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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme und Wiedergabe
von Bildern eines Untersuchungsobjektes mit einem Beleuchtungssystem,
einem bildgebenden Aufzeichnungssystem und einem Steuer- und Auswerterechner.
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Die
Vorrichtung ist insbesondere für
Messsysteme zur spektrometrischen Untersuchung des Stoffwechsel
und der Mikrozirkulation geeignet, die zur Feststellung pathologischer
oder therapeutischer Veränderungen
am Untersuchungsobjekt örtliche oder
zeitliche Unterschiede bildlich darstellen.
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Ferner
bezieht sich die Erfindung auf ein bildgebendes Verfahren zur Erfassung
von örtlichen und/oder
zeitlichen medizinisch relevanten Unterschieden von anatomischen
Strukturen und funktionellen Eigenschaften eines Untersuchungsobjektes, das
zur Bildgebung beleuchtet und wahlweise stimuliert oder provoziert
wird.
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Zum
signifikanten Nachweis von pathologischen oder therapeutischen Veränderungen
im Verlaufe einer Erkrankung werden im Rahmen der ophthalmologischen
Diagnostik unterschiedliche Methoden zur Abbildung der Netzhaut
angewendet, um aus Bildsequenzen neben statischen Informationen
zu einem Zeitpunkt ortsaufgelöst
vor allem Ergebnisse zu dynamischen Netzhautparametern mit oder
ohne zusätzliche
Provokationen bzw. Stimulierungen zu gewinnen. Solche Systeme sind
insbesondere Systeme zur Ermittlung spektraler zeitlicher oder örtlicher
Unterschiede und Systeme zur Erfassung von Größen der Mikrozirkulation und
zum Funktionsimaging Aufgrund unterschiedlicher, nicht vergleichbarer
Beleuchtungssituationen innerhalb eines Bildes (unterschiedliche örtliche
Ausleuchtung) und zwischen verschiedenen Bildern, wie z. B. einer Änderung
der Beleuchtungsschwerpunkte und das Auftreten von Abschattungen
oder Reflexen bei unwillkürlichen
Augenbewegungen, ist die für
den Nachweis notwendige Erkennung von feinsten Helligkeits-, Lage-
und Formveränderungen
je nach Messprinzip mit einer hohen Fehlerrate behaftet, die die
Messungen zum Teil nutzlos macht.
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Deshalb
werden bei einer bekannten Lösung gemäß der
DE 38 18 278 C2 die
Beleuchtungsunterschiede durch Normierung der Videosignale auf das Videosignal
einer Bezugswellenlänge
eliminiert. Die
DE
38 18 278 C2 geht von einer Problemstellung aus, nach der
methodische und subjektive Fehler bei einer Bewertung und einem
Vergleich von verschiedenen, zu gleichen oder unterschiedlichen
Zeiten aufgenommenen Bildern weitestgehend ausgeschaltet werden
sollen. Zur direkten Darstellung von Bildveränderungen wird der Aufzeichnungsstrahlengang durch
Strahlteiler in mindestens zwei Teilstrahlengänge für ein und dasselbe Bildfeld
des Auges aufgeteilt und in mindestens einem Teilstrahlengang werden
Mittel zur optischen Informationsselektion angeordnet.
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Von
Nachteil an dieser optischen Konzeption ist insbesondere der erforderliche
Justieraufwand bei der Realisierung der Teilstrahlengänge, die
extrem hohe Lichtbelastung des Patienten und der Umstand, dass sich
aus der Konzeption keine einfachen Ausführungsvarianten ableiten lassen,
woraus ein hoher Geräte-
und Kostenaufwand resultiert. Zudem ist die vorgeschlagene technische
Lösung
für das
Funktionsimaging nur eingeschränkt
brauchbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Bilder vom Untersuchungsobjekt mit geringerer
Lichtbelastung und geringem Justieraufwand aufzunehmen und weitestgehend
helligkeitsunabhängige
Sekundärbilder mit
hoher Eignung für
spektrometrische Untersuchungen des Stoffwechsels und der Mikrozirkulation am
Auge sowie für
das Funktionsimaging zu erzeugen, die einerseits adaptierbar an
die medizinische Fragestellung sind und die Bereitstellung komplexer Sekundärbildinformationen
erlauben aber andererseits auch einfache, praktikable und ausgesprochen kostengünstige Ausführungsvarianten
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass das Beleuchtungssystem mindestens einen Beleuchtungsstrahlengang
mit Mitteln zur gleichzeitigen Beleuchtung des Untersuchungsobjektes
mit mindestens einem Referenzwellenlängenbereich und mindestens
einem Informationswellenlängenbereich
enthält,
dass das bildgebende Aufzeichnungssystem mindestens zwei Farbkanäle aufweist
und jeder der Referenz- und Informationswellenlängenbereiche auf je einen Farbkanal
abgestimmt ist, um von diesem empfangen zu werden, und dass der
mindestens eine Referenzwellenlängenbereich
gegenüber
einer medizinisch relevanten Information aus dem Untersuchungsobjekt
zumindest annähernd
invariant ist und der mindestens eine Informationswellenlängenbereich
für den
Nachweis der medizinisch relevanten Information vorgesehen ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die
Abstimmung auf die Farbkanäle
des z. B. als Farbkamera ausgebildeten Aufzeichnungssystems erfolgt
vorzugsweise derart, dass je ein zur Beleuchtung des Untersuchungsobjektes
dienender Wellenlängenbereich
einem Farbkanal zugeordnet wird.
