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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs, die zur Befestigung an einer digitalen Bildaufnahmevorrichtung einer medizinischen Visualisierungseinrichtung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine medizinische Visualisierungseinrichtung mit einer solchen Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs.
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Aus der
DE 10 2006 010 767 A1 ist eine als Mikroskopiesystem bezeichnete medizinische Visualisierungseinrichtung bekannt, in dessen Beobachtungsstrahlengang verschiedene Spiegelflächen angeordnet sind, die jeweils um eine Schwenkachse verschwenkt werden können. Dadurch ist es möglich, ein Abbildungsfeld in der Objektebene translatorisch zu verlagern. Die Position der medizinischen Visualisierungseinrichtung bleibt dabei relativ zu der Objektebene unverändert. Nachteilig an der aus der
DE 10 2006 010 767 bekannten Visualisierungseinrichtung ist, dass das Gehäuse, in dem die optischen Elemente angeordnet sind, im Arbeitsraum des Arztes viel Platz beansprucht und sich störend auf einen Operationsablauf auswirken kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem sich eine Handhabung einer digitalen medizinischen Visualisierungseinrichtung verbessern lässt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine medizinische Visualisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs umfasst ein optisches Element mit einer reflektiven Oberfläche und eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des optischen Elements an einer digitalen Bildaufnahmevorrichtung einer medizinischen Visualisierungsvorrichtung dergestalt, dass die reflektive Oberfläche des optischen Elements bei Befestigung der Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs an der digitalen Bildaufnahmevorrichtung in einem optischen Strahlengang der digitalen Bildaufnahmevorrichtung angeordnet ist. Die reflektive Oberfläche des optischen Elements ist dabei so ausgerichtet, dass eine Normale auf die reflektive Oberfläche und einer optischen Achse der digitalen Bildaufnahmevorrichtung einen Winkel ungleich 0° einschließen. Die reflektive Oberfläche des optischen Elements bewirkt eine Strahlablenkung des optischen Strahlengangs vor Eintritt in die digitale Bildaufnahmevorrichtung, so dass die optische Achse der Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere eine optische Achse eines Hauptobjektivs der Bildaufnahmevorrichtung, unter einem Winkel zu einem von dem Objekt ausgehenden Strahlengang angeordnet ist. Die Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs ist bevorzugt als Modul ausgeführt, welches an der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere an einem Hauptobjektiv der digitalen Bildaufnahmevorrichtung angebracht werden kann, so dass die digitale Bildaufnahmevorrichtung sowohl mit als auch ohne Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs verwendet werden kann. Alternativ kann die Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs mit einem Schwenk- und/oder Schiebemechanismus versehen sein, mit dessen Hilfe das optische Element wahlweise in den Strahlengang eingebracht oder aus dem Strahlengang entfernt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Befestigungsvorrichtung eine Befestigungseinheit zur Befestigung an der digitalen Bildaufnahmevorrichtung und eine Halterung für das optische Element, wobei die Befestigungseinheit und die Halterung durch ein Gelenk miteinander verbunden sind, so dass die reflektive Oberfläche um die optische Achse der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere um eine optische Achse eines Hauptobjektivs der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, oder um eine parallel dazu angeordnete Achse drehbar ist. Die drehbare Anordnung des optischen Elements beziehungsweise der reflektiven Oberfläche des optischen Elements erlaubt es, eine Position eines mit der Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs verbundenen Bildaufnahmevorrichtung relativ zu einer Objektebene zu variieren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das optische Element um mindestens eine Achse drehbar ausgeführt, die zur optischen Achse der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere zur optischen Achse eines Hauptobjektivs der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, windschief angeordnet ist. Damit ist ein weiterer Parameter zur Variation einer Position einer mit der Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs verbundenen Bildaufnahmevorrichtung relativ zu einem Untersuchungsobjekt in einer Objektebene der Bildaufnahmevorrichtung gegeben.
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Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungsformen der Erfindung, in denen das optische Element mit der reflektiven Oberfläche drehbar mit der Befestigungseinheit verbunden ist, erlauben es insbesondere, eine Position der Bildaufnahmevorrichtung relativ zu einem Abbildungsfeld in der Objektebene derart zu variieren, dass die Bildaufnahmevorrichtung vor und nach der Variation zumindest weitgehend dasselbe Abbildungsfeld in der Objektebene erfasst. Ferner kann die Bildaufnahmevorrichtung mit Hilfe der drehbar ausgeführten Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs in eine Position verbracht werden, in der sie ein Arbeitsraum, in dem der behandelnde Arzt die Mehrzahl seiner Tätigkeit zur Behandlung eines Patienten durchführt, möglichst wenig einschränkt.
