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Die Erfindung betrifft ein Operationsmikroskop. Bei heutigen Operationsmikroskopen ist es Standard, dass zwei Beobachter gleichzeitig auf ein Operationsfeld schauen können. Dabei schaut üblicherweise ein Hauptbeobachter durch einen ersten Tubus und ein Assistent durch einen zweiten Tubus, der entweder gegenüber dem ersten Tubus oder seitlich am Operationsmikroskop angebracht ist.
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Aus der
DE 29 49 428 A1 ist ein Stereomikroskop für mehrere Beobachter bekannt, in dem drei Beobachtungsstrahlenbündel definiert sind. In einem Beobachtungsstrahlenbündel ist ein physikalischer Strahlteiler angeordnet, der eine gleichzeitige Benutzung dieses Beobachtungstrahlenbündels für beide Beobachter gestattet. Zusammen mit jeweils einem der verbleibenden beiden Beobachtungsstrahlenbündeln kann jedem Beobachter ein Stereobild des Objekts zur Verfügung gestellt werden. Zum Ausgleich der durch die physikalische Strahlteilung bedingte Lichtschwächung ist die Eintrittspupille des gemeinsam genutzten Beobachtungsstrahlenbündel bevorzugt um einen Faktor √2 größer als die Eintrittspupillen der anderen beiden Beobachtungsstrahlenbündel.
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Aus der
DE 93 01 434 U1 ist ein Video-Stereomikroskop bekannt, das mindestens drei elektro-optische Detektorelement aufweist, durch die Video-Strahlengänge definiert sind, die ein gemeinsames Hauptobjektiv durchsetzen. Durch die wahlweise Kombination der Ausgangssignale zweier elektro-optischer Detektorelemente können Stereo-Bildpaare aus unterschiedlichen Beobachterperspektiven dargestellt werden.
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In der
DE 10 2011 010 262 A1 ist ein Stereomikroskop offenbart, in dem stereoskopische Teilstrahlengänge durch ein gemeinsames Hauptobjektiv auf einen gemeinsamen Bildempfänger abgebildet werden, der die stereoskopischen Teilbilder zeitlich alternierend aufnimmt. Zum Sperren und Freigeben des Lichts werden synchron schaltbare Blenden (Shutter) verwendet. Für den Fall, dass mehr als eine Stereobasis erzeugt werden soll (zum Beispiel für einen Haupt- und einen Mitbeobachter), schlägt die
DE 10 2011 010 262 A1 vor, zwei Paare von Pupillen vom Shutter nacheinander zu bedienen, so dass immer nur durch eine von vier Pupillen Licht hindurchtreten kann.
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Aus der
US 6,525,878 B1 ist ein Mikroskop bekannt, bei dem ein rechter und ein linker Beobachtungsstrahlengang mit Hilfe einer mit Hilfe einer Schaltvorrichtung wechselweise durch eine gemeinsame Optik einer Bildaufnahmevorrichtung zugeführt werden. Ein weiteres Mikroskop mit einer Schaltvorrichtung zur Umschaltung eines rechten und eines linken Beobachtungsstrahlengang auf eine gemeinsame Kamera ist in der
DE 10 2014 102 248 A1 offenbart.
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Aus der
DE 10 2009 012 897 A1 ist bekannt, einen Beobachtungsstrahlengang eines Mikroskops mit Hilfe eines Strahlteilerelements auf verschiedene Kamerachips aufzuteilen.