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Die
vorzugsweise als bildgebende Basis für Messsysteme und für das Funktionsimaging
des Stoffwechsels und der Mikrozirkulation, insbesondere der kapillaren
Gefäßanalyse
dienende erfindungsgemäße Vorrichtung
kann besonders einfach und beleuchtungsseitig mit geringem apparativen
Aufwand realisiert, aber auch als Ausführungsform ausgebildet sein,
die adaptiv an die medizinische Fragestellung angepasst werden kann.
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Durch
die beleuchtungsseitige Begrenzung der Beleuchtungsstrahlung auf
spektrale Abschnitte der Beleuchtungsstrahlung wird die Beleuchtungsbelastung
im Unterschied zu der
DE
38 18 278 C2 erheblich reduziert.
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Einem
geringen apparativen Aufwand förderlich
ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei
der die Mittel zur gleichzeitigen Beleuchtung des Untersuchungsobjektes
eine im Beleuchtungsstrahlengang angeordnete, wellenlängenselektive
optische Filtereinrichtung zur Filterung des gesamten, für die Beleuchtung
des Untersuchungsobjektes eingestrahlten Beleuchtungslichtes aufweisen.
Die Filtereinrichtung kann als Schichtenfilter ausgebildet sein,
dessen Schichtenaufbau mindestens zwei schmale, als Referenz- und
Informationswellenlängenbereiche
dienende Transmissionsbereiche realisiert. Der Schichtenfilter eignet
sich besonders zur Anordnung in einem Abschnitt des Beleuchtungsstrahlenganges
mit parallelem Strahlverlauf.
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Somit
können
bekannte ophthalmologische Imagingsysteme oder herkömmliche
Funduskameras bei Verwendung einer Farbkamera in besonders einfacher
Weise ohne einen Aufbau getrennter Strahlengänge und ohne Justieraufwand über den
ohnehin meistens vorhandenen Filtereinschub nachgerüstet werden.
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Die
Mittel zur gleichzeitigen Beleuchtung des Untersuchungsobjektes
können
aber auch eine wellenlängenselektive
optische Filtereinrichtung zur Filterung des gesamten, für die Beleuchtung
des Untersuchungsobjektes eingestrahlten Beleuchtungslichtes aufweisen,
die aus kreissegmentförmigen
Filterbereichen zusammengesetzt und in der Aperturebene oder einer
dazu konjugierten Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet
ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die optische Filtereinrichtung
aus benachbarten Gruppen von Filterbereichen besteht, und jede Gruppe
die Filterbereiche für
die zu selektierenden Wellenlängenbereiche
enthält.
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Derartige
geometrisch strukturierte Filter sind vor allem bei einer Neukonzeption
eines Imagingsystems oder einer Funduskamera von Vorteil.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Mittel zur gleichzeitigen
Beleuchtung des Untersuchungsobjektes mindestens zwei verschieden
selektierende optische Bandpassfilter aufweisen, deren selektierte
Wellenlängenbereiche die
Referenz- und Informationswellenlängenbereiche bilden. Die Bandpassfilter
sind in getrennten beleuchtungsseitigen Teilstrahlengängen angeordnet, die
von einer gemeinsamen Beleuchtungsquelle ausgehen und zu einem gemeinsamen
beleuchtungsseitigen Strahlengang zusammengeführt sind. Mindestens einer
der Bandpassfilter kann als spektral durchstimmbarer Bandpassfilter
ausgeführt
sein, dessen Ansteuerung mit dem Steuerrechner verbunden ist.
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Ein
derartiger Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet
eine adaptive Sekundärbilderzeugung,
indem die Beleuchtungsbanden vorteilhaft spektral auf die medizinische
Fragestellung und die Farbkanäle
der Farbkamera abgestimmt werden können, sei es durch den Austausch
der Bandpassfilter oder durch die rechnergesteuerte Einstellung
der spektral durchstimmbaren Bandpassfilter. Da die beleuchtungsseitigen
Teilstrahlengänge von
einer gemeinsamen Beleuchtungsquelle kommen, kann auch die Intensität in den
spektral unterschiedlichen Teilstrahlengängen mit bekannten Mitteln
abgeglichen und für
die Aufnahmebedingungen mit der Farbkamera optimiert werden.
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Zur
Erfindung gehört
auch eine Ausführungsform,
bei der die Mittel zur gleichzeitigen Beleuchtung des Untersuchungsobjektes
mindestens zwei, in verschiedenen Wellenlängenbereichen abstrahlende
Beleuchtungsquellen aufweisen, deren Beleuchtungslicht zur Gewährleistung
gleicher geometrischer Beleuchtungseigenschaften in einem gemeinsamen,
auf das Untersuchungsobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahlengang
zusammengeführt
ist. Auch kann es vorteilhaft sein, wenn eine der Lichtquellen spektral
durchstimmbar ist.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, eine in mehreren spektralen Banden abstrahlendende
Lichtquelle einzusetzen.
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Einer
optimalen Ansteuerung des bildgebenden Aufzeichnungssystems dienen
geeignete Mittel zur Intensitätsabstimmung
der Referenz- und Informationswellenlängenbereiche auf die Farbkanäle. Die
Mittel zur Intensitätsabstimmung
können
für veränderbare
Intensitäten
ausgelegt sein und Ansteuereinheiten aufweisen, die mit dem Steuerrechner
verbunden sind, so dass die Intensitätsabstimmung zwischen den Wellenlängenbereichen
während
des Betriebes vorgenommen werden kann.
