DE102005011121A1

DE102005011121A1 - Verfahren zum optimierten Einstellen der Lichtleistung in der Objektebene bei Auflichtmikroskopen

Info

Publication number: DE102005011121A1
Application number: DE102005011121A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Oelkers; Peter Schalt
Original assignee: Moeller Wedel GmbH
Current assignee: Haag Streit Surgical & Co Kg De GmbH
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: US7505201B2; CH697897B1; US20060087729A1; DE102005011121B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Einstellen der Lichtleistung in der Objektebene bei Auflichtmikroskopen, insbesondere Operationsmikroskopen. Erfindungsgemäß erfolgt eine Überprüfung, ob oder inwieweit eine thermische Gefährdung oder Schädigung der beleuchteten Flächenabschnitte relevant ist, um beim Erreichen eines Schwellwerts die Lichtleistung der Lichtquelle zu regulieren, insbesondere zu begrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum optimierten Einstellen der Lichtleistung in der Objektebene bei Auflichtmikroskopen, insbesondere Operationsmikroskopen.
Primäre Aufgabe des Beleuchtungssystems bekannter Operationsmikroskope ist es, das im Sichtfeld des Operateurs befindliche Gebiet ausreichend hell zu beleuchten. Neben dieser Hauptanforderung gibt es eine Vielzahl weitere Aspekte, die teilweise nur bei bestimmten Anwendungen relevant sind.

Bei dem Operationsmikroskop VM 900 der Firma HS Möller-Wedel International erhält ein Modul für eine koaxiale Kaltlichtbeleuchtung Licht von der Beleuchtungsquelle im Mikroskoparm über einen Lichtleiter. Die Größe des Leuchtflecks in der Objektebene ändert sich bei Verstellung des Mikroskopzooms. Bei der Betrachtung durch das Okular soll das Bild immer gleichbleibend hell erscheinen. Der Leuchtfleck bleibt hierbei aber stets größer als das Sehfeld. Je nach Frontlinsenausführung liegt das Sehfeld z.B. im Bereich zwischen 54,7 mm bis 9,1 mm und das hierzu adäquate Leuchtfeld im Bereich von 68 mm bis 35 mm. Es kann also mit dem dort vorhandenen Beleuchtungszoom das Leuchtfeld zwar verkleinert, jedoch ein vorgegebener minimaler Durchmesser nicht unterschritten werden.

Bei dem Operationsmikroskop Möller Hi-R 1000 ändert sich ebenfalls der Leuchtfelddurchmesser bei Veränderung der Vergrößerung des Mikroskops. Bei hohen Vergrößerungen ist der Leuchtfelddurchmesser grundsätzlich viel größer als eigentlich notwendig. Eine weitere Verkleinerung des Leuchtfelds kann durch eine sogenannte Spotbeleuchtung vorgenommen werden, indem manuell betätigte Blenden in den Beleuchtungsgang einzuführen sind. Zusätzlich enthält das Operationsmikroskop Möller Hi-R 1000 zum Schutz des Patienten und des Anwenders ein UV- und ein IR-Filter.

Da die Helligkeit an den Okularen bei konstanter Beleuchtungsintensität mit zunehmender Vergrößerung abnimmt, ist es von Vorteil, die Beleuchtungsintensität mit zunehmender Vergrößerung zu erhöhen. Dies geschieht gemäß dem Stand der Technik bei konstanter Lichtquellenleistung mit einem sogenannten Beleuchtungszoom, indem die Größe des Beleuchtungsspots dem mit zunehmender Vergrößerung abnehmenden Gesichtsfeld angepaßt wird, um somit die Beleuchtungsintensität im Bereich des Gesichtsfelds zu erhöhen. Letztendlich wird hierdurch erreicht, daß die Helligkeit für den Benutzer an den Okularen wie bei den oben erwähnten Mikroskoptypen über einen gewissen Zoombereich in etwa gleichbleibt. Dieser Vorgang geschieht beim Möller-Wedel-Mikroskop VM 900 automatisch ohne Zutun des Benutzers.

Um die Tiefenschärfe zu erhöhen, können bei einigen Geräten Blenden in den Beobachtungsstrahlengang eingebracht werden. Hierdurch wird zwangsläufig die Helligkeit an den Okularen reduziert, was der Benutzer wiederum durch eine manuelle Erhöhung der Lampenlichtleistung in gewissem Maß nachregeln kann.

