DE102012201371A1

DE102012201371A1 - Multiphotonenfluoroskopievorsatzmodul für ein Operationsmikroskop

Info

Publication number: DE102012201371A1
Application number: DE102012201371A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sander
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-01
Also published as: US20130194409A1; CN103251454A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorsatzmodul (100) für ein Operationsmikroskop (10), welches in einen Hauptstrahlengang zwischen Objektiv (11) des Operationsmikroskops und beobachtetem Objekt (O) einbringbar ist, wobei das Vorsatzmodul (100) aufweist: einen Multiphotonenfluoroskop (110) aufweisend eine Lichtquelle (111) zum Ausstrahlen von Anregungslicht, eine Scanvorrichtung (112) zum Lenken des Anregungslichtes auf das Objekt (O) und einen Detektor (113) zum Detektieren von von dem Objekt (O) ausgestrahlten Fluoreszenzlicht, eine Einkoppeloptik (120), um das von der Scanvorrichtung gelenkte Anregungslicht auf das Objekt (O) zu umlenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorsatzmodul für ein Operationsmikroskop, eine Untersuchungseinrichtung mit einem solchen Vorsatzmodul sowie ein Mikroskopsystem mit einer solchen Untersuchungseinrichtung.
Stand der Technik
Bei mikroskopgestützten Operationen kann die lichtmikroskopische Bildgebung durch andere Verfahren unterstützt werden. Beispielsweise wird in dem Artikel "Combining Optical Coherence Tomography (OCT) with an Operating Microscope" von E. Lankenau et al., Advances in Medical Engineering, Springer Verlag, Vol. 114, S. 343–348, eine Möglichkeit beschrieben, ein Operationsmikroskop mit einem OCT-Gerät auszustatten, um speziell in der Ophthalmologie neben lichtmikroskopischen Bildern des Auges auch Bilder aus tieferen Schichten zur Verfügung zu haben. Die Vergrößerung eines Operationsmikroskops und eines OCT-Geräts sind von derselben Größenordnung.
In der Neurochirurgie wird neben der lichtmikroskopischen Bildgebung die Fluoreszenzmikroskopie, wie bspw. in der DE 2005 005 984 A1 beschrieben, eingesetzt. Dabei wird Gewebe durch Verabreichung von Marker-Chemikalien zu Fluoreszenz angeregt, um so Gewebeveränderungen erkennen zu können. Auch die Vergrößerung der Fluoreszenzmikroskopie entspricht der Vergrößerung der Lichtmikrokopie.
Insbesondere zur pathologischen Beurteilung von Gewebe sind jedoch höhere Vergrößerungen erstrebenswert.
Beispielsweise soll eine bessere Unterscheidung von gesundem und krankem Gewebe erfolgen, so dass bspw. ein Chirurg erkennen kann, ob er das gesamte Tumorgewebe entfernt hat. Dies ist insbesondere in Bereichen, wie z.B. der Hirnchirurgie, wichtig, wo weder zu viel noch zu wenig Gewebe entfernt werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Vorsatzmodul für ein Operationsmikroskop, eine Untersuchungseinrichtung mit einem solchen Vorsatzmodul sowie ein Mikroskopsystem mit einer solchen Untersuchungseinrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Unter dem Begriff "Vorsatzmodul" wird hierbei ein Modul verstanden, das für den Einsatz zwischen zu beobachtendem Objekt und einem Hauptobjektiv des Mikroskops anzuordnen ist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Offenbarung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, ein Operationsmikroskop mit einem Multiphotonenfluoroskop auszurüsten, um so neben dem lichtmikroskopischen Bild ein rekonstruiertes Bild deutlich höherer Vergrößerung auch intraoperativ zur Verfügung zu haben. Der intraoperative Einsatz ist besonders vorteilhaft, da einerseits ggf. nötige Warte- und Unterbrechungszeiten signifikant verkürzt und andererseits kaum Nebenwirkungen für den Patienten hat.
Die Multiphotonenfluoreszenz bedient sich üblicherweise einer Laser-Scanning-Technik, bei der das zu beobachtende Objekt mit einem speziellen Laserstrahl abgetastet wird. Die beleuchtete Stelle wird zu Multiphotonen-Fluoreszenz (meist Zwei-Photonen-Fluoreszenz) angeregt, das Fluoreszenzlicht wird erfasst, ausgewertet und daraus wird ein Bild rekonstruiert. Die Arbeitsweise ähnelt der eines konfokalen Laser-Scanning-Verfahrens. Dies ist prinzipiell bspw. aus der WO 2010/146134 A2 bekannt und soll an dieser Stelle daher nicht vertieft werden.
