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Die Erfindung betrifft ein Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop, begrifflich umfassend ein herkömmliches Operations-Stereomikroskop, ein Video-Operationsmikroskop, ein Endoskop oder eine Operations-Lupenbrille und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskops.
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Begriffsdefinitionen
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Im Folgenden wird die Definition einiger wichtiger Begriffe und Funktionen erläutert.
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Eine Weisslicht-Operationsmikroskop-Beleuchtungseinrichtung ist dem Fachmann bekannt, da sie in verschiedensten Operationsmikroskopen angewendet wird. Sie deckt jedenfalls das gesamte Spektrum des weissen Lichts ab, da sie in der Hauptsache zur Beleuchtung des Operationsfelds eingesetzt wird und dies während einer Operation in der Regel möglichst farbneutral beleuchten soll. Selbstverständlich beinhaltet der unter dem Begriff Beleuchtungseinrichtung fallende Gegenstand eine einzige Lichtquelle, ist darauf aber nicht eingeschränkt und kann auch mehrere Lichtquellen umfassen. Die Weisslicht-Operationsmikroskop-Beleuchtungseinrichtung kann auch noch weitere Gegenstände, wie lichtleitende Bauteile, Schutzfilter (z. B. IR- oder UV-Filter o. dgl.) aufweisen. Für die Erfindung ist es dabei für den Haupterfindungsgedanken grundsätzlich nicht wesentlich, welche Weisslicht-Beleuchtungseinrichtung verwendet wird. So kann die Erfindung beispielsweise auch mit normaler Operationssaal-Beleuchtung funktionieren, im Extremfall sogar bei Tageslicht. Aus diesem Grund ist es für die Erfindung nicht zwingend, aber in der Regel anzunehmen, dass das Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop eine eigene Weißlicht-Operationsmikroskop-Beleuchtungseinrichtung aufweist. In der Regel wird eine solche Beleuchtungseinrichtung jedoch vorhanden sein, um auch normale, nicht sonderbeleuchtungsgestützte, Operationen durchführen zu können. Letztendlich zählt für die Erfindung die Tatsache, dass von einer beliebigen Stelle aus Beleuchtungslicht auf ein Operationsfeld geliefert wird, so dass dieses beleuchtet und vom Anwender möglichst farbneutral betrachtet werden kann.
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Unter Sonder-Lichtwellenlängen-Bereich wird im Zusammenhang mit einem Operationsmikroskop ein Lichtwellenlängen-Bereich verstanden, der spezielle Beobachtungs-Effekte an einem Objekt im Objektfeld hervorruft; das kann gemäss dem Stand der Technik Fluoreszenz, Autofluoreszenz und Falschfarbenbeleuchtung etc. sein. Die Sonderbeleuchtung muss auch nicht zwingend von der genannten Weißlicht-Operationsmikroskop-Beleuchtungseinrichtung stammen, sondern kann, gemäss dem Stand der Technik, auch von einer weiteren Lichtquelle bzw. Beleuchtungseinrichtung, in an sich bekannter Art und Weise, zur Verfügung gestellt werden.
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Der Begriff „Abstrahlen” umfasst in dieser Anmeldung sowohl „Reflektieren”, wie auch „Emittieren” – letzteres im Falle von Fluoreszenz oder stimulierter Emission. Gestützt auf „Lexikon der Optik, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, ISBN 3-8274-0382-0, 1999, Seiten 188–189" wird im Folgenden streng unterschieden zwischen spontaner Emission (Fluoreszenz) und induzierter (stimulierter) Emission, die eindeutig keine Fluoreszenzerscheinung ist, wenngleich sie einem Beobachter bei oberflächlicher Beobachtung wie eine Fluoreszenzerscheinung vorkommen kann.
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Mit Fluoreszenz bezeichnet man somit die spontane Emission von Licht beim Übergang eines angeregten Zustandes eines Elektrons in einen Zustand niedrigerer Energie. Zuvor wird das Elektron durch Einstrahlung einer bestimmten Wellenlänge aus dem Grundzustand in einen Zustand höherer Energie gehoben, aus dem es über Schwingungsrelaxation in einen Zwischenzustand gelangt. Durch spontane Emission von Licht, also ohne Fremdeinwirkung, wechselt das Elektron in einen Zustand niedrigerer Energie, von wo aus es wiederum durch Schwingungsrelaxation in den Grundzustand gelangt (siehe 1). Das dabei emittierte Licht wird als Fluoreszenzstrahlung wahrgenommen.
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Das Licht der Sonder-Beleuchtungseinrichtung liegt, beim Stand der Technik, im Betriebszustand in einem regulierbaren spektralen Bereich, indem es über wenigstens einen wahlweise einbringbaren Arbeitsfilter (z. B. Beleuchtungsfilter oder Anregungsfilter für eine Fluoreszenzanregung bzw. für die Anregung der spontanen Emission) verfügt.
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Wie auch der erweiterte Gattungsbegriff Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop ausdrückt, müssen solche Operationsmikroskope sowohl mit einer Ausrüstung für die Operation wie auch mit einer Ausrüstung für die Sonder-Beleuchtungs-Mikroskopie (im Falle der Fluoreszenztechnik z. B.: Fluoreszenzmikroskop) sowie für die Stereomikroskopie ausgerüstet sein, damit sie geeignet sind, den Zwecken der Sonderbeleuchtungs- Operations-Stereomikroskopie zu dienen.
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Der reflektierte Anteil des Operations-Beleuchtungslichtes gelangt über den Beobachtungsstrahlengang in die Okulare oder in eine Video-Kamera bzw. auf je einen Videochip pro Stereoteilstrahlengang zur Aufnahme, zur elektronischen Umsetzung und zur Darstellung auf einem oder auf mehreren Monitoren oder Displays.
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Ein Operations-Stereomikroskop erlaubt dem Beobachter somit eine dreidimensionale Betrachtung des Objektfelds und somit das Erkennen von dreidimensionalen Strukturen. Operations-Stereomikroskope weisen in der Regel eine relativ geringe Vergrösserung auf.
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Ein Video-Operations-Stereomikroskop hat zusätzlich über Strahlenteiler eine Video-Stereokamera oder pro Strahlengang einen Videochip in einer Bildebene angeordnet zur photoelektronischen Umsetzung eines virtuellen Bildes des Operationsfelds. Gegebenenfalls sind diese Video-Stereokameras oder Videochips auch alternativ zu den Okularen bzw. Okularstrahlengängen vorgesehen, um einen Chirurgen ausschliesslich über Monitore zu unterrichten.
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Monitore umfassen begrifflich im Rahmen der Erfindung auch Bildeinspiegel-Vorrichtungen in einen optischen Beobachtungsstrahlengang, beispielsweise in den eines Operationsmikroskops, oder eines Headup-Displays.
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Außerdem umfasst ein herkömmliches Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop – neben einer zusätzlichen (Sonder-)Beleuchtungseinrichtung – Filtereinrichtungen, die dem Chirurgen über optische oder physikalische Effekte mehr Details oder mehr physikalische oder biologische Details über das Objekt im Objektfeld erkennen lassen. Ein Beispiel ist die Fluoreszenz-Operations-Stereomikroskopie, bei der mittels Fluoreszenzanregung und Fluoreszenzbeobachtung tumoröse Gewebe von gesunden Geweben unterschieden werden können.
