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Die Erfindung betrifft ein digitales Stereo-Operationsmikroskop für mehrere Benutzer sowie ein Verfahren zur Darstellung mindestens zweier Ansichten eines Objektes für einen ersten und mindestens einen weiteren Benutzer eines digitalen Stereo-Operationsmikroskops.
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Mikrochirurgische Eingriffe mit Operationsmikroskopen werden oftmals durch zwei Chirurgen durchgeführt, von denen der erste die Rolle des Operateurs übernimmt und der weitere als Assistent oder Beobachter fungiert. Ausgehend hiervon ist es wünschenswert, wenn beide Chirurgen mit gleichwertigen Ansichten des Operationsfeldes versorgt werden. Dabei sind der Stereoeindruck, die Helligkeit sowie eine möglichst flexible Positionierbarkeit der Chirurgen relativ zum Patienten wesentliche Parameter für eine Optimierung der Arbeitsbedingungen. Daneben ist es für ein störungsfreies Arbeiten der Chirurgen von Vorteil, wenn die zur Visualisierung des Operationsfeldes verwendeten Systeme nicht zu viel Raum beanspruchen und insbesondere auch möglichst flexibel positioniert werden können. In der Vergangenheit ergab sich daraus vielfach die Problematik, dass die Systeme, welche die oben genannten Anforderungen an die Abbildungsqualität für mehrere Benutzer gerecht werden sollten, zu viel Raum beanspruchten.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2014 107185 A1 wird hierzu ein Ansatz verfolgt, bei welchem aus einer Stereoansicht des Operationsfeldes ein Satz von Topographiedaten erzeugt wird, aus welchem wiederum Ansichten aus verschiedenen Blickrichtungen für den Operateur und weitere Benutzer wie beispielsweise Assistenten erzeugt werden. Allerdings kann auf diese Weise nicht in allen Fällen insbesondere für den Operateur ein optimales stereoskopisches Bild des Operationsfeldes erzeugt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein digitales Stereo-Operationsmikroskop und ein Verfahren zur Darstellung mindestens zweier Ansichten eines Objektes für einen ersten und mindestens einen weiteren Benutzer eines digitalen Stereo-Operationsmikroskops anzugeben, bei welchem insbesondere für einen ersten Benutzer ein verbessertes stereoskopisches Bild des Operationsfeldes zur Verfügung gestellt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes digitales Stereo-Operationsmikroskop zeigt mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten zur Aufnahme eines Objektes aus zwei verschiedenen Winkeln und einen Topographiegenerator zur Erzeugung von Topographiedaten aus den von den Bildaufnahmeeinheiten aufgenommenen Strahlungsdaten. Ferner weist das erfindungsgemäße System einen Darstellungsgenerator zur Erzeugung einer Stereoansicht aus den Topographiedaten und mindestens zwei Bilddarstellungseinheiten zur Bereitstellung von Stereobildern für einen ersten und mindestens einen weiteren Benutzer auf. Dabei ist der Darstellungsgenerator derart mit den Bildaufnahmeeinheiten verbunden, dass der Bilddarstellungseinheit des ersten Benutzers Bilddaten zugeführt werden, welche direkt aus den Strahlungsdaten erzeugt werden.
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Mit anderen Worten werden mindestens einem der Benutzer – in der Regel dem Operateur selbst – direkt die aus seiner Blickrichtung aufgenommenen und unmittelbar aus den Strahlungsdaten erzeugten Bilder zur Verfügung gestellt. Der Darstellungsgenerator wird in diesem Fall also unmittelbar mit den von den Bildaufnahmeeinheiten bereitgestellten Strahlungsdaten versorgt, ohne dass für diesen Benutzer der Weg über die erzeugten Topographiedaten verwendet wird. Damit bekommt der erste Benutzer praktisch in Echtzeit ein weitgehend realistisches Abbild des Operationsfeldes dargeboten.
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Hierzu ist es vorteilhaft, wenn eine Steuereinheit zur Anpassung der Stereobasis vorhanden ist, die geeignet ist, von dem ersten Benutzer verwendet zu werden. Unter der Stereobasis wird im Allgemeinen der Abstand und die Ausrichtung der beiden durch die Bildaufnahmeeinheiten erfassten und dem Betrachter dargebotenen Bilder in der Bildebene der Bilderfassungseinheiten verstanden.
