DE102013008452B4

DE102013008452B4 - Operationsmikroskop mit Positionierhilfe

Info

Publication number: DE102013008452B4
Application number: DE102013008452.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hauger; Christian SCHWEDES
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2033-05-18
Also published as: US20140340501A1; DE102013008452A1

Abstract

Operationsmikroskop (1), aufweisend:ein Abbildungssystem (2), welches ein in einer Fokusebene (3) des Abbildungssystems (2) angeordnetes Objekt (4) vergrößert in ein mehrdimensionales Abbild des Objekts (4) abbildet, wobei das Abbildungssystem (2) ein Objektivsystem (5) mit wenigstens einer Objektivlinse (51, 52) umfasst;wenigstens einen Bildsensor (6, 6'), welcher in einer Bildebene des Abbildungssystems (2) angeordnet ist und ein elektrisches Signal ausgibt, welches das von dem Abbildungssystem (2) erzeugte Abbild des Objekts (4) repräsentiert;eine Steuerung (7), welche die von dem wenigstens einen Bildsensor (6, 6') ausgegebenen Signale empfängt und in digitale Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) des Objekts (4) umwandelt; undwenigstens eine mit der Steuerung (7) verbundene Anzeige (8); undwobei die Steuerung (7) ausgebildet ist, die digitalen Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) an die wenigstens eine Anzeige (8) auszugeben, und eine Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) relativ zum abgebildeten Objekt (4) zu detektieren;dadurch gekennzeichnet, dassdie Steuerung (7) weiter ausgebildet ist, die detektierte Verlagerung (D) mit einem Schwellwert (S) zu vergleichen und, falls die detektierte Verlagerung (D) den Schwellwert (S) überschreitet, wenigstens ein Zoomsystem (10) des Abbildungssystems (2) derart zu steuern, dass eine Abbildungsvergrößerung (M) des Abbildungssystems (2) umgekehrt monoton abhängig von einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Operationsmikroskop (1) und dem abgebildeten Objekt (4) in eine Richtung quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein digitales Operationsmikroskop mit einer Positionierhilfe, welche eine Orientierung eines Benutzers bei einer Veränderung der Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops erleichtert.
Operationsmikroskope sind optische Auflichtmikroskope, die während medizinischer Eingriffe verwendet werden und eine Abbildungsvergrößerung von üblicherweise zwischen 5-fach und 30-fach bereitstellen. Verglichen mit anderen optischen Auflichtmikroskopen weisen Operationsmikroskope eine vergrößerte Brennweite des verwendeten Objektivsystems von typischerweise zwischen 175 mm und 550 mm und einen entsprechend großen Arbeitsabstand (Abstand zwischen der einem mit dem Operationsmikroskop abgebildeten betrachteten Objekt am nächsten angeordneten Objektivlinse und dem Objekt) auf. Um einem Benutzer einen räumlichen Eindruck des abgebildeten Objekts zu vermitteln, sind Operationsmikroskope häufig als Stereomikroskop ausgebildet, bei welchem den Augen des Benutzers ein Paar von Abbildungsstrahlengängen bereitgestellt wird, welche Abbildungsstrahlengänge sich in der Nähe einer Fokusebene des Operationsmikroskops unter Einschluss eines Stereowinkels von zwischen 3° und 14° schneiden. Das Gesichtsfeld von Operationsmikroskopen, d. h. die Fläche in der Fokusebene, welche von dem wenigstens einen Abbildungsstrahlengang zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die Netzhaut eines Benutzers abgebildet werden kann, ist größer als 1 mm². Das Gesichtsfeld eines Operationsmikroskops umfasst somit nicht nur einen einzigen Bildpunkt, wie es bei Scanmikroskopen der Fall ist; vielmehr findet zu jedem Zeitpunkt eine mehrdimensionale Abbildung des betrachteten Objekts durch das Operationsmikroskop statt. Häufig sind Operationsmikroskope mit einem Zoomsystem oder Vergrößerungswechsler zur Veränderung der Abbildungsvergrößerung und einem Fokussiersystem zur Änderung des Arbeitsabstandes ausgestattet. Häufige Einsatzgebiete sind die Chirurgie und Mikrochirurgie. Ein Operationsmikroskop ist aus der DE 102 008 041 284 A1 der Anmelderin bekannt. Die Lehre dieses Dokuments wird vollumfänglich in Bezug genommen.