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Nächstliegender Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist die Fluoreszenz-Operationsmikroskopie bekannt. Dabei werden körperfremde Substanzen im menschlichen oder tierischen Gewebe, die in die Blutbahn oder ins Gewebe eingebracht wurden, durch Anregungslicht zum Fluoreszieren gebracht. Der Chirurg betrachtet dabei unmittelbar über Beobachtungsfilter die entstandene Fluoreszenzstrahlung.
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Ein Fluoreszenz-Operationsmikroskop ist ein Mikroskop, das zur Betrachtung von Fluoreszenzerscheinungen geeignet ist und dafür im Besonderen eine Anregungs-Lichtquelle mit einem Anregungsfilter und ein Beobachtungsfilter im Beobachtungsstrahlengang aufweist. Das Anregungsfilter lässt aus dem breitbandigen Licht der Anregungs-Lichtquelle nur jenes passieren und auf das Objektfeld gelangen, das dort die Fluoreszenz anregt. Das Beobachtungsfilter blockt dann wiederum das Anregungslicht und lässt nur das Licht der Fluoreszenzerscheinung passieren (vgl.
US 6,510,338 A ).
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Häufig wird als Anregungs-Lichtquelle die Weisslicht-Operations-Beleuchtungseinrichtung bzw. deren Weisslichtquelle benutzt.
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Auch die
DE 195 48 913 A1 enthält ähnliche Angaben zur Fluoreszenzbeobachtung bzw. photodynamischen Diagnose (PDD) mit Weißlicht, welches wenigstens einen Lichtwellenlängenbereich von 370–780 nm aufweist. Die
DE 195 48 913 A1 offenbart einen Anregungs-Filter im Beleuchtungsstrahlengang und einen Beobachtungsfilter im Beobachtungsstrahlengang zur Wahrnehmung des Fluoreszenzspektrums.
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Die
EP 1 691 229 A1 offenbart im Zusammenhang mit einem Stereomikroskop eine Beleuchtungseinrichtung, die aus zwei verschiedenen Beleuchtungseinrichtungen zusammengesetzt ist und die gemeinsam einzusetzen sind, um jeweils lichtverstärkend zu wirken. Da beide Beleuchtungseinrichtungen aber zur Verstärkung miteinander bei der Fluoreszenzanregungsbeleuchtung eingesetzt werden sollen, ist denklogisch, dass jener Spektral-Bereich des Lichtspektrums, den beide Beleuchtungseinrichtungen grundsätzlich und zwingend gemeinsam haben müssen, der Fluoreszenz-Anregungsbereich ist. Die Bereichsbreite der beiden Spektralbereiche soll gemäß der
EP 1 691 229 A1 unterschiedlich sein, solange sie jedoch wenigstens den Fluoreszenz-Anregungsbereich gemeinsam haben. Für Rotlichtfluoreszenz wird die zweite Beleuchtungseinrichtung optimiert um rotes bis IR-Licht abzustrahlen. Für Blaulichtfluoreszenz wird die zweite Beleuchtungseinrichtung demgegenüber eher im Blaulichtbereich bis UV-Licht spektral optimiert sein, während in beiden Fällen die erste Operations-Beleuchtungseinrichtung für Weisslicht optimiert ist.
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Zur Analyse und Darstellung von tumorösem Gewebe, z. B. im Gehirn, werden somit zur besseren Sichtbarmachung bei Gehirnoperationen zusammen mit dem Operationsmikroskop spezielle (Sonder-)Beleuchtungseinrichtungen und gegebenenfalls Filter oder Filterkombinationen eingesetzt. Bei der herkömmlichen Fluoreszenz-Operationsmikroskopie werden fluoreszierende Drogen (z. B. 5-ALA (Amino-Lävulinsäure)) eingesetzt, die den Patienten belasten können und eine lange Zulassungsprozedur durchlaufen müssen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Verwendung von derartigen Drogen zu vermeiden.
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Ebenfalls auf Fluoreszenz basierend ist die Offenbarung aus der
WO 87/04804 A1 , bei der unter Zuhilfenahme eines Filterrades die Sichtbarkeit von fluoreszierenden Substanzen erhöht wird.
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Die
US 3 798 435 A offenbart ein Mikroskop mit vier Lichtquellen, um in verschiedenen Betriebsmodi arbeiten zu können, unter anderem auch nach dem Fluoreszenzprinzip, im Transmissions- und/oder Auflichtmodus.
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Die
DE 101 23 785 A1 offenbart ein Mikroskop mit zwei Lichtquellen zur Beleuchtung des Objektfeldes.
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Durch den Einsatz von Filtern, die bei der Fluoreszenz-Operations-Mikroskopie das Anregungslicht vom Emissionslicht trennen, wird die Lichteffizienz des Weisslichts aus der Operations-Beleuchtungseinrichtung negativ beeinflusst. Das Emissionslicht ist in der Regel sehr schwach und im Kontrast zum sichtbaren Weisslicht (z. B. auch zum Umgebungslicht) nur sehr schwer zu erkennen. Dies erfordert von den Mikroskopherstellern somit einen sehr großen Aufwand in der Beleuchtungs- und Filtertechnologie.
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Vielfach wird in der Operationsmikroskopie auch eine Daten-Einspiegelungseinrichtung verwendet, um z. B. Falschfarbenbilder, Konturnachziehungen o. dgl. einzuspiegeln. Dies erfordert einerseits jedoch einen erhöhten apparativen Aufbau, kann aber andererseits die Beleuchtungseffizienz hinsichtlich des sichtbaren Lichts vom Operationsfeld zusätzlich verschlechtern.
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Nicht jeder Farbstoff, Chromophor, ist fluoreszierend. Zu den nichtfluoreszierenden Farbstoffen zählen insbesondere auch körpereigene Farbstoffe, wie z. B. Hämoglobin oder Zytochrome.
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Die obige Darstellung ist eine vereinfachte Darstellung, da dem Fachmann das physikalische Prinzip der spontanen Emission bekannt ist.
