DE102010027905B4

DE102010027905B4 - Videoendoskopsystem und Verfahren zum Betreiben eines Videoendoskopsystems

Info

Publication number: DE102010027905B4
Application number: DE102010027905.6A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Jürgens
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: WO2011131277A1; DE102010027905A1

Abstract

Videoendoskopsystem mit einer Videoeinheit, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse umfasst, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, wobei eine Steuereinheit für die Videoeinheit vorhanden ist, mittels deren ein Auslesen von Bildinformationen aus dem Flächenmatrix-Sensor so steuerbar ist, dass Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbarter Bildpunkte (1, 2) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Blende, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist, umfasst ist und die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Blendenzahl der Blende zu ändern, wenn die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte (1, 2) des Flächenmatrix-Sensors geändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Videoendoskopsystem mit einer Videoeinheit, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse umfasst, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, sowie einen entsprechenden Kamerakopf für ein Videoendoskopsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Videoendoskopsystems und/oder Kamerakopfes.
Es sind verschiedene Videoendoskopiesysteme bekannt. Mit Videoendoskopen. ist es möglich, durch Körperoffnungen oder Operationsoffnungen in den Korperinnenraum bzw. Körperhohlräume einzudringen und optische Aufnahmen in den Korperhohlräumen zu machen.
Entsprechende bekannte Videoendoskopiesysteme weisen am distalen Ende des Endoskopschafts üblicherweise eine bildgebende Optik auf, wobei die durch die Optik bzw. durch eine erste Linse empfangene Bildinformation entweder zu einem Okular am proximalen Ende weitergeleitet wird oder mittels eines ebenfalls am distalen Ende des Schafts angeordneten optischen Sensors erfasst wird und elektronisch zum proximalen Ende des Endoskops weitergeleitet wird. Letztgenannte Systeme mit an der distalen Spitze angeordnetem Sensor werden üblicherweise als „Videoendoskop“ bezeichnet. Bei anderen Endoskopen mit einer Optik erfolgt die Weiterleitung des Lichts im Endoskopschaft zu einem Okular entweder mittels Bündeln von Glasfasern oder mittels einer Reihe von Stablinsen. Alle diese Endoskope und Videoendoskope werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter dem Begriff „Videoendoskopsystem“ zusammengefasst.
Im letztgenannten Fall, dass das Licht durch den Schaft des Endoskops zum proximalen Ende, beispielsweise zu einem Handgriff, des Endoskops weitergeleitet wird, sehen einige Videoendoskopiesysteme vor, dass ein Kamerakopf an einen Handgriff oder ein Okular am proximalen Ende des Endoskopschafts angesetzt wird, der das am proximalen Ende des Endoskopschafts austretende Licht auf einen Bildsensor weiterleitet.
Als Bildsensoren werden üblicherweise CMOS-Sensoren oder CCD-Sensoren eingesetzt. Die Auflösung moderner Videoendoskopsysteme entspricht einem PAL-Signal mit 576 Zeilen, kann aber auch darüber liegen.
Videoendoskopsysteme umfassen in einigen Fällen auch Lichtquellen, beispielsweise LEDs, mit denen die zu untersuchenden Körperhohlräume ausgeleuchtet werden. Sie können auch weitere Kanale im Endoskopschaft aufweisen, beispielsweise zur Durchführung von Instrumenten, beispielsweise Greifinstrumenten, von elektrisch betriebenen Instrumenten, beispielsweise zur Kauterisierung von verletztem Gewebe, oder von Werkzeugen zum Abtragen von Material, beispielsweise für die transurethrale Resektion in der Prostata oder in der Blase.
Eine hohe Auflösung wird angestrebt, um eine möglichst genaue Untersuchung von Gewebe im zu untersuchenden Körper zu ermöglichen. So kann bei hoher Auflösung eine krankhafte Gewebeveränderung besonders gut erkannt werden. Um eine gründliche Untersuchung zu ermöglichen, sind die Videoendoskopsysteme entweder manuell fokussierbar oder verfügen über einen Autofokus.
