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Die Erfindung betrifft ein Visualisierungssystem mit einem Beobachtungsgerät und einem Endoskop. Ein Endoskop ist ein Visualisierungsinstrument, das bei einer Untersuchung oder bei einer Operation an einem Patienten zum Einsatz kommt. Ein Endoskop umfasst eine Sonde, die in Körperkanäle eingeführt werden kann, insbesondere in enge und tiefe Operationskanäle oder Hohlräume, um anatomische Strukturen oder Körpergewebe eines Operationsbereiches betrachten zu können. Ein besonderes Einsatzgebiet ist die Neurochirurgie.
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Ein Endoskop ist ein handgeführtes medizinisches Instrument und kann in Ergänzung zu dem Beobachtungsgerät in verschiedenen Positionen eingesetzt werden, um hinter Strukturen zu schauen, die in der mikroskopischen Ansicht verdeckt sind. Die Sondenspitze kann eine mechanische Markierung aufweisen, um eine Sichtrichtung der Sonde anzuzeigen. Sobald die Sondenspitze jedoch durch eine Gewebestruktur verdeckt ist, ist die Sichtrichtung der Sonde für den Chirurgen nicht mehr erkennbar. Bei einer Betrachtung des von dem Endoskop erzeugten Bildes auf einer Anzeigevorrichtung ist die Koordination der Bewegungsrichtung der Sonde durch die Hand eines Benutzers, d. h. die Auge-Hand-Koordination, erschwert, wenn die Sichtrichtung der Sondenspitze nicht klar erkennbar ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Visualisierungssystem mit einem Beobachtungsgerät und einem Endoskop bereitzustellen, bei dem die Ausrichtung einer Sonde der Endoskops erkennbar ist und die Auge-Hand-Koordination bei einer Bewegung des Endoskops verbessert wird.
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Die Aufgabe wird durch ein Visualisierungssystem mit einem Beobachtungsgerät und einem Endoskop mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Visualisierungssystem ein Beobachtungsgerät mit einer ersten Bildaufhahmevorrichtung zur Beobachtung eines Operationsbereiches mit einer ersten Beobachtungsebene wobei in der ersten Beobachtungsebene eine Sichtrichtung durch eine erste Sichtachse Y1 definiert ist.
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Das Visualisierungssystem umfasst ein Endoskop mit einer Sonde und einer zweiten Bildaufnahmevorrichtung zur Beobachtung des Operationsbereichs mit einer zweiten Beobachtungsebene mit einer zweiten Sichtachse Y2.
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Das Visualisierungssystem umfasst eine Anzeigevorrichtung, die ein von der ersten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenes erstes Bild in einer ersten Orientierung und ein von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenes zweites Bild in einer zweiten Orientierung darstellt. Eine Steuerungseinheit ist mit der zweiten Bildaufnahmevorrichtung und der Anzeigevorrichtung verbunden.
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Das Endoskop umfasst einen Bewegungssensor, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist, durch den eine Winkelposition der Sonde des Endoskops im Raum ermittelbar ist. Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, dass durch Auswertung der Daten des Bewegungssensors eine Winkelposition der Sonde des Endoskops relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ermittelbar ist, so dass die zweite Orientierung des zweiten Bildes abhängig von einer Winkelposition der Sonde relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ausrichtbar ist.
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Ein Visualisierungssystem umfasst ein Beobachtungsgerät mit einer ersten Bildaufnahmevorrichtung und ein Endoskop mit einer zweiten Bildaufnahmevorrichtung, sowie eine Anzeigevorrichtung und eine Steuerungseinheit.
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Das Beobachtungsgerät ist zur Beobachtung eines Operationsbereichs in einer ersten Beobachtungsebene ausgebildet, wobei in der ersten Beobachtungsebene eine Sichtrichtung durch eine erste Sichtachse Y1 definiert ist.
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Ein Beobachtungsgerät kann ein optisches Operationsmikroskop mit Okularen und einer oder mehreren Kameras sein. Das Beobachtungsgerät kann auch durch ein digitales Bilderfassungssystem gebildet sein, das eine Kamera und eine Optik umfasst. Das Operationsmikroskop kann auch nur durch eine Kamera gebildet sein.