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Um bei einem Stereo-Mikroskop zwei unabhängige Sichten auf das Operationsfeld zu realisieren, müssen vier optische Pupillen abgebildet werden. Diese vier Pupillen können digital mit Hilfe von Kamerachips aufgenommen werden, um den Operationsverlauf zu speichern oder auf einem externen Display darzustellen. Um die vier Pupillen mit einem gemeinsamen Kamerachip aufzunehmen, kann beispielsweise ein zeitsequentielles Verfahren umgesetzt werden, wobei die vier Pupillen nacheinander auf dem gleichen Kamerachip abgebildet werden. Um ein flüssiges Videobild zu erhalten, muss dabei jede Pupille für sich in einer Wiedergabefrequenz von mindestens 60 Hz abgebildet werden. Bei vier Pupillen ergibt sich somit eine minimale Bildaufnahme-Frequenz von 4·60 = 240 Hz. Eine derart hohe Aufnahmefrequenz stellt hohe Anforderungen an den Kamerachip, insbesondere wenn gleichzeitig auch eine hohe Auflösung erwünscht ist. Vorhandene Kamerachips erreichen bei hohen Auflösungen (ab 4 K Pixel) nicht die erforderliche Aufnahmefrequenz von mindestens 240 Hz.
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Weiterhin muss der für die zeitsequentielle Bildaufnahme verwendete Kamerachip aufgrund der zeitlichen Teilung der einzelnen Bilder sehr kurze Aufnahmezeiten realisieren. Durch diese hohe Bildaufnahmefrequenz steht den Einzelbildern jeweils sehr wenig Licht zur Verfügung. Die Lichtempfindlichkeit der heutigen Kamerachips ist nicht ausreichend groß, um für die in sehr kurzer Zeit aufgenommenen Bilder ausreichend Photonen aufzunehmen.
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Somit entsteht bei der zeitsequentiellen Bildaufnahme der Nachteil, dass die Bilder jeweils entweder zu dunkel dargestellt werden oder nur mit einer niedrigen Auflösung bereitgestellt werden können.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, bei einem Operationsmikroskop eine qualitativ hochwertige Bildaufnahme von wenigstens zwei gleichzeitig beobachteten Stereo-Bildern sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Operationsmikroskop gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Gemäß einem Aspekt umfasst ein Operationsmikroskop einen Objektstrahlengang zur Abbildung eines Objekts, wenigstens zwei unterschiedliche Beobachtungsstrahlengänge für die Beobachtung des Objekts durch unterschiedliche Beobachter und wenigstens einen gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang für die Beobachtung des Objekts durch die unterschiedlichen Beobachter. Weiterhin sind ein erster Kamerachip, der mit den unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengängen gekoppelt ist, und ein zweiter Kamerachip, der mit dem gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang gekoppelt ist, vorgesehen, sowie ein Shutterelement zur zeitsequentiellen Belichtung des ersten Kamerachips mit Licht der wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge. Somit kann eine hohe Bildqualität erzielt werden, da der erste Kamerachip nur mit beispielsweise zwei unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengängen belichtet wird, welche dann für eine Videoaufnahme mit einer Bildaufnahmefrequenz von 120 Hz ausgelesen werden können, während der zweite Kamerachip mit einem einzigen, gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang belichtet wird, der für eine Videoaufnahme lediglich mit 60 Hz ausgelesen werden muss. Daher können einerseits jedem der beiden unterschiedlichen Beobachter unterschiedliche Stereobilder zur Verfügung gestellt werden, und andererseits sind die Anforderungen an die Lichtempfindlichkeit und Auslesegeschwindigkeit der Kamerachips gegenüber dem bekannten zeitsequentiellen Aufnahmeverfahren deutlich reduziert.
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Hierbei kann ein erstes Stereobild für einen ersten Beobachter einen ersten der wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge und den gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang umfassen, und ein zweites Stereobild für einen zweiten Beobachter einen zweiten der wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge und den gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang umfassen. Somit können, bei entsprechender Anordnung der unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge, unterschiedliche Blickwinkel für die beiden Beobachter realisiert werden, ohne dass für jedes der Einzelbilder ein eigener Beobachtungsstrahlengang aufgenommen werden muss.