Entsprechende bekannte Videoendoskopsysteme werden auch für Anwendungen eingesetzt, bei denen nicht nur eine Untersuchung und Begutachtung von Gewebe in Körperhohlräumen erwünscht ist, sondern auch eine Behandlung des Gewebes bzw. eine Einwirkung auf das Gewebe, insbesondere, wenn diese mit schnellen Bewegungen verbunden ist. So ist es beispielsweise bei der transurethralen Resektion der Prostata oder der Blase notwendig, eine HF-Schlinge, die mit einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen ist, mit relativ großen Hüben über eine abzutragende Stelle zu bewegen, wobei der Hub ca. 25 mm betragen kann. Diese Bewegung wird in der Regel mit einer hohen Frequenz durchgeführt, so dass sowohl eine manuelle Nachstellung der Fokussierung als auch ein Autofokus in einem Kamerakopf mit der Bewegung überfordert ist. In der Folge ist eine solche Operation mit herkömmlichen Videoendoskopsystemen nur mit Einbußen in der Bildqualität möglich.
Ferner betrifft EP 0 964 584 A1 einen Kamerakopf, unter anderem für ein medizinisches Endoskop. Der Kamerakopf umfasst eine Linse, einen CCD-Sensor und einen Timer, der dazu geeignet ist, Pixel des Sensors zu summieren und so zu einem Bild mit einer geringeren Auflösung zu kommen.
DE 102 14 809 A1 betrifft eine Festkörpervideokamera und eine Helligkeitsregelung dafür. Zur Steigerung der Bildhelligkeit bzw. der Empfindlichkeit einer endoskopischen Festkörpervideokamera werden die Helligkeitsinformationen benachbarter Pixel zusammengefasst und einem Pixel zugeordnet. Dazu wird vorgeschlagen, den Betriebsmodus der „Pixeladdition“ mit der Verstärkungsregelung der Kamera derart zu koppeln, dass die Verstärkungsregelung jeweils die Helligkeitssprünge, die durch die Pixeladdition entstehen, kompensiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, videoendoskopisch begleitete bzw. durchgeführte Operationen, insbesondere transurethrale Resektionen, bei besserer Bildqualität zu ermöglichen, wobei außerdem auch hochauflösende Gewebeuntersuchungen möglich sein sollen.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Videoendoskopsystem mit einer Videoeinheit, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit mindestens einer Linse, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, umfasst, gelöst, wobei eine Steuereinheit für die Videoeinheit vorgesehen ist, mittels deren ein Auslesen von Bildinformationen aus dem Flächenmatrix-Sensor so steuerbar ist, dass Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbarter Bildpunkte zusammengefasst werden, das dadurch weitergebildet ist, dass eine steuerbare Blende, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist, umfasst ist und die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Blendenzahl der Blende zu ändern, wenn die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte des Flächenmatrix-Sensors geändert wird. Die Steuereinheit kann in das Videoendoskopsystem integriert sein oder die Videoeinheit kann an die Steuereinheit, die auch extern sein kann, anschließbar sein.
Ein Flächenmatrix-Sensor ist erfindungsgemäß beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor oder ein geeigneter anderer bekannter Sensor mit über die Sensorfläche matrixförmig verteilt angeordneten lichtempfindlichen Bildpunkten.
Dadurch, dass das Auslesen von Bildinformationen aus dem Sensor so steuerbar ist, dass Bildinformationen zweier oder mehrerer Bildpunkte zusammengefasst werden, ist der Bereich der Schärfentiefe des ausgelesenen Bildes vergrößerbar. Das liegt daran, dass die Fläche eines jeden effektiv ausgelesenen Bildpunktes gegenüber der vollen Auflösung vergrößert ist, beispielsweise verdoppelt, verdreifacht oder vervierfacht. Bevorzugte Gruppierungen sind beispielsweise Anzahlen von 4, 9 oder 16 Bildpunkten, die in Quadraten von 2, 3 oder 4 Bildpunkten Kantenlänge zusammengefasst und zusammen ausgelesen werden. Da die Fläche der effektiven Bildpunkte somit vergrößert ist, ergibt sich ein größerer Schärfentiefebereich. Dies liegt daran, dass die Zerstreuungskreise, die von weiter von der Fokalebene entfernt liegenden Objektpunkten stammen, auf dem Sensor zwar größer sind als von solchen Objektpunkten, die nahe an der Fokalebene liegen, aber nicht mehr größer sind als die größeren, zusammengefassten Bildpunkte. Die Auflösung wird durch dieses „Binning“ genannte Verfahren zwar absolut reduziert, der Schärfentiefebereich jedoch erhöht.