In diesem herkömmlichen Operationsmikroskop wird die Abbildung des mittels des Operationsmikroskops abgebildeten Objekts einem Benutzer über ein Okular (bzw. bei stereoskopischen Operationsmikroskopen über ein Paar von Okularen) bereitgestellt. Dies hat zur Folge, dass sich ein Benutzer nicht frei im Raum bewegen kann, sondern sich an die Lage und Orientierung der Okulare anpassen muss. Um ein ergonomisches Arbeiten zu erleichtern, sowie zu Dokumentationszwecken, ist es bekannt, die Abbildung mittels eines Bildwandlers (bzw. bei stereoskopischen Operationsmikroskopen mittels eines Stereobildwandlers oder eines Paars von Bildwandlern) in elektrische Signale umzusetzen und dem Benutzer zusätzlich oder alternativ zu Okularen über einen Monitor und/oder ein Head-Mounted-Display anzuzeigen. Ein Operationsmikroskop mit einem Head-Mounted-Display ist aus der DE 10 2005 013 570 A1 der Anmelderin bekannt. Die Lehre dieses Dokuments wird vollumfänglich in Bezug genommen.
Operationsmikroskope mit Bildwandlern, welche keine Okulare aufweisen, werden als „digitale Operationsmikroskope“ bezeichnet. Bei digitalen Operationsmikroskopen ist die Bildaufnahme mittels Optik und Bildwandler räumlich vollkommen von der Bilddarstellung auf einer Anzeige unabhängig.
Getragen werden Operationsmikroskope häufig von Stativen, die am Boden oder an der Decke eines Behandlungssaals befestigt oder frei am Boden des Behandlungssaals positionierbar sind. Das Stativ kann manuell über Motoren verstellbar sein, und ermöglicht eine gewünschte Anordnung und Orientierung des Operationsmikroskops über dem abzubildenden Objekt. Ein Stativ ist aus der DE 103 30 581 A1 der Anmelderin bekannt. Die Lehre dieses Dokuments wird vollumfänglich in Bezug genommen.
Ein Operationsmikroskop mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 ist aus der Patentschrift DE 103 35 644 B3 bekannt.
Aus dem Dokument WO 2013/016825 A1 ist bekannt, ein großes Bild aus mehreren Einzelbildern zusammen zu setzen.
Trotz des relativ großen Gesichtsfeldes von Operationsmikroskopen tritt bei einer Verlagerung des Operationsmikroskops mittels des Stativs gelegentlich die Schwierigkeit auf, dass ein interessierender Bereich eines abgebildeten Objekts nicht in dem Gesichtsfeld des Operationsmikroskops liegt, und von einem Benutzer nicht ohne weiteres aufgefunden wird.
Ausführungsformen sind daher auf ein Operationsmikroskop gerichtet, welches eine Orientierung eines Benutzers bei einer Veränderung der Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops erleichtert.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch die Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsformen eines Operationsmikroskops weisen ein Abbildungssystem, wenigstens einen Bildsensor, eine Steuerung und wenigstens eine Anzeige auf.
Das Abbildungssystem umfasst ein Objektivsystem mit wenigstens einer Objektivlinse und ist ausgebildet, ein in einer Fokusebene des Abbildungssystems angeordnetes oder anordenbares (in der Regel dreidimensionales) Objekt vergrößert in ein mehrdimensionales (insbesondere zwei- oder dreidimensionales) Abbild des Objekts abzubilden. Hierfür kann das Abbildungssystem neben der wenigstens einen Objektivlinse eine oder mehrere weitere optische Linsen umfassen, welche nacheinander von wenigstens einem Abbildungsstrahlengang durchsetzt werden.
Die wenigstens eine Objektivlinse ist dem abzubildenden Objekt entlang des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs am nächsten angeordnet. Die optischen Linsen einschließlich der wenigstens einen Objektivlinse können einfache Linsenelemente und/oder Kittglieder sein. Zusätzlich kann das Abbildungssystem eine oder mehrere optische Spiegelflächen umfassen, welche den wenigstens einen Abbildungsstrahlengang nacheinander falten. Gemäß einer Ausführungsform weist das die wenigstens eine Objektivlinse umfassende Objektivsystem eine Brennweite von zwischen 125 mm und 500 mm auf.
Der wenigstens eine Bildsensor ist in einer Bildebene des Abbildungssystems angeordnet und gibt ein elektrisches (und ggf. digitales) Signal aus, das eine - insbesondere auch farbgetreue - Rekonstruktion des von dem Abbildungssystem erzeugten Abbilds des Objekts erlaubt. Somit repräsentiert das von dem wenigstens einen Bildsensor ausgegebene Signal das von dem Abbildungssystem erzeugte Abbild des Objekts. Dies bedeutet, dass das von dem Bildsensor ausgegebene Signal einen Informationsgehalt aufweist, der dem Informationsgehalt des von dem Abbildungssystem erzeugten Abbilds des Objekts so weitgehend entspricht, dass eine Darstellung des Abbilds auf einer Anzeige basierend auf dem Signal möglich ist. Bei dem wenigstens einen Bildsensor kann es sich beispielsweise um einen Siliziumsensor und insbesondere um einen CCD-Sensor (wahlweise mit vorgeschaltetem Filterrad oder aber farbsensitiven Sensoren) oder einen auf der CMOS-Technologie basierenden Active Pixel Sensor handeln. Gemäß einer Ausführungsform weist eine lichtempfindliche Sensorfläche des Bildsensors eine Fläche von wenigstens 100 x 100 Bildpunkten und insbesondere von wenigstens 320 x 240 Bildpunkten auf.
