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Die Erfindung betrifft ein konfokales Abtast-Endoskopsystem mit einer Funktion zur Konfokalbeobachtung sowie ein Verfahren zum Einstellen eines Bildanzeigebereichs.
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Es sind konfokale Abtast-Mikroskopsysteme bekannt, die im Stande sind, Bilder hoher Vergrößerung und hoher Auflösung zu erzeugen. Ein solches konfokales Abtast-Mikroskopsystem ist ausgebildet, einen Laserstrahl auszusenden, der eine Probe in zwei Dimensionen abtastet. Die Bedienperson des konfokalen Abtast-Mikroskopsytems betrachtet die Probe über ein hochvergrößertes und hochaufgelöstes Bild, welches das konfokale Abtast-Mikroskopsystem erzeugt, indem es die Probe mit dem Laserstrahl beleuchtet und den Laserstrahl von der Probe durch eine Lochblende, auch als ”Pinhole” bezeichnet, empfängt, die an einem zu der Probe konjugierten Punkt angeordnet ist. Beispiele für ein solches konfokales Abtast-Mikroskopsystem sind in den Druckschriften
JP 2000-275528A und
JP 2004-138947A beschrieben.
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Bei dem oben genannten konfokalen Mikroskopsystem muss die Bedienperson einen Teil des Gewebes in einer Körperkavität des Objektes mittels eines Endoskops entfernen, damit dieser entfernte Gewebeteil mit dem konfokalen Abtast-Mikroskopsystem betrachtet werden kann. Diese konfokale Betrachtung macht es demnach erforderlich, dass die Bedienperson mit großem Aufwand mittels separater Einrichtungen zum Einen das Gewebe entfernt und zum Anderen das Gewebe betrachtet.
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Aus diesem Grunde besteht der Bedarf an einem Endoskopsystem, das die oben genannte Funktion des konfokalen Abtast-Mikroskopsystems aufweist. Ein solches Endoskopsystem (im Folgenden als konfokales Abtast-Endoskopsystem bezeichnet) ist im Stande, den Aufwand der Bedienperson während der Beobachtung zu reduzieren. Da das konfokale Abtast-Endoskopsystem ausgebildet ist, Licht in zwei Dimensionen auf dem Gewebe zu bewegen, kommt es vor, dass das Licht durch einen Randbereich einer konfokalen Optik tritt, die sich in dem Endoskopsystem befindet. Der Randbereich der konfokalen Optik verursacht nun in größerem Ausmaß Aberrationen als der zentrale Bereich der konfokalen Optik. Dies bedeutet, dass die Lichtsammelwirkung der konfokalen Optik im Randbereich abnimmt. Auflösung und Helligkeit desjenigen Teils eines in der konfokalen Optik erzeugten Bildes, der von dem durch den Randbereich der konfokalen Optik tretenden Licht erzeugt wird, nehmen deshalb ab. So verschwimmt der Randbereich des betrachteten Bildes.
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Die Bedienperson des konfokale Abtast-Endoskopsystems versucht krankhaft verändertes Gewebe beispielsweise anhand von Formveränderungen einer Zelle zu finden, während sie das auf einem Monitor des Endoskopsystems dargestellte Bild betrachtet. Die von der Bedienperson vorgenommene Diagnose kann nun nachteilig beeinflusst werden, wenn infolge der oben beschriebenen Faktoren, die dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem zu eigen sind, in dem betrachteten Bild verschwommene oder unscharfe Teile auftreten.
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Wie im Falle eines normalen Endoskopsystems sollte bei einem konfokalen Abtast-Endoskopsystem der Durchmesser eines Einführrohrs, das in eine Körperkavität eines Patienten eingeführt wird, durch Verkleinerung der konfokalen Optik reduziert werden, so dass die während der Diagnose auftretende Belastung des Patienten verringert wird.
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Eine Verkleinerung der Optik führt jedoch zu einer Verstärkung der außeraxialen Aberration. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass eine Verkleinerung der konfokalen Optik, die einer Verringerung des Durchmessers des Einführrohrs dient, dazu führt, dass der verschwommene Teil in dem betrachteten Bild größer wird. Weist die konfokale Optik Positionsfehler, z. B. eine Dezentrierung, auf, so hat der in dem betrachteten Bild auftretende verschwommene Teil eine um die optische Achse der konfokalen Optik asymmetrische Form. Auch eine solche Beeinträchtigung des betrachteten Bildes kann die von der Bedienperson vorgenommene Diagnose nachteilig beeinflussen.
