中的至少一个中选择性地操作，控制装置驱动电子取景器，在标准操作模式下显示对应于一个或多个相应的初级图像数据组的图像，而在过滤操作模式下显示对应于次级图像数据组的图像。用户因此可以选择基于“纯正的”初级图像数据组来观察物体，或者选择一个修改后的版本。也可以设想，例如将次级图像数据组的图像半透明地叠加在初级图像数据组的图像上。
根据另一实施例，控制装置被设计成可选择性地以配置操作模式或观察操作模式操作电子取景器，其中控制装置被设计为控制电子取景器以在配置操作模式下同时显示与多个彼此不同的次级图像数据组对应的多个图像，其中可从多个图像中选择一个次级图像数据组。另一方面，在观察操作模式中，仅提供与所选的次级图像数据组对应的一个图像的显示。
因此，配置操作模式允许以特别直观的方式在不同的观察光谱或修改变量之间进行选择，因为相应的图像被同时呈现，例如作为“图块”并且可以彼此比较。因此，用户可以选择他喜好的变量从而达到最佳的个人感知。为了选择喜好的变量，电子取景器可以例如配备一手动操作装置。用户因此可以特别舒适地选择。
优选地，在配置操作模式中，还显示与一初级图像数据组对应的图像，使得用户也可以直接与初级图像数据组的未修改的版本进行比较，并且可以更好地确定电子取景器是应该在标准操作模式还是在过滤操作模式下操作。
照射装置向记录区域发射电磁辐射的照射光谱可以是离散的和/或连续变化的。照射光谱的离散变化例如可以通过简单地在不同的光源之间切换来进行，每个光源具有不同的照射光谱。然而，照射光谱也可以通过供电电流的量的变化而改变。供电电流的变化也使得可以将照射光谱专门适配于相应的物体。例如，某些光谱范围是特别重要的，它们可以由适当定制的照射光谱被特别好地分析。此外，可以显著增加照射光谱的数量以提高反射光谱的近似精度。
根据优选实施例，照射装置具有多个照射部件，每个照射部件具有不同的照射光谱，其中控制装置适于交替地控制照射部件以离散地改变照射光谱。照射装置的循环控制因此可以通过简单地打开和关闭各个照射部件来实现。优选地，照射部件可采用节能和耐用的发光二极管(LED)。照射部件(例如，单独的LED或LED组)的数量优选为二至五个，更优选为四个。每个照射部件可以具有一定的颜色，例如，红色，绿色，暖白色或冷白色。
在使用四个灯泡的情况下，循环频率，例如四个不同的照射光谱的电磁辐射的重复发射的次数和每秒初级图像数据组的产生次数在60Hz的范围内。尤其是，频率可以足够高以使照射光谱的变化的可见性最小化。
尤其是，在使用发光二极管的情况下，如上所述，可以通过改变电流强度来改变照射光谱(波长可调的发光二极管)。因此，借助于相同的发光二极管或一组发光二极管可以产生多个不同的照射光谱，由此可以减少所需的光源的数量，尤其是用于布置照射装置所需的空间。后者是重要的，因为只有有限的孔径可用于发射电磁辐射(以避免例如不希望的阴影等问题)。此外，以这种方式，例如，可以提供可选的第五照射光谱。
根据另一实施例，图像传感器是一种彩色传感器，其包括至少两个，优选三个或四个彼此独立的光谱或光谱范围以生成图像信号。光谱信道的数量优选地对应于接收到的光谱的数量，每个光谱信道被准确地分配给接收到的光谱之一。彩色传感器尤其可以具有红色，绿色和蓝色(RGB)的光谱信道。为此，图像传感器可以配备有彩色滤波器阵列，例如，根据拜耳图像传感器的原理的滤波器阵列。拜耳图像传感器在每个图像区域中可以具有两个相同的绿色光谱信道(RGBG滤色器矩阵)，或者该图像传感器可以具有一红色光谱信道，一第一绿色光谱信道，与第一绿色光谱信道不同的一第二绿色光谱信道，以及一蓝色光谱信道(RG1BG2滤色器矩阵)。光谱信道的其他配置或光谱信道的组合是可能的。可选地或另外地，可以使用其他不同的图像传感器(例如，采用Foveon传感器)。还可以设想具有边缘滤波器和多个图像传感器的光束分束器。
如已经解释的那样，在一个照明周期内产生的每个由多个不同的照射光谱之一与多个不同的接收光谱之一形成的组合对应于一响应函数，初级图像数据组为其包括相应的测量值。因此，根据申请人的研究，为了足够精确地计算或近似出相应的反射光谱而提供足够的信息，在每个照明周期内应该提供至少九个不同的响应函数，这些函数是彼此线性独立的。