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Vorteilhaft
können
als bildgebendes Aufzeichnungssystem sowohl Mehr-Chip- als auch Ein-Chip-Farbkameras
vorgesehen sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann zur Durchführung
eines Funktionsimaging in vorteilhafter Weise zusätzlich mit
einer Einrichtung zur Stimulation oder Provokation des Untersuchungsobjektes kombiniert
werden, um dessen Zeitantworten auf biologische oder künstliche
Störungen
als Änderungen der
Mikrozirkulation oder des Stoffwechsels zu untersuchen.
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Eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass in
dem Beleuchtungsstrahlengang ein mit dem Steuer- und Auswerterechner
in Verbindung stehender steuerbarer optischer Lichtmanipulator angeordnet
ist, mit dem der Intensitäts- und/oder Zeitverlauf
eines von einer Beleuchtungsquelle kommenden Primärlichtes
programmtechnisch modifiziert wird, wobei die Modifizierung in zeitlich
definierter Beziehung zu den Einstellungen der Beleuchtungsquelle
sowie der Bildaufnahme und Bildauswertung steht. Ein aus dem Primärlicht durch die
Modifizierung erzeugtes Sekundärlicht
ist schließlich
zur Beleuchtung und zur wahlweisen Stimulation oder Provokation
des Untersuchungsobjektes vorgesehen.
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Durch
die Beeinflussung der Beleuchtung mit Hilfe eines einzigen, in dem
Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Elementes lässt sich
Multifunktionalität
erreichen, indem das in dem Beleuchtungsstrahlengang geführte Licht
in seinen Lichteigenschaften funktionsangepasst verändert wird,
wodurch z. B. auf einen separaten stimulierenden Illuminator und
dessen Einblendung über
einen zusätzlichen
Strahlengang verzichtet werden kann. Aufgrund der beliebig programmierbaren
Ansteuerung des Lichtmodulators wird entschieden, ob das Licht der Beleuchtungsquelle
zur Beleuchtung bzw. zur Stimulierung dient.
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Besonders
vorteilhaft lässt
sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
eines Verfahrens zur Erfassung von örtlichen und/oder zeitlichen
medizinisch relevanten Unterschieden von anatomischen Strukturen
des Auges als Untersuchungsobjekt ausnutzen. Das erfolgt dadurch,
dass von den anatomischen Strukturen gleichzeitig Bilder in den,
zu den beleuchtungsseitig bereitgestellten Referenz- und Informationswellenlängenbereichen zugeordneten
Farbkanälen
aufgenommen werden. Aus den Bildern werden Sekundärbildwerte
für mindestens
ein störungsreduziertes
Sekundärbild
durch Verknüpfung
der Bildwerte von in den Farbkanälen zueinander
konjugierten Bildpunkten erzeugt und den anatomischen Strukturen
im Bild ortsrichtig zugeordnet.
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Ein
derartiges Verfahren kann für
jeden Farbkanal mit der Bildung eines über das Bild geführten Auswertefensters,
bestehend aus mindestens zwei benachbarten Bildpunkten verbunden
sein, deren Grauwerte vor der Erzeugung der Sekundärbildwerte durch
Summation oder Mittelwertbildung zu einem Fensterwert zusammengefasst
werden. Die Erzeugung der Sekundärbildwerte
erfolgt aus zueinander konjugierten Fensterwerten der Farbkanäle. Dabei kann
das Auswertefenster entweder gleitend oder für ein bildpunktreduziertes
Sekundärbild
um mehr als einen Bildpunkt jeweils versetzt über das Bild geführt werden.
Die Auswertefenster für
die Farbkanäle
können
unterschiedliche Fenstergrößen besitzen,
wobei die Erzeugung der Sekundärbildwerte
aus Fensterwerten erfolgt, deren Fenstermittelpunkte zueinander konjugiert
sind.
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Eine
zunehmende Zahl der Bildpunkte innerhalb des Auswertefensters ist
zwar mit einer Verringerung der geometrischen Auflösung verbunden, doch
erhöht
sich vorteilhaft die fotometrische Auflösung. Gleichzeitig werden Fehler
reduziert, die, bedingt durch geometrische Fertigungstoleranzen
bei der Herstellung der fotoelektrischen Sensorflächen, aus Überdeckungsfehlern
resultieren.
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Vorteilhaft
können
durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise auch hochauflösende Ein-Chip-Farbkameras
zur Anwendung kommen, da durch die Fensterbildung die erforderliche
Bildpunktzuordnung zwischen den Farbkanälen verbunden mit einer Erhöhung der
fotometrischen Genauigkeit und Auflösung hergestellt werden kann.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird eine
Sekundärbildfolge
aus nacheinander erzeugten Sekundärbildern gleicher Bildausschnitte
erzeugt und zumindest temporär
bis zum Ende der Auswertung gespeichert, wobei die Sekundärbildfolge
mit Videonorm im kontinuierlichen Beleuchtungslicht aber auch als
Blitzfolge in einer Sitzung oder in mehreren Sitzungen mit größeren Zeitabständen erzeugt
sein kann. Die zu einer Bildfolge gehörenden Sekundärbilder
sollten anhand der Versetzung und/oder Verrollung und/oder Verzerrung der
Originalbilder örtlich
zueinander ausgerichtet werden.