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Vom Phänomen der Fluoreszenz eindeutig abgrenzbar ist die stimulierte Emission, deren physikalische Grundlagen Anfang des 20. Jahrhunderts erarbeitet wurden. Bei Farbstoffen, die nicht fluoreszieren, erfolgt die Rückkehr aus dem angeregten Zwischenzustand in einen Zustand niedrigerer Energie durch einen strahlungslosen Übergang, also ohne Aussendung eines Photons. Um auch solche Farbstoffe trotzdem zum Emittieren bzw. zum Leuchten zu bringen, macht man sich in anderen Fachgebieten das Prinzip der stimulierten Emission zunutze. Man kann das Elektron nämlich anregen bei seinem Übergang vom angeregten in den Grundzustand, ohne Aussendung von Photonen. Dabei befindet sich das angeregte Atom oder Molekül bereits in einem Feld einer intensiven Lichtquelle (Stimulations-Licht). Bei vorliegen von Resonanz findet die stimulierte Emission statt. Zur Wirkungsweise wird auf das
„Lexikon der Optik", Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, ISBN 3-8274-0382-0, 1999, Seiten 188–189, sowie auf
„Technische Optik", Schröder, Gottfried, Würzburg, ISBN 3-8023-0067-X, 1984, Punkt 4.3.5, verwiesen. Dort wird die stimulierte Emission als Grundlage des Lasereffekts beschrieben wird. Je intensiver der zweite, stimulierende Laserstrahl ist, desto wahrscheinlicher findet eine solche stimulierte Emission statt (siehe
„Spektrum der Wissenschaft", April 2010 "Erzwungenes Leuchten" von Stefan A. Maier). In diesem Artikel wird manchmal fälschlicherweise ebenfalls von Fluoreszenz gesprochen, allerdings ist Fluoreszenz, wie schon oben ausgeführt, als spontane Emission definiert und hat daher nichts mit stimulierter Emission nach dem Einsteinschen Postulat zu tun. Wichtig ist dabei jedenfalls auch, dass die stimulierte Emission gleichzeitig mit der Stimulation stattfindet. Das bedeutet, dass eingestrahltes Stimulationslicht einerseits reflektiert und andererseits aber auch durch die Emission vom Objekt abgestrahlt wird.
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Dieser Fachartikel offenbart demzufolge ein Transmissions-Mikroskop mit extrem starker Vergrößerung (Objekte von bis zu 1 μm (Mikrometer) sind zu erkennen), bei dem ein Anregungsstrahl und ein Stimulationsstrahl von unten auf die Probe gerichtet wird und diese durchstrahlt. Der Anregungs- und der Stimulationsstrahl werden über eine Einkopplungs-Optik räumlich überlappt und von unten auf die Probe gerichtet, um sie zu durchstrahlen. Eine Photodiode auf der gegenüberliegenden Seite der Probe mit einem nachgeschalteten Lock-in Verstärker detektiert die stimulierte Emission z. B. der Chromoproteine gtCP und cjBlue. Im Versuchsaufbau wird eine 200 fs (Femtosekunden) Pulsfolge für die Anregung und eine andere 200 fs Pulsfolge für die Stimulation verwendet. Als Zeitverzögerung zwischen den zwei Pulsfolgen wurden 300 fs gewählt. Der Anregungsstrahl wird mit 5 MHz moduliert, sodass auch das resultierende Signal, das sich aus dem Stimulationslicht und dem stimulierten Emissionslicht zusammensetzt, hinsichtlich des Emissionsanteils mit 5 MHz moduliert. So kann bei der Auswertung des empfangenen Signals am Detektor die stimulierte Emission von der Stimulationsstrahlung getrennt werden. Die entsprechende Demodulation erfolgt im Lock-in Verstärker.
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Von dieser Technik klar zu unterscheiden ist die STED (Stimulated Emission Depletion) Mikroskopie. Das Ziel der STED Mikroskopie besteht darin, die Auflösung von sehr kleinen Objekten (kleiner als die Wellenlänge des untersuchenden Lichts) zu erhöhen. Die Auflösung bei der STED Mikroskopie ist nicht beugungsbegrenzt und kann wiederum nur unter Zuhilfenahme von Fluoreszenzfarbstoffen durchgeführt werden. Die höhere Auflösung wird dadurch erreicht, dass das Licht aus einem Bereich der Probe kommt, der kleiner als die optische Auflösung ist. Das geschieht, indem nach Fluoreszenzanregung gezielt die angeregte Stelle mit einem zweiten Lichtstrahl abgeregt wird. Dieser zweite Lichtstrahl wird mit einer Intensitätsverteilung versehen, die in der Mitte des Strahls Null ist. An dieser Stelle findet daher keine stimulierte Emission statt, sodass aus dem Zentrumsbereich Fluoreszenzstrahlung detektiert und zur Generierung eines Bildes herangezogen werden kann. Das beobachtete Licht ist daher Fluoreszenzstrahlung bzw. spontane Emission. Diese Technologie wird ausschließlich in der Rastermikroskopie eingesetzt (siehe
WO 2005/024486 A1 ).
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Der Inhalt aller genannten Druckschriften wird durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
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In der Operationsmikroskopie werden jedoch gänzlich andere Anforderungen an die Technik gestellt als im Bereich der Rastermikroskopie oder Transmissionsmikroskopie mit hoher Vergrösserung. Die Vergrösserung ist vergleichsweise gering (ca. 4–40fach), die Erkennung von Gewebestrukturen muss grundsätzlich ohne Auswertungs- und Verarbeitungsprozeduren auskommen und vom Chirurgen unmittelbar vorgenommen werden können. Die direkte Beobachtung des vom Objekt kommenden Lichts durch die Okulare ist in Echtzeit erforderlich. Zusätzliche Übertragung oder fallweise alternative Übertragung auf einen Monitor ist möglich, muss dann aber auch in Echtzeit erfolgen und aus der Blickrichtung des Operateurs, also aus der Auflicht-Betrachtung. Der erwähnte Artikel und die wissenschaftliche Arbeit bieten dazu keine Lehre und auch keine Anregung, so dass sie für den Fachmann nicht zur Problemlösung herangezogen würden.
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Die Verwendung von fluoreszierenden Kontrastmitteln ist mit erheblichen medizinischen Nebenwirkungen behaftet. Der Kontrast lässt dennoch oft zu wünschen übrig. Kompromisse bei den verwendeten Filterkombinationen müssen in Kauf genommen werden (verringerte Effizienz des Beleuchtungs- bzw. Anregungslichtes). Die große Anzahl an erforderlichen Filtern und deren Bedieneinrichtungen machen ein Mikroskop in der Herstellung aufwendig und schwer bedienbar.
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Die Erfindung setzt sich zur weiteren Aufgabe, auch diese Nachteile zu beseitigen und ein Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop bereitzustellen, mit dem ein für den Beobachter besserer Kontrast zwischen Gewebestrukturen erreicht werden kann und für dessen bestimmungsgemässe Anwendung dem Patienten keine fluoreszierenden Kontrastmittel verabreicht werden müssen, wobei das Operationsmikroskop selbst einfacher bedienbar werden soll.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop gemäss Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäss Anspruch 16 gelöst, wobei das Operations-Stereomikroskop zur Betrachtung der stimulierten Emission von Licht von einer im Gewebe enthaltenen Substanz in einem Objektfeld dadurch ausgebildet ist, dass es wenigstens über die folgenden Einrichtungen umfasst:
- – eine Operations-Beleuchtungseinrichtung mit einer Weisslichtquelle und mit einem Beleuchtungsstrahlengang zur herkömmlichen Beleuchtung des Objektfeldes,
- – eine Anregungs-Beleuchtungseinrichtung mit einer Anregungs-Lichtquelle und einem Anregungsstrahlengang zur spezifischen Anregung einer im Gewebe eines Objekts im Objektfeld enthaltenen Substanz,
- – eine Stimulations-Beleuchtungseinrichtung mit einer Stimulationslichtquelle und einem Stimulationsstrahlengang zur Stimulation der Emission von Licht von der zuvor angeregten Substanz,
- – einen (herkömmlichen) Beobachtungsstrahlengang zur Führung des durch stimulierte Emission erzeugten Lichts und/oder des durch Reflexion des Weisslicht-Operations-Beleuchtungslichts herrührenden Lichts vom Objekt.