Die Steuerung empfängt die von dem wenigstens einen Bildsensor ausgegebenen Signale und wandelt diese in digitale Einzelbilder des Objekts um. Der für die Erzeugung der digitalen Einzelbilder verantwortliche Teil der Steuerung kann alternativ in den Bildsensor integriert sein. Die digitalen Einzelbilder beinhalten jeweils das zu einem Zeitpunkt von Abbildungssystem erzeugte vergrößerte zweidimensionale Abbild des Objekts.
Die wenigstens eine Anzeige ist mit der Steuerung verbunden und kann beispielsweise ein Monitor, ein Digitalprojektor oder ein Head-Mounted-Display sein.
Die Steuerung ist ausgebildet, automatisch eine Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse (und damit quer zum abzubildenden Objekt) relativ zum abzubildenden Objekt zu detektieren und mit einem Schwellwert zu vergleichen. Dabei wird nur die Verlagerungskomponente betrachtet, deren Richtung senkrecht auf die optische Achse der wenigstens einen Objektivlinse steht und damit quer zu dem wenigstens einen Abbildungsstrahlengang orientiert ist. Die detektierte Verlagerung des Operationsmikroskops relativ zum abzubildenden Objekt kann auf einer absoluten Verlagerung des Operationsmikroskops und/oder des abzubildenden Objekts beruhen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Schwellwert so festgesetzt, dass eine Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse aufgrund von Vibrationen und Schwingungen des Operationsmikroskops den Schwellwert nicht übersteigt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Schwellwert so festgesetzt, dass eine Verlagerung des Operationsmikroskops relativ zum abzubildenden Objekt aufgrund einer Verlagerung des abzubildenden Objekts infolge periodischer Schwingungen des Objekts (beispielsweise aufgrund der Atmung oder des Herzschlags eines Patienten) den Schwellwert nicht übersteigt. Gemäß einer Ausführungsform gibt der Schwellwert einen Mindestwert für die Verlagerung des Operationsmikroskops relativ zum abzubildenden Objekt von insbesondere mindestens 0,25 cm und weiter insbesondere von mindestens 0,5 cm an, und/oder gibt der Schwellwert eine Mindestdauer der Verlagerung des Operationsmikroskops relativ zum abzubildenden Objekt von insbesondere mindestens 0,25 Sekunden und weiter insbesondere von mindestens 0,5 Sekunden und weiter insbesondere von mindestens 1 Sekunde an. Der Schwellwert kann in der Steuerung vorgegeben oder durch einen Benutzer über eine Benutzerschnittstelle einstellbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird nur die Verlagerung des Operationsmikroskops relativ zum abzubildenden Objekt betrachtet, die sich in der Fokusebene durch Verlagerung des Gesichtsfeldes des Operationsmikroskops ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Abbildungssystem neben dem Objektivsystem wenigstens ein Zoomsystem auf, wobei das Objektivsystem eine Änderung des Arbeitsabstandes und das Zoomsystem eine Änderung der Abbildungsvergrößerung ermöglicht. Weiter ist die Steuerung ausgebildet, im Falle einer Verlagerung quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse, welche Verlagerung den Schwellwert überschreitet, das wenigstens eine Zoomsystem des Abbildungssystems automatisch derart zu steuern, dass eine vom Abbildungssystem insgesamt bewirkte Abbildungsvergrößerung umgekehrt monoton von einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Operationsmikroskop und dem abzubildenden Objekt in Richtung quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse abhängt. Dies bedeutet, dass die von dem Abbildungssystem insgesamt bereitgestellte Abbildungsvergrößerung durch die Steuerung umso kleiner gewählt wird, je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Operationsmikroskop und dem abzubildenden Objekt ist. Steigt diese Geschwindigkeit, so wird die Abbildungsvergrößerung herabgesetzt, sinkt diese Geschwindigkeit, so wird die Abbildungsvergrößerung heraufgesetzt. Dabei wird nur die Geschwindigkeitskomponente in eine Richtung betrachtet, die quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse und damit quer zu dem wenigstens einen Abbildungsstrahlengang orientiert ist. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt diese Anpassung der Abbildungsvergrößerung and die Geschwindigkeit durch die Steuerung nicht kontinuierlich, sondern schrittweise.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung zusätzlich ausgebildet, im Falle einer Verlagerung quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse, welche Verlagerung den Schwellwert überschreitet, die digitalen Einzelbilder automatisch in einem Speicher, der in die Steuerung integriert sein kann, zu speichern, und die gespeicherten Einzelbilder automatisch zu einem Gesamtbild des abzubildenden Objekts zusammenzusetzen. Ein solches aus Einzelbildern gewonnenes Gesamtbild wird auch als Panoramabild bezeichnet. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Zusammensetzung der Einzelbilder zu dem Gesamtbild mittels einer auf der Steuerung laufenden Bildverarbeitungssoftware durch „Stitching“.