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Ein Operationsbereich ist ein zu operierender Gewebebereich, der auch als Operationssitus bezeichnet wird. Eine Sichtrichtung ist eine Blickrichtung eines Beobachters auf eine Beobachtungsebene. Eine Sichtachse ist eine Bezugsachse, die die Blickrichtung des Beobachters relativ zu der Beobachtungsebene definiert. Diese Bezugsachse kann auch als 0°-Achse bezeichnet werden. Bezogen auf ein Koordinatensystem der ersten Beobachtungsebene, das durch die orthogonalen Achsen X1, Y1 und Z1 definiert ist, ist die erste Sichtachse durch die Achse Y1 definiert. Eine erste Sichtrichtung definiert die Blickrichtung auf die erste Beobachtungsebene.
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Dabei ist der beobachtbare Bereich des Operationssitus nicht auf die erste Beobachtungsebene beschränkt. Der beobachtbare Operationsbereich ist ein dreidimensionaler Bereich. Die erste Beobachtungsebene definiert eine Ebene, die durch die Beobachtungsoptik des Beobachtungsgerätes definiert ist. Die Beobachtungsoptik des Beobachtungsgerätes kann auch einen Bereich oberhalb und unterhalb der ersten Beobachtungsebene scharf abbilden, der durch die Schärfentiefe definiert ist.
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Der Operationsbereich wird von der ersten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommen und auf der Anzeigevorrichtung in einem ersten Bild in einer ersten Orientierung angezeigt. Das auf der Anzeigevorrichtung dargestellte erste Bild kann ein Einzelbild, eine Folge von Einzelbildern zu bestimmten Zeitpunkten oder ein Videobild, auch in Echtzeit, sein.
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Die Orientierung eines Bildes definiert die Ausrichtung eines angezeigten Bildes auf der Anzeigevorrichtung in einem bestimmten Drehwinkel. Dazu kann das von der ersten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommene erste Bild auf der Anzeigevorrichtung derart um einen Winkel senkrecht zu ersten Beobachtungsebene, um die Z1-Achse, gedreht sein, dass ein bestimmter Bereich auf der Anzeigevorrichtung oben angeordnet ist. Das erste Bild kann auf der Anzeigevorrichtung in einer ersten Orientierung derart angezeigt werden, dass der Bereich des Bildes oben angeordnet ist, der auf der positiven Seite auf der ersten Sichtachse Y1 liegt. Wenn ein Beobachter entlang der Richtung der ersten Sichtachse Y1 blickt, kann das von der ersten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommene Bild ohne Änderung der ersten Orientierung, d. h. ohne Drehwinkelkorrektur, direkt auf der Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
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Das Endoskop umfasst eine Sonde, die an einem Handstück angeordnet ist und von einem Beobachter in der Hand geführt wird. Eine Sonde ist ein mehrere Zentimeter langes dünnes Rohr, das in einen Gewebebereich oder eine Gewebestruktur eingebracht werden kann. Das an der Sondenspitze, dem distalen Ende der Sonde, erfasste Bild wird über optische Leiter zu der zweiten Bildaufhahmevorrichtung geführt. Der von der Sonde in einer zweiten Beobachtungsebene beobachtbare Operationsbereich wird durch die zweite Bildaufnahmevorrichtung erfasst und auf der Anzeigevorrichtung als zweites Bild in einer zweiten Orientierung dargestellt. Das zweite Bild kann ein Einzelbild, eine Folge von Einzelbildern zu bestimmten Zeitpunkten oder ein Videobild sein.
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Die erste Beobachtungsebene und die zweite Beobachtungsebene sind unterschiedliche Beobachtungsebenen. Diese beiden Beobachtungsebenen können in einem Winkel zueinander angeordnet sein. Das erste Bild und das zweite Bild zeigen unterschiedliche Ansichten des Operationsbereiches. Das erste Bild und das zweite Bild können jeweils Einzelbilder und/oder Videobildsequenzen umfassen.
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Eine Steuerungseinheit ist mit der zweiten Bildaufnahmevorrichtung und der Anzeigevorrichtung verbunden. Die zweite Bildaufnahmevorrichtung des Endoskops ist über die Steuerungseinheit mit der Anzeigevorrichtung verbunden, sodass die aufgenommen Bilder rechnerisch verarbeitet, gedreht und/oder verändert werden können. Die Steuerungseinheit kann dazu eine Bildverarbeitungseinheit umfassen. Die Steuerungseinheit umfasst eine Information über die Ausrichtung der ersten Sichtachse Y1. Diese Information kann in der Steuerungsvorrichtung als fester Zahlenwert gespeichert sein.