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Das Bild des gemeinsamen Beobachtungsstrahlengangs kann für wenigstens einen der Beobachter elektronisch gedreht werden, entsprechend der Ausrichtung des Beobachters relativ zum Objekt. Somit kann jedem Beobachter ein Stereobild zur Verfügung gestellt werden, das der Positionierung des Beobachters relativ zum Objekt, d. h. relativ zum Operationsfeld, entspricht.
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Gemäß einiger Ausführungsformen kann der gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang im Bereich einer optischen Achse des Operationsmikroskops verlaufen, und die unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge können mit einem Abstand zur optischen Achse des Operationsmikroskops verlaufen.
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Gemäß einiger Ausführungsformen kann das Operationsmikroskop ferner ein Strahlteilerelement umfassen, welches für die unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge jeweils durchlässig ist und an der Position des gemeinsamen Beobachtungsstrahlengangs eine hohe Reflektivität aufweist. Damit kann der gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang durch das Strahlteilerelement in Richtung des zweiten Kamerachips ausgekoppelt werden.
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Dabei kann das Strahlteilerelement einen Strahlteilerwürfel umfassen, welcher im Bereich des gemeinsamen Beobachtungsstrahlengangs eine spiegelnde Beschichtung aufweist, um den gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang in Richtung des zweiten Kamerachips zu reflektieren, während die wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge in Richtung des ersten Kamerachips durchgelassen werden.
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Das Shutterelement kann zwischen dem Strahlteilerelement und dem ersten Kamerachip angeordnet sein, so dass das Shutterelement nur in den unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengängen, und nicht im durch das Strahlteilerelement ausgekoppelten gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist.
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Gemäß einiger Ausführungsformen kann das Shutterelement derart bewegbar sein, dass eine Öffnung des Shutterelements in einer ersten Stellung des Shutterelements einen ersten unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengang passieren lässt, und in einer zweiten Stellung des Shutterelements einen zweiten unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengang passieren lässt. Dadurch können die unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge durch die Bewegung des Shutterelements in einem zeitsequentiellen Verfahren getrennt werden, so dass der erste Kamerachip die beiden unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge jeweils einzeln aufnehmen kann.
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Das Shutterelement kann eine drehbare Scheibe umfassen, welche mit wenigstens einer Öffnung versehen ist, um bei einer Drehung des Shutterelements wahlweise einen der beiden unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge durchzulassen. Die Öffnung kann dabei in einem Randbereich der Scheibe vorgesehen sein, und die beiden unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge können durch die Position der Öffnung in vorbestimmten Winkelstellungen der Scheibe definiert sein.
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Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigt:
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1 eine Ansicht eines Operationsmikroskops mit einem Haupttubus und mehreren Optionen zur Anbringung eines Mitbeobachter-Tubus;
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2 eine schematische Ansicht eines Strahlengangs bei einem Operationsmikroskop gemäß einer Ausführungsform;
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3 ein Beispiel für ein Shutterelement bei dem Operationsmikroskop gemäß 2; und
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4 ein erstes Beispiel für eine Anordnung der Beobachtungsstrahlengänge bei dem Operationsmikroskop gemäß 2; und
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5 ein zweites Beispiel für eine Anordnung der Beobachtungsstrahlengänge bei dem Operationsmikroskop gemäß 2.
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1 zeigt ein Operationsmikroskop 1 mit einen Haupt-Tubus 2, durch den ein Hauptbeobachter ein Operationsfeld beobachten kann. Ein Assistent kann dann, je nach OP-Situation, entweder durch einen face-to-face-Tubus 3 oder durch einen seitlichen Mitbeobachter-Tubus 4 das Operationsfeld beobachten. Der seitliche Mitbeobachter-Tubus 4 kann beispielsweise über eine knick- und drehbare Optik 5 (für einen Stereo-Mitbeobachter) an einer Doku-Schnittstelle 6 des Operationsmikroskops 1 montiert werden.