应该选择这些响应函数，以便在检测任何具有相应的反射率的物体时提供非零读数。为此目的，优选地可以令多个不同的照射光谱中的至少一些，优选为全部，与多个不同的接收光谱的全部具有重叠。换言之，对于至少一些照射光谱，其(光谱)覆盖区域落入接收光谱的覆盖范围内。以这种方式可以确保，对于至少一些，优选地针对每个照射光谱，可以存在多个互不相同的接收光谱并被评估，其检测以该照射光谱发射的辐射的反射情况。特别地，多个不同的照射光谱的相应带宽可以与多个不同的接收光谱的相应带宽重叠。因此，相应的光谱主导区可以重叠，所称光谱主导区代表与振幅特别相关的光谱分量。作为结果，通常可以提高反射光谱的计算精度。
根据另一个实施例，相应的反射光谱具有在多个不同的照射光谱和接收光谱之外的至少一个光谱范围。换言之，如上所述，反射光谱可以扩展到与不同的接收光谱或照射光谱不直接一致的光谱区域。这样，尽管使用(仅)一个多光谱分辨率图像传感器也具有确定高光谱分辨率反射光谱的可能性。
用于计算各个反射光谱的计算规则可以由制造商一次确定，然后存储在存储器中。可选地或另外地，显微镜可以被用于确定计算规则。根据这样的实施例，控制装置被设计成在显微镜的初始化操作模式下确定计算规则，然后将其存储在存储器中。这样，具体的，例如在手术室中的，光学条件会被最佳地考虑到，从而确定的计算规则特别适合于以最小误差近似出反射光谱。作为初始化操作模式的替代，可以提供这样的观察操作模式，在该模式中可以使用所存储的计算规则。
计算规则可以是内部函数，尤其是固定函数，可以根据需要使用其来计算反射光谱。为了最小化计算工作，可以进行预先计算，在显微镜的正常操作期间只需要从表(“查找表”)中读出所需的计算结果即可。
根据一优选实施例，计算规则基于对反射光谱的主分量分析获得的几个主分量，其中主分量的数量等于或小于接收光谱的数量与一个周期的照射光谱的数量的乘积。在主分量的数目少于接收光谱数量与照射光谱数量的乘积的情况下，会产生一定的“冗余信息”，因为如果没有线性依赖关系，对于执行计算规则(解方程组)而言上述乘积仅需要等于主分量的数目。最终，可获得一个超定方程组，其过度或冗余的程度可以被用来评估解的有效性，这将在下面解释。
示例性地，计算规则可以按如下所示导出。
基于几个已知的反射光谱进行主分量分析。作为已知的反射光谱，例如，考虑24色Macbeth色彩测试(24Macbeth Color-Checker)反射光谱(n＝24)，其每个可以包括从380nm到780nm的81个值，步长为5nm(m＝81)。反射光谱可以排列在81×24维的矩阵R上，在此基础上可以进行矩阵U(81×81)，Σ(81×24)和V(24×24)的奇异值分解：
R＝UΣVT,
其中uj＝(Uij),i,j＝1,2,…81是由奇异值分解得到的实数的81维向量空间的正交基。然后，在相同空间中列出的每个(反射)光谱可以被描述为：
Figure BDA0001519396250000091
和υi＝<v,ui>,
其中81个求和项的减少的数目就足以高精度地近似光谱v。尤其是，前5到15个，特别优选前9个求和项(或主分量ui)足以以足够的精度逼近光谱v。基于前5到15个求和项可以获得精确的近似，尤其是如果光谱v在频率上具有通常平滑的走向时。这对于某些反射光谱群体尤其如此，例如，那些有机组织类型的反射光谱，情况就是如此。
基于前9个主分量，可估计未知的反射光谱。为此，对于每个图像区域，存在图像传感器的响应函数rj,j＝1,2,…12，其通过将4个照射光谱中的每一个与3个接收光谱(“传感器感光”)中的每一个相乘来计算。此外，用来估计未知光谱v的图像信号w＝(wj),j＝1,2,…12可以通过如下数学方式获得：
Figure BDA0001519396250000092
随着V＝(<rj,ui>)，可以得到以下超定的线性方程组：
VV＝w.