Die Größe des Beleuchtungsflecks soll für die meisten Arbeitssituationen geringfügig größer als das Gesichtsfeld sein. Licht jenseits des Gesichtsfelds ist optisch ohne irgendwelchen Nutzen und verringert gegebenenfalls den Kontrast. In bestimmten Situationen ist es weiterhin von Vorteil, die Größe des beleuchteten Gebiets weiter zu verringern, um z.B. Reflexionen an bestimmten chirurgischen Geräten zu minimieren. Hierfür ist die erwähnte manuelle Betätigung einer Blende beim Mikroskoptyp Hi-R 1000 nutzbar.

Die Veränderung der Größe des Beleuchtungsflecks durch einen Beleuchtungszoom oder durch Blenden unterscheidet sich grundlegend. Bei dem Zuziehen einer Blende verändert sich die Intensität im verbleibenden Bereich des Beleuchtungsflecks nicht; bei dem Verkleinern des Beleuchtungsflecks durch einen Beleuchtungszoom erhöht sich jedoch die Intensität im verbleibenden Bereich des beleuchteten Flecks, da die ursprüngliche Ausgangslichtleistung in einem immer kleiner werdenden Bereich sich konzentriert. Abhängig von den verwendeten Lichtleitern und der genutzten Optik sowie den vom Benutzer gewählten Arbeitsabständen ist mit dem Beleuchtungszoom eine gewisse Größe des Beleuchtungsflecks nicht zu unterschreiten, und eine weitere Verkleinerung kann, wie bei den oben geschilderten Mikroskoptypen, nur noch über Blenden realisiert werden.

Potentielle Lichtschädigungen, insbesondere fotochemische Lichtschädigungen durch eine zu intensive Beleuchtung des Operationsmikroskops sind in der Augenheilkunde bekannt. In dieser Disziplin wird daher fast vollständig auf die besonders lichtstarken Xenon-Lichtquellen mit zusätzlich relativ hoher Farbtemperatur verzichtet.

Insbesondere fotochemischen Schädigungen wird in der Augenchirurgie durch Leuchtmittel mit geringer Farbtemperatur und durch optische Filter, die besonders den Lichtanteil unterhalb von 500 nm vermindern, entgegengewirkt. In allen anderen Disziplinen, in denen Operationsmikroskope verwendet werden, wie z.B. der Neurochirurgie, der HNO-Chirurgie und weiteren, sind keine fotochemischen Schädigungen zu erwarten, wobei seit dem Aufkommen von Operationsmikroskopen von der Annahme ausgegangen wird, daß weder direkte noch indirekte thermische Schädigungen durch das Mikroskoplicht induziert werden.

Der momentane Stand der Technik und die Entwicklungen im Bereich der Lichtquellen erlauben die Verwendung kleinerer Lichtleiterquerschnitte. Somit ist es möglich, bei unveränderter Lichtleistung der Lichtquelle durch den Beleuchtungszoom kleinere Lichtflecke zu erreichen und somit bei wiederum unveränderter Lichtleistung der Lichtquelle höhere Intensitäten bei kleinen Lichtflecken bei hoher Vergrößerung zu erzielen.

Dies ist bei unbelebten mikroskopierten Objekten überwiegend von Vorteil. Bei Operationsmikroskopen ergibt sich bei Verwendung der kleineren Lichtleiterquerschnitte und der sich hieraus ergebenden Vergrößerung des Zoombereichs des Beleuchtungszooms bei einfacher Fortschreibung der Gerätetechnik allerdings die Gefahr einer thermischen Gewebeschädigung, die potentiell bei mäßiger Erwärmung über längere Zeit zu Gewebeschädigungen durch Austrocknung führen können. Bei stärkerer Erwärmung besteht darüber hinaus die Gefahr, daß auch in kürzeren Zeiten eine nicht reversible Gewebeschädigung eintritt.