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Der erste Benutzer wird durch diese Maßnahme in die Lage versetzt, ohne Einbußen an der Darstellungsqualität eine für die jeweilige Operationssituation optimale Ansicht zu wählen. Da das Bild für den weiteren Benutzer ohnehin synthetisch erzeugt wird, kann weiterhin erreicht werden, dass sich die Darstellung für den weiteren Benutzer auch dann nicht ändert, wenn der erste Benutzer die angesprochene Anpassung der Stereobasis vornimmt. Gegebenenfalls kann auf Basis der neuen Stereobasis sogar eine Verbesserung der Topographiedaten erzeugt werden, indem die dann vorliegenden zwei bzw. mehreren Ansichten einer Datenfusion zugeführt werden, wodurch Artefakte wie beispielsweise Operationsbesteck oder Abschattungen identifiziert und rechnerisch korrigiert werden können. Insbesondere ist es denkbar, zum Start der Operation oder während kurzen Operationspausen die Stereobasis entsprechend einem festgelegten Ablauf nacheinander unterschiedlich auszurichten und aus den so gewonnenen Daten ein optimiertes topographisches Modell des Operationsfeldes zu erzeugen.
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Insbesondere kann der Topographiegenerator geeignet sein, die aus den Bilddaten erzeugten Topographiedaten mit einer aus den aufgenommenen Strahlungsdaten gewonnenen Farbtextur zu versehen.
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Auf diese Weise kann dem weiteren Benutzer ein möglichst realistisches, wenn auch synthetisches Bild zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann die Kommunikation unter den Benutzern während der Operation dadurch verbessert werden, dass auf die Färbung bestimmter Bereiche des Operationsfeldes Bezug genommen werden kann bzw. bestimmte Bereiche des Operationsfeldes anhand ihrer Färbung bezeichnet werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Positionserfassungseinheit zur Erfassung einer Position eines Benutzers vorhanden.
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Dabei kann der Darstellungsgenerator geeignet sein, auf Basis der erfassten Position des weiteren Benutzers eine Ansicht aus den Topographiedaten zu generieren. Diese Variante der Erfindung ermöglicht es, dass sich der weitere Benutzer beispielsweise um einen Operationstisch herum bewegen kann und ihm gleichzeitig eine korrekte, an seine momentane Position angepasste Ansicht des Operationsfeldes zur Verfügung gestellt wird.
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Alternativ oder zusätzlich können Aktuatoren vorhanden sein, die geeignet sind, auf Basis der erfassten Position des ersten Benutzers eine Stereobasis auszurichten. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass dem ersten Benutzer zuverlässig ein perspektivisch korrekt dargestelltes Stereobild zur Verfügung gestellt wird.
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Eine realistische Darstellung des Operationsfeldes in Echtzeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Topographiegenerator und der Darstellungsgenerator geeignet sind, eine stereoskopische Ansicht in weniger als 100ms, bevorzugt in weniger als 50ms anzuzeigen.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann der Darstellungsgenerator geeignet sein, mehr als eine Stereoansicht aus den Topographiedaten zu generieren. So kann beispielweise für Studenten, die sich zu Ausbildungszwecken im Operationssaal oder in einem Unterrichtsraum befinden, eine weitere Ansicht generiert werden. In diesem Fall ist eine langsamere Bilderzeugung als oben gefordert tolerierbar.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines digitalen Stereo-Operationsmikroskops umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
- • Aufnehmen eines Objektes aus zwei verschiedenen Winkeln mittels zweier Bildaufnahmeeinheiten
- • Erzeugen von Topographiedaten aus von den Bildaufnahmeeinheiten aufgenommenen Strahlungsdaten
- • Bereitstellen von Stereobildern für einen ersten und mindestens einen weiteren Benutzer
- • Erzeugung einer Stereoansicht aus den Topographiedaten für den weiteren Benutzer
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Erfindungsgemäß werden der Bilddarstellungseinheit des ersten Benutzers Bilddaten zugeführt, welche direkt aus den Strahlungsdaten erzeugt werden. Insbesondere können die aus den Strahlungsdaten erzeugten Topographiedaten mit einer aus den aufgenommenen Strahlungsdaten gewonnenen Farbtextur versehen werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann auf Basis der erfassten Position des ersten Benutzers eine Stereobasis ausgerichtet werden.
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Weiterhin kann alternativ zu der stereoskopischen Darstellung dem weiteren Benutzer ein monoskopisches Bild dargestellt werden. Eine derartige Darstellung kann insbesondere dann sinnvoll sein, in welchen die Erzeugung einer aussagekräftigen Ansicht aus den Topographiedaten nicht möglich ist. In diesem Fall kann ein monoskopisches Bild durchaus noch für den weiteren Benutzer verwertbare Informationen enthalten, so dass er besser über die aktuelle Operationssituation informiert ist als beispielsweise durch ein ungenaues oder gar verfälschtes aus Topographiedaten gewonnenes Bild.