得到近似的光谱
Figure BDA0001519396250000093
为：
Figure BDA0001519396250000094
其中V+是矩阵V的Moore-Penrose逆(伪逆)矩阵，其可以通过矩阵V的奇异值分解来计算。在V的奇异值的基础上，也可以对估计的有效性进行评估。例如，如果V大致不是满秩的，并且因此V的一个或多个奇异值非常小，则方程组Vv＝w可能会欠定。在这种情况下，响应函数会由于例如V存在线性依赖的列而不一定适合用于在非常明确的项目上影响主分量，例如进行独立的有效性评估。在奇异值的基础上，可以至少在数学考虑的基础上，确定未知光谱的估计是否可以被认为是合理的。反过来，对于一个有效的估计，线性独立或相互不同的响应函数，例如V的线性无关的列，是有利的。
根据本发明的显微镜的计算规则可以尤其包括矩阵V+，以便基于被观察的图像区域的图像信号来确定反射光谱，其中图像信号考虑到一个周期的多个初级图像数据组的全部。
一般而言，所称计算规则可以包括将在多个不同的照射光谱的照明周期中生成的初级图像数据组乘以具有预定数目的独立列的矩阵。该预定数目最好至少为9，这个数目对于在反射光谱的(近似)计算中获得足够高的精确度也是足够的，另一方面，对于矩阵的这个数目的独立列，所需要的每个照明周期的照射光谱的数目可以保持较低。
所述矩阵可以具有比独立列的数目多的行，以提供如所解释的被确定的冗余信息。在九个独立列的例子中，可以提供十二行，其可以对应于四个照射光谱与三个接收光谱的组合(反之亦然)。
根据一个实施方式，显微镜可以进一步包括电子图像稳定装置，用于补偿在生成初级图像数据组的一个照明周期内发生的记录条件的不同。结果，可以避免或很大程度地抑制失真，这种失真可能是由于在使用不同的照射光谱产生初级图像数据时记录条件改变而发生的。这种记录条件的改变可以包括，例如，在图像传感器上被观察的物体的图像的位置偏移(例如，由于显微镜的振动或物体的运动)，这种位置偏移可以通过计算来补偿，例如通过图像识别。另外，这种记录条件的改变还可以包括例如模糊，旋转或放大。
根据一优选实施例，显微镜被设计为立体显微镜。在该实施例中，如果仅对两个立体图像信道中的一个进行反射光谱的确定，则可以减少所需的计算量。此外，对一个立体图像信道的初级图像数据组的修改可以以相应的方式应用于另一个立体图像信道，由此与单眼显微镜相比的计算工作量仅略高。
附图说明
下面将参照附图解释本发明，其中：
图1示出了电子显微镜的示意性框图；
图2示出了显示在图1的显微镜的电子取景器上的图像。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了电子显微镜10(在此具体为手术显微镜)，其包括用于生成初级图像数据组的电子图像传感器12。电子图像传感器12被设计成为多个图像区域产生响应于所接收的电磁辐射的图像信号，各个图像区域包括一个像素或一组相互相邻的像素。由图像传感器12针对每个图像区域生成的图像信号对应于多个不同的接收光谱，针对多个图像区域的每个的初级图像数据组均包括多个接收光谱中的每一个的至少一个图像信号。此外，还提供用于在图像传感器12上产生处于显微镜10的记录区域16中的物体18(例如手术伤口)的图像的成像光学器件14。成像光学器件14可以被可变地调节。
显微镜10的照射装置20被设计成将具有可变照射光谱的电磁辐射发射到记录区域16中。照射装置20可以包括尤其是四个LED照射部件，在激活的情况下，其发射具有预定颜色的光，以提供一个预定的照射光谱。
显微镜10进一步包括控制装置22，其被设计成控制照射装置20在各个照明周期中重复地发射具有多个不同的照射光谱的电磁辐射，并且图像传感器12为多个不同的照射光谱中的每一个生成相应的初级图像数据组。图像传感器12因此针对每个图像区域以及针对每个照射光谱生成数量与所述接收光谱的数量相对应的多个图像信号。
在存储器24中，计算规则被存储，其代表在相应的图像区域中响应于图像信号的反射光谱，该图像信号由图像传感器12在相应的图像区域生成，并对应于多个不同的照射光谱中的每一个以及多个不同的接收光谱中的每一个。存储器24被连接到计算单元26，其用于为多个图像区域中的一些或全部区域，根据所存储的计算规则从对应于多个不同的照射光谱的初级图像数据组计算出反射光谱，以及根据计算出的反射光谱从对应于多个不同的照射光谱的初级图像数据组确定出至少一个次级图像数据组，其相对于初级图像数据组至少部分地被修改。因此，所计算出的反射光谱表示了处于记录区域16中的物体18的一物体区域的反射率与光谱的依赖关系，其中物体区域通过成像光学器件14的光学成像对应于相应的图像区域。
控制装置22被设计成控制显微镜10的电子取景器28以显示对应于次级图像数据组的图像。具体地，控制装置22控制电子显示装置29，显微镜10的用户(未示出)可以通过目镜30a，30b观看电子显示装置29。