Schließlich ist die Steuerung ausgebildet, die digitalen Einzelbilder und/oder das Gesamtbild an die wenigstens eine Anzeige zum Zwecke der Darstellung auszugeben.
Da das vorstehend beschriebene Operationsmikroskop einem Benutzer im Falle einer Verlagerung des Operationsmikroskops automatisch einen größeren Überblick über das abzubildende Objekt ermöglicht (durch Wahl einer geringeren Abbildungsvergrößerung und damit Bereitstellung eines größeren Gesichtsfeldes und/oder durch Erstellung des aus mehreren Einzelbindern zusammengesetzten Gesamtbildes), wird dem Benutzer eine gewünschte Anordnung des Gesichtsfeldes des Abbildungssystems im Bezug auf das abzubildende Objekt erleichtert. Dies ist besonders bei Verwendung von kleinen und leichten Operationsmikroskopen und insbesondere bei manueller Verlagerung des Operationsmikroskops von Vorteil.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, durch Vergleich von aus den elektrischen Signalen des wenigstens einen Bildsensors erstellten zeitlich nacheinander liegenden digitalen Einzelbildern des Objekts automatisch die Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse zu detektieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern identische Bildinhalte identifiziert und ihre Lage in den zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern miteinander verglichen wird. Durch Berücksichtigung der bei der Erstellung der digitalen Einzelbilder jeweils verwendeten Abbildungsvergrößerung des Abbildungssystems, welche Abbildungsvergrößerung zusammen mit den digitalen Einzelbildern gespeichert sein kann, lässt sich aus dem Unterschied in der Lage der identischen Bildinhalte in den zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern diejenige Strecke berechnen, um welche das Operationsmikroskop in der Fokusebene relativ zum abzubildenden Objekt verschoben wurde. In Verbindung mit einer zusätzlichen Zeitmessung kann die Steuerung aus der so ermittelten Strecke wahlweise auch die Geschwindigkeit der Verlagerung des Operationsmikroskops in der Fokusebene relativ zum abzubildenden Objekt bestimmen. Somit ist für die Detektion der Verlagerung und Geschwindigkeit relativ zum abzubildenden Objekt kein zusätzlicher Sensor erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Operationsmikroskop weiter wenigstens einen Beschleunigungssensor auf, der eine Beschleunigung des Operationsmikroskops detektiert. Hierfür kann der Beschleunigungssensor insbesondere benachbart zum Abbildungssystem angeordnet sein. Anhand der durch den Beschleunigungssensor detektierten Beschleunigung kann die Steuerung automatisch eine Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse bestimmen. In Verbindung mit einer zusätzlichen Zeitmessung kann die Steuerung hieraus wahlweise auch die Geschwindigkeit der Verlagerung und die dabei zurückgelegte Strecke berechnen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, das wenigstens eine Zoomsystem des Abbildungssystems während der Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse relativ zum abzubildenden Objekt, welche Verlagerung den Schwellwert übersteigt, automatisch so zu steuern, dass die durch das Abbildungssystem insgesamt bereitgestellte Abbildungsvergrößerung umgekehrt proportional zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Operationsmikroskop und dem abzubildenden Objekt ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, das wenigstens eine Zoomsystem des Abbildungssystems während der Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse relativ zum abzubildenden Objekt, welche Verlagerung den Schwellwert übersteigt, automatisch so zu steuern, dass die durch das Abbildungssystem insgesamt bereitgestellte Abbildungsvergrößerung während der gesamten Verlagerung minimal ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, das wenigstens eine Zoomsystem des Abbildungssystems nach der Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse, welche Verlagerung den Schwellwert übersteigt, automatisch so zu steuern, dass die zu Beginn der Verlagerung gewählte Abbildungsvergrößerung des Abbildungssystems wiederhergestellt wird. Somit kann ein Benutzer nach einer Verlagerung direkt mit der vor der Verlagerung verwendeten Abbildungsvergrößerung weiterarbeiten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, das Objektivsystem des Abbildungssystems automatisch so zu steuern, dass das abzubildende Objekt kontinuierlich und damit auch während der gesamten Zeitdauer der Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse in der Fokusebene des Abbildungssystems liegt. In der Folge erzeugt das Abbildungssystem auch während der Verlagerung ein scharfes Abbild des abzubildenden Objekts. Eine derartige Funktionalität wird auch als Autofokus bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Anzeige während der Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse, welche Verlagerung den Schwellwert übersteigt, automatisch so zu steuern, dass einem Zentrum des auf der Anzeige dargestellten Bildes eine Markierung (wie beispielsweise ein Fadenkreuz) überlagert wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Markierung