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Die erfinderische Idee basiert darauf, dass in der Operationsmikroskopie, insbesondere in der Operations-Stereomikroskopie, jetzt auch körpereigene Gewebe-Substanzen zum Leuchten gebracht werden können, die keine sichtbare Fluoreszenz aufweisen. Die Erfindung beruht auf der Integration der Sichtbarmachung von stimulierter Lichtemission in die herkömmliche Operationsmikroskop-Technik, bei der das Objekt bisher nur durch die Reflexion von weißem Operations-Beleuchtungslicht oder durch Fluoreszenz sichtbar wird. Es kann dabei erfindungsgemäss auf die Verwendung von Filtern und Drogen verzichtet werden. Damit werden die beschriebenen Nachteile vermieden.
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Es wird eine für Operationsmikroskope fremdartige völlig andersartige Lichtquelle zur Anregung verwendet, die in der Lage ist, körpereigene Substanzen, die normalerweise nicht leuchten, zur Aussendung von sichtbarem Licht zu bringen, z. B. Hämoglobin (z. B. bei 830 nm Anregungslicht mit z. B. 20 mW bei einer Stimulations-Wellenlänge von 600 nm mit z. B. 3 mW). Dies ist unter anderem wichtig, um gut durchblutetes Tumorgewebe von gesundem schlechter durchblutetem zu unterscheiden. Hierzu wird nun neu und erfindungsgemäss die stimulierte Emission unter dem Operationsmikroskop verwendet, die sich physikalisch klar von der bisher verwendeten Fluoreszenz-Technik unter Fluoreszenz-Operationsmikroskopen unterscheidet. Lediglich der durch den Chirurgen beobachtete Effekt erscheint ähnlich, wenngleich auch bei entsprechender Auslegung der Lichtquellen und Betriebsmodi der Effekt deutlich besser erscheint, insbesondere wenn man noch die Verstärkungsmöglichkeiten durch Videobilddaten-Überarbeitung berücksichtigt.
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Zur Verwirklichung dieses Prinzips sind zwei zusätzliche Lichtquellen, vorzugsweise zwei Laserlichtquellen erforderlich, die zusätzlich zur bestehenden Weißlicht-Operationsbeleuchtungs-Einrichtung vorgesehen werden. Sie müssen geeignet sein, durch zeitversetzte Impulse aus der einen (Laser) lichtquelle und nachfolgend aus der anderen Laserlichtquelle die stimulierte Emission zu erzeugen. Die Anregungs-Lichtquelle (die eine Laserlichtquelle) dient mit einer spezifischen Wellenlänge bzw. einem schmalbandigen Wellenlängenbereich zum gezielten Anregen der Elektronen der gesuchten Substanzen. Die eingesetzte Wellenlänge entspricht dabei dem Energieunterschied der Elektronenniveaus der betreffenden Substanzen. Die Stimulations-Lichtquelle (zweite Laserlichtquelle) dient zur Stimulation der Lichtemission aus dem Zwischenzustand 71 (1), der durch Schwingungsrelaxation aus dem ersten angeregten Zustand A erreicht wird. Während der stimulierten Emission gelangen die Elektronen von einem Zustand 71 in einen Zustand niedrigerer Energie und von dort wieder über Schwingungsrelaxation in den ursprünglichen Grundzustand. Die Wellenlänge bzw. der schmalbandige Wellenlängenbereich der Stimulations-Lichtquelle ist somit kleiner als die Wellenlänge der Anregungs-Lichtquelle (jeweils entsprechend der durch die Schwingungsrelaxation bedingten Energiedifferenz).
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Die Laserimpulse werden gegebenenfalls über eine Einkoppel-Optik in den Beleuchtungsstrahlengang der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle entweder mit einem physikalischen oder geometrischen Strahlenteiler eingekoppelt. Wahlweise kann zur Vermeidung von Eingriffen in den Beleuchtungs- oder Beobachtungsstrahlengang und damit gegebenenfalls zur Effizienzsteigerung des Laserlichts dieses auch seitlich vom Mikroskop direkt auf das Objekt eingestrahlt werden.
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Das Bauvolumen der Laser wird ständig verkleinert, sodass die Laser auch in die bisher verwendete Beleuchtungseinrichtungen, gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung, direkt eingebaut werden können und somit auf eine spezielle Einkopplungs-Einrichtung verzichtet werden kann. Dies spart nicht nur Platz, sondern reduziert die Anzahl von zusätzlichen Baueinheiten außerhalb des Mikroskops.
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Über eine Steuereinheit werden die Laserlichtquellen gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung so zeitlich angesteuert, dass über die Modulation von Pulsdauer und Pulsabstand eine optimierte stimulierte Emission beobachtet werden kann. In dieser erfindungsgemäßen Anordnung müssen somit keine teuren Spezial-Spektralfilter, die das sichtbare Licht schwächen, verwendet werden.
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Die im Stand der Technik beschriebene stimulierte Emission kann für Operationsmikroskope keine Lehre liefern, da es sich dabei ausschließlich um extrem vergrößernde (ca. 1000-fach) – in der Regel nicht stereoskopisch) wirkende Vergrösserungsmikroskope für Durchlicht handelt, die komplizierter Verarbeitungsprozeduren bedürfen. Das stimulierte Emissionslicht kann, gemäss diesem Stand der Technik, aufbaubedingt durch einen Anwender auch nicht direkt beobachtet werden. Auch können keine Bilder in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden. Zudem benutzt die bekannte Technologie das Prinzip der Durchlicht-Beleuchtung, das für die Operationsmikroskopie gänzlich ungeeignet ist, weshalb ein Fachmann solche Mikroskope und deren Beleuchtungseinrichtungen nicht als Ersatz für bestehende Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskope in Betracht ziehen würde.
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Die Erfindung ist auf ein Operations-Stereomikroskop abgestellt, da es bei der Operationsmikroskopie in erster Linie auf die vergrösserte dreidimensionale Darstellung des Operationssitus ankommt und durch die Erfindung dieser erfindungsgemäss nun auch optimal unter den Bedingungen der stimulierten Emission eingesetzt werden kann.
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Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Figuren, der zugehörigen Figurenbeschreibung und in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Bezugszeichenliste ist – wie auch der technische Inhalt der Patentansprüche – Bestandteil der Offenbarung.