Während jedoch die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie eine Eindringtiefe je nach Präparat von 50–80 µm hat, können mit der Multi-Photonen-Fluoreszenz tiefere Bereiche, z.B. von 200 µm, in sehr günstigen Fällen sogar bis zu 1 mm erreicht werden. Dadurch sind Aufnahmen von lebenden Geweben möglich, die anderweitig für die Bildgebung unerreichbar sind.
Für die Multiphotonen-Fluoreszenz ist eine starke Fokussierung des Anregungslichts nötig, weshalb ein Sonderobjektiv mit einer sehr kurzen Brennweite, insbesondere kleiner als 10 mm, und hoher numerischer Apertur, insbesondere größer als 0,3. eingesetzt wird. Das Sonderobjektiv kann Bestandteil des Vorsatzmoduls oder von diesem separat sein. Es kann ein Nonkontaktobjektiv oder ein Kontaktobjektiv (z.B. Kontaktglas, Kontaktlinse) sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Vorsatzmoduls weist zusätzlich eine Korrektursammellinse am objektivseitigen Ende des Vorsatzmoduls auf, welche zu einer Verkürzung der Brennweite des Objektivs des Operationsmikroskops führt. Dies zeigt besonders in Kombination mit dem Sonderobjektiv besondere Vorteile, um das Vorhandensein des Sonderobjektivs im lichtmikroskopischen Strahlengang auszugleichen.
Besondere Vorteile zeigt ein erfindungsgemäßes Mikroskopsystem im operativen Bereich. Wird ein Multiphotonen-Fluoroskop mit einem Operationsmikroskop kombiniert, kann das Fluoroskop insbesondere zur Untersuchung der Zellstruktur verwendet werden, um bspw. besondere Gewebebereiche zu untersuchen. Das Multiphotonen-Fluoroskop bietet die Möglichkeit, die Zellstruktur während der Operation aufzulösen und so bspw. eine Unterscheidung von gesundem und krankem Gewebe zu ermöglichen. Das rekonstruierte Bild kann dazu vorteilhaft auch an eine entfernte Stelle, bspw. in ein Pathologielabor, übertragen werden.
Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Mikroskopsystems im medizinischen, operativen Bereich ist besonders schonend für den Patienten. Die Unterscheidung zwischen gesundem und krankem Gewebe kann schnell und sicher erfolgen. Heutzutage wird eine Gewebecharakterisierung üblicherweise durch Verwendung von Fluoreszenzmikroskopie und durch Schnellschnitte durchgeführt. Beide Methoden sind für den Patienten relativ belastend. Bei der herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie muss der Patient Marker-Chemikalien aufnehmen, die häufig starke Nebenwirkungen haben. Zusätzlich ist eine Abgrenzung zwischen gesundem und krankem Gewebe durch diese Methode oft ungenau, so dass meist zu viel oder zu wenig Gewebe entfernt wird, was beides unerwünschte Folgen hat. Bei Schnellschnitten wird entnommenes Gewebe untersucht, was ebenfalls eine große Belastung für den Patienten ist und prinzipbedingt zur Entnahme auch von gesundem Gewebe führt. Die bildliche Abgrenzung von gesundem und krankem Gewebe, welche durch die Erfindung ermöglicht wird, erfordert hingegen keine zusätzlichen Eingriffe und ist somit besonders schonend. Insbesondere müssen für die Multiphotonen-Fluoroskopie aufgrund der stimulierten Emissionen nicht unbedingt Chemikalien verabreicht werden.
Vorzugsweise weist das Mikroskopsystem eine Anzeigeeinheit, beispielsweise einen Bildschirm auf, um das rekonstruierte Bild darzustellen. Weist das Mikroskopsystem eine Kamera auf, kann auf der Anzeigeeinheit auch das lichtmikroskopische Bild dargestellt werden.
Es ist vorteilhaft, das rekonstruierte Bild mittels einer Einspiegelvorrichtung, beispielsweise gemäß der EP 1 224 499 B1 , in einen Beobachtungsstrahlengang des Operationsmikroskops einzuspiegeln. Ein Stereomikroskop, wie bspw. das dort beschriebene, kann vorteilhaft als Operationsmikroskop verwendet werden. Somit kann der Chirurg während der Operation den Blick durch das Mikroskop gerichtet lassen und muss nicht unnötig oft hin und her blicken.