在图2中，示出了在电子取景器28的配置操作模式中可以向用户显示的显示图像。在右侧，图像32被显示，其对应于为一个照明周期生成的初级图像数据组之一或者为一个照明周期生成的多个或全部初级图像数据组的组合。图像32尤其是可以以真实的颜色表示来显示。在左侧，几个图像34被显示，它们分别对应不同的次级图像数据组。可以看出，图像34被呈现给用户作为图像32的光谱被不同地过滤的版本，这允许主观地改变对物体18的展示(此处是手术伤口)。不同的图像34或次级图像数据组分别对应于在各个图像区域中计算的(完整的)反射光谱的一个光谱段，即带通滤波。不同的图像34可以采用至少基本上对应于相应的光谱截断的颜色来显示，或者以不同的伪色表示，或者以相应的灰度级来显示。用户可以从多个图像34中选择他喜好的图像34(例如，借助于未示出的选择装置，诸如通过鼠标点击)来选择一相关联的次级图像数据组。这最终选择出用于修改各个初级图像数据组的过滤器数据组。
此后，用户可以切换到观察操作模式，在该模式中仅显示与所选择的次级图像数据组相对应的图像，特别是以与显示设备29的尺寸相适应的尺寸。以这种方式，用户可以选择对于其主观需求或环境来说最佳的修改变量，从而可以最终改善所执行的操作的质量。
作为对例如用户控制的选择的替代，次级图像数据组的选择(未在图2的电子取景器上显示)也可以自动地基于对一个或多个计算出的反射光谱的评估来进行。这使得显微镜的使用可以变得更加舒适。尤其是，对一个相应的图像区域计算出的反射光谱可以与几个公知的，存储在存储器24中的反射光谱数据进行比较，以确定与所计算出的反射光谱对应的一个已知的反射光谱。这可以通过例如数学近似方法来完成。对于每个已知的反射光谱，相应的计算规则可以附加地存储在存储器24中，根据该规则可修改初级图像数据组以便确定次级图像数据组。这使得，例如，可以在电子取景器29上更好地显示对应于所识别的反射光谱的特定类型的组织。
根据一扩展的实施例，以这种方式也可以识别几种不同类型的组织并且以不同的方式表示它们，例如通过不同的着色。替代地或附加地，在匹配已知的反射光谱的过程中，还确定一概率值，其表示所匹配出的反射光谱被关联到所计算出的反射光谱的概率。由此可以使用不同的颜色来着色相关的图像区域以表示确定出的不同的概率值。
如图2所示，还可以仅针对少数(即不是全部)图像区域的初级图像数据组进行修改获得次级图像数据组，并以修改的方式显示在电子取景器29上。这些图像区域可以例如形成连续的表面区域或表面区域的边界。例如，这样的区域范围可以对应于在物体18的图像内的一识别出的组织类型。例如，相关的图像区域的颜色可以相对于其他图像区域具有偏移。
附图标记列表
10 显微镜
12 图像传感器
14 成像光学器件
16 记录区域
18 物体
20 照射装置
22 控制装置
24 存储器
26 计算单元
28 电子取景器
29 显示装置
30a 目镜
30b 目镜
32 照片
34 照片

Claims (19)

1.一种手术显微镜，其特征在于，包括：
至少一个电子图像传感器（12），用于生成若干初级图像数据组，其中，所述至少一个电子图像传感器（12）用于产生对应于多个不同的接收光谱的图像信号，其中每个对应于多个图像区域之一的初级图像数据组包括属于所述多个不同的接收光谱中的每一个的至少一个图像信号；
一成像光学器件（14），用于在所述至少一个电子图像传感器（12）上生成处在所述显微镜的记录区域（16）中的物体（18）的图像；
一电子取景器（28）；
一照射装置（20），其用于向所述记录区域（16）发射具有可变照射光谱的电磁辐射；
一控制装置（22），用于控制所述照射装置（20）周期性重复地产生具有多个不同的照射光谱的电磁辐射，所述至少一个电子图像传感器（12）用于产生与所述多个不同的照射光谱中的每一个对应的一组初级图像数据组；
一存储器（24），用于存储计算规则，该计算规则表示响应于一被观察的图像区域的图像信号的反射光谱，所述图像信号已经对应于所述被观察的图像区域产生且对应于多个不同的照射光谱中的每一个以及多个不同的接收光谱中的每一个；和
一计算单元（26），其用于根据存储的计算规则由对应于多个不同的照射光谱的初级图像数据组为多个图像区域中的至少一些图像区域计算反射光谱，并且基于计算出的相应的反射光谱由对应于多个不同的照射光谱的初级图像数据组获得至少一个次级图像数据组，其相对于所述初级图像数据组至少部分地被修改；
其中所述控制装置（22）用于驱动所述电子取景器（28）显示对应于所述至少一个次级图像数据组的图像；
一选择装置，一不同于所述照射光谱的期望的观察光谱能够通过所述选择装置被选择，其中所述至少一个次级图像数据组是基于所选择的观察光谱相对于所述初级图像数据组被修改；
对应于所述至少一些图像区域的所述至少一个次级图像数据组表现出处于所述记录区域（16）中的所述物体（18）在所选择的观察光谱范围内的反射率；
一评估装置，对应于所述物体（18）的至少一个属性的所述计算出的相应的反射光谱能够通过所述评估装置被评估，其中所述至少一个次级图像数据组是基于至少一个所评估的物体属性相对于所述初级图像数据组被修改，并且所述选择装置用于根据所述至少一个所评估的物体属性自动地选择所述观察光谱。