Da die Anzahl der zusammenzufassenden Bildpunkte bei der Auslese der Bildinformationen steuerbar ist, also auch abgeschaltet werden kann, ist es möglich, mit demselben Videoendoskopsystem sowohl eine hochaufgelöste Untersuchung von Gewebe in einem Hohlraum eines Körpers eines Patienten durchzuführen als auch nach einem Umschalten beispielsweise eine transurethrale Resektion an einer Prostata oder einer Blase durchzuführen. So kann beispielsweise ein „Diagnose-Modus“ ohne Binning bzw. mit einem so genannten „1×1-Binning“ und ein „Therapie-Modus“ mit einem „2×2-Binning“ oder einem höheren Binning vorgesehen sein.
Eine weitere Erhöhung des Bereichs der Schärfentiefe wird erfindungsgemäß erreicht, indem eine steuerbare Blende, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist, umfasst ist und die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Blendenzahl der Blende zu öffnen, wenn die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte des Flächenmatrix-Sensors geändert wird. Die Änderung der Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte bei der Auslese von Bildinformationen führt dazu, dass beispielsweise bei einer Erhöhung der Anzahl von einem auf vier auch die Menge des einfallenden Lichts sich ändert. So erfassen vier Bildpunkte, die zusammengefasst werden, viermal so viel Licht, wie ein einzelner Bildpunkt. Die Bildinformation der zusammengefassten Bildpunkte unterliegt daher einem deutlich geringeren Rauschen als die Bildinformation der einzelnen Punkte. Insofern kann die Blende verkleinert werden, entsprechend einer vergrößerten Blendenzahl, ohne dass das Rauschen im Bild sich gegenüber dem ursprünglichen Zustand ohne Zusammenfassung von Bildpunkten ändert.
Wenn also die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte beispielsweise von eins auf vier erhöht wird, kann die Blendenzahl verdoppelt werden, was einer Halbierung des Durchmessers der Blendenöffnung bzw. einer Reduzierung der Flache der Blendenoffnung auf ein Viertel entspricht. Die Lichtmenge pro ausgelesenem (zusammengefasstem) Bildpunkt bleibt daher gleich, so dass das Rauschen nicht erhoht wird. Gleichzeitig wird sowohl durch die Erhohung der Oberfläche der zusammengefassten Bildpunkte als auch durch die Reduzierung der Blendenöffnung der Schärfentiefebereich vergrößert. Die Reduzierung der Blendenöffnung fuhrt zu einer Verkleinerung der Zerstreuungskreise von außerhalb der Fokus-Ebene angeordneten Objekten, so dass der Bereich der Scharfentiefe durch die Verkleinerung der Blende um einen weiteren Faktor vergroßert wird.
Mit dem vergrößerten Scharfentiefebereich ist es möglich, auch Hube einer HF-Schlinge von beispielsweise 25 mm für eine transurethrale Resektion vollstandig scharf abzubilden.
Während einer Resektion kann das Vorgehen dann so aussehen, dass zunächst im „Diagnose-Modus“ mit voller Auflosung und geoffneter Blende genau untersucht wird, welcher Bereich eines erkrankten Gewebes abgetragen werden muss, wofur die volle Auflosung benötigt wird und eine manuelle oder automatische Fokussierung ausreicht, um dann nach Erfassen des abzutragenden Bereichs auf einen „Therapie-Modus“ mit einer geringeren Auflösung und einer großeren Blendenzahl umzustellen, wodurch der Schärfentiefebereich vervielfacht wird. Mit dem vervielfachten Scharfentiefebereich kann die Resektion ohne Nachfokussieren erfolgen.
Zur Beleuchtung eines von der Videoeinheit erfassten Bereichs ist vorzugsweise eine Lichtquelle vorgesehen.