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Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
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Es zeigen dabei:
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1 – ein Energieschema zur Darstellung der stimulierten Emission,
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2 – ein erfindungsgemäßes Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop,
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2a – einen Aufbau gemäss 2 jedoch mit einem Weisslicht-Laser als Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle und einem Scanner;
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2b – einen Aufbau gemäss 2a jedoch mit einer zusätzlichen herkömmlichen Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7
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3 – eine Variante, bei der die Anregungs- und Stimulations-Lichtquelle mit der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle in eine Beleuchtungs-Lichtquellen-Einheit integriert sind,
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3a – einen Aufbau gemäss 3 jedoch mit zusätzlichem Weisslicht-Laser als zweite Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle,
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4 – eine Variante, bei der die Anregungs- und Stimulations-Lichtquelle jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle sitzen,
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5 – eine Variante, bei der die Anregungs- und Stimulations-Lichtquelle in der Wand oder Ausnehmung eines Hohlspiegels sitzen,
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5a – einen Aufbau nach 5, bei dem eine zusätzliche Weisslicht-Laserquelle vorgesehen ist und eine Laseraufweitungs-Optik,
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6, 7, 8 – in verschiedenen Betriebsmodi die zeitliche Abfolge der Beleuchtungs- bzw. Anregungs- bzw. Stimulations-Lichteinstrahlung und
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9 einen alternativen Aufbau mit einem Videochip.
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1 zeigt ein Energieschema zur Darstellung der Unterschiede von stimulierter Emission, strahlungslosem Übergang und spontaner Emission (Fluoreszenz). Durch Einstrahlung mit einer Anregungs-Lichtquelle wird ein Elektron aus dem Grundzustand G in einen angeregten Zustand A gehoben. Von dort geht das Elektron durch Schwingungsrelaxation in einen Zwischenzustand Z1 über. Bei nicht fluoreszierenden Substanzen erfolgt nun ein strahlungsloser Übergang in einen Zustand niedrigerer Energie Z2, von dem aus der Grundzustand G wieder über Schwingungsrelaxation erreicht wird.
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Die ebenfalls in 1 dargestellte spontane Emission (Autofluoreszenz) tritt nur bei fluoreszierenden Substanzen auf und entsteht ohne gesonderte Anregung. Da jedoch die körpereigenen Substanzen mit Ausnahme der eher geringen Autofluoreszenz keine Fluoreszenz aufweisen und daher fremde fluoreszierende Substanzen eingesetzt werden, macht sich die Erfindung im Gegensatz dazu das Prinzip der stimulierten Emission zu Nutze, die sich im Übrigen bei vielen körpereigenen interessanten Substanzen (wie z. B. Hämoglobin) im sichtbaren Bereich abspielt. Wie im Diagramm nach 1 angedeutet, ist die stimulierte Emission deutlich stärker und daher grundsätzlich besser – und ohne Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen – wahrnehmbar.
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Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskop 1. Eine Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 strahlt sichtbares weißes – oder zumindest annähernd weißes – Licht ab und beleuchtet damit über den Beleuchtungsstrahlengang 11 ein Objektfeld 15 mit einem darauf angeordneten Objekt 6. Mit 10 ist ein Umlenkelement, wie z. B. ein Spiegel oder ein Prisma (vgl. 10d in 9), bezeichnet, das den Operations-Beleuchtungslichtstrahl auf das Objekt 6 lenkt. Das vom Objekt 6 reflektierte Licht wird entlang des Beobachtungsstrahlengangs 14 zum Beobachter geführt. Dieses Licht durchsetzt das Hauptobjektiv 2, einen Zoom 3, einen Tubus 4 und das Okular 5. Durch die Verwendung von weißem Licht wird dem Chirurgen somit das gewohnte, natürliche Bild des Objektes 6 im Objektfeld 15 zur Verfügung gestellt.
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Erfindungsgemäß sind nun zusätzlich eine Anregungs-Lichtquelle 8a und eine Stimulations-Lichtquelle 8b vorgesehen, deren Strahlung über den Anregungs-/Stimulations-Strahlengang 12 und über eine Einkopplungs-Optik 9 in den Beleuchtungsstrahlengang 11 eingekoppelt wird. Die Anregungs-Lichtquelle 8a strahlt mit einer spezifischen Wellenlänge ab, die der Energiedifferenz, zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand, in einer bestimmten Substanz, z. B. Hämoglobin, entspricht (siehe 1, „Anregung”). Anstelle einer diskreten Wellenlänge kann auch ein, um diese spezifische Wellenlänge, schmalbandiges Spektrum verwendet werden.
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Die Stimulations-Lichtquelle 8b emittiert Licht einer kleineren Wellenlänge als die Anregungs-Lichtquelle 8a, die der Wellenlänge des daraufhin emittierten Lichtes der jeweiligen betrachteten körpereigenen Substanz entspricht, wobei sie der Wellenlänge des stimulierten Emissionslichtes entspricht und dieses durch Anregung optimal triggern kann. Auch hier kann anstelle einer diskreten Wellenlänge ein schmalbandiges Spektrum, um diese ebenfalls substanzspezifische Wellenlänge, verwendet werden. Je schmalbandiger das Stimulationslicht ist, desto spezifischer kann allerdings ein ganz bestimmter Stoff mit dieser Emissionseigenschaft zur stimulierten Emission angeregt werden.
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Je nachdem welche körpereigenen Substanzen zum Leuchten gebracht werden sollen, unterscheiden sich die erforderlichen Anregungs- und Stimulations-Lichtquellen. Zur Bestimmung muss das individuelle Energieschema einer Substanz herangezogen werden, das dann die Wellenlängen vorgibt.
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Als Anregungs-Lichtquellen und Stimulations-Lichtquellen werden bevorzugt Laser eingesetzt. Femtosekunden-Laser eignen sich dafür bestens, weil sie mit einer kurzen Pulsdauer und hohen Wiederholraten abwechselnd anregen und triggern können. Die erforderlichen Wellenlängen hängen von der zu untersuchenden Gewebesubstanz ab, jedoch erfolgt die stimulierte Emission vorzugsweise im sichtbaren Bereich. Dadurch sind jedoch Lösungen mit stimulierter Emission und Anwendung von entsprechenden Sehhilfen (z. B. Sensor Monitor-Systemen) von der Erfindung nicht ausgeschlossen.
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Für den Chirurgen bedeutet dies keine Umgewöhnung vom herkömmlichen Fluoreszenz-Operationsbetrieb. Lediglich die Sichtbarkeit verbessert sich und der bisherige Aufwand, verschiedenste Filter auszuwählen, entfällt.
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Das erfindungsgemäße Operationsmikroskop kommt grundsätzlich ohne Beleuchtungsfilter und Beobachtungsfilter aus, da die spezifische Anregung und die Stimulation über wellenlängenspezifische oder sehr schmalbandige Laser-Lichtquellen erfolgt.
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Die Anregungs-Lichtquelle 8a und die Stimulations-Lichtquelle 8b sind im Ausführungsbeispiel der 2 in eine Anregungs-/Stimulationseinrichtung 8 integriert. Diese ist vorzugsweise als bauliche Einheit austauschbar im Operationsmikroskop 1 angeordnet, um jeweils für eine bestimmte Substanz spezifische Wellenlängen zur Verfügung zu stellen.