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Aus den Druckschriften
DE 10 2004 043 049 A1 ,
US 2004/0 122 289 A1 und
US 2004/0 173 738 A1 sind jeweils konfokale Abtast-Endoskopsysteme bekannt, die eine Lichtquelle umfassen, die Licht aussendet, sowie unterschiedliche Abtasteinheiten, die das von der Lichtquelle ausgesendete Licht so ablenken, dass das Licht ein Objekt in zwei Dimensionen senkrecht zur optischen Achse einer Objektivoptik abtastet. Dabei richtet die Objektivoptik das von der Abtasteinheit abgelenkte Licht auf das Objekt. Weiterhin umfassen diese Abtast-Endoskopsysteme jeweils eine in Form eines Austrittsendes eines Einmodenlichtleiters vorliegende Entnahmeeinheit, die nur den Teil des Lichtes entnimmt, der von dem Konvergenzpunkt reflektiert wurde, auf den das Licht objektseitig gebündelt wurde. Zudem umfassen die bekannten Abtast-Endoskopsysteme jeweils eine Bilderzeugungseinheit, die aus dem Teil des Lichts, der von der Entnahmeeinheit entnommen wird, ein Bild erzeugt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein konfokales Abtast-Endoskopsystem anzugeben, das ein zu betrachtendes Bild liefert, das frei von verschwommenen Teilen ist, die von endoskopspezifischen Faktoren verursacht werden.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Indem der Anzeigebereich auf Grundlage der gemessenen Einschlussenergie eingestellt wird, kann das Bild anhand des Lichtes erzeugt werden, das durch einen Teil der Objektivoptik tritt, der eine hohe Auflösung aufweist. Auf diese Weise kann ein Beobachtungszwecken dienendes Bild hoher Qualität erzeugt werden, das keinen verschwommenen oder unscharfen Bereich aufweist, der durch Faktoren verursacht wird, die dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem zu eigen sind. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht der Bedienperson eine zuverlässige endoskopische Betrachtung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung stellt die Bereichseinstelleinheit den Anzeigebereich so ein, dass die Einschlussenergie unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen der Einschlussenergie und der Lateralauflösung der Objektivoptik in dem Anzeigebereich gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist.
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So ist es möglich, das Bild anhand von Licht zu erzeugen, das durch einen Teil der Objektivoptik tritt, der eine Auflösung aufweist, die gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein konfokales Abtast-Endoskopsystem nach Anspruch 14 vorgesehen.
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Mit diesem kann ein Beobachtungszwecken dienendes Bild hoher Qualität erzeugt werden, das keinen verschwommenen oder unscharfen Bereich aufweist, der durch Faktoren verursacht wird, die dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem zu eigen sind. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht der Bedienperson eine zuverlässige endoskopische Betrachtung.
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Ferner ist ein Verfahren zum Einstellen eines von einem konfokalen Abtast-Endoskopsystem erzeugten Bildes nach Anspruch 17 vorgesehen.
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Mit diesem kann ein Beobachtungszwecken dienendes Bild hoher Qualität erzeugt werden, das keinen verschwommenen oder unscharfen Bereich aufweist, der durch Faktoren verursacht wird, die dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem zu eigen sind. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht der Bedienperson eine zuverlässige endoskopische Betrachtung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines konfokalen Abtast-Endoskopsystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen Querschnitt durch das Endstück eines flexiblen Einführrohrs des konfokalen Abtast-Endoskopsystems, der den inneren Aufbau des Endstücks zeigt;
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3 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Einschlussenergie und der lateralen Auflösung einer Objektivoptik des konfokalen Abtast-Endoskopsystems zeigt;
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4 ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Einstellen eines Anzeigebereichs zeigt, der unter der Steuerung einer in dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem befindlichen Einstellvorrichtung durchgeführt wird;
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5 eine beispielhafte Höhenliniendarstellung, die die Verteilung der Einschlussenergie zeigt;
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6 die Verteilung der Einschlussenergie mit einem darübergelegten rechteckigen Rahmen, der den Anzeigebereich darstellt;
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7 die Verteilung der Einschlussenergie und den den Anzeigebereich darstellenden rechteckigen Rahmen für den Fall, dass Komponenten, die in einer konfokalen Beobachtungseinheit in dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem enthalten sind, mit Positionsfehlern behaftet sind;
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8 die Verteilung der Einschlussenergie mit einem darübergelegten achteckigen Rahmen, der den Anzeigebereich darstellt; und
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9 die Verteilung der Einschlussenergie und den den Anzeigebereich darstellenden achteckigen Rahmen für den Fall, dass Komponenten, die in der konfokalen Beobachtungseinheit in dem konfokalen Abtast-Endoskopsystem enthalten sind, mit Positionsfehlern behaftet sind.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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1 ist ein Blockdiagramm eines konfokalen Abtast-Endoskopsystems (im Folgenden einfach als konfokales Endoskopsystem bezeichnet) 500, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Das konfokale Endoskopsystem 500 umfasst ein elektronisches Endoskop 100 mit einem flexiblen Einführrohr 10, das in eine Körperkavität einzuführen ist, um ein Bild von in der Körperkavität vorhandenem Gewebe zu erhalten, einen Prozessor 200, an den das elektronische Endoskop 100 angeschlossen ist, einen Prozessor 300, eine Bereichseinstellvorrichtung 400, die an den Prozessor 200 angeschlossen ist, sowie Monitore 200M und 300M, die an die Prozessoren 200 bzw. 300 angeschlossen sind. Auf den Monitoren 200M und 300M werden von den Prozessoren 200 bzw. 300 ausgegebene Bilder dargestellt.