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Eine erfindungsgemäße medizinische Visualisierungseinrichtung umfasst eine digitale Bildaufnahmevorrichtung, ein von der digitalen Bildaufnahmevorrichtung räumlich getrennt ausgeführten Display und eine Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die mit der digitalen Bildaufnahmevorrichtung bevorzugt verbunden ist. Unter einem Display sind im Sinne dieser Erfindung beispielsweise Monitore oder Head-Up-Displays zu verstehen, die in ergonomisch günstiger Art und Weise im Behandlungsraum oder auch am behandelnden Arzt platziert sein können. Display und digitale Bildaufnahmevorrichtung mit der daran angeordneten Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs können dabei unabhängig voneinander beispielsweise über geeignete Halte- oder Führungsvorrichtungen in für den behandelnden Arzt ergonomisch günstiger Weise im Raum positioniert werden. Als ergonomisch günstig sind dabei vorwiegend solche Anordnungen anzusehen, die dem Arzt erlauben, eine aufrechte und entspannte Körperhaltung während einer Operation einzunehmen und/oder die einen Arbeitsraum, innerhalb dessen der Arzt die Mehrzahl seiner Tätigkeiten während einer Operation durchführt, nicht oder nur unwesentlich einschränken.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet die medizinische Visualisierungseinrichtung Mittel zur Detektion der Positionen der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, des Displays und der Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs in einem Koordinatensystem. Ferner ist eine Steuereinheit vorhanden, die dazu eingerichtet ist, aus einem von der Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenen Bild eines Objekts in einer Objektebene der Bildaufnahmevorrichtung eine perspektivisch korrekte Darstellung des Objekts auf dem Display zu ermitteln und das Objekt auf dem Display darzustellen. Mit den Mitteln zur Detektion der Positionen ist es möglich, Positionen der digitalen Bildaufnahmevorrichtung und der Vorrichtung zur Umlenkung des optischen Strahlengangs in einem raumfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Aus der Positionsbestimmung des Displays können Rückschlüsse auf eine gewünschte Perspektive des Arztes auf ein Operationsfeld gewonnen werden. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, aus den ermittelten Positionsdaten eine Transformationsmatrix zu ermitteln, mit deren Hilfe das mit der Bildaufnahmevorrichtung aufgenommene Bild seiten- und lagerichtig in perspektivisch korrekter Art und Weise auf dem Display dargestellt werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen
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1a: eine herkömmliche medizinische Visualisierungsvorrichtung bei einer Anwendung auf ein vertikal orientiertes Operationsfeld;
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1b und 1c: eine medizinische Visualisierungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs bei einer Anwendung auf ein vertikal orientiertes Operationsfeld in einer ersten und einer zweiten Konfiguration;
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2a: eine herkömmliche medizinische Visualisierungsvorrichtung bei einer Anwendung auf ein horizontal orientiertes Operationsfeld;
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2b, 2c und 2d: eine medizinische Visualisierungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs bei einer Anwendung auf ein horizontal orientiertes Operationsfeld in einer ersten, zweiten und dritten Konfiguration;
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3: eine Prinzipdarstellung einer drehbar ausgeführten Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs; und
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4: eine Prinzipdarstellung zur Datenverarbeitung.
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In den 1a, 1b und 1c sind verschiedenen Anordnungen einer medizinischen Visualisierungsvorrichtung in Form eines digitalen Operationsmikroskops 1 dargestellt. Die oberen Bilder zeigen dabei eine Operationsszene aus einer seitlichen Perspektive. In den unteren Darstellungen ist dieselbe Operationsszene in einer Ansicht von oben dargestellt.
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Das digitale Operationsmikroskop 1 umfasst grundsätzlich eine digitale Bildaufnahmevorrichtung 2 und ein räumlich davon getrenntes Display 3, das beispielsweise in Form eines Monitors im Raum platziert oder als Head-Up-Display von einer Bedienperson am Kopf getragen werden kann. Die digitale Bildaufnahmevorrichtung 2 und das Display 3 sind als getrennte Einheiten ausgeführt, die zumindest weitgehend unabhängig voneinander im Operationssaal platziert werden, aber über Kabel oder eine kabellose Verbindung zum Datenaustausch miteinander und/oder mit einer Steuereinheit verbunden sein können.