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Die Steuerungseinheit verarbeitet die Bilder der zweiten Bildaufnahmevorrichtung und ermittelt daraus die Position der zweiten Sichtachse Y2. Die zweite Sichtachse Y2 ist eine Bezugsachse, die eine Blickrichtung der Sonde relativ zu dem in einer zweiten Beobachtungsebene betrachteten Gewebebereichs definiert. Die zweite Sichtachse Y2 kann durch den geometrischen und optischen Aufbau des Endoskops definiert sein. Die zweite Sichtachse Y2 kann geometrisch in der Ebene liegen, die durch eine Mittelachse der Sonde und des Handstücks der Sonde aufgespannt ist. Die zweite Sichtachse Y2 kann mit einer mechanischen Markierung der Sondenspitze, beispielsweise einer Abschrägung, identisch sein. Die eingeblendete zweite Sichtachse Y2 kann auch manuell an einen Beobachter angepasst sein. Beispielsweise kann ein Beobachter, der das Endoskop mit der linken Hand führt, das Bedürfnis haben, die zweite Sichtachse Y2 subjektiv in einer anderen zweiten Orientierung anzuzeigen, als ein Beobachter, der das Endoskop mit der rechten Hand führt. Der Beobachter kann durch Drehung der zweiten Sichtachse Y2 in eine zweite Orientierung das Bild auf seine Bewegungskoordination einstellen.
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Das Endoskop umfasst einen Bewegungssensor, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist, durch den eine Winkelposition der Sonde des Endoskops im Raum ermittelbar ist. Der Bewegungssensor ist dazu ausgebildet, eine Bewegung des Endoskops zu erfassen und einen elektronisch auswertbaren Bewegungswert zu erzeugen, der durch die Steuerungseinheit ausgewertet werden kann. Eine Bewegung ist beispielsweise durch eine Positionsveränderung und/oder eine Winkeländerung des Endoskops im Raum charakterisiert. Eine Bewegung kann gleichmäßig sein oder eine Beschleunigung umfassen. Eine Bewegung kann auch detektiert werden, wenn diese sehr gering ausfällt.
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Ein Bewegungssensor kann eine Lageänderung und/oder eine Winkeländerung im Raum erfassen. Dazu kann ein Bewegungssensor beispielsweise als Lagesensor ausgebildet sein und eine absolute Winkellage im Raum ermittelt oder eine relative Winkeländerung zu einer bekannten Winkellage im Raum ermitteln. Dadurch ist eine Winkelposition der Sonde im Raum erfassbar. Die Winkelposition definiert einen Rotationswinkel um eine, zwei oder drei Raumachsen, unabhängig von den absoluten 3D-Raumkoordinaten.
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Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, dass durch Auswertung der Daten des Bewegungssensors eine Winkelposition der Sonde des Endoskops relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ermittelbar ist, so dass die zweite Orientierung des zweiten Bildes abhängig von einer Winkelposition der Sonde relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ausrichtbar ist.
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Ist die Sonde des Endoskops in einen Gewebebereich eingebracht, ist die Sondenspitze für den Benutzer nicht mehr sichtbar. Die Anzeigevorrichtung zeigt das von der zweiten Bildaufhahmevorrichtung aufgenommene Bild als zweites Bild in einer zweiten Orientierung an. Die zweite Orientierung des zweiten Bildes kann derart ausgerichtet sein, dass die zweite Sichtachse Y2 in einer durch die Steuerungseinheit oder den Beobachter vorgegebenen Relativposition zu der ersten Sichtachse Y1 ausgerichtet ist. Die Orientierung des zweiten Bildes mit der zweiten Sichtachse Y2 des Endoskops kann an die erste Orientierung der ersten Sichtachse Y1 des Beobachtungsgerätes angepasst werden.
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Bei einer Drehung der Sonde um eine Achse, beispielsweise die Längsachse, würde ohne eine Nachführung der Orientierung des zweiten Bildes das zweite Bild auf der Anzeigevorrichtung ebenfalls gedreht werden.