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Das elektronische Endoskop 100 hat eine Funktion zur Konfokalbeobachtung, nach der Information, die auf ein Bild von in einer Körperkavität vorhandenem Gewebe bezogen ist, unter Verwendung einer konfokalen Optik gewonnen wird, sowie eine Funktion zur Abbildung von Gewebe in einer Körperkavität unter Verwendung einer Bildaufnahmevorrichtung, z. B. eines CCDs. Wie in 1 gezeigt, hat das elektronische Endoskop 100 ein flexibles Einführrohr 10 mit einer Spitze oder einem Endstück 11, eine Einführöffnung 12, in die verschiedenartige Behandlungsinstrumente wie eine Zange eingeführt werden können, einen Halteteil 13, den die Bedienperson im Betrieb des Endoskops 100 hält, eine Bedieneinheit 14 mit verschiedenartigen Tasten und Hebeln, die von der Bedienperson zu betätigen sind, ein Kabel 15, das an den Prozessor 200 anzuschließen ist, sowie ein Kabel 16, das an den Prozessor 300 anzuschließen ist.
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Der Prozessor 200 dient der Konfokalbeobachtung. Der Prozessor 200 enthält eine bilderzeugende und -verarbeitende Einheit 210, die ausgebildet ist, an den Monitor 200M auszugebende Bilder zu erzeugen und zu verarbeiten, und eine Lichtquelleneinheit 220. Der Prozessor 300 dient der Normal- oder Standardbeobachtung. Der Prozessor 300 enthält, eine nicht gezeigte Bildverarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, an den Monitor 300M auszugebende Bilder zu erzeugen und zu verarbeiten.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch das Endstück 11 des flexiblen Einführrohrs 10. Dieser Längsschnitt zeigt den inneren Aufbau des Endstücks 11. Wie in 2 gezeigt ist, befinden sich in dem Endstück 11 eine Konfokalbeobachtungseinheit 50 und eine Standardbeobachtungseinheit 90. Die Konfokalbeobachtungseinheit 50 enthält einen Einmoden-Lichtwellenleiter (im Folgenden einfach als Lichtleiter bezeichnet) 20, eine, Objektivoptik 30, ein Deckglas 31 sowie piezoelektrische Elemente 40A und 40B. Diese Komponenten der Konfokalbeobachtungseinheit 50 sind in einer zylindrischen Fassung 50a gehalten. Die Fassung 50a ist in einem zylindrischen Metallrohr 60 gehalten, dessen Durchmesser etwas größer als der des Rahmens 50a ist, so dass letzterer in dem zylindrischen Metallrohr 60 verschiebbar ist.
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In 2 ist die mit der optischen Achse der Objektivoptik 30 übereinstimmende Achse als Z-Achse definiert. Achsen, die sowohl zueinander als auch zur Z-Achse senkrecht liegen, sind als X- und Y-Achse definiert. Die X-Achse und die Y-Achse definieren eine X-Y-Ebene, auf der die Z-Achse senkrecht steht. Der Lichtleiter 20 ist zwischen den Lichtquelleneinheit 220 und der Objektivoptik 30 angeordnet und dient dazu, Licht zwischen der Objektivoptik 30 und dem Prozessor 200 zu leiten. Die piezoelektrischen Elemente 40A und 40B sind in der Nähe einer Stirnfläche (Schlifffläche, Facette) 21 des Lichtleiters 20 angeordnet. Dabei sind die piezoelektrischen Elemente 40A und 40B so angeordnet, dass ihre Verschiebungs- oder Versetzungsrichtungen senkrecht zueinander liegen (d. h. in X- bzw. Y-Richtung). Bei Anlegen einer Spannung drücken die piezoelektrischen Elemente 40A und 40B jeweils einen Endabschnitt des Lichtleiters 20 in der Nähe von dessen Stirnfläche 21 in X- bzw. Y-Richtung. Entsprechend der durch die piezoelektrischen Elemente 40A und 40B verursachten Bewegung des Endabschnitts des Lichtleiters 21 senkrecht zur optischen Achse der Objektivoptik 30 tastet ein Lichtstrahl, der aus der Stirnfläche 21 des Lichtleiters 20 austritt, die Oberfläche des mit S bezeichneten Gewebes in zwei Dimensionen ab.