so in dem durch die Anzeige dargestellten Bild angeordnet, dass der Punkt am abzubildenden Objekt markiert wird, in dem die optische Achse der Objektivlinse das abzubildende Objekt schneidet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Anzeige nach der Verlagerung des Operationsmikroskops quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse, welche Verlagerung den Schwellwert übersteigt, automatisch so zu steuern, dass das während der zeitlich vorangegangenen Verlagerung erzeugte Gesamtbild zusätzlich zu den aus den von dem wenigstens einen Bildsensor ausgegebenen Signalen aktuell erzeugten Einzelbildern dargestellt wird. Diese gleichzeitige Darstellung des Gesamtbildes und der Einzelbilder kann beispielsweise nebeneinander oder als Bild-im-Bild erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, automatisch eine Bildumkehr und/oder Drehung der aus den von dem wenigstens einen Bildsensor ausgegebenen Signalen erzeugten Einzelbildern zu bewirken. In der Folge kann das Abbildungssystem entsprechend kleiner und leichter ausgebildet werden, da eine für eine lagerichtige Darstellung des abzubildenden Objektes ggf. erforderliche Bildumkehr und ggf. Drehung nicht auf optischem Wege, sondern digital durch die Steuerung erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform stellt das Abbildungssystem wenigstens ein Paar von Abbildungsstrahlengängen bereit, welche sich in der Nähe der Fokusebene des Abbildungssystems unter Einschluss eines Stereowinkels von zwischen 3° und 14° schneiden. Somit kann das Operationsmikroskop als stereoskopisches Operationsmikroskop ausgebildet sein. In diesem Fall weist das Operationsmikroskop entweder wenigstens ein Paar von Bildsensoren auf, die jeweils einem Abbildungsstrahlengang zugeordnet sind, oder der wenigstens eine Bildsensor weist eine Sensorfläche auf, die groß genug ist, um beide von den Abbildungsstrahlengängen erzeugten Abbilder des abzubildenden Objekts zu empfangen. Weiter kann die wenigstens eine Anzeige in diesem Fall für eine 3D-Darstellung ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform steuert die Steuerung den wenigstens einen Bildsensor des Operationsmikroskops während einer Verlagerung quer zur optischen Achse der wenigstens einen Objektivlinse, welche Verlagerung den Schwellwert überschreitet, automatisch derart, dass der Bildsensor während der Verlagerung kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich (d. h. in Echtzeit) elektrische Signale an die Steuerung ausgibt, die durch die Steuerung in eine Vielzahl mehrdimensionaler zeitversetzter digitaler Einzelbilder des von dem Abbildungssystem erzeugten Abbilds des Objekts umgewandelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Operationsmikroskop von einem Stativ getragen. Das Stativ kann ortsfest an einer Wand, einem Boden oder einer Decke befestigt oder beispielsweise über Rollen verlagerbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Operationsmikroskop ein digitales Operationsmikroskop, dessen Abbildungssystem keine Okulare aufweist.
Es wird betont, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden können. Weiter wird betont, dass das abzubildende Objekt nicht Teil des beanspruchten Operationsmikroskops ist. Das abzubildende Objekt kann in der Fokusebene angeordnet, oder aber auch gar nicht vorhanden sein.
Die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe „umfassen“, „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“ und „mit“, sowie deren grammatikalische Abwandlungen, sind generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen, und schließen in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen aus.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern wird durch den Umfang der Patentansprüche bestimmt. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen zeigt

1 schematisch eine Einsatzsituation eines Operationsmikroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 schematisch den Aufbau des Operationsmikroskops aus 1;
3a schematisch eine Verlagerung des Operationsmikroskops aus 1;
3b schematisch eine Abhängigkeit zwischen einer Abbildungsvergrößerung und einer detektierten Verlagerung des Operationsmikroskops aus 1 während der Verlagerung nach 3a; und
3c schematisch eine Anzeige des Operationsmikroskops aus 1 nach der Verlagerung nach 3a.

In 1 ist schematisch ein digitales Operationsmikroskop 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welches beispielhaft im Rahmen eines chirurgischen Eingriffes verwendet wird.
Das Operationsmikroskop 1 wird von einem über (nicht gezeigte) Rollen verlagerbaren Bodenstativ 16 getragen und kann durch einen Benutzer manuell unter Verwendung des Stativs so verlagert werden, dass eine optische Achse 9 einer (in 2 gezeigten) Objektivlinse auf einen abzubildenden Operationsbereich 4 ausgerichtet ist. Das von dem Operationsmikroskop 1 erzeugte vergrößerte Abbild des Operationsbereichs 4 wird über (nicht gezeigte) Leitungen an drei Monitore 8, 8' und 8" und über eine Luftschnittstelle an ein Head-Mounted-Display 8'" eines Benutzers ausgegeben.