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Der in dem Endoskop angeordnete Bewegungssensor registriert eine Bewegung des Endoskops. Durch die Ermittlung der Winkelposition durch den Bewegungssensor wird die Ausrichtung der Sonde zu der ersten Sichtachse Y1 und zu dem Operationssitus zunächst erfasst und die Ausrichtung der Orientierung des zweiten Bildes angepasst. Bei einer Änderung der Position des Endoskops kann somit die Orientierung des zweiten Bildes automatisch nachgeführt werden. Somit ist für den Beobachter, der das Endoskop mit seiner Hand führt, vorteilhaft eine intuitive Auge-Hand-Koordination möglich.
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Bei einer Ausrichtung der Orientierung des zweiten Bildes zu der ersten Sichtachse Y1 wird das zweite Bild auf der Anzeigevorrichtung derart gedreht, dass eine Bewegungsrichtung des Endoskops, beispielsweise in Richtung der ersten Sichtachse Y1 des Mikroskops, als eine Bewegung auf der Anzeigevorrichtung im zweiten Bild in der gleichen Orientierung wie im ersten Bild angezeigt wird. Die zweite Orientierung des zweiten Bildes ist abhängig von einer Winkelposition der Sonde relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ausrichtbar und abhängig von den Daten des Bewegungssensors nachführbar.
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Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht werden. Auf einer Anzeigevorrichtung ist das erste Bild des Beobachtungsgerätes derart orientiert, das die erste Sichtachse Y1 in vertikaler Richtung angezeigt wird. Die Sonde des Endoskops ist in Richtung einer Flächennormale zu der Beobachtungsebene ausgerichtet, jedoch bezüglich der Mittelachse der Sonde um 30° gedreht.
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Auf der Anzeigevorrichtung wäre ohne diese Ausrichtung das zweite Bild relativ zu dem ersten Bild ebenfalls um 30° bezüglich der Vertikalen gedreht. Bei einer Bewegung des Endoskops parallel zur ersten Sichtachse Y1 des Mikroskops würde die Bewegungsrichtung im zweiten Bild gegenüber dem ersten Bild um 30° bezüglich der Vertikalen schräg verlaufen. Die Auge-Hand-Koordination des Beobachters wäre erschwert. Bei einer Ausrichtung der zweiten Orientierung des zweiten Bildes relativ zu der ersten Sichtachse Y1 wird der Drehwinkel des zweiten Bildes auf Anzeigevorrichtung relativ zu dem ersten Bild um 30° korrigiert. Somit wird bei einer Bewegung des Endoskops parallel zu der ersten Sichtachse Y1 des Mikroskops die Bewegungsrichtung im zweiten Bild in der gleichen Richtung dargestellt wie im ersten Bild. Der Beobachter, der das Endoskop mit seiner Hand führt, nimmt diese Bewegung im zweiten Bild ebenfalls in vertikaler Richtung wahr. Die erleichtert die Auge-Hand-Koordination für den Beobachter. Durch die Ermittlung der Winkelposition durch einen Bewegungssensor kann die zweite Orientierung des zweiten Bildes abhängig von einer Winkelposition ausgerichtet und nachgeführt werden.
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Beispielsweise kann die Drehung des Handgelenkes, die zu einer Drehung des zweiten Bildes auf der Anzeigevorrichtung führen würde, durch eine Detektion des Drehwinkels durch den Bewegungssensor und eine rechnerische Kompensation durch die Steuerungseinheit ausgeglichen werden. Wenn der Beobachter das Endoskop um die Mittelachse der Sonde dreht, beispielsweise bei einer Änderung der Position des Endoskops, bleibt die zweite Orientierung des zweiten Bildes auf der Anzeigevorrichtung konstant. Durch die Nachführung der Orientierung des zweiten Bildes kann die Auge-Hand-Bewegungskoordination beibehalten werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem auf der Anzeigevorrichtung dargestellten zweiten Bild eine grafische Markierung eingeblendet, die die Richtung der zweiten Sichtachse Y2 im zweiten Bild anzeigt, wobei die grafische Markierung im zweiten Bild abhängig von einer Winkelposition der Sonde relativ zu der ersten Sichtachse Y1 nachführbar ist.