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Alternativ kann die Anregungs-/Stimulationseinrichtung 8' auch seitlich vom Mikroskop direkt auf das Objekt 6 einstrahlen. Die entsprechende Variante ist in 2 mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Das durch die stimulierte Emission erzeugte Licht wird ebenso wie das am Objekt reflektierte Beleuchtungslicht über den Beobachtungsstrahlengang
14 dem Beobachter zugeführt. In der Regel wird dies jedoch zeitlich hintereinander erfolgen, d. h. dass der Chirurg entscheidet, ob er das Objektfeld unter Operations-Weisslichtbeleuchtung oder im Betriebszustand der stimulierten Emission sehen möchte. Natürlich sind auch Kombinationsbeleuchtungen möglich. Um eine bestimmte Hintergrundbeleuchtung des Objektfeldes sicherzustellen kann mittels Graufilter weißes Licht mit reduzierter Intensität eingestrahlt werden. Durch den Einsatz von verschiedenartigen Farbfiltern können auch spektral ausgesuchte Hintergrundbeleuchtungen dargestellt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2010 044 503 der Anmelderin hingewiesen. Der Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit zur Kombination mit den Lehren der vorliegenden Anmeldung als per Referenz eingeführt und dadurch geoffenbart.
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Eine elektronische Steuerung und Datenverarbeitungseinheit 16 ist mit der Anregungs-Lichtquelle 8a, der Stimulations-Lichtquelle 8b und der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 verbunden und bestimmt die zeitliche Abfolge der einzelnen Lichtpulse bzw. den Betrieb der einzelnen Lichtquellen. Die Steuerung und Datenverarbeitungseinheit 16 kann auch mit der Anregungs-/Stimulationseinheit 8' und der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 verbunden sein. Die Funktionsweise der Steuerung und Datenverarbeitungseinheit 16 und der einzelnen Betriebsmodi wird weiter unten näher erläutert.
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Eine Variante von 2 ist in 2a dargestellt, bei der anstelle einer herkömmlichen Weisslicht-Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle eine Weisslicht-Laser-Lichtquelle 7a zum Einsatz kommt. Gegebenenfalls kann diese Laserlichtquelle 7a auch als Femtosekunden-Weisslicht-Laser ausgeführt sein, der hinsichtlich der dem Objekt zugeführten Lichtenergie abwechselnd mit den Lasern 8a und 8b getaktet sein kann, um derart verschiedene Beobachtungsmodi zuzulassen, die unter gleichzeitiger Beleuchtung nicht möglich sind. Insbesondere in Kombination mit einem ebenfalls getakteten Videochip können so Weisslichtbeleuchtung und Anregungs-/Stimulationsbeleuchtung voneinander getrennt werden.
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Die drei Laser 7a, 8a und 8b strahlen auf einen Scannerspiegel 10a, der durch einen Scannerantrieb 10b so angesteuert ist, dass er das Objektfeld entlang einer Scankurve punktuell beleuchtet. Werden die Laserstrahlen der drei Laser 7a, 8a, 8b spatial unterschiedlich auf den Spiegel 10a gerichtet, so erfolgen sowohl Weisslichtbeleuchtung, als auch Anregung als auch Stimulation zeitlich nacheinander und das Gewebe wird punktuell nicht überlastet und es erfolgen die Reflexion, Anregung und Stimulation bzw. stimulierte Emission – für jeden Punkt des Objektfeldes betrachtet – zu verschiedenen Zeiten. Der Beobachter wird mit freiem Auge diese Vorgänge in der Form zwar nicht wahrnehmen können, ein schnell und hochauflösender Videochip kann sich jedoch diese zeitliche und punktuelle Beleuchtung des Objekts zunutze machen, um nach entsprechender Datenverarbeitung völlig getrennte Bilder darstellbar bereit zu halten; getrennt nach Weisslichtbeleuchtung, Anregungszustand und stimulierter Emission.
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Selbstverständlich kann im Rahmen dieser Erfindung anstelle eines gemeinsamen Scannerspiegels 10a auch für jeden Laser eine eigene Scanvorrichtung vorgesehen sein. Alternativ kann auch ohne Scanner gearbeitet werden, etwa mit einer Strahlaufweitung (vgl. 18 3a). Dann werden aber bevorzugt die Laser selbst so getaktet sein, dass sie zu unterschiedlichen Zeiten das Objekt beleuchten, um die Effekte sauber zu trennen.
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2b entspricht dem Aufbau nach 2a. Unterschiedlich dazu ist jedoch eine zusätzliche (herkömmliche) Weißlicht-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 vorgesehen, die über ein eigenes Umlenkelement 10c das Objektfeld 15 ausleuchten kann. Dieser Aufbau erlaubt es einem Chirurgen das vorliegende Operations-Stereomikroskop, wie bisher, zu verwenden. Zusätzlich stehen jedoch eine Weißlicht-Verstärkung über den Einsatz des Weisslicht-Lasers 7a und die anderen oben angegebenen Beleuchtungs- bzw. Beobachtungsarten Zur Verfügung.
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Mittels spektraler Aufteilung (z. B. Prisma) des Weisslicht-Lasers 7a lassen sich auch beliebige Lichtwellenlängen darstellen und als Beleuchtung des Objekts einsetzen. Bei entsprechender Auslegung kann der Weisslicht-Laser 7a somit auch den Anregungslaser 8a und den Stimulationslaser 8b ersetzen, so dass er alle Funktionen bei entsprechender Ansteuerung der spektralen Aufteilung (bzw. des Prismas) zeitlich versetzt ausüben kann.
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3 zeigt eine Variante des Operationsmikroskops 1, in der der Einfachheit halber nur ein Ausschnitt (rechter Teil von 2) dargestellt ist. Im Aufbau der 3 ist die Anregungs-/Stimulationseinrichtung 8 in unmittelbarer Nähe zur Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 angeordnet. Alle Lichtquellen 7, 8a, 8b sind hier in einer gemeinsamen Beleuchtungs-Lichtquellen-Einheit integriert. Dadurch entsteht ein gemeinsamer Strahlengang 11 von den Lichtquellen 7, 8a, 8b bis zum Objekt 6.
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Die Lichtquellen 7, 8a, 8b sitzen im Fokusbereich eines Hohlspiegels 17, der die Strahlen der Lichtquellen in Richtung Objekt 6 bündelt. Es ist daher nicht erforderlich, dass die Anregungs-Lichtquelle 8a und die Stimulations-Lichtquelle 8b gerichtet abstrahlen, obwohl dies grundsätzlich und hinsichtlich der bevorzugt gewählten Laserlichtquellen in der Regel der Fall sein wird. Anstelle eines Hohlspiegels 17, der entsprechend den Anforderungen an die Strahlform eine Freiformfläche aufweisen kann, können auch andere Strahlformungselemente verwendet werden, beispielsweise zusätzliche Linsen oder Spiegel.
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Die 3a zeigt einen Aufbau als Variante zu 3, der über einen zusätzlichen Weisslicht-Laser 7a verfügt, der analog der Anregungs-/Stimulationseinrichtung 8 im Bereich der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 angeordnet ist und zur Beleuchtung des Objekts eingesetzt werden kann. Alle Laser 7a, bzw. 8a, 8b können eine integrierte Scannereinrichtung aufweisen, oder über eine Strahlaufweitungs-Einrichtung 18 verfügen, um das Objektfeld 15 bzw. das Objekt 6 vollständig auszuleuchten.