Wie schematisch in 2 gezeigt, handelt es sich bei dem digitalen Operationsmikroskop 1 aus 1 um ein Stereomikroskop mit einem Abbildungssystem 2, welches zwei Abbildungsstrahlengänge 17, 17' bereitstellt, die sich in einer Fokusebene 3 des Abbildungssystems 2 des Operationsmikroskops 1 unter Einschluss eines Stereowinkels α schneiden. Die Größe des Stereowinkels α hängt von dem jeweils verwendeten Arbeitsabstand ab und liegt bei dem gezeigten digitalen Operationsmikroskop zwischen 6° und 10°.
Das Abbildungssystem 2 setzt sich in der gezeigten Ausführungsform aus einem zweigliedrigen Objektivsystem 5 und einem dreigliedrigen Zoomsystem 10 zusammen. Es wird betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf zweigliedrige Objektivsysteme oder dreigliedrige Zoomsysteme beschränkt ist, sondern allgemein mehrgliedrige Systeme verwenden kann.
Die beiden optischen Linsen 51 und 52 des Objektivsystems werden nacheinander gemeinsam von beiden stereoskopischen Abbildungsstrahlengängen 17, 17' durchsetzt. Die dem abzubildenden Operationsbereich 4 am nächsten angeordnete Linse 51 ist ein einfaches Linsenelement, die andere Linse 52 ein Kittglied, welches mittels eines Antriebs 53 zur Änderung eines Arbeitsabstandes des Operationsmikroskops 1 von zwischen 200 mm und 450 mm relativ zur Linse 51 verlagerbar ist. Ein Kittglied weist wenigstens zwei optische Linsen auf, die insbesondere durch Verkleben dauerhaft flächig miteinander verbunden sind und aus Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen.
Die drei optischen Linsen 11, 12, 13 und 11', 12', 13' des Zoomsystems 10 sind jeweils Kittglieder, die nacheinander jeweils nur von einem der beiden stereoskopischen Abbildungsstrahlengänge 17, 17' durchsetzt werden. Die mittleren Linsen 12, 12' sind mittels eines Antriebs 14 zur Änderung einer Abbildungsvergrößerung von zwischen 8-fach und 20-fach relativ zu den äußeren Linsen verlagerbar.
Das Abbildungssystem 2 bildet den Operationsbereich 4 entlang der Abbildungsstrahlengänge 17, 17' vergrößert auf die Empfangsflächen 61, 61' zweier CCD-Sensoren 6, 6' ab. Die von den Empfangsflächen 61, 61' empfangenen Abbilder des Operationsbereichs 4 bilden den Operationsbereich 4 unter zwei geringfügig unterschiedlichen Winkeln ab. In der gezeigten Ausführungsform weisen die Empfangsflächen 61, 61' jeweils eine Bayer-Matrix auf, welche eine Auflösung von 1280 x 1024 Bildpunkten bereitstellt. Anhand von elektrischen Signalen, die von den Empfangsflächen 61, 61' ausgegeben werden, erstellen die CCD-Sensoren 6, 6' zweidimensionale digitale Einzelbilder des von dem Abbildungssystem 2 abgebildeten Operationsbereichs 4, und geben diese über eine Steuerung 7 an die wenigstens eine Anzeige 8 aus. Auch wenn in 1 insgesamt vier Anzeigen 8, 8', 8" und 8'" gezeigt sind, ist in den 2 und 3 der besseren Übersichtlichkeit halber nur die Anzeige 8 dargestellt. Da die CCD-Sensoren 6, 6' zwei stereoskopische Bilder ausgeben, wird vorliegend ein 3D-Monitor als Anzeige 8 verwendet.
Die Steuerung 7, bei welcher es sich um einen programmtechnisch eingerichteten Mikroprozessor handelt, ist über gestrichelt gezeichnete Datenleitungen mit den CCD-Sensoren 6, 6', dem Antrieb 14 des Zoomsystems 10, dem Antrieb 53 des Objektivsystems 5, einem Beschleunigungssensor 15 sowie der wenigstens einen Anzeige 8 verbunden.
Die Steuerung 7 identifiziert in zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern des selben CCD-Sensors und damit des selben Abbildungsstrahlengangs identische Bildinhalte und vergleicht die Lage der Bildinhalte miteinander. Eine Änderung der Lage der Bildinhalte wird durch die Steuerung 7 als eine Verlagerung des Operationsmikroskops 1 quer zur optischen Achse 9 der Objektivlinsen 51, 52 relativ zum Operationsbereich 4 gedeutet und die dabei in der Fokusebene 3 des Abbildungssystems 2 zurückgelegte Strecke D wird anhand der bei der Erstellung der Einzelbilder jeweils verwendeten Abbildungsvergrößerung berechnet. Die berechnete Strecke D wird mit einem in der Steuerung 7 durch einen Benutzer vorgegebenen Schwellwert von 0,25 cm verglichen. Dieser Schwellwert gilt für einen zeitlichen Abstand der Einzelbilder von kleiner oder gleich einer Sekunde.