Ein kombiniertes Bild aus dem rekonstruierten Bild und dem lichtmikroskopischen Bild wird vorzugsweise mittels der Einspiegelvorrichtung erzeugt. Für den Betrachter des kombinierten Bildes ist es vorteilhaft, sowohl die Feinstruktur des vom Multiphotonen-Fluoroskop aufgenommenen Bildes zu erkennen als auch die Übersicht durch das Mikroskopbild zu erhalten. Dabei wird vorteilhafterweise das rekonstruierte Bild alternativ oder zusätzlich zu einer Überlagerung mit dem mikroskopischen Bild in einem separaten Abschnitt getrennt von dem mikroskopischen Bild dargestellt. Der Operateur kann somit das rekonstruierte Bild sehen, ohne vom Mikroskop aufblicken zu müssen.
Wird ein Stereomikroskop als Operationsmikroskop verwendet, erfolgt zweckmäßig auch eine dreidimensionale Einspiegelung unter Verwendung unterschiedlicher Bilder für jeden Beobachtungsstrahlengang. Die unterschiedlichen Bilder werden insbesondere von der Recheneinheit erzeugt.
Vorteilhafte Anwendungsfälle für die Erfindung ergeben sich bspw. in der Augenheilkunde zur Untersuchung der Netzhaut, des Glaskörpers und/oder der vorderen Medien des Auges. Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsfeld ist die Tumorabgrenzung und Gewebeunterscheidung in der Hirn- und Hautchirurgie. Bspw. lassen sich Biopsien auf diese Weise vermeiden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskopsystems in einer schematischen Seitenansicht.
In 1 ist ein bevorzugtes Mikroskopsystem schematisch dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Das Mikroskopsystem 300 weist in der bevorzugten Ausführungsform ein Operationsmikroskop 10 als Lichtmikroskop und eine Untersuchungseinrichtung 200 auf.
Die Untersuchungseinrichtung 200 weist ein Vorsatzmodul 100 auf. Das Vorsatzmodul 100 wird während des Einsatzes in dem Hauptstrahlengang des Operationsmikroskops 10 zwischen Objektiv 11 und beobachtetem Objekt O angeordnet. Das Vorsatzmodul kann dazu am Operationsmikroskop 10 selbst oder an einem Stativ (nicht gezeigt), an welchem auch das Operationsmikroskop befestigt sein kann, befestigt sein. Das Vorsatzmodul 100 ist insbesondere beweglich gelagert, so dass es bei Bedarf in den Hauptstrahlengang eingeschwenkt und nach Verwendung auch wieder ausgeschwenkt werden kann.
Das Vorsatzmodul 100 weist ein Multiphotonenfluoroskop 110 auf, das eine hier als Infrarotlaser 111 ausgebildete Lichtquelle zum Ausstrahlen von Anregungslicht, eine hier als Scanspiegel 112 ausgebildete Scanvorrichtung zum Lenken des Anregungslichtes auf das Objekt O und einen Detektor 113 zum Detektieren des von dem Objekt O ausgestrahlten Fluoreszenzlichts beinhaltet. Das Vorsatzmodul 100 weist weiterhin eine hier als Strahlteilerspiegel 120 ausgebildete Einkoppeloptik auf, um das von der Scanvorrichtung gelenkte Anregungslicht auf das Objekt O umzulenken.
Das Vorsatzmodul enthält weiterhin ein Sonderobjektiv 140 am objektseitigen Ende des Vorsatzmoduls, welches das umgelenkte Anregungslicht auf das Objekt O fokussiert. Das Sonderobjektiv hat dazu eine relativ kurze Brennweite kürzer und eine relativ große numerische Apertur. Das Sonderobjektiv kann, wie dargestellt, ein Nonkontaktobjektiv sein. Insbesondere in der Ophthalmologie ist jedoch auch der Einsatz von Kontaktobjektiven, wie Kontaktlinsen, vorteilhaft.
Das Sonderobjektiv 140 führt zu einer Abbildung des Objekts O in eine Zwischenbildebene E. Diese liegt zunächst nicht im Fokus des Operationsmikroskops 10, so dass im Strahlengang weiterhin vorzugsweise eine Korrektursammellinse 130 am (mikroskop)objektivseitigen Ende des Vorsatzmoduls vorgesehen ist, welche zu einer Verkürzung der Brennweite des Objektivs 11 des Operationsmikroskops 10 führt, so dass insgesamt das Objekt weiterhin scharf im Operationsmikroskop abgebildet wird.