Das Videoendoskopsystem wird vorteilhaft weitergebildet, wenn eine Bildwiederholungsrate und/oder eine Belichtungszeit des Flächenmatrix-Sensors pro Einzelbild mittels der Steuereinheit einstellbar ist, wobei insbesondere eine Blendenzahl der Blende mittels der Steuereinrichtung an die Belichtungszeit pro Einzelbild anpassbar ist. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, beispielsweise durch eine Verringerung der Bildwiederholungsrate und zusätzlich oder alternativ dazu durch eine Verlängerung der Belichtungszeit pro Einzelbild mehr Licht zu sammeln, wodurch es möglich ist, ohne Erhöhung des Bildrauschens die Blende weiter zu schließen bzw. eine größere Blendenzahl einzustellen, wodurch der Schärfentiefebereich weiter erhöht wird. Alternativ kann wegen der Verringerung der Anzahl der auszulesenden Bildpunkte aufgrund des Binnings die Bildwiederholungsrate gesteigert werden, so dass die schnellen Bewegungen einer HF-Schlinge bei einer transurethralen Resektion genau und ohne Verzögerungen dargestellt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass mittels der Steuereinheit eine optimale Gegenstandsweite und ein Schärfentiefebereich auswählbar sind, wobei die Steuereinrichtung anhand der gewählten optimalen Gegenstandsweite, des gewählten Tiefenschärfebereichs und vorhandener Helligkeitsinformationen vom Flächenmatrix-Sensor automatisch die Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte und die Blendenzahl sowie insbesondere die Bildwiederholungsrate und/oder Belichtungszeit pro Einzelbild einstellt.
Unter der optimalen Gegenstandsweite wird im Rahmen der Erfindung der Abstand der Ebene im Objektbereich, auf die scharf eingestellt ist, von der empfangenden Optik des Videoendoskops verstanden. Die Steuereinrichtung ist somit in der Lage, automatisch Aufnahmeparameter, wie Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte, Blendenzahl und ggf. Bildwiederholungsrate und Belichtungszeit so einzustellen, dass der gewünschte Schärfentiefebereich bezüglich der gewünschten Gegenstandsweite scharf eingestellt und das Bildrauschen gering gehalten wird, um ein klares und verwertbares Bild zu erhalten.
Weiterhin ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass mittels der Steuereinheit bei einer Änderung der Anzahl der beim Auslesen des Flachenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte das optische System auf eine angepasste geanderte optimale Gegenstandsweite einstellbar ist. Mit dieser Maßnahme wird dem Umstand Rechnung getragen, dass bei einer Anderung des Binning die Nahgrenze und die Ferngrenze des Scharfentiefebereichs sich nicht symmetrisch zueinander verschieben. So kann beispielsweise im „Diagnose-Modus“ die optimale Gegenstandsweite etwas großer sein als im „Therapie-Modus“, da im „Diagnose-Modus“ der unmittelbare Nahbereich weniger interessant ist und auf diese Weise die absolute Tiefe des Schärfentiefebereichs auch im „Diagnose-Modus“ etwas erhöht werden kann.
Alle diese Maßnahmen führen dazu, dass eine Operation, wie beispielsweise eine Resektion, vom Operateur bei guter Bildqualitat ausgeführt werden kann. Vorzugsweise ist die Videoeinheit in einen Kamerakopf integriert, der an einem proximalen Ende des Videoendoskopsystems fixierbar anbringbar ist. Ein solcher Kamerakopf enthält sowohl eine Optik, die das aus dem Endoskop austretende Licht auf einen Flächenmatrix-Sensor fokussiert, als auch ggf. eine steuerbare Blende sowie ggf. eine Einstellmöglichkeit für den Fokus, beispielsweise durch verschiebbare optische Elemente oder einen verschiebbaren Sensor. Der Kamerakopf ist in diesem Fall an eine Steuereinheit angeschlossen oder umfasst eine Steuereinheit, die die Auslese des Flächenmatrix-Sensors betreibt und Aufnahmeparameter, die die Zusammenfassung von Bildpunkten bei der Auslese, die einzustellende Blende, das Fokussieren und die Bildwiederholungsrate und die Belichtungszeit pro Einzelbild einstellt.