Wird der Schwellwert überschritten, so steuert die Steuerung 7 den Antrieb 14 des Zoomsystems 10 so, dass die von dem Abbildungssystem 2 insgesamt bewirkte Abbildungsvergrößerung M sinkt, wenn die Geschwindigkeit der Verlagerung des Operationsmikroskops 1 quer zur optischen Achse 9 der Objektivlinsen 51, 52 relativ zum Operationsbereich 4 (und damit die für eine vorgegebene Zeitspanne berechnete Strecke der Verlagerung der Bildinhalte in den Einzelbildern) zunimmt, und umgekehrt. Sobald der Schwellwert unterschritten wird, steuert die Steuerung 7 den Antrieb 14 des Zoomsystems 10 so, dass die von dem Abbildungssystem 2 vor der Verlagerung insgesamt bewirkte Abbildungsvergrößerung M wiederhergestellt wird.
Eine Verlagerung des Operationsmikroskops 1 relativ zum Operationsbereich 4 mit einer Bewegungskomponente quer zur optischen Achse 9 der Objektivlinsen 51, 52 ist schematisch in 3a gezeigt. Ersichtlich erlaubt es die Entkopplung der Bilderzeugung von der Bilddarstellung bei dem gezeigten digitalen Operationsmikroskop 1, dass die wenigstens eine Anzeige 8 während der Verlagerung ortsfest bleibt.
Der Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der Verlagerung (innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne jeweils zurückgelegten Strecke D) und der Abbildungsvergrößerung M ist schematisch in 3b gezeigt. Die Linie S gibt den Schwellwert an.
Weiter speichert die Steuerung 7 die von den CCD-Sensoren 6, 6' ausgegebenen digitalen Einzelbilder automatisch in einem in die Steuerung integrierten Speicher. Wird der Schwellwert überschritten, so setzt die Steuerung 7 die gespeicherten Einzelbilder zu einem Gesamtbild des abgebildeten Operationsbereichs zusammen, und gibt das Gesamtbild zusammen mit dem aktuellen Einzelbild an die wenigstens eine Anzeige 8 aus.
3c zeigt schematisch die Anzeige 8 nach der Verlagerung des Operationsmikroskops 1. Im linken Bereich der Anzeige 8 ist das gerade aktuelle Bild B dargestellt. Dem aktuellen Bild wird durch die Steuerung 7 während einer den Schwellwert übersteigenden Verlagerung ein Fadenkreuz 81 überlagert, das so in dem durch die Anzeige 8 dargestellten aktuellen Bild B angeordnet ist, dass der Punkt am abgebildeten Operationsbereich 4 kenntlich gemacht wird, in dem die optische Achse 9 der Objektivlinsen 51, 52 den abgebildeten Operationsbereich 4 schneidet. Im rechten Bereich der Anzeige 8 ist das aus den während der den Schwellwert übersteigenden Verlagerung erzeugten Einzelbildern B*, B'", B", B', B erstellte Gesamtbild B_ges dargestellt. Im Gesamtbild B_ges wird das aktuelle Bild B durch einen Kasten markiert. Die Begrenzungslinien der übrigen zur Erstellung des Gesamtbildes B_ges verwendeten Einzelbilder B*, B'", B", B' sind in 3c gestrichelt, da sie nicht eigens auf der Anzeige 8 dargestellt werden.
Der Beschleunigungssensor 15 erlaubt es, Verlagerungen, die durch eine Verlagerung des abgebildeten Operationsbereichs selber verursacht sind, von Verlagerungen zu unterscheiden, die durch eine Verlagerung des Operationsmikroskops 1 verursacht sind. Auf diese Weise kann ein Benutzer vorgeben, dass bestimmte Verlagerungen nicht berücksichtigt werden. Zudem kann so eine Verlagerung des Operationsmikroskops 1 festgestellt werden, ohne dass hierfür eine Bildanalyse erforderlich ist. Entsprechend ist in der Steuerung 7 auch für die Beschleunigung ein Schwellwert gespeichert.
Die Steuerung 7 steuert den Antrieb 53 des Objektivsystems 5 kontinuierlich so, dass der abgebildete Operationsbereich 4 immer in der Fokusebene 3 des Abbildungssystems 2 liegt, und das Abbildungssystem 2 immer ein scharfes Abbild des abgebildeten Operationsbereichs bereitstellt. Weiter stellt die Steuerung 7 durch automatische Bildumkehr und/oder Drehung der Einzelbilder sicher, dass der abgebildete Operationsbereich 4 lagerichtig auf der wenigstens einen Anzeige 8 dargestellt wird.