Durch die Zwischenabbildung bei E kommt es zu einer Vertauschung der Strahlengänge für das rechte und linke Auge des Operationsmikroskops, welche durch einen Inverter 150 rückgängig gemacht wird. Der Inverter ist in dem Vorsatzmodul zweckmäßigerweise an dessen objektivseitigen Ende, zwischen Objektiv 11 des Operationsmikroskops 10 und der Zwischenbildebene E angeordnet.
Die Untersuchungseinrichtung 200 umfasst neben dem Vorsatzmodul 100 auch eine Steuereinrichtung 201, beispielsweise eine Recheneinheit. Die Steuereinrichtung ist programmtechnisch zur Durchführung der beschriebenen Maßnahmen eingerichtet. Die Steuereinrichtung 201 ist insbesondere dazu eingerichtet, das Multiphotonenfluoroskop 110 und andere Komponenten des Mikroskopsystems anzusteuern und aus dem detektierten Fluoreszenzlicht ein rekonstruiertes Bild des Objekts O zu berechnen.
Die Untersuchungseinrichtung 200 weist weiterhin eine hier als Bildschirm 202 ausgebildete Anzeigeeinheit und eine Kamera 203 auf. Der Bildschirm kann auch mit einer weiteren externen Rechnereinheit, wie bspw. einem PC, zur optischen Anzeige bzw. weiteren Datenverarbeitung verbunden sein, der wiederum mit der Steuereinrichtung 201 verbunden ist.
Die Kamera 203 ist an dem Operationsmikroskop 10 angebracht und kann so ein lichtmikroskopisches Bild des Objekts O aufnehmen. Das von der Kamera aufgenommene Bild wird zur weiteren Verarbeitung, Anzeige und/oder Speicherung an die Steuereinrichtung 201 übertragen. Das rekonstruierte Bild und das aufgenommene Bild werden vorzugsweise auf dem Bildschirm dargestellt. Es ist insbesondere möglich, auf dem Bildschirm 202 die Ansicht darzustellen, wie sie der Beobachter oder Operateur sieht, insbesondere also das Mikroskopbild mit etwaiger Dateneinspiegelung. Bildschirm und/oder externe Rechnereinheit eignen sich insbesondere zur Fernüberwachung oder Fernbetrachtung des Untersuchungs- oder Operationsvorgangs.
Das Operationsmikroskop 10 ist als Stereomikroskop mit einem Hauptobjektiv 11, von dem zwei Beobachtungsstrahlengänge 13 (Stereostrahlengänge) ausgehen, und einer Einspiegelvorrichtung 12 ausgebildet. In dem Mikroskop sind Optiken, wie Linsen, Spiegel und Prismen vorhanden, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Mittels einer solchen Einspiegelvorrichtung 12 können Bilddaten, insbesondere das rekonstruierte Bild, aber auch numerische oder textuelle Daten, Fadenkreuze und ähnliches, in das Mikroskopbild und korreliert zum jeweiligen Mikroskopbild eingespiegelt werden. Beispielsweise lässt sich das rekonstruierte Bild an den jeweiligen Ort der Operation, der durch das Mikroskopbild wiedergegeben wird, einspiegeln und somit dem Mikroskopbild überlagern, um Diagnose und Operation besser aufeinander abstimmen zu können. Auch andere Einspiegelungen (numerische und textuelle Angaben, beispielsweise von Größenbereichen, Fadenkreuze, Hinweispfeile etc.) sind hierdurch möglich. Zur Dateneinspiegelung steuert die Steuereinrichtung 201 die Einspiegelvorrichtung 12 im Mikroskop 10 an. Die Dateneinspiegelung ist an sich bekannt, so dass hierzu auf bekannte Literatur, wie z.B. EP 1 224 499 B1 , verwiesen werden kann. Auch eine dreidimensionale Einspiegelung, bspw. mittels unterschiedlicher Bilder für jeden Strahlengang eines Stereo-Operationsmikroskops, ist möglich.