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Videoendoskopsystem als Resektoskop, insbesondere für transurethrale Resektionen, ausgebildet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch einen Kamerakopf für ein Videoendoskopsystem gelöst, wobei das Videoendoskopsystem insbesondere wie oben beschrieben erfindungsgemäß ausgebildet ist, wobei der Kamerakopf an einem proximalen Ende des Videoendoskopsystems fixierbar anbringbar ist, wobei der Kamerakopf eine Videoeinheit umfasst, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse, mittels dessen ein Bild auf einem lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, umfasst, wobei eine Steuereinheit für die Videoeinheit vorgesehen ist, mittels deren ein Auslesen von Bildinformationen aus dem Flächenmatrix-Sensor so steuerbar ist, dass Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbarter Bildpunkte zusammengefasst werden, der dadurch weitergebildet ist, dass eine steuerbare Blende, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist, umfasst ist und die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Blendenzahl der Blende zu ändern, wenn die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte des Flächenmatrix-Sensors geändert wird. Unter dem Begriff Videoendoskopsystem bzw. Kamerakopf wird im Rahmen der Erfindung auch verstanden, dass diese mit einer entsprechenden externen Steuereinheit verbunden sind oder verbindbar sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird schließlich ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Videoendoskopsystems und/oder eines Kamerakopfes für ein Videoendoskop, die insbesondere wie oben beschrieben erfindungsgemäß ausgebildet sind, wobei das Videoendoskopsystem und/oder der Kamerakopf eine Videoeinheit, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, umfasst, wobei mittels der Steuereinheit gesteuert wird, dass beim Auslesen der Bildinformationen des Flächenmatrix-Sensors die Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbart angeordneter Bildpunkte zusammengefasst werden, wobei das Verfahren dadurch weitergebildet ist, dass die Steuereinrichtung eine an eine Anzahl von beim Auslesen zusammengefassten Bildpunkten angepasste Blendenzahl an einer steuerbaren Blende einstellt, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist.
Dieses als „Binning“ bezeichnetet Verfahren führt, wie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Videoendoskop beschrieben, zu einer Vergrößerung des Bereichs scharf abgebildeter Objekt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Steuereinrichtung eine an eine Anzahl von beim Auslesen zusammengefassten Bildpunkten angepasste Blendenzahl an einer steuerbaren Blende einstellt, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist. Dadurch kann der Bereich der Schärfentiefe ohne stärkeres Bildrauschen weiter erhöht werden.
Wenn vorteilhafterweise die Steuereinrichtung eine Bildwiederholungsrate und/oder eine Belichtungszeit pro Einzelbild einstellt, wobei die Steuereinrichtung insbesondere die Blendenzahl an die Bildwiederholungsrate und/oder die Belichtungszeit pro Einzelbild anpasst, kann durch eine Verringerung der Bildwiederholungsrate bzw. einer Verlängerung der Belichtungszeit ohne Verschlechterung des Bildrauschens ein weiterhin vergrößerter Schärfentiefebereich erreicht werden. Alternativ können durch eine Erhöhung der Bildwiederholungsrate auch schnelle Bewegungen deutlich und verzögerungsfrei und ruckelfrei dargestellt werden.
Vorzugsweise werden mittels der Steuereinheit eine optimale Gegenstandsweite und ein Schärfentiefebereich ausgewählt, wobei die Steuereinrichtung anhand der gewählten optimalen Gegenstandsweite, des gewählten Schärfentiefebereichs und vorhandener Helligkeitsinformationen vom Flächenmatrix-Sensor automatisch die Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte und die Blendenzahl sowie insbesondere die Bildwiederholungsrate und/oder Belichtungszeit pro Einzelbild einstellt. Mit dieser Maßnahme wird sichergestellt, dass der Operateur oder Chirurg jederzeit die an die gewünschten Anwendungen, beispielsweise Gewebeuntersuchungen oder auszuführende Resektionen angepassten optimalen Bild- und Schärfentiefebereiche erhält.
Vorteilhafterweise wird mittels der Steuereinheit bei einer Änderung der Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte das optische System auf eine angepasste geänderte optimale Gegenstandsweite eingestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Videoendoskopsystem, dem erfindungsgemäßen Kamerakopf und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, bei Untersuchungen und Operationen die Bildparameter, die für die verschiedenen Anwendungen nötig werden, flexibel und den Anforderungen entsprechend einzustellen. So kann bei einer Gewebeuntersuchung eine hohe Auflösung und Detailschärfe erreicht werden, während beispielsweise bei einer Resektion, etwa einer transurethalen Resektion, ein großer Schärfentiefebereich einstellbar ist. Dadurch wird dem Operateur oder Chirurgen eine Möglichkeit an die Hand gegeben, beide Aufgaben mittels eines einzelnen Instruments durchzuführen und in jedem Anwendungsbereich die erforderliche Bildqualitat und Bildinformation zu haben, um eine entsprechende Untersuchung bzw. Operation genau und sicher auszuführen. Dies erhoht auch die Sicherheit des Patienten.