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Ist die Sonde des Endoskops in einen Gewebebereich eingebracht, ist die Sondenspitze für den Benutzer nicht mehr sichtbar. Um dem Benutzer die Handhabung des Endoskops zu erleichtern und die Orientierung der Sondenspitze des Endoskops erkennbar zu machen, ist in dem auf der Anzeigevorrichtung dargestellten zweiten Bild eine grafische Markierung eingeblendet, die die Richtung der zweiten Sichtachse Y2 im zweiten Bild anzeigt. Die Steuerungseinheit verarbeitet die Bilder der zweiten Bildaufnahmevorrichtung und ermittelt daraus die Position der zweiten Sichtachse Y2. Die zweite Sichtachse Y2 wird als grafische Markierung in das auf der Anzeigevorrichtung dargestellte zweite Bild eingeblendet. Damit ist eine Ausrichtung der Sondenspitze des Endoskops im zweiten Bild erkennbar. Das zweite Bild wird auf der Anzeigevorrichtung in einer zweiten Orientierung angezeigt.
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Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, dass durch Auswertung der Daten des Bewegungssensors eine Winkelposition der Sonde des Endoskops relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ermittelbar ist, so dass die grafische Markierung im zweiten Bild abhängig von einer Winkelposition der Sonde relativ zu der ersten Sichtachse Y1 nachführbar ist.
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Die Anzeigevorrichtung zeigt das von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommene Bild als zweites Bild zusammen mit der grafischen Markierung an. Die grafische Markierung, die die zweite Sichtachse Y2 des Endoskops anzeigt, kann an die erste Orientierung der ersten Sichtachse Y1 des Beobachtungsgerätes angepasst werden. Der Beobachter, der das Endoskop mit seiner Hand führt, kann die zweite Sichtachse Y2 der Sonde des Endoskops durch die Markierung im zweiten Bild jederzeit eindeutig zuordnen.
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Bei einer Drehung der Sonde um eine Achse, beispielsweise die Längsachse, würde ohne eine Nachführung die grafische Markierung der zweiten Sichtachse Y2 ebenfalls gedreht werden. Der in dem Endoskop angeordnete Bewegungssensor registriert eine Bewegung des Endoskops. Durch die Ermittlung der Winkelposition durch den Bewegungssensor wird die Ausrichtung der Sonde zu der ersten Sichtachse Y1 und zu dem Operationssitus zunächst erfasst und durch die grafische Markierung im zweiten Bild angezeigt. Bei einer Änderung der Position des Endoskops kann somit die grafische Markierung automatisch nachgeführt werden. Somit ist für den Beobachter, der das Endoskop mit seiner Hand führt, vorteilhaft eine intuitive Auge-Hand-Koordination möglich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit mit der ersten Bildaufnahmevorrichtung verbunden.
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Dabei ist die Steuerungseinheit mit der ersten Bildaufnahmevorrichtung, der zweiten Bildaufnahmevorrichtung und der Anzeigevorrichtung verbunden. Die erste Bildaufnahmevorrichtung des Beobachtungsgerätes und die zweite Bildaufnahmevorrichtung des Endoskops sind über die Steuerungseinheit mit der Anzeigevorrichtung verbunden, sodass die aufgenommen Bilder rechnerisch verarbeitet und verändert werden können. Die Steuerungseinheit kann dazu eine Bildverarbeitungseinheit umfassen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Sichtrichtung des Endoskops gegenüber der Mittelachse der Sonde des Endoskops in einen Winkel ausgebildet.
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Auf diese Weise kann ein seitlich der Sonde liegender Gewebebereich betrachtet werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die Sonde in einem engen Kanal eingeführt ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegungssensor ein Sensor aus der Gruppe Lagesensor, Beschleunigungssensor, Vibrationskreisel-Sensor, Gyrosensor.
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Alle diese Sensoren sind kostengünstig und stehen miniaturisiert zur Verfügung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegungssensor ein Lagesensor.
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Der Lagesensor kann eine Winkellage im Raum ermitteln. Der Lagesensor ist dazu ausgebildet einen relativen Neigungswinkel in Bezug auf eine Lotachse zu ermitteln. Eine Winkellage kann somit unabhängig von einer Beschleunigung ermittelt werden. Lagesensoren sind kostengünstig.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegungssensor ein Beschleunigungssensor.