Betrachtet der Operateur das Objekt O durch das Operationsmikroskop 10, so sieht er durch Einspiegelung ein kombiniertes Bild aus einem mikroskopischen Bild einer ersten Vergrößerung und einem fluoroskopischen Bild einer zweiten, wesentlichen höheren Vergrößerung. Bei einer beispielhaften Verwendung des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems zur Entfernung von krankem Gewebe werden zunächst offenliegende Bereiche mit dem Fluoroskop untersucht und krankes Gewebe wird unter dem Operationsmikroskop entfernt. Die dabei zum Vorschein kommenden Bereiche werden anschließend erneut mit dem Fluoroskop untersucht usw.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 2005005984 A1 [0003]
WO 2010/146134 A2 [0008]
EP 1224499 B1 [0015, 0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Combining Optical Coherence Tomography (OCT) with an Operating Microscope" von E. Lankenau et al., Advances in Medical Engineering, Springer Verlag, Vol. 114, S. 343–348 [0002]

Claims

Vorsatzmodul (100) für ein Operationsmikroskop (10), welches in einen Hauptstrahlengang zwischen Objektiv (11) des Operationsmikroskops und beobachtetem Objekt (O) einbringbar ist, wobei das Vorsatzmodul (100) aufweist: einen Multiphotonenfluoroskop (110) aufweisend eine Lichtquelle (111) zum Ausstrahlen von Anregungslicht, eine Scanvorrichtung (112) zum Lenken des Anregungslichtes auf das Objekt (O) und einen Detektor (113) zum Detektieren von von dem Objekt (O) ausgestrahlten Fluoreszenzlicht, eine Einkoppeloptik (120), um das von der Scanvorrichtung gelenkte Anregungslicht auf das Objekt (O) zu umlenken.
Vorsatzmodul nach Anspruch 1, zusätzlich aufweisend ein Sonderobjektiv (140) an seinem objektseitigen Ende, welches das umgelenkte Anregungslicht auf das Objekt (O) fokussiert.
Vorsatzmodul nach Anspruch 2, wobei das Sonderobjektiv (140) ein Kontaktobjektiv oder ein Nonkontaktobjektiv ist.
Vorsatzmodul nach nach Anspruch 2 oder 3, zusätzlich aufweisend einen Inverter (150) an seinem objektivseitigen Ende, welcher zu einer Vertauschung von Beobachtungsstrahlengängen (13) für das Operationsmikroskop führt.
Vorsatzmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend eine Korrektursammellinse (130) am objektivseitigen Ende, welche zu einer Verkürzung der Brennweite des Objektivs (11) führt.
Untersuchungseinrichtung (200) aufweisend ein Vorsatzmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche sowie eine Steuereinrichtung (201), welche dazu eingerichtet ist, das Multiphotonenfluoroskop (110) anzusteuern und aus dem detektierten Fluoreszenzlicht ein rekonstruiertes Bild des Objekts (O) zu berechnen.
Untersuchungseinrichtung (200) nach Anspruch 6, aufweisend eine Anzeigeeinheit (202), wobei die Steuereinrichtung (201) dazu eingerichtet ist, das rekonstruierte Bild des Objekts (O) auf der Anzeigeeinheit (202) anzuzeigen.
Untersuchungseinrichtung (200) nach Anspruch 7, aufweisend eine Kamera (203), um ein lichtmikroskopisches Bild des Objekts (O) aufzunehmen, wobei die Steuereinrichtung (201) dazu eingerichtet ist, das mit der Kamera (203) aufgenommene lichtmikroskopische Bild des Objekts (O) auf der Anzeigeeinheit (202) anzuzeigen.
Mikroskopsystem (300) mit einem Lichtmikroskop (10), insbesondere Operationsmikroskop, zum Erzeugen eines mikroskopischen Bildes, sowie einer Untersuchungseinrichtung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
Mikroskopsystem (300) nach Anspruch 9, zusätzlich aufweisend eine Einspiegelvorrichtung (12), welche das rekonstruierte Bild des Objekts (O) in einen Beobachtungsstrahlengang (13) des Lichtmikroskops (10) einspiegelt.
Mikroskopsystem (300) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuereinrichtung (201) dazu eingerichtet ist, die Einspiegelvorrichtung (12) zur Darstellung nur des Mikroskopbilds, nur des einzuspiegelnden Bilds oder einer Überlagerung oder Nebeneinanderstellung beider Bilder anzusteuern.
Mikroskopsystem (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Lichtmikroskop (10) als Stereomikroskop mit wenigstens zwei Beobachtungsstrahlengängen (13) ausgebildet ist.
Mikroskopsystem (300) nach einer Kombination der Ansprüche 11 und 12, wobei die Steuereinrichtung (201) dazu eingerichtet ist, eine dreidimensionale Einspiegelung des rekonstruierten Bilds unter Verwendung unterschiedlicher Bilder für jeden der wenigstens zwei Beobachtungsstrahlengänge (13) vorzunehmen.