Bisher kommen bei Mikroskopen außerhalb der Augenheilkunde keinerlei Vorrichtungen zur Minimierung der potentiellen Gefahr thermischer Gewebeschädigungen, abgesehen von der Möglichkeit einer manuellen Verringerung der Lampenintensität durch den Chirurgen, zum Einsatz. Da außerhalb der Augenheilkunde-Disziplin nicht die fotochemischen, sondern die thermischen Effekte im Vordergrund stehen, sind bewährte Konzepte aus der Augenheilkundetechnik nicht verwendbar bzw. sinnvoll zu nutzen.

Zusammenfassend stellt sich ein wesentlicher Nachteil heutiger Operationsmikroskope dadurch dar, daß die Helligkeit der Lichtquelle und, sofern vorhanden, der Einsatz von Blenden zur Begrenzung des Beleuchtungsspots nur manuell vom Benutzer einstellbar ist, was bei unsachgemäßer Bedienung zu den erwähnten, für den Patienten kritischen thermischen Effekten führen kann.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur optimierten Einstellung der Lichtleistung in der Objektebene bei Auflichtmikroskopen, insbesondere Operationsmikroskopen anzugeben, welches in der Lage ist, negative thermische Effekte bei der Anwendung des Mikroskops bezogen auf betrachtete und untersuchte Gewebe oder dergleichen Objekte zu vermeiden, wobei außerdem unerwünschtes Streulicht minimiert werden soll und der Kontrast zu verbessern ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren in seiner Definition gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt demnach darin, daß verfahrensseitig beim Vorliegen oder dem Eintreffen kritischer Geräteparameter automatisch eine Begrenzung der Lichtleistung erfolgt, um Gewebeschädigungen zu verhindern. Weiterhin wird eine Regulierung der Lichtleistung der Lichtquelle vorgenommen, um dem Benutzer unabhängig von der Einstellung weiterer Geräteparameter eine konstante Helligkeit an den Okularen zur Verfügung zu stellen. Gleichfalls erfolgt erfindungsgemäß automatisch die bestmögliche Anpassung der ausgeleuchteten Fläche an die Größe des Gesichtsfelds bei optimierter Beleuchtungssituation.

Zur vorerwähnten optimalen Einstellung werden die Geräteparameter Beleuchtungszoom, Arbeitsabstand, die Stellung eventueller Blenden zur Erhöhung der Tiefenschärfe ausgewertet und zur Einstellung des Beleuchtungszooms und von vorhandenen Beleuchtungsblenden sowie der Lichtquellen-Ausgangsleistung herangezogen.
Bei Geräten, deren Lichtquellen bzw. Leuchtmittel innerhalb der Lebens- oder Nutzungsdauer in der Objektebene keine nennenswert alterungsabhängige Leistungsveränderung zeigen, kann die Lichtintensität über die gesamte Nutzungsdauer nach unveränderlichen Algorithmen und Parametern eingestellt werden. In den Fällen, wo dies nicht gegeben ist, besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, entweder die tatsächliche Lichtintensität zu messen oder die alterungsbedingte Veränderung der Lichtintensität über eine Korrekturfunktion, z.B. aus einer Korrekturwerttabelle zu berücksichtigen. Das Einstellen des im jeweiligen Fall vorgesehenen Wertes der Lichtintensität kann z.B. über variable abschwächende Elemente in der Lichtquelle oder dem Mikroskop oder durch Variation der elektrischen Ansteuerung über eine Einstellung der Betriebsspannung bzw. des Betriebsstroms vorgenommen werden.
Zusammenfassend wird bei dem Verfahren zum optimierten Einstellen der Lichtleistung in der Objektebene von Auflichtmikroskopen, insbesondere Operationsmikroskopen, eine automatische Anpassung der ausgeleuchteten Fläche an die jeweilige Größe des Gesichtsfelds unter Berücksichtigung der vorliegenden Mikroskop-Geräteparameter, welche ausgewertet werden, vorgenommen, wobei hierfür Vorgabewerte für die Einstellung des Beleuchtungszooms sowie mindestens einer variablen Blende ermittelt werden.
Weiterhin erfolgt eine Überprüfung, ob oder inwieweit eine thermische Gefährdung oder Schädigung der beleuchteten Flächenabschnitte relevant ist, um beim Erreichen eines Schwellwerts die Lichtleistung der Lichtquelle zu regulieren, insbesondere zu begrenzen. Infolge der vorstehend erläuterten Maßnahmen ist eine thermische Gewebeschädigung im konkreten Anwendungsfall des Mikroskops, z.B. in der Neurochirurgie ausgeschlossen.
Als Mikroskop-Geräteparameter für die automatische Anpassung werden die Beleuchtungszoomstellung, der jeweilige Arbeitsabstand und/oder der momentane Vergrößerungsfaktor berücksichtigt.
Ergänzend kann als weiterer Mikroskop-Geräteparameter für die vorerwähnte Anpassung die Stellung einer die Tiefenschärfe ändernden Blende ausgewertet werden.
Grundsätzlich gilt es, die Lichtintensität in der Objektebene auf einen vorgegebenen Wert zu begrenzen. Diese Grenzwertvorgabe erfolgt in Abhängigkeit von der Lichtfleckgröße.
Beim Überschreiten des vorgegebenen Grenzwerts wird die Größe der beleuchteten Fläche verringert.
Die Grenzwertvorgabe für die Lichtintensität kann in Abhängigkeit von den Reflexionseigenschaften des beleuchteten Gebiets erfolgen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Begrenzung der Lichtintensität kurzzeitig oder automatisch zeitgesteuert aufzuheben. Diese Begrenzung kann durch den Benutzer manuell aufgehoben werden, wobei in diesem Fall ein optisches und/oder akustisches Warnsignal erzeugt wird. Dieses Warnsignal kann nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne automatisch ausgelöst werden.
Bei einer manuell aufgehobenen Intensitätsbegrenzung besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, diese Aufhebung nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne zu revidieren.
Bei kleineren Vergrößerungsfaktoren wird die Beleuchtungsfleckgröße primär von der Stellung des Beleuchtungszooms und bei höherer Vergrößerung sekundär von der variablen Blende beeinflußt.