2.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
对应于所述至少一些图像区域的所述至少一个次级图像数据组表现出所述至少一个所评估的物体属性。
3.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述选择装置能够由使用者在操作手术显微镜的期间进行操作。
4.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述计算单元（26）用于以全屏模式为多个图像区域中的每一个计算相应的反射光谱。
5.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述电子取景器（28）可选择地在标准操作模式和过滤操作模式中的至少一个中操作，所述控制装置（22）驱动所述电子取景器（28）以：
在标准操作模式下，显示对应于一个或多个相应的初级图像数据组的图像，
在过滤操作模式下，显示对应于至少一个次级图像数据组的图像。
6.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述控制装置（22）用于操作所述电子取景器（28）可选地在配置操作模式或观察操作模式中操作，所述控制装置（22）被设计成：
在配置操作模式下，控制电子取景器（28）同时显示对应于相互不同的次级图像数据组的多个图像，其中一个次级图像数据组能够从所述多个图像中被选择，以及
在观察操作模式下，控制电子取景器（28）仅显示对应于所选择的次级图像数据组的图像。
7.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述照射光谱是离散变化的和/或连续变化的。
8.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述照射装置（20）具有多个照射部件，每个照射部件具有不同的照射光谱，所述控制装置用于交替地驱动所述照射部件，以离散地改变所述照射光谱。
9.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述照射装置（20）具有至少一个发光二极管，其照射光谱能够通过不同的能量供应而改变。
10.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述至少一个电子图像传感器（12）是彩色传感器，所述电子图像传感器（12）具有至少两个不同的光谱通道以生成所述图像信号。
11.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述至少一个电子图像传感器（12）包括一红色光谱通道，一第一绿色光谱通道，不同于所述第一绿色光谱通道的一第二绿色光谱通道以及一蓝色光谱通道。
12.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述多个不同的照射光谱之一与所述多个不同的接收光谱之一的每个组合对应于一响应函数，在每个照射周期内提供至少九个彼此线性无关的不同的响应函数。
13.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述多个不同的照射光谱中的至少一些与所述多个不同的接收光谱中的全部具有重叠。
14.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述多个不同的照射光谱中的全部与所述多个不同的接收光谱中的全部具有重叠。
15.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述计算出的相应的反射光谱具有在所述多个不同的照射光谱和接收光谱之外的至少一个光谱范围。
16.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述控制装置（22）用于在所述显微镜的初始化操作模式下确定所述计算规则，然后将其存储在所述存储器（24）中。
17.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述计算规则基于对多个反射光谱的主分量分析获得的多个主分量，其中主分量的数目等于或小于所述接收光谱的数目与一个照明周期的照射光谱的数目的乘积。
18.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述计算规则包括将在一个照明周期中对应于所述多个不同的照射光谱产生的所述初级图像数据组乘以一具有至少九个独立的列的矩阵。
19.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，
所述显微镜还包括电子图像稳定装置，用于补偿在生成所述初级图像数据组的一个照明周期内出现的记录条件的差异。
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