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Zwischen einer Außenwand 51 der zylindrischen Fassung 50a und einer Innenwand 61 des zylindrischen Metallrohrs 60 befinden sich eine Schraubenfeder 70 und eine Formgedächtnislegierung 80. Die Außenwand 51 und die Innenwand 61 liegen parallel zur X-Y-Ebene. Die Formgedächtnislegierung 80 verformt sich, wenn bei Umgebungstemperaturen eine äußere Kraft auf sie wirkt, und sie zieht sich in eine gleichsam eingeprägte Form zusammen, wenn sie auf eine Temperatur erwärmt wird, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Temperatur ist. Steigt die Temperatur aus dem in 2 gezeigten Zustand heraus an (d. h. wird die Formgedächtnislegierung 80 erwärmt), so zieht sich die Formgedächtnislegierung 80 in Z-Richtung zusammen. In dem in 2 gezeigten Zustand ist die Schraubenfeder 70 gegenüber ihrer natürlichen Länge zusammengedrückt. In dem in 2 gezeigten Zustand drückt deshalb die Schraubenfeder 70 die zylindrische Fassung 50a nach vorn, d. h. in Richtung des Endstücks des flexiblen Einführrohrs 50.
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Wird die Formgedächtnislegierung 80 durch Anlegen einer Spannung erwärmt, so zieht sie sich zusammen. Die von der Formgedächtnislegierung 80 ausgeübte Zugkraft ist stärker als die von der Schraubenfeder 70 ausgeübte Druckkraft. Wird die Formgedächtnislegierung 80 erwärmt, so gleitet deshalb die zylindrische Fassung 50 nach hinten, d. h. zu der von dem Deckglas 31 abgewandten Seite. Dabei verschiebt sich ein Lichtkonvergenzpunkt, in dem das durch die Objektivoptik 30 tretende Licht zusammenläuft, in Z-Richtung. Auf diese Weise kann eine Lichtabtastung in Z-Richtung vorgenommen werden.
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Im Folgenden wird die Bilderzeugung durch die Konfokalbeobachtungseinheit 50 erläutert. Der Lichtleiter 20 hat die Funktion, aus der Lichtquelleneinheit 220 stammendes Licht zu leiten und aus der Stirnfläche 21 auszusenden. In diesem Fall dient die Stirnfläche 21 des Lichtleiters 20 als sekundäre Punktquelle. Im Folgenden wird ein Bereich in einer Ebene, die parallel zur X-Y-Ebene liegt, und in der die Stirnfläche 21 durch die piezoelektrischen Elemente 40A und 40B bewegt wird, als ”Ablenkebene” bezeichnet.
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Das aus der Stirnfläche 21 ausgesendete Licht tritt durch die Objektivoptik 30 und das Deckglas 31, das in Kontakt mit dem Gewebe S steht, und wird auf das Gewebe S gebündelt. Das an dem Gewebe S reflektierte Licht tritt wiederum durch das Deckglas 31 und die Objektivoptik 30 und kehrt dann zur Stirnfläche 21 zurück. Um Licht von dem Gewebe S zu empfangen, sind die Objektivoptik 30 und der Lichtleiter 20 so angeordnet, dass sich die Stirnfläche 21 im vorderen Brenn- und Fokuspunkt der Objektivoptik 30 befindet. Die Objektivoptik 30 und der Lichtleiter 20 sind demnach so angeordnet, dass in die Stirnfläche 21, die sich an einem bestimmten Punkt in der Ablenkebene befindet, nur Licht eintritt, das von dem Gewebe S an einem Konvergenzpunkt reflektiert wird, der konjugiert zur Stirnfläche 21 ist. Die Stirnfläche 21 hat demnach eine Lichtextraktions- oder Raumfilterfunktion, wodurch nur Licht zur Weiterverarbeitung genutzt wird, das auf das Gewebe S gebündelt wird.