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Das digitale Operationsmikroskop 1 ist in den 1a, 1b und 1c zur Betrachtung eines vertikal orientierten Operationsfelds (zum Beispiel „posterior fossa” für eine Operation am Hinterkopf mit sitzendem Patienten) ausgerichtet. 1a zeigt ein digitales Operationsmikroskop ohne eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs. Die digitale Bildaufnahmevorrichtung 2 ist dabei zwischen dem Operationsfeld und einem Arzt 5 angeordnet, was einen großen, als ergonomisch ungünstig empfundenen Abstand des Arztes zum Operationsfeld zur Folge hat. Eine ergonomisch günstigere Arbeitsposition für den Arzt kann erreicht werden, wenn die digitale Bildaufnahmevorrichtung kleiner ausgestaltet wird. Dies ist jedoch nur mit einem hohen Aufwand oder unter Inkaufnahme von Qualitätsverlusten in der Aufnahmequalität möglich.
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In den Konfigurationen, die in den 1b und 1c gezeigt sind, ist die digitale Bildaufnahmevorrichtung 2 des Operationsmikroskops 1 mit einer als Kippspiegel 4 ausgestalteten Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs versehen. Der Kippspiegel 4 erlaubt es, die digitale Bildaufnahmevorrichtung 2 raumsparend sowohl vertikal (1b) als auch seitlich horizontal (1c) zu platzieren, so dass ein Arbeitsraum des Arztes vor dem Operationsfeld nicht oder nur unwesentlich eingeschränkt ist. Zusätzlich erlaubt die vertikale oder seitlich horizontale Ausrichtung der digitalen Bildaufnahmevorrichtung 2, solche Bildaufnahmevorrichtungen zu verwenden, die eine längliche Bauform, wie in den 1b und 1c angedeutet, aufweisen. Diese längliche Bauform führt zu einer weiter verbesserten Ergonomie.
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In den 2a, 2b, 2c und 2d ist das digitale Operationsmikroskop zur Betrachtung eines horizontal orientierten Operationsfelds ausgerichtet. Die oberen Darstellungen zeigen dabei eine Operationsszene aus einer seitlichen Perspektive. In den unteren Darstellungen ist dieselbe Operationsszene in einer Ansicht von oben dargestellt.
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Das Operationsmikroskop umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Displays 3 für einen Hauptbeobachter 7 und einen Nebenbeobachter 8, die in Form von Monitoren oder Head-Up-Displays ausgeführt und zumindest weitgehend unabhängig voneinander oder von der Bildaufnahmevorrichtung 2 im Raum positioniert sein können. Analog zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel können die Displays 3 und die Bildaufnahmevorrichtung 2 über Kabel oder eine kabellose Verbindung zum Datenaustausch miteinander und/oder mit einer Steuereinheit verbunden sein.
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2a zeigt ein digitales Operationsmikroskop ohne eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs. Die digitale Bildaufnahmevorrichtung 2 ist vertikal angeordnet. Ein Kippspiegels 5, der wie in den 2b bis 2d dargestellt an der digitalen Bildaufnahmevorrichtung 2 angebracht ist, erlaubt es, die Bildaufnahmevorrichtung 2 auch in anderen, ergonomisch günstigen Positionen auszurichten. Eine ergonomisch günstige Arbeitsposition kann beispielsweise erreicht werden, indem die digitale Bildaufnahmevorrichtung seitlich horizontal platziert wird (2b, 2c und 2d). Diese Konfiguration bietet zusätzlich den Vorteil, dass weitere, während der Operation benötigte medizinische Vorrichtungen oberhalb der Bildaufnahmevorrichtung 2 angeordnet sein können. Darüber hinaus zeichnen sich die in den 2b, 2c und 2d dargestellten Konfigurationen dadurch aus, dass sie dem Arzt ermöglichen, zumindest vorübergehend über das Operationsfeld geneigt zu arbeiten, was in der Konfiguration gemäß 2a ohne Kippspiegel nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.
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Ergänzend können die in den bisher behandelten Ausführungsbeispielen beschriebenen Kippspiegel 4 über ein Gelenk an der digitalen Bildaufnahmevorrichtung 2, insbesondere an einem Hauptobjektiv der digitalen Bildaufnahmevorrichtung, befestigt sein. Auf diese Weise kann der Kippspiegel um eine optische Achse der Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere eine optische Achse des Hauptobjektivs, gedreht werden. Damit kann auch bei unterschiedlichen Operationssituationen jeweils eine für die behandelnden Ärzte ergonomisch günstige Position der digitalen Bildaufnahmevorrichtung 2 eingestellt werden. Zur Positionseinstellung ist die Bildaufnahmevorrichtung 2 an einem beweglich ausgeführten Stativ gehaltert, welches bevorzugt motorisch bewegt werden kann.