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Die
Sekundärbildfolgen
sind besonders dafür
geeignet, dass aus Zeitfolgen der Sekundärbildwerte gleicher Bildpunkte
oder zusammengefasster Bildwerte gleicher Sekundärbildausschnitte Kenngrößen ermittelt
werden, die Funktionen des Stoffwechsels, des Sehens oder der Mikrozirkulation
oder zeitliche oder örtliche Änderungen
zwischen den Sekundärwerten
einer Sekundärbildfolge
beschreiben. Indem die Sekundärwerte
den anatomischen Strukturen im Originalbild zugeordnet werden, resultieren sehr
aussagefähige
Funktionsbilder. In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Sekundärbildfolgen
auch provozierte oder stimulierte Änderungen des Stoffwechsels,
des Sehens oder der Mikrozirkulation aufzeichnen.
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Zu
den zahlreichen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbaren
Kenngrößen für ein Funktionsimaging
gehören
z. B.:
- – das örtliche
kapillare Pulsvolumen des Blutes
- – örtliche
kritische Perfusionsdrucke bei Intraokulardruckprovokation)
- – Blutvolumen-
Atrophie-, ischämische
Bereiche (avaskuläre
Zonen ohne Fluoreszenzangiogramm ) und
- – Dilatationsfähigkeit
und -dynamik des örtlichen Kapillarblutes
auf Flickerprovokation
- – Dilatations-
und Konstriktionsfähigkeit
und Dynamik von Blutgefäßen auf
andere Gefäßprovokationen
bzw. Stimulierungsreize
- – Ausmaß und Dynamik
funktionell bedingter spektraler Veränderungen nach Stimulierung
oder Provokation der Sehfunktion und des Stoffwechsels.
- – Kenngrößen, die
das Ausmaß und
die Dynamik der Änderungen
der örtlichen
Sauerstoffsättigung als
Antwort auf Provokation oder Stimulierung von Stoffwechsel, Durchblutung
oder/ und Sehfunktion beschreiben.
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Das
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbare Verfahren
kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass während der Erzeugung der Sekundärbildfolgen
die Referenz- und Informationswellenlängenbereiche durch manuellen
Wechsel der wellenlängenselektiven
optischen Filtereinrichtung oder durch die Ansteuerung der spektral
durchstimmbaren Bandpassfilter geändert werden.
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Schließlich ist
es auch möglich,
dass während
der Erzeugung der Sekundärbildfolgen
die Abstimmung der Intensitäten
der Referenz- und Informationswellenlängenbereiche manuell oder durch den
Steuerrechner erfolgt, indem aus den Grauwerten der Farbkanäle oder
aus den Sekundärbildwerten Rückkopplungssignale
gebildet werden, die die Abstimmung der Intensitäten steuern und optimieren.
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Durch
die Abstimmung der spektralen Charakteristik der Transmissionswellenlängen lassen sich
z. B. zeitliche und örtliche Änderungen
des Blutvolumens, der Sauerstoffsättigung oder verschiedener
Stoffkonzentrationen, wie Pigmente darstellen. Über die Sekundärbilder
mehrerer Einzelaufnahmen mit jeweils gleicher Referenzwellenlänge aber
verschiedenen Informationswellenlängen können in bekannter Weise auch
verschiedene, sich spektral überlappende
Stoffkonzentrationen bzw. Schichtdicken bestimmt und in einem Bild
falschfarbenkodiert dargestellt werden, wie z. B. die Sauerstoffsättigung. Dabei
werden vorzugsweise mehr als 2 Wellenlängenbereiche verwendet, die
zu einem komplexen Sekundärbild
verrechnet werden.
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Zur
Heraushebung von örtlichen
Veränderungen
in den Sekundärbildern
können übliche Verfahren
der Bildanalyse auf das Sekundärbild
angewendet werden, wie z. B. Differenzbildungen, Schwellwerttechniken
oder Falschfarbendarstellungen oder Partikelverfolgungstechniken
zur Bestimmung von Partikelgeschwindigkeiten bzw. deren Vektorfelder.
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Aus
den Sekundärbildfolgen
lassen sich das Pulsvolumen, die Pulsform, die Pulsphasenverschiebung,
die Zellengeschwindigkeit und der Geschwindigkeitsvektor sowie der
Zellenfluss in Abhängigkeit vom
Bildort ermitteln und zu Messwertbildern (Messwertmapping) zusammenstellen.
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Die
obenstehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs
genannten Art gelöst,
bei dem das Untersuchungsobjekt gleichzeitig mit mindestens zwei
Wellenlängenbereichen
einer Beleuchtungsstrahlung beleuchtet wird, die auf je einen Farbkanal
einer zur Aufnahme der Bilder dienenden Farbkamera abgestimmt sind, wobei
einer der Wellenlängenbereiche
gegenüber
einer medizinisch relevanten Information zumindest annähernd invariant
ist und ein anderer für
den Nachweis der medizinisch relevanten Information vorgesehen ist,
und bei dem aus mindestens zwei Bildern von den anatomischen Strukturen
mindestens ein Sekundärbild
erzeugt wird, indem aus Bildwerten von Bildpunkten, die in den Farbkanälen zueinander
konjugiert sind, Sekundärbildwerte
erzeugt werden, die den anatomischen Strukturen in einem der Bilder ortsrichtig
zugeordnet werden.
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Ein
derartiges Verfahren kann für
jeden Farbkanal mit der Bildung eines über das Bild geführten Auswertefensters
bestehend aus mindestens zwei benachbarten Bildpunkten verbunden
sein, deren Grauwerte vor der Erzeugung der Sekundärbildwerte durch
Summation oder Mittelwertbildung zu einem Fensterwert zusammengefasst
werden. Die Erzeugung der Sekundärbildwerte
erfolgt aus zueinander konjugierten Fensterwerten der Farbkanäle. Dabei kann
das Auswertefenster entweder gleitend oder für ein bildpunktreduziertes
Sekundärbild
um mehr als einen Bildpunkt jeweils versetzt über das Bild geführt werden.