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Das zurück in die Stirnfläche 21 gelangende Licht wird durch den Lichtleiter 20 zu dem Prozessor 200 geleitet. Ein Teil des zurückkehrenden Lichtes wird beispielsweise durch einen Optokoppler zu der bilderzeugenden und -verarbeitenden Einheit 210 geleitet. Die Einheit 210 erzeugt aus dem zurückkehrenden Licht ein Punktbild, lokalisiert dieses Punktbild in einer Position, die der Abtastposition auf dem Gewebe S entspricht, und arbeitet fortgesetzt in dieser Weise, so dass ein Standbild entsprechend einem einzigen Vollbild oder Frame erzeugt wird. Die Einheit 210 nimmt außerdem an dem erzeugten Bild eine vorbestimmte Bildverarbeitung vor. Das verarbeitete Bild wird dann an den Monitor 200M ausgegeben. Die Bedienperson nimmt eine Diagnose an dem Gewebe S vor, während sie das stark vergrößerte und hochaufgelöste Bild des Gewebes S betrachtet, das auf dem Monitor 200M angezeigt wird.
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Die Standardbeobachtungseinheit 90 enthält eine Objektivoptik, durch die aus dem Prozessor 300 stammendes Weißlicht auf das Gewebe S ausgesendet wird, und eine Bildaufnahmevorrichtung (nicht gezeigt). Zur Standardbeobachtung beleuchtet das aus dem Prozessor 300 stammende Licht das Gewebe S. Das an dem Gewebe S reflektierte Licht wird von der in der Standardbeobachtungseinheit 90 enthaltenen Bildaufnahmevorrichtung empfangen. Die Bildaufnahmevorrichtung erzeugt ein Bildsignal, das dem auf ihr erzeugten Bild entspricht, und sendet dieses Bildsignal an den Prozessor 300. Der Prozessor 300 nimmt an dem Bildsignal eine vorbestimmte Bildverarbeitung vor und gibt das verarbeitete Bildsignal an den Monitor 300M aus. Dann wird das Bild des Gewebes S auf dem Monitor 300M angezeigt.
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Im Folgenden wird das Einstellen eines Anzeigebereichs für die Konfokalbeobachtung beschrieben. Üblicherweise wird an einer Objektivoptik ein Auflösungstest mittels eines Auflösungsdiagramms vorgenommen, auf dem mehrere Streifenmuster angeordnet sind. Wird jedoch ein solcher Auflösungstest zum Testen der Auflösung der Konfokalbeobachtungseinheit 50 des konfokalen Endoskopssystems 500 angewandt, in der ein einem einzigen Vollbild oder Frame entsprechendes Bild in Form einer Gruppe von Punktbildern, die durch die auf dem Gewebe S vorgenommene Lichtabtastung gewonnen werden, erzeugt wird, so muss dieser Auflösungstest für jedes einzelne dieser Punktbilder ausgeführt werden. Wie weiter unten beschrieben, wird in diesem Ausführungsbeispiel die Einstellung eines Anzeigebereichs zur Konfokalbeobachtung vorgenommen, ohne dass hierzu ein solcher herkömmlicher Auflösungstest erforderlich ist.
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Ist ein Strahlpunkt, der von der Objektivoptik 30 der Konfokalbeobachtungseinheit 50 auf dem Gewebe S erzeugt wird, nicht ausreichend gebündelt, sondern zerstreut, so nimmt die so genannte Einschlussenergie des an dem Gewebe S reflektierten Lichtes abhängig vom Zerstreuungsgrad des Strahlpunktes ab. Die Einschlussenergie, auch als ”Encircled Energy” bezeichnet, gibt den Teil der an einer beleuchteten Probe (d. h. in diesem Fall dem Gewebe S) reflektierten Lichtintensität an, die auf die Stirnfläche 21 fällt. Die Einschlussenergie stellt also die durch die Stirnfläche 21 entnommene oder extrahierte (raumgefilterte) Lichtintensität dar.
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Im Allgemeinen wird eine Aberration um so stärker, je weiter der betrachtete Punkt von der optischen Achse einer Objektivoptik entfernt ist. Dies bedeutet, dass die Lateralauflösung einer Objektivoptik mit zunehmendem Abstand von deren optischer Achse abnimmt. Dabei bedeutet die Lateralauflösung die in der X-Y-Ebene definierte Auflösung der Objektivoptik 30. Für die Konfokalbeobachtungseinheit 50 kann auch die Auflösung in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Z-Achse, definiert werden, da die Konfokalbeobachtungseinheit 50, wie oben beschrieben, in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Z-Achse, bewegt werden kann. Im Folgenden liegt jedoch das Augenmerk auf der Lateralauflösung.