Claims

Operationsmikroskop (1), aufweisend: ein Abbildungssystem (2), welches ein in einer Fokusebene (3) des Abbildungssystems (2) angeordnetes Objekt (4) vergrößert in ein mehrdimensionales Abbild des Objekts (4) abbildet, wobei das Abbildungssystem (2) ein Objektivsystem (5) mit wenigstens einer Objektivlinse (51, 52) umfasst; wenigstens einen Bildsensor (6, 6'), welcher in einer Bildebene des Abbildungssystems (2) angeordnet ist und ein elektrisches Signal ausgibt, welches das von dem Abbildungssystem (2) erzeugte Abbild des Objekts (4) repräsentiert; eine Steuerung (7), welche die von dem wenigstens einen Bildsensor (6, 6') ausgegebenen Signale empfängt und in digitale Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) des Objekts (4) umwandelt; und wenigstens eine mit der Steuerung (7) verbundene Anzeige (8); und wobei die Steuerung (7) ausgebildet ist, die digitalen Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) an die wenigstens eine Anzeige (8) auszugeben, und eine Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) relativ zum abgebildeten Objekt (4) zu detektieren; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (7) weiter ausgebildet ist, die detektierte Verlagerung (D) mit einem Schwellwert (S) zu vergleichen und, falls die detektierte Verlagerung (D) den Schwellwert (S) überschreitet, wenigstens ein Zoomsystem (10) des Abbildungssystems (2) derart zu steuern, dass eine Abbildungsvergrößerung (M) des Abbildungssystems (2) umgekehrt monoton abhängig von einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Operationsmikroskop (1) und dem abgebildeten Objekt (4) in eine Richtung quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) ist.
Operationsmikroskop (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (7) ferner ausgebildet ist, durch Vergleich von zeitlich nacheinander aus den elektrischen Signalen des wenigstens einen Bildsensors (6, 6') erstellten digitalen Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) des Objekts (4) die relative Verlagerung (D) und optional eine Geschwindigkeit des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) zu detektieren.
Operationsmikroskop (1) nach Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend wenigstens einen Beschleunigungssensor (15), der eine relative Verlagerung (D) und optional Geschwindigkeit des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) detektiert.
Operationsmikroskop (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Steuerung (7) ferner ausgebildet ist, das wenigstens eine Zoomsystem (10) des Abbildungssystems (2) während der relativen Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) so zu steuern, dass die Abbildungsvergrößerung (M) des Abbildungssystems (2) entweder umgekehrt proportional zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Operationsmikroskop (1) und dem abgebildeten Objekt (4) oder minimal ist.
Operationsmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerung (7) ferner ausgebildet ist, das wenigstens eine Zoomsystem (10) des Abbildungssystems (2) nach der relativen Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) so zu steuern, dass die zu Beginn der Verlagerung (D) gewählte Abbildungsvergrößerung (M) des Abbildungssystems (2) wiederhergestellt wird.
Operationsmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerung (7) weiter ausgebildet ist, das Objektivsystem (5) des Abbildungssystems (2) während der relativen Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) so zu steuern, dass das betrachtete Objekt (4) kontinuierlich in der Fokusebene (3) des Abbildungssystems (2) liegt.
Operationsmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerung (7) ferner ausgebildet ist, die Anzeige (8) während der relativen Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) so zu steuern, dass einem Zentrum des auf der Anzeige (8) dargestellten Bildes eine Markierung (81) überlagert wird.
Operationsmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerung (7) ferner ausgebildet ist, eine Bildumkehr und/oder Drehung der aus den von dem wenigstens einen Bildsensor (6, 6') ausgegebenen Signalen erzeugten Einzelbildern (B, B', B", B'", B*) zu bewirken.
Operationsmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schwellwert (S) einen Mindestabstand der Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) relativ zum abgebildeten Objekt (4) von insbesondere mindestens 0,5 cm und weiter insbesondere mindestens 1 cm ist, und/oder wobei der Schwellwert (S) eine Mindestdauer der Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) relativ zum abgebildeten Objekt (4) von insbesondere mindestens 0,25 Sekunden und weiter insbesondere von mindestens 0,5 Sekunden und weiter insbesondere von mindestens 1 Sekunde ist.
Operationsmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerung (7) weiter ausgebildet ist, die detektierte Verlagerung (D) mit einem Schwellwert (S) zu vergleichen und, falls die detektierte Verlagerung (D) den Schwellwert (S) überschreitet, die digitalen Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) zu speichern, die gespeicherten Einzelbilder (B, B', B", B'", B*) zu einem Gesamtbild (B_ges) des abgebildeten Objekts (4) zusammenzusetzen und das Gesamtbild (B_ges) an die wenigstens eine Anzeige (8) auszugeben.
Operationsmikroskop (1) nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (7) ferner ausgebildet ist, die Anzeige (8) nach der relativen Verlagerung (D) des Operationsmikroskops (1) quer zur optischen Achse (9) der wenigstens einen Objektivlinse (51, 52) so zu steuern, dass das während der zeitlich vorangegangenen Verlagerung (D) erzeugte Gesamtbild (B_ges) zusätzlich zu dem aus den von dem wenigstens einen Bildsensor (6, 6') ausgegebenen Signalen aktuell erzeugten Einzelbild (B) dargestellt wird.