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Ein Beschleunigungssensor ist kostengünstig und miniaturisiert verfügbar. Zudem hat ein Beschleunigungssensor eine hohe Messgenauigkeit.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegungssensor ein Vibrationskreisel-Sensor.
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Einfache Lagesensoren können auf eine Achsenrichtung beschränkt sein, so dass Bewegungen, die senkrecht zu dieser Achsenrichtung erfolgen, nicht detektiert werden können. Wenn ein Lagesensor beispielsweise eine Lotrichtung auf Basis der Schwerkraft detektiert, kann eine Rotationsbewegung senkrecht zu der Schwerkraftrichtung nicht detektiert werden. Bei einem Endoskop kann dies den Nachteil haben, dass bei einer bestimmen Ausrichtung der Achse der Sonde, beispielsweise in Lotrichtung, eine Drehung um diese Achse durch den Lagesensor nicht wahrgenommen werden kann, da keine Vertikalkomponente der Bewegung vorhanden ist.
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Ein Vibrationskreisel-Sensor ermöglicht die Messung von Drehbewegungen. Ein Vibrationskreisel-Sensor umfasst dazu mindestens ein schwingfähiges System, beispielsweise einen Schwingquarz. Ein Vibrationskreisel-Sensor kann drei Schwingquarze umfassen, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Wird ein Schwingquarz senkrecht zur Auslenkungsrichtung α mit der Winkelgeschwindigkeit ω gedreht, wirkt die Corioliskraft F = dα/dt * ω senkrecht dazu auf das Schwingungssystem. Die Veränderung kann von einem piezoelektrischen Aufnehmer detektiert werden, so dass eine Drehbewegung ermittelbar ist. Vibrationskreisel-Sensoren können sehr klein ausgeführt sein, beispielsweise auf mikroelektromechanischer Basis.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegungssensor ein Gyrosensor.
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Ein Gyrosensor ist ein Beschleunigungs- oder Lagesensor auf Piezo-Basis, der sehr kleine Beschleunigungen, Drehbewegungen oder Lageänderungen messen kann. Vorteilhaft kann der Gyrosensor gleichzeitig den Beschleunigungswert und den Neigungswinkel detektieren.
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Dadurch kann ein einzelner Sensor einen Beschleunigungs- und den Lagesensor bilden. Gyrosensoren können sehr klein ausgebildet sein und sind kostengünstig.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegungssensor im Handstück angeordnet.
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Im Handstück ist ausreichend Platz für den Sensor. Zudem kann der Sensor auf einer im Handstück bereits vorhandenen Elektronikplatine angeordnet werden. Dies erspart zusätzliche Signalleitungen oder Energieversorgungsleitungen für den Sensor.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Handstück einen Lagesensor und einen Beschleunigungssensor.
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Vorteilhaft können sich die beiden Sensoren synergetisch ergänzen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Bildaufnahmevorrichtung fest mit der Sonde verbunden.
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Dies ist die mechanisch einfachste Verbindung und damit kostengünstig und kompakt. Das Endoskop kann einfach kalibriert werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Bildaufnahmevorrichtung gegenüber der Sonde drehbar angeordnet.
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In dieser Ausführungsform ist die zweite Bildaufnahmevorrichtung relativ zu der Optik der Sonde drehbar gelagert. Das aufgenommene Bild kann deshalb direkt auf der Anzeigevorrichtung angezeigt werden. Dies reduziert den Rechenaufwand für eine Bildverarbeitung in der Steuerungseinheit und erlaubt eine schnellere Bildfolge auf der Anzeigevorrichtung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuerungseinheit eine Bildverarbeitungseinheit.
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Eine Bildverarbeitungseinheit kann beispielsweise durch einen speziellen Computerchip oder einer Grafikkarte gebildet sein, die für schnelle Bildverarbeitungsvorgänge optimiert ist.
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Damit ist eine Verarbeitung der Bilder und die Einblendung und/oder Nachführung der grafischen Markierung besonders schnell und in Echtzeit möglich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden auf der Anzeigevorrichtung in dem zweiten Bild mindestens zwei grafische Markierungen eingeblendet.