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Eine Verbesserung der Qualität der aus den Topographiedaten gewonnenen Ansichten kann wie oben bereits beschrieben dadurch erreicht werden, dass zur Erzeugung der Topographiedaten Strahlungsdaten verwendet werden, welche für unterschiedliche Ausrichtungen einer Stereobasis gewonnen wurden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 schematisiert das grundsätzliche Prinzip der Erfindung, und
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2 einen Operationssaal, in dem ein erfindungsgemäßes digitales Stereo-Operationsmikroskop 101 installiert ist.
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1 zeigt schematisiert das grundsätzliche Prinzip der Erfindung. Das Objekt 100, beispielsweise ein Ausschnitt aus einem Operationsfeld oder ein durch die Operation freigelegtes inneres Organ eines Patienten, wird durch die beiden beispielsweise als Kameras ausgebildeten Bildaufnahmeeinheiten 2 und 3 aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen, wodurch entsprechende Strahlungsdaten 4 und 5 gewonnen werden. Mittels des beispielsweise durch eine entsprechende Software auf einem Rechner realisierten Topographiegenerators 6 wird dann aus den Strahlungsdaten 4 und 5 ein dreidimensionales Datenmodell mit den Topographiedaten 63 des beobachteten Objekts 100 generiert.
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Im Folgenden werden die Benutzer dadurch bezeichnet und unterschieden, dass es sich bei dem Benutzer 1 um den ersten Benutzer im Sinne der vorliegenden Anmeldung, beispielsweise den Operateur, handelt, wohingegen es sich bei den Benutzern n um Assistenten oder Beobachter handeln kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann linken Augen 7L und rechten Augen 7R des ersten und der weiteren Benutzer Darstellungen des beobachteten Objekts 100 zuführen. Hierzu ist den Benutzern jeweils eine Positionserfassungseinheit 8 zugeordnet, welche die Position beispielsweise eines zwischen den beiden Augen 7L, 7R am Kopf des Benutzers angeordneten Punktes erfassen und entsprechende Positionsdaten 9 erzeugen kann. Diese Positionsdaten werden einem Darstellungsgenerator 10 zugeführt, welcher für die weiteren Benutzer n aus dem dreidimensionalen Datenmodell Bilddaten erzeugt, die Bilddarstellungseinheiten 11 n mit jeweils zwei Anzeigen 12 n zugeführt werden, welche von den Augen 7 n der Benutzer n betrachtet werden.
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Hierbei erzeugt der Darstellungsgenerator 10 für einen jeden der Benutzer n Bilddaten 13L n und 13R n, welche an Anzeigen 12L n bzw. 12R n Darstellungen für jeweils das linke Auge 7L n bzw. das rechte Auge 7R n dieses Benutzers erzeugen. Ein jeder der weiteren Benutzer n erhält damit über die Anzeigen 12L n und 12R n Darstellungen des Objekts 100, welche bei ihm den Eindruck hervorrufen, er würde das Objekt 100 aus einer Perspektive betrachten, welche der Perspektive entspricht, wenn der Benutzer n das Objekt 100 unmittelbar von seinem Standpunkt aus betrachten würde.
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Die Bilddaten 13L 1 und 13R 1 für den ersten Benutzer 1 werden auf eine hiervon abweichende Weise durch den Darstellungsgenerator 10 erzeugt. Im Unterschied zu der Vorgehensweise für die weiteren Benutzer n werden die Bilddaten in diesem Fall direkt aus den Strahlungsdaten 4 und 5 erzeugt, ohne dass zuvor eine Umwandlung in ein dreidimensionales Modell erfolgt. Der erste Benutzer 1 erhält damit die nur geringfügig bearbeiteten Videobilder der Operationsszene präsentiert, wodurch er einen schnellen, realistischen visuellen Eindruck des Operationsfeldes erhält. Allerdings ist es hierbei vorteilhaft, wenn zur Sicherstellung einer korrekten Perspektive des ersten Benutzers 1 die Stereobasis entsprechend der Position des ersten Benutzers 1 angepasst wird. Hierzu wird die Position des ersten Benutzers mittels der Positionserfassungseinheit 8 1 ermittelt und einer Steuereinheit 14 zugeführt. Die Steuereinheit 14 richtet dann auf Basis der erhaltenen Positionsdaten des ersten Benutzers die Stereobasis durch mechanische oder auch elektronische Ansteuerung der Bildaufnahmeeinheiten 2 beziehungsweise 3 entsprechend aus. Im Unterschied hierzu dienen die von den Positionserfassungseinheiten 8 n erfassten Positionsdaten der weiteren Benutzer n dazu, durch den Darstellungsgenerator 10 für die weiteren Benutzer korrekte – allerdings synthetische – Ansichten aus den Topographiedaten üblicherweise unter Berücksichtigung der Position der Benutzer n zu generieren. Die Steuereinheit 14 kann auch über eine Benutzerschnittstelle verfügen, mittels welcher der erste Benutzer eine gewünschte Perspektive gezielt auswählen kann.