Die Auswertefenster für
die Farbkanäle
können
unterschiedliche Fenstergrößen besitzen, wobei die
Erzeugung der Sekundärbildwerte
aus Fensterwerten erfolgt, deren Fenstermittelpunkte zueinander konjugiert
sind. Dabei kann das Auswertefenster, wie bereits ausgeführt, entweder
gleitend oder für
ein bildpunktreduziertes Sekundärbild
um mehr als einen Bildpunkt jeweils versetzt über das Bild geführt werden.
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Eine
bevorzugte Verknüpfung
der Bildwerte zueinander konjugierter Pixel oder Auswertefenster zwischen
den Farbkanälen
ist die Division, die zu helligkeitsunabhängigen Sekundärbildern
führt.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung des Aufbaus einer ersten Ausführung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 die
Lage selektierter Wellenlängenbereiche
in den Farbkanälen,
wenn die beleuchtungsseitig bereitgestellten Wellenlängenbereiche
hinsichtlich einer farblichen Übereinstimmung
auf die Farbkanäle
abgestimmt sind
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3 einen
aus kreissektorförmigen
Filterbereichen mit unterschiedlichen Filtereigenschaften zusammengesetzten,
geometrisch strukturierten Filter
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4 die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß 1 mit
einer zusätzlichen
Einrichtung zur Stimulation oder Provokation des Untersuchungsobjektes
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5 eine
dritte Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer vereinfachten Darstellung
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6 eine
vierte Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer vereinfachten Darstellung
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Das
erste Ausführungsbeispiel
stellt eine einfache und ausgesprochen kostengünstige erfindungsgemäße Ausführung zur
helligkeitsunabhängigen
Darstellung des Blutvolumens dar. Die Vorrichtung besteht aus den
Elementen einer beliebigen Netzhautkamera, wobei in einen gemeinsamen
Beleuchtungsstrahlengang 1 eines Beleuchtungssystems, das
mindestens eine Beleuchtungsquelle 2 enthält, ein
erfindungsgemäßes Filter 13 eingebracht wird,
das erfindungsgemäß auf eine
elektronische Farbkamera 8 spektral, wie nachfolgend noch
beschrieben, abgestimmt ist. Die elektronischen Bilder werden einer
Steuer- und Auswerteeinheit, wie z. B. einem Steuer- und Auswerterechner 9 zugeführt, der der
Erzeugung von Sekundärbildern
und Funktionsbildern sowie deren Präsentation und vorteilhafter auch
deren patientenbezogenen Speicherung dient. Die anderen Elemente
in 1, die den Beleuchtungsstrahlengang 1 und
den Aufzeichnungsstrahlengang 4 bilden, sind von der Netzhautkameratechnik
her bekannt. Zu den Elementen gehört unter anderem ein Lochspiegel 3,
durch dessen zentrale Öffnung
ein Aufzeichnungsstrahlengang 4 verläuft. Über einen, die zentrale Öffnung umschließenden Bereich ist
das Beleuchtungslicht durch hier nicht dargestellte optisch abbildende
Elemente auf das Untersuchungsobjekt, hier den Augenhintergrund 5 gerichtet. Vom
Augenhintergrund 5 reflektiertes Licht gelangt über den
Aufzeichnungsstrahlengang 4 und über wiederum nicht dargestellte
optisch abbildende Elemente zu einem bildgebenden Aufzeichnungssystem,
wofür im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
die Farbkamera 8 vorgesehen ist, deren Kamerasteuerung
mit der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit, insbesondere dem
Steuer- und Auswerterechner 9 verbunden ist. Auch ein Netzteil 12,
welches zur Stromversorgung der beiden Beleuchtungsquellen 2 und 7 dient,
ist mit dem Steuer- und Auswerterechner 9 verbunden und
ebenso entsprechende Kippspiegelansteuerungen.
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Es
ist für
die Erfindung unerheblich, ob nur eine kontinuierliche Beleuchtungsquelle 2 oder
nur eine Blitzbeleuchtungsquelle 7 vorgesehen oder ob die
beiden Quellen, wie in 1, gemeinsam verwendet werden,
ebenso auch deren Einkopplung in den gemeinsamen Beleuchtungsstrahlengang 1,
die in diesem Fall über
einen Klappspiegel 6 in klassischer Weise erfolgt. Auch
ein weiterer Aufzeichnungsstrahlengang mit einer weiteren Kamera 10, die über einen
Kippspiegel 11, dessen Ansteuerung ebenfalls rechnergesteuert
ist und je nach der Untersuchungsaufgabe alternativ zur Bildaufnahme
mit der Farbkamera 8 bereitgestellt werden kann, ist für die Erfindung
nicht zwingend erforderlich.
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Die
Bilder der Farbkanäle
der Referenz- und Informationswellenlängenbereiche werden dem erfindungsgemäßen Verfahren
entsprechend zu Sekundärbildern
verarbeitet. Dazu werden in den einzelnen Kanälen jedes Farbbildes Auswertefenster gebildet,
deren Bildwerte zu einem Fensterbildwert aufsummiert werden. Die
zueinander konjugierten Fensterbildwerte der Bilder in den einzelnen
Farbkanälen
eines gleichzeitig aufgenommenen Farbbildes werden durcheinander
dividiert und ergeben Sekundärbildwerte,
die bildrichtig zu Sekundärbildern
zusammengesetzt werden. Dazu werden die Auswertefenster über die
Bilder geführt.