Die zu den einzelnen Erfindungsgegenständen, also dem Videoendoskopsystem, den Kamerakopf und das Verfahren genannten Merkmale, Eigenschaften, Wirkungen und Vorteile gelten in gleicher Weise auch für die jeweils anderen Erfindungsgegenstande.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemaßen Einzelheiten ausdrucklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

1: eine schematische Veranschaulichung eines „Binning“-Prozesses und
2: eine Modellrechnung zur Veranschaulichung des Effekts von „Binning“ auf den Bereich der Schärfentiefe.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.
In 1 ist schematisch das Konzept von „Binning“ dargestellt. Auf der linken Seite der 1 ist ein einzelner Bildpunkt 1 aus einem nicht dargestellten Flächenmatrix-Sensor, beispielsweise einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, dargestellt. Der Pfeil deutet eine Zusammenfassung nur dieses einen Bildpunktes beim Auslesen der Bildinformationen aus dem Bildpunkt 1 an, also ein „1×1-Binning“. Ein solcher Bildpunkt kann bei üblichen Sensoren beispielsweise eine Kantenlänge von 9 µm aufweisen. Ein solches „1×1-Binning“ wird im Rahmen der Erfindung in einem „Diagnose-Modus“ verwendet.
Auf der rechten Seite von 1 sind 4 gleichartige Bildpunkte in einer 2x2-Anordnung dargestellt, wobei eines der vier Bildpunkte mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Beim Auslesen mit Zusammenfassung der Bildinformationen aller vier Bildpunkte 2, also unter Anwendung eines „2×2-Binnings“, ergibt sich fur das Auslesen eine Bildinformation eines einzelnen größeren Bildpunktes 3 mit einer Kantenlänge von 18 µm, also der doppelten Kantenlange der einzelnen Bildpunkte 2 und dem vierfachen Flächeninhalt. Ein „2×2-Binning“ kann etwa in einem „Therapie-Modus“ des erfindungsgemäßen Videoendoskops verwendet werden.
Es ist aus 1 direkt ersichtlich, dass wegen der Vervierfachung der effektiven Fläche durch das Zusammenfassen von vier Bildpunkten 2 in dem zusammengefassten Bildpunkt 3 auch die vierfache Lichtmenge aufgefangen wird, wenn die Blendenzahl nicht geandert wird, so dass unter Beibehaltung der Blendenzahl das Bildrauschen stark gesenkt wird. Es ist somit moglich, die Blendenzahl zu erhöhen um den Faktor 2, ohne dass das Bildrauschen beim „2×2-Binning“ gegenüber einem „1×1-Binning“ schlechter wird.
Der weitere Effekt der vergrößerten Fläche des zusammengefassten Bildpunktes 3 liegt darin begründet, dass ein Objektpunkt, der sich in der eingestellten optimalen Gegenstandsweite der Optik des Videoendoskops befindet, auf dem Flachenmatrix-Sensor als Punkt dargestellt wird, abgesehen von unvermeidbaren Beugungseffekten. Wenn er sich etwas außerhalb der exakten optimalen Gegenstandsweite befindet, liegt der Fokuspunkt etwas vor oder hinter dem Sensor, so dass am Ort des Sensors eine Zerstreuungsscheibe an die Stelle eines Punktes tritt. Solange diese Zerstreuungsscheibe, die dem Schnitt der Sensorebene durch den Fokussierkegel des Objektpunkts entspricht, nicht größer ist als die Flache des Bildpunktes 3, wird die Auflösung des Objektpunktes vor allem von der Größe des Bildpunktes 3 bestimmt. Anders ausgedrückt ist der vergroßerte Bildpunkt 3 somit toleranter gegenüber einer größeren Entfernung eines Objektpunktes von der optimalen Gegenstandsweite der Optik als der kleine Bildpunkt 1 aus dem linken Teil von 1.
In 2 ist schematisch eine Modellrechnung eines Verlaufs der Schärfe in Abhängigkeit von der Gegenstandsweite („working distance“), d.h. vom Abstand eines Objekts von der Optik eines Videoendoskops dargestellt. Die X-Achse verlauft logarithmisch von 1 mm bis 1.000 mm, wobei die Brennweite der Optik des Videoendoskops als 2 mm gewählt ist. Auf der Y-Achse ist linear die Schärfe dargestellt, wobei diese Linienpaaren pro Millimeter entspricht.