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2 zeigt einen Operationssaal, in dem ein erfindungsgemäßes digitales Stereo-Operationsmikroskop 101 installiert ist. Auf einem Boden 15 des Operationssaals ist ein Operationstisch 16, auf dem ein beispielsweise durch den ersten Benutzer 1 zu operierender Patient 17 liegt, fest angeordnet. Auf dem Boden 15 des Operationssaals ist ein Stativ 18 fest angebracht, welches an einem schwenkbaren Arm 19 ein Objektiv 20 schwenkbar haltert. Dabei enthält das Objektiv 20 die beiden in der 2 nicht dargestellten Bildaufnahmeeinheiten, mittels derer Strahlungsdaten gewonnen werden und eine Topographie eines Operationsfeldes 21 auf dem Patienten 17 aufgenommen beziehungsweise ermittelt werden kann.
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Die gewonnenen Strahlungsdaten werden über eine erste Datenleitung 22 an einen Rechner 23 übertragen, welcher aus den erhaltenen Strahlungsdaten eine dreidimensionale Struktur bzw. Topographie des Operationsfeldes 21 als dreidimensionales Datenmodell erzeugt. Dies bedeutet, dass in einem Speicherbereich des Rechners eine digitale Darstellung vorliegt, welche die Geometrie bzw. die Topographie des Operationsfeldes 21 repräsentiert.
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Der Operateur als erster Benutzer 1 trägt an seinem Kopf ein Head Mounted Display 24, welches jedem Auge des Operateurs 1 über die in der 2 nicht gesondert bezeichneten Anzeigen eine separate Darstellung des Operationsfeldes 21 mit darin liegenden Objekten liefert. Die für diese Darstellung für die beiden Augen des Operateurs 1 notwendigen Bilddaten generiert der Rechner 23 aus den von den Bildaufnahmeeinheiten aufgenommenen Strahlungsdaten ohne den Zwischenschritt über das dreidimensionale Datenmodell des Operationsfeldes 21 und führt sie über eine zweite Datenleitung 25 dem Head Mounted Display 24 zu. Die Positionserfassungseinheit 26 bestimmt dabei ständig die aktuelle Position des Operateurs 1 und passt zur Wahrung eines korrekten perspektivischen Eindrucks mittels des Rechners 23 und von diesem angesteuerten, in der Figur nicht dargestellten Aktuatoren die Stereobasis entsprechend an.
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Daneben erzeugt der Rechner 23 aus den vorliegenden Topographiedaten und der ebenfalls mittels der Positionserfassungseinheit 26 ermittelten Position des weiteren Benutzers n eine Ansicht des Operationsfeldes 21, die der Position des weiteren Benutzers n entspricht. Diese Ansicht wird dann über die dritte Datenleitung 28 dem Head Mounted Display 29 des weiteren Benutzers n zur Verfügung gestellt. Im Ergebnis wird beiden Benutzern ein an die jeweilige Position des Benutzers angepasstes stereoskopisches Bild zur Verfügung gestellt, wobei der apparative Aufwand und insbesondere auch der zur Erzeugung der Bilder beanspruchte Bauraum gering gehalten werden kann. Die Qualität der zur Verfügung gestellten Bilder wird dabei entsprechend der Erfordernisse für den Operateur 1 und den Beobachter n gewählt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erster Benutzer
- n
- Weiterer Benutzer
- 2, 3
- Bildaufnahmeeinheiten
- 4, 5
- Strahlungsdaten
- 6
- Topographiegenerator
- 7
- Augen der Benutzer
- 8
- Positionserfassungeinheit
- 9
- Positionsdaten
- 10
- Darstellungsgenerator
- 11
- Bilddarstellungseinheiten
- 12
- Anzeigen
- 13
- Bilddaten
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Boden
- 16
- Operationstisch
- 17
- Patient
- 18
- Stativ
- 19
- Arm
- 20
- Objektiv
- 21
- Operationsfeld
- 22
- Erste Datenleitung
- 23
- Rechner
- 24
- Head Mounted Display Benutzer 1
- 25
- Zweite Datenleitung
- 26
- Positionserfassungseinheit
- 28
- Dritte Datenleitung
- 29
- Head Mounted Display Benutzer n
- 63
- Topographiedaten
- 100
- Objekt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014107185 A1 [0003]