Für die
Erfindung ist es dabei zunächst
unerheblich, wie groß die Auswertefenster
sind und wie die Fensterwerte und die Sekundärbildwerte berechnet werden,
da diese Berechnung entsprechend der Applikation sehr unterschiedlich
sein kann. Unterschiedliche Applikationsprogramme legen die Berechnungsvorschriften
und Fenstergrößen entsprechend
der medizinischen Fragestellung fest. Die Bildung der beschriebenen
Quotientenbilder aus den Fensterwerten stellt eine vorteilhafte
Ausführung
dar, die zu helligkeitsunabhängigen
Sekundärbildern
führt. Über den
Klappspiegel 6 lassen sich wahlweise kontinuierliche Bildfolgen
mit der kontinuierlichen Beleuchtungsquelle 2 oder geblitzte
Farbbilder aufnehmen, aus denen man diskontinuierliche Sekundärbildfolgen
oder Einzelsekundärbilder
oder kontinuierliche Sekundärbildfolgen
erzeugen kann.
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Die
Auswertung einzelner geblitzter Sekundärbilder kann zur Darstellung örtlicher Änderungen des
Blutvolumens eingesetzt werden, z. B. zum Auffinden avaskulärer Bereiche
am Augenhintergrund oder ischämischer
Bereiche auf der Papille. Da die Sekundärbilder von der Helligkeit
unabhängig
sind, kann dieses Ausführungsbeispiel
benutzt werden, um pathologische oder therapeutische Verlaufsveränderungen
zwischen verschiedenen Sitzungen mit hoher Reproduzierbarkeit zu
quantifizieren bzw. zu dokumentieren. Beispiele sind die Früherkennung beginnender
Papillenabblassung bzw. Quantifizierung atrophischer Papillenveränderungen
und deren Veränderungen,
wie z.B. beim Glaukom.
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Geblitzte
oder kontinuierliche Bildfolgen Eine weitere Anwendungsmöglichkeit
ist die Aufnahme geblitzter oder kontinuierlicher Bildfolgen für das Funktionsimaging.
Dabei werden die Zeitverläufe einzelner
oder zusammengefasster Sekundärbildwerte
aus den Bildfolgen ausgewertet und klinisch relevante Kenngrößen der
Zeitverläufe
berechnet, die dann wieder bildrichtig in Funktionsbildern zusammengefasst
dargestellt werden. Solche Kenngrößen werden vorteilhaft derart
gebildet, dass sie Funktionen beschreiben. So kann man die Pulsamplitude von
kapillaren, prä-
und postkapillaren Netzhautgefäßen und
deren Änderungen
vor und nach Ereignissen oder Provokationen oder im Krankheits-
oder Therapieverlauf bestimmen und örtlich aufgelöst in einem
Funktionsbild zusammenstellen. Dazu kann es von Vorteil sein, die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Provokationsmethode zu kombinieren, wie z.B. mit einem
Ophthalmo-Okulo-Dynamometer zur Erhöhung des Intraokulardruckes
mittels Saugnapf. Avaskuläre
Kapillarzonen, die man sonst nur mittels invasiver Fluoreszenzangiografie
bestimmen kann, werden nunmehr nichtinvasiv erkennbar und in den
Funktionsbildern örtlich
abgrenzbar. Stellt man die Pulsamplituden während Intraokulardruckerhöhung beim
Glaukom oder bei provozierter (künstlicher)
Erhöhung
dar, kann man kritische Perfusionsdrucke anhand zusammenbrechender
Pulsationsamplituden in ihrer örtlichen
Zuordnung und Abgrenzung darstellen und u.a. auch die Erfassung
von Hirndruckwerten objektivieren.
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Gemäß der Erfindung
ist ausgehend von der spektralen Charakteristik der Farbkamera 8 in
den Beleuchtungsstrahlengang 1 ein Filter 13 eingesetzt, das
zur gleichzeitigen farblich unterschiedlichen Beleuchtung des Untersuchungsobjektes
mindestens zwei Wellenlängenbereiche λi (i
= A, B, C) als Referenz- und Informationswellenlängenbereiche erzeugt, von denen
jeder auf einen der Farbkanäle
FKj (j = 1, 2, 3) der Farbkamera 8 hinsichtlich
einer farblichen Übereinstimmung
entsprechend 2 abgestimmt ist.
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Sofern
keine eindeutige Zuordnung der Wellenlängenbereiche λi zu
den Farbkanälen
FKj möglich ist,
und ein Farbkanal FKj Farbsignalanteile
aus einem nichtzugeordneten Wellenlängenbereich λi empfängt, lassen
sich Fehlinterpretationen infolge dieser Bereichsüberschneidungen
durch Hinzunahme eines weiteren Wellenlängenbereiches λi vermeiden.
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Als
optische Filter 13 eignen sich Schichtenfilter, wie Dualbandpassfilter
bis hin zu Triplebandpassfilter oder ein aus kreissektorförmigen Filterbereichen
KS mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften zusammengesetzter,
geometrisch strukturierter Filter, dessen Kreissektoren gleiche
oder unterschiedliche Sektorflächeninhalte
aufweisen können.