In 2 sind zwei Kurven dargestellt, wobei ein Scharfeverlauf 11, 13 und 15 einem „1×1-Binning“, also einem „Diagnose-Modus“, und eine Kurve 12, 14, 16 einem Scharfeverlauf mit „2×2-Binning“, also einem „Therapie-Modus“, entspricht. Es ergibt sich, dass die Scharfe maximal am Ort der eingestellten Gegenstandsweite bei ca. 12 mm im „Therapie-Modus“ und bei ca. 15 mm im „Diagnose-Modus“ ist. An diesem Punkt ist die erreichbare Schärfe durch die Ausmaße der ausgelesenen Bildpunkte bzw. der zusammengefassten ausgelesenen Bildpunkte bestimmt. Beide Kurven sind auf diesen Bereich normiert. Es zeigt sich, dass im Bereich maximaler Schärfe die Schärfe 13 im „Diagnose-Modus“ hoher ist als die Schärfe 14 im „Therapie-Modus“. Allerdings ist der Bereich 13 deutlich schmaler als der Bereich 14, wie sich auch aus den Grenzmarkierungen dieser Bereiche und aus den mit Pfeilen und den Bezeichnungen „DOF“ („Depth of Field“) mit dem Bezugszeichen 17 für den „Diagnose-Modus“ und 18 für den „Therapie-Modus“ ergibt.
Zu größeren Gegenstandsweiten hin fallt die erreichbare Auflösung 15, 16 scharf ab, da einerseits der Schärfebereich verlassen wird und eine endlich große Zerstreuungsscheibe auf den Ort des Flächenmatrix-Sensors projeziert wird und anderseits der Abstand zur Optik zunimmt, so dass die Anzahl der Linienpaare pro Millimeter, die aufgelöst werden können, quasi reziprok zur Gegenstandsweite abnimmt.
Zu kleinen Gegenstandsweiten hin, d.h. zu einem Wert von 1 mm hin, nimmt die erreichbare Auflösung 11, 12 ebenfalls ab, was vor allem den nach 1 mm hin größer werdenden Zerstreuungskreisen auf dem Flächenmatrix-Sensor geschuldet ist.
Im Vergleich der beiden Schärfeverläufe 11, 13, 15 und 12, 14, 16 zeigt sich, dass bei einer hoheren Auflosung, d.h. bei schwächerem Binning, nicht nur der Bereich maximaler Schärfe 17 schmaler ist als bei stärkerem Binning (Bezugszeichen 18), sondern die Schärfe 11,15 auch in den Randbereichen von diesem Plateau her stärker abfällt als bei einer geringeren Auflösung bzw. einem schwächeren Binning.
Im in 2 dargestellten Beispiel sind neben einer Änderung des Binnings von „1×1“ („Diagnose-Modus“, Verläufe 11, 13, 15) auf „2×2“ („Therapie-Modus“, Verläufe 12, 14, 16) auch die Blendenzahl um einen Faktor von ca. 1,3 vergrößert worden und die optimale Gegenstandsweite von ca. 12 mm auf ca. 15 mm geandert worden. Im Schärfeverlauf 12, 14, 16 im „Therapie-Modus“ ist außerdem zu erkennen, dass die Auflösung 12 im Nahbereich im Bereich der Auflösung 11 im Bereich maximaler Schärfe liegt. In der Praxis ist somit die Auflösung bis sehr nah an die Optik heran für eine Resektion ausreichend. Das Abflachen der Verläufe 11, 12 zu kleinen Gegenstandsweiten hin erklart sich daraus, dass der Effekt der sich vergroßernden Zerstreuungskreise durch den reziproken geometrischen Effekt der Annäherung kompensiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Bildpunkt
2: Bildpunkt
3: zusammengefasster Bildpunkt
11: Scharfeverlauf im Nahfeld, Diagnosemodus
12: Scharfeverlauf im Nahfeld, Therapiemodus
13: Scharfeverlauf im Bereich maximaler Schärfe, Diagnosemodus
14: Scharfeverlauf im Bereich maximaler Schärfe Therapiemodus
15: Scharfeverlauf im Fernbereich, Diagnosemodus
16: Scharfeverlauf im Fernbereich, Therapiemodus
17: Scharfentiefebereich im Diagnosemodus
18: Schärfentiefebereich im Therapiemodus

Claims

Videoendoskopsystem mit einer Videoeinheit, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse umfasst, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, wobei eine Steuereinheit für die Videoeinheit vorhanden ist, mittels deren ein Auslesen von Bildinformationen aus dem Flächenmatrix-Sensor so steuerbar ist, dass Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbarter Bildpunkte (1, 2) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Blende, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist, umfasst ist und die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Blendenzahl der Blende zu ändern, wenn die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte (1, 2) des Flächenmatrix-Sensors geändert wird.
Videoendoskopsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildwiederholungsrate und/oder eine Belichtungszeit des Flächenmatrix-Sensors pro Einzelbild mittels der Steuereinheit einstellbar ist, wobei insbesondere eine Blendenzahl der Blende mittels der Steuereinheit an die Belichtungszeit pro Einzelbild anpassbar ist.
Videoendoskopsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit eine optimale Gegenstandsweite und ein Schärfentiefebereich auswählbar sind, wobei die Steuereinheit anhand der gewählten optimalen Gegenstandsweite, des gewählten Schärfentiefebereichs und vorhandener Helligkeitsinformationen vom Flächenmatrix-Sensor automatisch die Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte (1, 2) und die Blendenzahl einstellt.
Videoendoskopsystem mit allen Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zusätzlich die Bildwiederholungsrate und/oder Belichtungszeit pro Einzelbild einstellt.
Videoendoskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit bei einer Änderung der Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte (1, 2) das optische System auf eine angepasste geänderte optimale Gegenstandsweite einstellbar ist.
Videoendoskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Videoeinheit in einen Kamerakopf integriert ist, der an einem proximalen Ende des Videoendoskopsystems fixierbar anbringbar ist.
Videoendoskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es als Resektoskop, insbesondere für transurethrale Resektionen, ausgebildet ist.
Kamerakopf für ein Videoendoskopsystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der an einem proximalen Ende des Videoendoskopsystems fixierbar anbringbar ist, wobei der Kamerakopf eine Videoeinheit umfasst, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, umfasst, wobei eine Steuereinheit für die Videoeinheit vorhanden ist, mittels deren ein Auslesen von Bildinformationen aus dem Flächenmatrix-Sensor so steuerbar ist, dass Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbarter Bildpunkte (2) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Blende, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist, umfasst ist und die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Blendenzahl der Blende zu ändern, wenn die Anzahl der zusammengefassten Bildpunkte (1, 2) des Flächenmatrix-Sensors geändert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Videoendoskopsystems und/oder eines Kamerakopfes für ein Videoendoskopsystem, das oder der eine Videoeinheit umfasst, die ein optisches System mit einem abbildenden Linsensystem mit wenigstens einer Linse, mittels dessen ein Bild auf einen lichtempfindlichen elektronischen Flächenmatrix-Sensor abgebildet wird, umfasst, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, dass beim Auslesen der Bildinformationen des Flächenmatrix-Sensors die Bildinformationen zweier oder mehrerer benachbart angeordneter Bildpunkte (2) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine an eine Anzahl von beim Auslesen zusammengefassten Bildpunkten (1, 2) angepasste Blendenzahl an einer steuerbaren Blende einstellt, die in einem Strahlengang des Linsensystems zum Flächenmatrix-Sensor angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Bildwiederholungsrate und/oder eine Belichtungszeit pro Einzelbild einstellt, wobei die Steuereinheit insbesondere die Blendenzahl an die Bildwiederholungsrate und/oder die Belichtungszeit pro Einzelbild anpasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit eine optimale Gegenstandsweite und ein Schärfentiefebereich (13, 14) ausgewählt werden, wobei die Steuereinheit anhand der gewählten optimalen Gegenstandsweite, des gewählten Schärfentiefebereichs (13, 14) und vorhandener Helligkeitsinformationen vom Flächenmatrix-Sensor automatisch die Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors zusammenzufassenden Bildpunkte (1, 2) und die Blendenzahl einstellt.
Verfahren mit allen Merkmalen der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zusätzlich die Bildwiederholungsrate und/oder Belichtungszeit pro Einzelbild anhand der gewählten Gegenstandsweite, des gewählten Schärfentiefebereichs (13, 14) und vorhandener Helligkeitsinformationen vom Flächenmatrix-Sensor einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit bei einer Änderung der Anzahl der beim Auslesen des Flächenmatrix-Sensors auszulesenden Bildpunkte (1, 2) das optische System auf eine angepasste geänderte optimale Gegenstandsweite eingestellt wird.