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Die Neigung einer Flächennormalen des Kippspiegels 5 zu einer optischen Achse eines Hauptobjektivs der digitalen Bildaufnahmevorrichtung beträgt vorzugsweise zwischen 40° und 50°, besonders bevorzugt etwa 45°. In einer optionalen, anhand von 2d exemplarisch beschriebenen Ausführungsvariante ist der Kippspiegel 4 nicht nur um die optische Achse des Hauptobjektivs, sondern zusätzlich um einen quer zur optischen Achse des Hauptobjektivs angeordneten Achse verstellbar. Dies ermöglicht Anordnungen des Operationsmikroskops unter einem Winkel zur Horizontalen bei Beibehaltung einer vertikaler Aufnahmerichtung auf das Operationsfeld wie in dargestellt.
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In einer weiteren, ergänzenden, nicht dargestellten Ausgestaltungsform umfasst das digitale Operationsmikroskop Mittel zur Messung und/oder Ermittlung von Positionen der digitalen Bildaufnahmevorrichtung 2, des Displays oder der Displays 3 und/oder des Kippspiegels 5 im Raum. Darüber hinaus ist eine Steuereinheit vorgesehen, mit deren Hilfe aus den gemessenen oder ermittelten Positionsdaten eine lage- und seitenrichtige, perspektivisch korrekte Darstellung des von der Bildaufnahmevorrichtung 2 aufgenommenen Bilds auf dem Display 3 oder den Displays 3 errechnet werden kann (siehe 4).
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Durch das Verwendung des Kippspiegels
5 wird ein Bild des Operationsfelds spiegelverkehrt auf einen Bildsensor der Bildaufnahmevorrichtung
2 abgebildet. Mit Hilfe von Positions- beziehungsweise Drehwinkelsensoren zur Bestimmung eines Drehwinkels ε sowie einer Drehrichtung einer Perspektivausrichtung innerhalb der digitalen Bildaufnahmevorrichtung lässt sich eine Orientierung der Reflektion beispielsweise mit einem aus der Druckschrift
DE 10 300 925 A1 bekannten Verfahren ermitteln (siehe
3). Im Anschluss werden die von Bildsensoren der Bildaufnahmevorrichtung
2 aufgenommenen Bilder für die einzelnen Stereoperspektiven in einer Steuereinheit rechnerisch unter Zuhilfenahme der vorher bestimmten Orientierung der Reflektion gespiegelt und in dem Display
3 dargestellt.
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In einem weiteren, ergänzenden, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kippspiegel teildurchlässig ausgeführt, um einen Beleuchtungsstrahlengang senkrecht oder unter einem geringen Winkel zum Operationsfeld einkoppeln zu können. In weiteren, ergänzenden, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs mehrere Kippspiegel verschiedener Größe, die in Abhängigkeit von einem erforderlichen Arbeitsabstand und/oder Vergrößerungsbereich zum Einsatz kommen. In einem weiteren, ergänzenden, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand von dem Kippspiegel zu einer Befestigungseinheit, über die der Kippspiegel an der digitalen Bildaufnahmevorrichtung befestigt ist, einstellbar. Die Einstellung des Abstands geschieht dabei bevorzugt motorisch. Bei feststehender Lage des Kippspiegels relativ zum Objektfeld kann auf diese Weise durch Verfahrung des Operationsmikroskops ein optische Gesamtabstand des Hauptobjektivs zum Objektfeld variiert werden.
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Aus dem Stand der Technik bekannte digitale Operationsmikroskope erfordern eine nahezu starre Ausrichtung des Hauptobjektivs zum Operationsfeld, so dass ein Gehäuse des Operationsmikroskops eine feste Orientierung relativ zum Operationsfeld aufweist, die allenfalls in engen Winkelbereichen geändert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs und die erfindungsgemäße medizinische Visualisierungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs zeichnen sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass sie eine Verkippung einer Bildaufnahmevorrichtung relativ zu einer Normalen auf das Operationsfeld bis zu 90° und darüber hinaus erlaubt. Ferner bietet sie die Möglichkeit, einen Verkippungswinkel variabel einzustellen. Damit eröffnet die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umlenkung eines optischen Strahlengangs die Möglichkeit, die Bildaufnahmevorrichtung in ergonomisch günstiger Weise im Raum zu platzieren, so dass ein Arbeitsraum des behandelnden Arztes nicht oder nur unwesentlich eingeschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006010767 A1 [0002]
- DE 102006010767 [0002]
- DE 10300925 A1 [0028]