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Während erstere
besonders zur nachträglichen
Integration bevorzugt in einem Abschnitt mit parallelem Strahlenverlauf
im Beleuchtungsstrahlengang 1 von bereits aufgebauten Systemen
geeignet sind, besitzen die Kreissektorfilter mit geometrischer Farbzusammensetzung
den Vorteil der einfachen Herstellbarkeit ohne aufwändige Schichtenberechnung.
Auch können
mit diesen Filtern die Intensitäten der
zur Beleuchtung vorgesehenen Wellenlängenbereiche λi auf
einfache Weise über
die Größe der Sektorflächen gesteuert
werden. Voraussetzung für
die beabsichtigte Bandpassfilterwirkung der Kreissektorfilter ist
jedoch, dass diese in der Nähe
der Aperturebene angeordnet werden, wodurch das durch den Filter 13 hindurchtretende
Beleuchtungslicht gefiltert auf das gesamte Bildfeld gebracht wird,
ohne dass eine Abbildung der Farben, hier auf den Augenhintergrund 5,
erfolgt.
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Ferner
sollten die kreissektorförmigen
Filterbereiche KS entsprechend der vorgesehenen Anzahl der Wellenlängenbereiche λi abwechselnd
in einem möglichst
feinen Raster angeordnet sein (3). Die Filterbereiche
KS sind dazu entsprechend der Anzahl der Wellenlängenbereiche λi in
Gruppen G zusammengefasst, die zueinander benachbart angeordnet sind.
Im einfachsten Fall von zwei Wellenlängenbereichen λA und λB wechseln
sich zwei verschiedene Filterbereiche KS (λA) und
KS (λB) einander ab. Entsprechend handelt es sich
bei drei Wellenlängenbereichen λA, λB und λC um
Dreiergruppen.
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Dadurch
können
Fehlmessungen vermieden werden, wenn es durch Dezentrierung der
Vorrichtung zu einer relativen Verschiebung der Eintrittspupille
gegenüber
dem Untersuchungsobjekt kommt. Bei großflächiger Verteilung der filternden
Kreissektoren besteht die Gefahr, dass unterschiedliche Farbanteile
unterschiedliche Bereiche des Untersuchungsobjektes überlagern,
wodurch gravierende Fehler beim Nachweis der Intensitätsverhältnisse auftreten
können.
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Die
Kreissektorfilter besitzen weiterhin den Vorteil, dass mit der Größe der Sektorflächen relativ zueinander
die Intensität
der Wellenlängenbereiche λi in
weiten Bereichen gesteuert werden kann. Es kann Gleichheit der Intensitäten, aber
auch, wenn der Augenhintergrund 5 als Untersuchungsobjekt
es erfordert, ein Intensitätsunterschied
hergestellt werden.
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Dieser
Effekt kann bei den Schichtenfiltern erreicht werden, wenn im Beleuchtungs-
oder im Aufzeichnungsstrahlengang 1 oder 4 zusätzliche
Mittel zur wellenlängenbereichsabhängigen Intensitätsabschwächung, wie
z. B. Kantenfilter zum selektiven Abgleich vorgesehen sind.
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Gemäß der Erfindung
können
als Farbkameras sowohl Mehr-Chip- als
auch Ein-Chip-Farbkameras verwendet werden.
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Ein-Chip-Farbkameras,
bei denen Mosaikfilter rot-, grün
und blauempfindliche Pixel auf dem CCD-Element definieren und ein
Farbbildpunkt aus einer Kombination von grün-, rot- und blauempfindlichen
Pixeln besteht, sind dann als Farbkameras für die Anwendung der Erfindung
geeignet, wenn die Größe eines
Farbbildpunktes der Größe der kleinsten
nachzuweisenden bzw. zu verarbeitenden Struktur entspricht.
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Dabei
haben Ein-Chip-Farbkameras zum Einen den Vorteil, preisgünstig zu
sein. Andererseits verfügen
sie über
eine wesentlich höhere
Anzahl von Pixeln im Vergleich zu Mehr-Chip-Farbkameras, wodurch die Möglichkeit
besteht, durch Verringerung der vorhandenen hohen geometrischen
Auflösung erforderlichenfalls
eine hohe fotometrische Auflösung
zu erzielen, indem mehrere Farbbildpunkte zu einem fotometrischen
Messpunkt durch Summation oder Mittelung über diese Farbbildpunkte zusammengefasst
werden. Voraussetzung ist, dass die Farbanteile der im Untersuchungsobjekt
vorhandenen Strukturen aufgrund einer stochastischen Verteilung
richtig wiedergegeben werden. Auf diese Weise lässt sich eine fotometrische
Auflösung
erzielen, die für
ein kapillares Funktionsimaging geeignet ist.
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In
einer zweiten Ausführung
der Erfindung ist gemäß 4 in
dem gemeinsamen Beleuchtungsstrahlengang 1 zusätzlich zum
Filter 13 ein mit einem elektronischen Ansteuermodul 14 verbundener
steuerbarer optischer Lichtmanipulator 15 angeordnet, wobei
das Ansteuermodul 14 eine Schnittstelle zu dem Steuer-
und Auswerterechner 9 aufweist.
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Der
programmtechnisch auf vielfache Weise steuerbare Lichtmanipulator 15 stellt
ein für
sämtliche
Beleuchtungsquellen zur Verfügung
stehendes gemeinsames Element dar, das durch Modifizierung primären Lichtes,
hier der kontinuierlich abstrahlenden Beleuchtungsquelle 2 und
der Blitzbeleuchtungsquelle 7, Sekundärlicht erzeugt, welches entsprechend
der programmierten Ansteuerung des Lichtmodulators 15 zur
Beleuchtung und/oder wahlweise zur Stimulierung oder Provokation
dient.