Claims

Verfahren zum optimierten Einstellen der Lichtleistung in der Objektebene bei Auflichtmikroskopen durch automatische Begrenzung der Lichtintensität der ausgeleuchteten Fläche unter Berücksichtigung der vorliegenden Mikroskop-Geräteparameter, wobei hierfür eine Überprüfung erfolgt, ob oder inwieweit eine thermische Gefährdung oder Schädigung der beleuchteten Flächenabschnitte relevant ist, um beim Erreichen eines Schwellwerts die Lichtleistung der Lichtquelle zu regulieren, insbesondere zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikroskop-Geräteparameter für die automatische Anpassung die Beleuchtungszoomstellung und/oder der jeweilige Arbeitsabstand berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwertvorgabe in Abhängigkeit von der Lichtfleckgröße erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten des vorgegebenen Grenzwerts die Größe der beleuchteten Fläche verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwertvorgabe in Abhängigkeit von den Reflexionseigenschaften des beleuchteten Gebiets erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Lichtintensität kurzzeitig oder automatisch zeitgesteuert aufgehoben werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Lichtintensität durch den Benutzer manuell aufgehoben werden kann, wobei in diesem Fall ein optisches und/oder akustisches Warnsignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warnsignal oder der Warnhinweis nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne ausgelöst oder erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei manuell aufgehobener Intensitätsbegrenzung diese nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wieder hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die alterungsbedingte Abnahme der Leistung der Lichtquelle berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Lichtquelle meßtechnisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erwartende alterungsbedingte Abnahme der Lichtleistung aus einer gerätespezifischen Korrekturfunktion oder Korrekturtabelle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung der Lichtleistung der Lichtquelle über Abschwächer und/oder durch veränderte elektrische Ansteuerung der Lichtquelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß grundsätzlich die ausgeleuchtete Fläche auf das gesichtsfeldseitige notwendige Maß begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensität in der Objektebene derart eingestellt wird, daß, auch im Sonderfall eines Beleuchtungsflecks, der nicht gesichtsfeldfüllend oder der bezüglich seiner Intensität nicht homogen ist, an den Okularen mindestens über einen gewissen Bereich der Geräteparameter, wie z.B. Arbeitsabstand, Vergrößerungsfaktor, Tiefenschärfen-Blendeneinstellung oder Beleuchtungszoom, ein in etwa konstanter Helligkeitseindruck für den Anwender entsteht.