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Auf dem Gewebe S erzeugt Licht, das durch den Randbereich der Objektivoptik 30 tritt, einen stärker zerstreuten Strahlpunkt als paraxiales oder achsennahes Licht der Objektivoptik 30. Die Einschlussenergie des durch den Randbereich der Objektivoptik 30 tretenden Lichtes wird also kleiner als für paraxiales Licht. 3 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Einschlussenergie und der Lateralauflösung der Objektivoptik 30 zeigt. In 3 bezeichnet die horizontale Achse ein Lateralauflösungsverhältnis und die vertikale Achse ein Einschlussenergieverhältnis. Dabei gibt das Lateralauflösungsverhältnis einen Wert der Lateralauflösung an, der in Bezug auf eine Referenzauflösung mit einem Wert 1 definiert ist (maximale Lateralauflösung, die im Mittelpunkt der Objektivoptik 30 definiert ist). Das Einschlussenergieverhältnis gibt einen Wert der Einschlussenergie an, die in Bezug auf die maximale Einschlussenergie des an der Stirnfläche 21 erhaltenen Lichtes definiert ist. Wie in. 3 gezeigt, stehen die Einschlussenergie und die Lateralauflösung der Objektivoptik 30 in einer bestimmten Beziehung zueinander.
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Da die Lateralauflösung in zwei Komponenten unterteilt werden kann, die in zwei zueinander senkrechten Richtungen definiert sind, und die Einschlussenergie als Lichtintensität pro Einheitsfläche berechnet wird, ist das Quadrat der Lateralauflösung proportional zur Einschlussenergie.
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Auf Grundlage vorstehender Überlegung wird der Anzeigebereich für die Konfokalbeobachtung eingestellt, indem die Einschlussenergie in dem Ablenkbereich gemessen und in dem Ablenkbereich ein Bereich festgelegt wird, in dem die Einschlussenergie größer als ein bestimmter Wert ist. Ein Bild, das innerhalb dieses Anzeigebereichs erzeugt wird, ist hell und hochaufgelöst.
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4 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Einstellen des Anzeigebereichs zeigt. Dieser Prozess wird unter der Steuerung der in dem konfokalen Endoskopsystem 500 vorgesehenen Bereichseinstellvorrichtung 400 durchgeführt. Mit dem Einstellprozess wird beispielsweise begonnen, wenn die Bereichseinstellvorrichtung 400 an dem Prozessor 200 angebracht wird oder dem Prozessor 200, an dem die Bereichseinstellvorrichtung 400 angeschlossen ist, ein Befehl zum Initialisieren der Bereichseinstellung zugeführt wird.
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Wie in 4 gezeigt, werden zunächst aktuelle Einstellungen, die die Justierung des Anzeigebereichs betreffen, initialisiert (Schritt S1). Schritt S1 kann weggelassen werden, wenn die Initialisierung der die Justierung des Anzeigebereichs betreffenden Einstellungen vor der Auslieferung des Endoskopsystems vorgenommen worden sind. In Schritt S3 wird für die Bereichseinstellvorrichtung 400 eine Referenzeinschlussenergie festgelegt. Dabei kann die Referenzeinschlussenergie der Bereichseinstellvorrichtung 400 jedes Mal über ein externes Gerät zugeführt werden, wenn der Einstellprozess durchgeführt wird, oder im Voraus in der Bereichseinstellvorrichtung 400 gespeichert werden. Beispielsweise wird ein Einschlussenergieverhältnis von –5 dB (entsprechend einer Lateralauflösung von etwa 0,56) als Referenzeinschlussenergie definiert. Die Lichtmenge, die einem Einschlussenergieverhältnis von –5 dB entspricht, beträgt etwa 1/3 der Lichtmenge, die dem maximalen Einschlussenergieverhältnis entspricht.
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Dann wird in Schritt S5 die Einschlussenergie gemessen. Die Messung der Einschlussenergie wird vorgenommen, indem eine Referenzprobe Sref durch die Konfokalbeobachtungseinheit 500 beleuchtet und abgebildet wird. Die Referenzprobe Sref ist ein homogenes Material. Beispielsweise kann als Referenzprobe Sref ein wasserlöslicher Anstrich oder eine wässrige Lösung, in der ein fluoreszierendes Material gelöst ist, verwendet werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Einschlussenergie in Form der von der Stirnfläche 21 entnommenen oder extrahierten Lichtintensität gemessen und durch den Lichtleiter 20 von der Einheit 210 empfangen, da der beim Durchtritt durch den Lichtleiter 20 auftretende Lichtverlust vor Erreichen der Einheit 210 nahezu 0 ist und deshalb die Einschlussenergie an der Stirnfläche 21 als die Lichtintensität angesehen werden kann, die von der Einheit 210 empfangen wird. Das Messergebnis wird dann in einem Speicher gespeichert, der sich in der Bereichseinstellvorrichtung 400 befindet (Schritt S7).