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Somit
lässt sich
durch die Beeinflussung der Beleuchtung mittels eines einzigen,
in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Elementes Multifunktionalität erreichen,
indem das in dem Beleuchtungsstrahlengang geführte Licht in seinen Lichteigenschaften
funktionsangepasst verändert
wird.
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Bei
der in 5 dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dem Beleuchtungsstrahlengang 1 eine Strahlaufteilung
vorangestellt, mit der das Beleuchtungslicht durch Spektralteiler 16 zu
gleichen Anteilen in Teilstrahlengänge TS getrennt und anschließend durch
Spektralteiler 17 wieder vereint wird. Durch die spektrale
Aufteilung weist das Beleuchtungslicht in den Teilstrahlengängen TS
unterschiedliche spektrale Eigenschaften auf, die durch in den Teilstrahlengängen TS
angeordnete Bandpassfilter 18, 19, 20 auf
je einen der Farbkanäle
FKj (j = 1, 2, 3) der Farbkamera 8 hinsichtlich einer
farblichen Übereinstimmung
entsprechend 2 abgestimmt sind.
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Die
Bandpassfilter 18, 19, 20 können entweder
feste spektral selektierende Eigenschaften aufweisen und austauschbar
sein oder aber sie sind als spektral durchstimmbare Bandpassfilter
ausgebildet, deren Ansteuerungen mit dem Steuer- und Auswerterechner 9 verbunden
sind. Aufgrund der daraus resultierenden Durchstimmbarkeit der Spektralbereiche
während
des Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung
lassen sich Bildfolgen mit spektral verschiedenen Filterkombinationen
aufnehmen.
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Ferner
sind in den Teilstrahlengängen
TS Mittel zur Intensitätsabstimmung
in Form von abschwächenden
Filtern 21, 22, 23 angeordnet, mit denen
die spektral unterschiedlichen Teilstrahlen auf die Farbkanäle FKj der Farbkamera abgestimmt werden können, so
dass diese im näherungsweise
gleichen Grauwertbereich liegen. Auch die Intensitätsabstimmung
kann über
den Steuer- und Auswerterechner 9 steuerbar sein, wofür die Ansteuerungen
der Filter 21, 22, 23 mit diesem verbunden
sind. Die Filter 21, 22, 23 können aber
auch feste Einstellungen aufweisen und austauschbar sein.
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Bei
der in 6 dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird über
Einkoppelspiegel 24, 25, 26 Beleuchtungslicht
von spektral unterschiedlich abstrahlenden Beleuchtungsquellen 2', 2'', 2''' zur Gewährleistung
gleicher geometrischer Beleuchtungseigenschaften in den auf das
Untersuchungsobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahlengang 1 eingekoppelt.
Die Beleuchtungsquellen 2', 2'', 2''' sind über den
Steuer- und Auswerterechner 9 ansteuerbar, indem deren
Netzteil 12 mit letzterem verbunden ist. Dabei können die
Lichtquellen sowohl als kontinuierliche oder im Blitzbetrieb arbeitende
Lichtquellen sein.
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Erfindungsgemäß kann dann
durch eine Ablaufsteuerung im Wechsel mittels Lichtmanipulator 15 stimuliert
und anschließend
oder während
der Stimulierung die erfindungsgemäße Beleuchtung und Aufzeichnung
wie beschrieben erfolgen.
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Vorteilhafterweise
kann man eines oder mehrere der Elemente über den Steuer- und Auswerterechner 9 ansteuerbar
gestalten. Dazu gehören
die Spektralteiler 16, 17 aus 5 oder
die Einkoppelspiegel 24 bis 26, die dann als Klappspiegel
ausgebildet sind. Der Vorteil besteht darin, dass man das vorgesehene
Stimulierungslicht und das Aufzeichnungslicht unterschiedlich zusammensetzen
kann. Diese erhebliche Erweiterung der Applikationsmöglichkeiten
durch Variation der Spektralbereiche wird noch durch die Ausführung von
mindestens einem Filter als steuerbaren Spektralfilter erhöht.
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Erfindungsgemäß kann eine
Rückkopplung zwischen
Signalen der Farbkamerakanäle
zur Einstellung der lichtabschwächenden
Filter 21, 22, 23 hergestellt werden, über die
sich die Spektralanteile für
eine optimale Kameraaussteuerung, die individuellen Messbedingungen
und Patientenaugeneigenschaften berücksichtigend optimieren lassen.
Bekannt ist der Einsatz von Filtern zur Abstimmung bzw. Optimierung
einzelner Farbkanäle,
wie z.B. der Einsatz von Farbglasfiltern zur Reduzierung des Infrarot-/Rotanteiles.
Der Einsatz von elektronisch steuerbaren intensitätsschwächenden
Elementen in den Farbkanälen,
mit denen während
des Betriebes der Vorrichtung die Farbabstimmung geändert werden kann,
hat den Vorteil, optimale Einstellungen für unterschiedliche Fundusbereiche
(Papille, Makula und restliche Fundusbereiche) nacheinander zu erzielen, je
nach Fragestellung der Untersuchung. Der Vorteil der letzten Ausführungsbeispiele
gegenüber
dem einfachen Beispiel nach 1 besteht
in der hohen funktionellen und individuellen Adaptivität der erfindungsgemäßen Lösung.