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4 zeigt eine Variante, bei der die Anregungs-Lichtquelle 8a und die Stimulations-Lichtquelle 8b an gegenüberliegenden Seiten der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7, jeweils von dieser beabstandet, angeordnet sind. Durch diese Maßnahme können alle Lichtquellen 7, 8a, 8b symmetrisch in Bezug auf den Fokus des Hohlspiegels 17 angeordnet sein. So ist sichergestellt, dass eine möglichst homogene Beleuchtung des Objektfeldes eintritt, unabhängig von der jeweiligen Wahl der Lichtquelle. Ausserdem liegt das Schwergewicht der Ausleuchtungsqualität bzw. Lichtverteilung auf der Operations-Weisslichtquelle, wie dies grundsätzlich bei jedem Operationsmikroskop von jedem Chirurgen verlangt wird.
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In einer weiteren Variante (5) sind die Anregungs-Lichtquelle 8a und die Stimulations-Lichtquelle 8b hinter der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 in der Wand bzw. in Ausnehmungen des Hohlspiegels 17 angeordnet. Als Lichtquellen werden bevorzugt gerichtete Laserlichtquellen zum Einsatz kommen. Bei Bedarf können den Laserlichtquellen geeignete Strahlform-Optiken zugeordnet sein, die flache oder ovale Strahlformen möglichst rund ausrichten, um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Objektfeldes mit dem Laserlicht sicherzustellen. Abgesehen davon, ist es gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, die Laserstrahlen über die zu beleuchtende, anzuregende bzw. zu stimulierende Fläche in einem Scanmodus zu lenken. Mittels vorgeschalteten Strahlumlenkelementen werden die Laserstrahlen so über die zu beleuchtende Oberfläche gelenkt, dass die gesamte Oberfläche Punkt für Punkt beleuchtet wird. So ist es für die Anregung und Stimulation möglich, besonders hohe Energiedichten zu erreichen und so eine starke stimulierte Emission zu erzeugen.
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Gegebenenfalls können die Scanvorgänge zeitlich nacheinander oder räumlich nacheinander erfolgen, so dass ein Anregungslaserstrahl auf der gleichen Bahn einem Stimulationsstrahl voranläuft. Durch die geeignete Anregungslichtwellenlänge und entsprechend intensiver Laserleistung, kann so optimal zu maximaler Emission angeregt werden.
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5a zeigt den gleichen Aufbau wie 5, mit dem Unterschied, dass hier zusätzlich ein Weisslicht-Laser 7a als zweite Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle vorgesehen ist, die alternativ oder zusätzlich zur Lichtquelle 7 einsetzbar ist.
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Die 5b entspricht vom Prinzip her dem Aufbau von 5a mit dem Unterschied, dass auf die herkömmliche Beleuchtungseinrichtung 7 verzichtet wird, weshalb auch der Hohlspiegel entfallen kann. Eine Weisslicht-Laserlichtquelle 7a übernimmt hier die vollständige Operations-Beleuchtung mittels Weisslicht. Die Umlenkeinrichtung 10a ist hier für einen Scanbeleuchtung ausgerüstet und verfügt demzufolge auch über einen Scannerantrieb 10b.
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Als Laserlichtquellen werden kleine laserdiodenartige Laserlichtquellen bevorzugt verwendet. Unter Laserlichtquellen sind jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Enden von Lichtwellenleitern zu verstehen, die Laserlicht von entfernt liegenden Laserlichtquellen an die angegebenen Orte leiten. Gleiches gilt auch sinngemäß für die Operations-Lichtquelle, die selbst als Weißlicht-Laserlichtquelle ausgebildet sein kann. Bei Bedarf können auch sowohl eine herkömmliche Weisslichtquelle (Lampe) und eine Weisslicht-Laserlichtquelle vorgesehen sein. Für den jeweiligen Anwendungsbedarf des Chirurgen kann dieser somit die optimale Beleuchtung wählen. Im Falle des Vorhandenseins einer energiestarken Weisslicht-Laserlichtquelle, kann diese auch mittels Prismen-Farbaufspaltung oder durch Filter zur Bereitstellung von Anregungslicht oder von Stimulationslicht eingesetzt werden. Sind die Laser als gepulste Laser ausgebildet, so können die Pulsraten und Pulsdauern aufeinander abgestimmt werden, um ein optimales Emissionsverhalten zu erzeugen. Dieses kann letztlich durch das Chirurgenauge oder durch einen Videochip aufgenommen werden und bei Bedarf weiterverarbeitet.
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Bei der Bildverarbeitung kann dabei das Prinzip des Differenzsignals ausgewertet werden: Eine herkömmliche Beleuchtung mit weißem Licht bringt Gewebe in einen bekannten Zustand. Das zusätzliche Anregen des Gewebes mittels einer Anregungswellenlänge wird in der Regel optisch nicht wahrgenommen, da das Anregungslicht in der Regel bereits ausserhalb des sichtbaren Spektrums ist. Wird angeregtes Gewebe mittels Stimulationslicht mit ausreichender Dosis beleuchtet, so kommt es gleichzeitig zur stimulierten Emission. Das bedeutet, dass das beleuchtete Objekt nicht nur aufgrund der Beleuchtung mit Stimulationslicht in diesem Bereich stärker leuchtet sondern eben auch durch die additiv auftretende stimulierte Emission. Das Differenzsignal in der gleichen Lichtwellenlänge zwischen Stimulation und gleichzeitiger Emission kann videotechnisch gut dargestellt werden, so dass über Bildverarbeitung eine deutliche Verstärkung der Sichtbarkeit der stimulierten Emission erreicht werden kann.
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Da sich die Gewebe zwischen Anregung und stimulierter Emission nicht „verbrauchen”, können durch beliebige häufige Pulsfolgen zwischen Anregungslicht und Stimulationslicht beliebige Gewebe sichtbar gemacht werden.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise verschiedener Betriebsmodi im Zusammenhang mit den 6, 7 und 8 näher erläutert. Grundsätzlich kann die Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 und oder 7a (Weisslicht-Laser) – wie an sich bekannt – alleine das Objekt beleuchten und ermöglicht dem Chirurgen das Beobachten und Operieren an der beleuchteten Stelle.
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6 zeigt ein Diagramm einer bevorzugten Beschaltung der Lichtquellen. Die Einstrahlung der Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 oder 7a (Feld mit 7 bezeichnet) bietet dem Chirurgen eine farbneutrale Abbildung des Objektes 6. Noch während das Operations-Beleuchtungslicht 7 eingeschaltet ist, wird die Anregungs-Lichtquelle 8a dazu geschaltet. Dieser gleichzeitige Betrieb erhöht die Effizienz der Anregung, da auch die Weißlichtbeleuchtung bereits Anregungs-Lichtwellenlängen beinhaltet und somit zur Anregung beitragen kann; dies naturgemäß nur in dem Ausmaß, in dem nicht auch gleichzeitig im gleichen Maß Stimulations-Lichtwellenlängen beinhaltet sind. Nachdem die Anregung erfolgt ist, wird die Anregung unterbrochen und die Stimulation eingeleitet (Schalten der Stimulations-Lichtquelle 8b). Während der Stimulation und der dadurch bedingten stimulierten Lichtemission ist das Operations-Beleuchtungslicht 7 bei dieser Ausführung grundsätzlich abgeschaltet oder mittels Shutter, Filter o. dgl. abgedunkelt. Dadurch wird verhindert, dass das Operations-Beleuchtungslicht das stimulierte Emissionslicht überstrahlt. Die konkrete Schaltung durch die Steuerung und die Datenverarbeitungseinheit 16 kann z. B. derart erfolgen, dass das Schalten des Anregungslichtes das Ausschalten des Operations-Beleuchtungslichts derart triggert, dass kurz vor oder gleichzeitig mit dem Ausschalten des Anregungslichts auch das Operations-Beleuchtungslicht 7 abgeschaltet wird.