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Nachdem die Stirnfläche 21 über die gesamte Ablenkebene bewegt worden ist, d. h. der Abtastvorgang zum Erzeugen eines einem einzigen Vollbild oder Frame entsprechenden Bildes der Referenzprobe Sref beendet ist, führt die Bereichseinstellvorrichtung 400 eine vorbestimmte Berechnung anhand der in ihr gespeicherten Ergebnisse der Messungen der Einschlussenergie aus, um die. Verteilung der Einschlussenergie in der Ablenkebene zu ermitteln. Die Bereichseinstellvorrichtung 400 stellt auf dem Monitor 200M anhand von Höhenlinien ein Bild dar, das die Verteilung der Einschlussenergie darstellt. 5 zeigt ein Beispiel für ein Höhenliniendiagramm, das die Verteilung der Einschlussenergie darstellt. In 5 (und in den folgenden entsprechenden Figuren) entsprechen die X- und die Y-Achse der X-Richtung bzw. der Y-Richtung nach 2. Die Bemaßungen auf der X- und der Y-Achse geben den Abstand (Verschiebungswert) von dem Ursprung an.
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In 5 sind Positionsfehler der in der Konfokalbeobachtungseinheit 50 vorhandenen Komponenten, z. B. der Objektivoptik 30, vernachlässigt. Die auf die Einschlussenergie bezogene Intensitätsverteilung ist deshalb symmetrisch um den Ursprung. Dies entspricht der Anfangsposition oder dem Anfangszustand der Stirnfläche 21, in dem sich diese befindet, wenn von den piezoelektrischen Elementen 40A und 40B keine Kraft auf die Stirnfläche 21 ausgeübt wird. Wie aus 5 hervorgeht, nimmt die Einschlussenergie mit zunehmendem Abstand vom Ursprung ab. Befindet sich die Stirnfläche 21 in ihrem Anfangszustand und weisen die in der Konfokalbeobachtungseinheit 50 vorhandenen Komponenten keine Positionsfehler auf, so fällt die Mittelachse der Stirnfläche 21, d. h. die optische Achse des Lichtleiters 20, mit der optischen Achse der Objektivoptik 30 zusammen.
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Nachdem die in 5 gezeigten Höhenlinien dargestellt worden sind, legt die Bereichseinstellvorrichtung 400 einen Anzeigebereich fest, der die Bedingung erfüllt, dass in ihm die Einschlussenergie gleich oder größer als die Referenzeinschlussenergie ist, und stellt einen Rahmen dar, der geeignet geformt ist, um den Anzeigebereich darzustellen (Schritt S11). Im Allgemeinen hat ein auf dem Monitor 200M dargestelltes Bild eine rechteckige oder quadratische Form. Dementsprechend ist der Rahmen des Anzeigebereichs rechteckig oder quadratisch, wie in 6 gezeigt ist. In 6 stellt der durch eine fette Linie angegebene rechteckige Rahmen den Anzeigebereich dar.
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Nach Schritt S11 wird in dem Prozessor 200 eine Information registriert, die den die vorstehend genannte Bedingung erfüllenden Anzeigebereich betrifft und angibt, wo in dem Anzeigebereich die Einschlussenergie gleich oder größer als die Referenzeinschlussenergie ist (Schritt S13).
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7 zeigt beispielhaft ein Höhenliniendiagramm, das die Verteilung der Einschlussenergie und den den Anzeigebereich darstellenden Rahmen zeigt, wenn die in der Konfokalbeobachtungseinheit 50 vorhandenen Komponenten mit Positionsfehlern behaftet sind. In 7 ist die Verteilung der Einschlussenergie infolge solcher Positionsfehler, z. B. infolge einer Dezentrierung, nicht symmetrisch um den Ursprung. Jedoch stellt der Rahmen den Anzeigebereich geeignet dar, in dem die Einschlussenergie gleich oder größer als die Referenzeinschlussenergie ist.