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Um somit für den Hauptbeobachter und den Assistenten zwei unabhängige Stereo-Sichten auf das Operationsfeld zu realisieren, müssen mehrere optische Pupillen abgebildet werden. Für Dokumentationszwecke und zur Darstellung auf einem externen Display können die vom Hauptbeobachter und vom Assistenten beobachteten Bilder des Operationsfeldes außerdem auf Kamerachips aufgenommen werden, wie nachstehend näher erläutert werden wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Strahlengangs beim Operationsmikroskop 1 gemäß einer Ausführungsform. Hierbei wird ein Objekt 7, wie beispielsweise ein Operationsfeld, über ein Objektiv 8, das einen Objektstrahlengang definiert, in Beobachtungsstrahlengänge 9, 10 abgebildet und durch zwei Kamerachips 11 und 12 aufgenommen. Wie nachstehend näher erläutert, sind hierbei zwei Pupillen P1, P2 vorgesehen, die jeweils unterschiedliche Beobachtungsstrahlengänge 9a, 9b (siehe 4 und 5) definieren, und es ist eine Pupille P3 vorgesehen, die einen gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang 10 definiert. Ein Shutterelement 13 lässt wahlweise jeweils einen der unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge 9a, 9b zum ersten Kamerachip 11 durch und blockiert den jeweils anderen der unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge 9a, 9b.
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Somit werden auf dem ersten Kamerachip 11 bei der vorliegenden Ausführungsform nur insgesamt zwei unterschiedliche Bilder, entsprechend den beiden Pupillen P1 und P2, in einem zeitsequentiellen Verfahren aufgenommen. Dadurch kann ein Kamerachip 11 verwendet werden, der bei einer hohen Auflösung (4K, 8K, ...) nur eine Bildaufnahme-Frequenz von 120 Hz leistet.
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Die dritte Pupille P3 wird über einen Teilerwürfel 14 ausgekoppelt, wobei gemäß einiger Ausführungsformen ein Bereich des Teilerwürfels 14, der der Pupille P3 entspricht, vollverspiegelt sein kann. Insbesondere kann der mittlere Bereich des Teilerwürfels 14 vollverspiegelt sein, wobei die dritte Pupille P3 dann ebenfalls in einem mittleren Bereich des Objektstrahlengangs definiert wird, beispielsweise als ein Bereich, der die optische Achse des Objektivs 8 umgibt.
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Da der Teilerwürfel 14 an der Stelle, an der die Pupille P3 ausgekoppelt wird, vollverspiegelt ist, entstehen für diese Pupille keine Lichtverluste auf dem zweiten Kamerachip 12. Aufgrund der teilweisen Vollverspiegelung des Teilerwürfels 14 wird die mittlere/gemeinsame Pupille P3 in Richtung des zweiten Kamerachips 12 ausgekoppelt, bevor sie auf den Shutter 13 trifft. Der Bereich der Teilerschicht des Teilerwürfels 14, in welchem die Pupille P3 nicht ausgekoppelt wird, ist zu 100% transparent, wobei Verluste vernachlässigbar klein sind.
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3 zeigt ein Beispiel für ein Shutterelement 13, welches als eine drehbar gelagerte Scheibe 13 mit einer Öffnung 15 in einem Randbereich der Scheibe 13 ausgeführt sein kann. Während einer vollständigen Drehung der Scheibe 13 überstreicht die Öffnung 15 einen ringförmigen Bereich. Die Pupillen P1 und P2 können jeweils in beliebigen, einander nicht überlappenden Positionen innerhalb dieses ringförmigen Bereichs definiert sein, wie nachfolgend in 4 und 5 gezeigt.
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Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bildet die Pupillenkombination P1 und P3 das Stereo-Bild des Hauptbeobachters, und die Pupillenkombination P2 und P3 bildet das Stereo-Bild des Assistenten. P3 ist somit die von beiden Beobachtern genutzte Pupille, die dem gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang 10 und dem zweiten Kamerachip 12 zugeordnet ist. Je nach Position des Hauptbeobachters bzw. des Assistenten werden die Pupillen P1 und P2 durch den Shutter 13 an unterschiedlichen Positionen definiert.