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Alternativ (7) wird das Operations-Beleuchtungslicht ausgeschaltet, noch bevor die Anregung erfolgt. Hier kann das Ausschalten des Operations-Beleuchtungslichts 7 das Einschalten der Anregungs-Lichtquelle 8a triggern.
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In 7 ist auch noch symbolisch die Einschaltzeit von Videosensoren dargestellt, die einerseits für die Weisslicht-Detektion ausgerüstet sind (Weisslicht-Sensor) und andererseits der Fluoreszenzlicht-Detektion (Detektion des stimulierten Emissionslichts) dienen. Da die Aufzeichnung des Emissionslichts zu einem anderen Zeitpunkt erfolgt, als das Weisslicht einstrahlt, gibt es hier keine Überlagerung, die zu einer Überstrahlung führen kann. Da das Licht 8a andererseits in einer völlig anderen – meist längeren Wellenlänge abgestrahlt wird, kann auch dieses allenfalls reflektierte Licht durch Bildverarbeitung unsichtbar gemacht werden.
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8 zeigt einen weiteren Betriebsmodus, bei dem das Operations-Beleuchtungslicht
7 ständig eingeschaltet ist. Dies ist steuerungstechnisch der einfachste Fall, birgt aber die Gefahr der Überstrahlung des stimulierten Emissionslicht durch das Operations-Beleuchtungslicht, sofern nicht durch geeignete Filter oder Blendenmaßnahmen eine entsprechende Lichtstärkenreduktion und/oder Änderung der Wellenlänge des Lichts erfolgt. Hier wird auch auf die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2010 044 503 der Anmelderin verwiesen.
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Die Auswahl einzelner Betriebsmodi kann über elektrische Schalter erfolgen. Allen Betriebsmodi, die zusätzlich die stimulierte Emission benutzen, ist gemein, dass die Anregungs-Lichtquelle und die Stimulations-Lichtquelle nacheinander geschaltet werden, d. h. einer erfolgreichen Stimulation muss eine Anregung vorangehen. Anregungs-Lichtquelle und Stimulations-Lichtquelle werden somit grundsätzlich zeitversetzt geschaltet.
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9 zeigt einen symbolischen Aufbau, bei dem in einer Einheit alle erwähnten Laser-Lichtquellen 7a, 8a, 8b untergebracht sind, während eine andere Einheit die herkömmliche Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle 7 aufweist. Umlenkprismen 10c bzw. 10d, hier als Prismen dargestellt, dienen der Umlenkung des Lichts durch das Hauptobjektiv 2. Im oberen Teil des Mikroskops ist über einen Strahlenteiler eine Ausblendung auf einen Videochip 19 installiert, der über einen Controller 21 mit Bildverarbeitung auf einen Monitor 20 geschaltet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf Operationsmikroskope beschränkt, sondern auf alle optischen Operationssehhilfen, bei denen das stimulierte Emissionslicht vom Beobachter bzw. Chirurgen betrachtet werden kann. Dazu zählen insbesondere auch Endoskope und andere in der Chirurgie eingesetzte optische Sehhilfsmittel, wie zum Beispiel auch Lupenbrillen. Die Einschränkung auf Stereomikroskopie ist bewusst gewählt, da Operationsmikroskope in der Regel stereoskopisch ausgebildet sind und gerade diese Ausbildung dem Chirurgen optimale Unterstützung bietet; in Einzelfällen kann die Erfindung jedoch auch sinnvoll bei monoskopischen Sehhilfen gleichartig angewendet werden. Die Ansprüche und obige Beschreibung sind dementsprechend breit auszulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Operationsmikroskop; Sonderbeleuchtungs-Operations-Stereomikroskop
- 2
- Hauptobjektiv
- 3
- Zoom
- 4
- Tubus
- 5
- Okular
- 6
- Objekt
- 7
- Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle
- 7a
- Weißlichtlaser-Beleuchtungs-Lichtquelle; Operations-Beleuchtungs-Lichtquelle
- 8, 8'
- Anregungs-/Stimulationseinrichtung
- 8a
- Anregungs-Lichtquelle
- 8b
- Stimulations-Lichtquelle
- 9
- Einkoppel-Optik
- 10
- Umlenkelement
- 10a
- Umlenkelement als Scannerspiegel
- 10b
- Scannerantrieb für Scannerspiegel
- 10c
- Umlenkelement; Umlenkprisma
- 10d
- Umlenkelement; Umlenkprisma
- 11
- Beleuchtungsstrahlengang
- 12
- Anregungs-/Stimulationsstrahlengang
- 12a
- Anregungsstrahlengang
- 12b
- Stimulationsstrahlengang
- 13
- Anregungs-/Stimulationsstrahlengang
- 14
- Beobachtungsstrahlengang
- 15
- Objektfeld
- 16
- Steuerung und Datenverarbeitungseinheit
- 17
- Hohlspiegel
- 18
- Aufweitungsoptik für Laserstrahlen
- 19
- Bildsensor, Videochip
- 20
- Monitor
- 21
- Controller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6510338 A [0015]
- DE 19548913 A1 [0017, 0017]
- EP 1691229 A1 [0018, 0018]
- DE 102007034936 A1 [0021]
- DE 19721454 A1 [0021]
- EP 2074933 A1 [0021]
- US 4786154 A [0021]
- WO 87/04804 A1 [0022]
- US 3798435 A [0023]
- DE 10123785 A1 [0024]
- WO 2005/024486 A1 [0032]
- DE 102010044503 [0074, 0096]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Lexikon der Optik, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, ISBN 3-8274-0382-0, 1999, Seiten 188–189” [0005]
- „Lexikon der Optik”, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, ISBN 3-8274-0382-0, 1999, Seiten 188–189 [0029]
- „Technische Optik”, Schröder, Gottfried, Würzburg, ISBN 3-8023-0067-X, 1984, Punkt 4.3.5 [0029]
- „Spektrum der Wissenschaft”, April 2010 ”Erzwungenes Leuchten” von Stefan A. Maier [0029]
- „Nature”, Vol. 461, 22. Oktober 2009, „Imaging chromophores with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy” von Wei Min et al [0030]
- „Science”, 19 März 2010, Vol. 327. no. 5972, pp. 1495–1497 „Microcavity Laser Oscillating in a Circuit Based Resonator”, Christoph Walther et al. [0043]