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Nach dem oben beschriebenen Prozess zum Einstellen des Anzeigebereichs, in dem die den Anzeigebereich betreffende Information in dem Prozessor 200 registriert wird, erzeugt das konfokale Endoskopsystem ein Bild, das dem Anzeigebereich entspricht. Dabei wird in der bilderzeugenden und -verarbeitenden Einheit 210, die aus dem von der Konfokalbeobachtungseinheit 50 über den Lichtleiter 20 übertragenen Licht ein einem einzigen Vollbild oder Frame entsprechendes Bild erzeugt, ein Randbereich dieses Bildes ausgeschnitten oder maskiert, so dass ein dem Anzeigebereich entsprechender Teil des erhaltenen Bildes anhand der vorstehend genannten, den Anzeigebereich betreffenden Information auf dem Monitor 200M dargestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Bewegungsbereich der Stirnfläche 21 auf einen dem Anzeigebereich entsprechenden Bereich beschränkt werden, indem die piezoelektrischen Elemente 40A und 40B in Abhängigkeit der den Anzeigebereich betreffenden Information angesteuert werden, so dass ein dem Anzeigebereich entsprechendes Bild anhand des Lichtes erzeugt werden kann, das aus der in der Einheit 210 enthaltenen konfokalen Beobachtungseinheit 50 stammt.
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Ist einmal der Prozess zum Einstellen des Anzeigebereichs ausgeführt und die den Anzeigebereich betreffende Information erfasst, so ist das konfokale Endoskopsystem 500 im Stande, ein hochaufgelöstes Bild anzuzeigen, das für die Konfokalbeobachtung geeignet ist. Ist die den Anzeigebereich betreffende Information einmal in dem Prozessor 200 registriert, so ist deshalb die Einstellvorrichtung 400 nicht mehr erforderlich. Die Einstellvorrichtung 400 kann deshalb so ausgebildet sein, dass sie lösbar an dem Prozessor 200 oder dem Monitor 200M angebracht ist. Das konfokale Endoskopsystem 500 kann dementsprechend so ausgebildet sein, dass es die Einstellvorrichtung 400 nicht als Standardkomponente aufweist. So sind eine Kostensenkung und eine Verkleinerung des konfokalen Endoskopsystems 50 möglich. In diesem Fall ist es ausreichend, die Einstellvorrichtung 400 nur dann an das konfokale Endoskopsystem 500 anzuschließen, wenn die Anfangseinstellung vor der Auslieferung des Endoskopsystems 50 durchgeführt wird. Alternativ kann die Einstellvorrichtung nur einer Wartungsperson ausgehändigt werden, die dann die Anzeigebereichseinstellung im Rahmen von sich regelmäßig wiederholenden Wartungsdiensten vornimmt.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es sind jedoch auch andere Ausführungsbeispiele möglich. So hat in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Rahmen, der den Anzeigebereich darstellt, eine rechteckige oder quadratische Form. Dieser Rahmen kann jedoch auch eine andere Form haben. So kann der den Anzeigebereich darstellende Rahmen auch eine rechteck- oder quadratähnliche Form aufweisen, wie z. B. eine achteckige Form, die dadurch entsteht, dass die Ecken der rechteckigen oder quadratischen Form gleichsam abgeschnitten werden.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Einschlussenergieverhältnis von –5 dB (entsprechend einem Lateralauflösungsverhältnis von 0,56) als Referenzeinschlussenergie verwendet. Das Einschlussenergieverhältnis von –5 dB entspricht einem minimalen Wert, der erforderlich ist, auf dem Monitor 200M ein Bild darzustellen, das für Endoskopbeobachtungen ausreichend hohe Auflösung und Helligkeit aufweist. Zum Darstellen eines Bildes mit höherer Auflösung und Helligkeit kann beispielsweise ein Einschlussenergieverhältnis von –3 dB (entsprechend einer Lateralauflösung von etwa 0,70) als Referenzeinschlussenergie verwendet werden.
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Die 8 und 9 zeigen beispielhaft Höhenliniendiagramme, die die Verteilung der Einschlussenergie sowie die Rahmen darstellen, die den Anzeigebereich darstellen, der in dem oben beschriebenen Prozess zur Bereichseinstellung in Schritt S11 berechnet wird. In den in den 8 und 9 gezeigten Graphen hat der jeweilige Rahmen eine. achteckige Form. Wie ein Vergleich zwischen den Graphen nach den 6 bis 9 zeigt, weist bei Anwendung einer vergleichsweise hohen Referenzeinschlussenergie das Bild in dem Anzeigebereich eine hohe Einschlussenergie und damit eine hohe Auflösung auf, jedoch ist in diesem Fall der Anzeigebereich verkleinert.
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Das in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellte konfokale Endoskopsystem 500 dient sowohl der Konfokalbeobachtung als auch der Standardbeobachtung. Das konfokale Endoskopsystem 500 kann jedoch auch so ausgeführt sein, dass es nur die Funktion zur Konfokalbeobachtung aufweist. In diesem Fall können die Standardbeobachtungseinheit 90 und der Prozessor 300 weggelassen werden.