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Wie in 4 und 5 gezeigt ist, können die durch den Teilerwürfel 14 ausgekoppelte Pupille P3 und die zum Shutterelement 13 durchgelassenen Pupillen P1 und P2 je nach Position der zwei Beobachter an unterschiedlichen Positionen definiert werden, damit die Sicht der Beobachter auf das Operationsfeld 7 der tatsächlichen Ausrichtung der Beobachter zum Operationsfeld entspricht. Je nach Position der durch das Shutterelement 13 definierten Pupillen P1 und P2 sind dann auch die den Pupillen P1 und P2 jeweils zugeordneten unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge 9a, 9b an unterschiedlichen Winkelpositionen innerhalb eines ringförmigen Bereichs definiert. Der Abstand der unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengänge von der optischen Achse des Operationsmikroskops 1 ist dabei durch die Lage der Öffnung 15 in der Shutterscheibe 13 definiert.
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Das aufgenommene Bild von P3 kann je nach Position des Hauptbeobachters bzw. des Assistenten elektronisch gedreht werden, wodurch eine immerwährende korrekte Ausrichtung des Blickwinkels eines Beobachters gemäß dem physikalischen Standpunktes zum OP-Feld garantiert wird.
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Als eine mögliche Modifikation der in 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass anstelle des einzigen gemeinsamen Beobachtungsstrahlengangs 10 auch der zweite Kamerachip 12 mit einem zeitsequentiellen Verfahren ausgelesen wird. In diesem Fall kann ein weiteres Shutterelement zwischen dem Strahlteilerelement 14 und dem zweiten Kamerachip 12 vorgesehen sein, welches ähnlich wie das in 3 gezeigte Shutterelement 13 in unterschiedlichen Stellungen unterschiedliche Pupillen definiert, welche jeweils zu Beobachtungsstrahlengängen gehören, die über einen vollverspiegelten Bereich des Strahlteilerelements 14 ausgespiegelt wurden. In diesem Fall können beide Beobachter jeweils eigene Stereo-Bilder mit jeweils unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengängen beobachten und die beiden Kamerachips 11, 12 können jeweils zwei Videobilder zeitsequentiell aufnehmen, wobei jeder einzelne Chip mit einer Bildaufnahmefrequenz von 120 Hz ausgelesen wird. Somit können auch für zwei komplett voneinander unabhängige Stereobilder, ohne gemeinsamen Beobachtungsstrahlengang, qualitativ hochwertige Videoaufnahmen bereitgestellt werden.
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Nach einem ähnlichen Prinzip können Stereobilder für insgesamt mehr als zwei Beobachter generiert und mittels zwei oder mehr Kamerachips aufgenommen werden.
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Zusammenfassend ermöglicht das voranstehend beschriebene Operationsmikroskop die Aufnahme von wenigstens zwei unterschiedlichen Stereobildern, welche von wenigstens zwei Beobachtern durch entsprechende Haupt- und Mitbeobachter-Tubusanordnungen beobachtet werden. Dabei werden durch den in einem Teilbereich vollverspiegelten Strahlteiler und den Shutter die einzelnen Beobachtungsstrahlengänge derart auf wenigstens zwei Kamerachips geleitet, dass sich für jeden einzelnen Kamerachip nur eine moderate Bildaufnahmefrequenz von beispielsweise 120 Hz ergibt. Somit können mit derzeit erhältlichen Kamerachips hochaufgelöste und ausreichend belichtete Videoaufnahmen von wenigstens zwei simultanen Stereobildern erzeugt werden, welche dann für Dokumentationszwecke gespeichert oder auf einem externen Display angezeigt werden können.