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Auf diese Weise können dem Benutzer zwei Informationen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise kann eine erste graphische Markierung mit einer mechanischen Markierung der Sondenspitze übereinstimmen und eine zweite graphische Markierung eine durch den Benutzer wählbare Richtung anzeigen oder eine Mittelachse der Sonde, die einer Geradeaussicht oder Vorschubrichtung der Sonde entspricht. Alle graphischen Markierungen sind abhängig von den Daten des Bewegungssensors und somit von einer Winkelposition der Sonde relativ zu der ersten Sichtachse Y1 nachführbar.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausrichtung der Sonde relativ zu der ersten Beobachtungsebene durch Bildauswertung der von der ersten Bildaufnahmevorrichtung erfassten Bilder ermittelbar.
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Mindestens ein Teil der Sonde ist in dem von der ersten Bildaufnahmevorrichtung des Beobachtungsgerätes erfassten Bild sichtbar. Das Beobachtungsgerät-Bild ist durch die Steuerungseinheit auswertbar. Damit ist eine Ausrichtung der Sonde relativ zu der ersten Beobachtungsebene durch Auswertung der Bildinformation der ersten Bildaufnahmevorrichtung ermittelbar. Diese Information über die Ausrichtung der Sonde können die durch den Bewegungssensor bereitgestellten Informationen ergänzen. Auf Basis dieser Information kann das System kalibriert werden. Vorteilhaft ist die Ausrichtung der Sonde relativ zu der ersten Beobachtungsebene bereits vor dem ersten Ermitteln einer Winkelposition durch den Bewegungssensor durch Bildauswertung des von der ersten Bildaufnahmevorrichtung erfassten Bildes ermittelbar.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausrichtung der Sonde relativ zu der ersten Beobachtungsebene vor dem ersten Ermitteln einer Winkelposition durch den Bewegungssensor durch ein Navigationssystem getrackt.
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Vorteilhaft kann so eine Ausrichtung der Sonde zum Operationssitus vorab und als Startwert für eine durch den Bewegungssensor folgende Bewegungsdetektion ermittelt werden. Durch das Navigationssystem kann das System nach dem Einschalten kalibriert werden und eine Winkellage und/oder eine Position im Raum berechnet werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind mit einem zusätzlichen Navigationssystem eine Position und/oder eine Ausrichtung der Sonde des Endoskops durch Tracking eines am Endoskop angeordneten Navigationselements ermittelbar. Ein Navigationssystem kann bereits Bestandteil der Ausstattung eines Operationssystems sein oder ist zusätzlich ergänzbar. Vorteilhaft kann dieses dazu eingesetzt werden, um eine absolute Raumposition und/oder Winkellage des Endoskops mittels eines Trackingelementes zu ermitteln. Die Kombination aus Navigationssystem und Bewegungssensor ermöglicht eine sehr präzise Ermittlung der Winkelposition des Endoskops. Vorteilhaft können durch das Navigationssystem weitere Operationswerkzeuge oder das zu operierende Körperteil des Patienten getrackt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist mit einem zusätzlichen Navigationssystem eine Winkellage der Sonde des Endoskops durch Tracking eines am Endoskop angeordneten Navigationselements ermittelbar.
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Es kann ausreichend sein, eine Winkellage der Sonde im Raum durch ein Trackingelement zu ermitteln.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Navigationssystem durch ein elektromagnetisches Tracking-System mit mindestens einem Sender und mindestens einem Empfänger gebildet.
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Elektromagnetisches Tracking zwischen dem Beobachtungsgerät und der Sonde hat gegenüber herkömmlichen Navigationslösungen den Vorteil, dass an der Sonde des Endoskops keine, die Sicht oder die Handhabung beeinträchtigende Navigationselemente, beispielsweise Navigationssterne, angebracht werden müssen. Es wäre beispielsweise lediglich ein RFID-Chip oder eine Magnetspule im Handgriff des Endoskops unterzubringen bzw. am Handgriff anzubringen. Außerdem liegt der Abstand von dem Beobachtungsgerät, beispielsweise ein Operationsmikroskop oder eine Kamera, und dem Endoskop für elektromagnetisches Tracking in einem günstigen Bereich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind auf der Anzeigevorrichtung mindestens zwei verschiedene Bilder dargestellt, die von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung des Endoskops zu zweit verschieden Zeitpunkten erfasst sind.
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Die Anzeige zweier verschiedener Bilder erlaubt die Darstellung präoperativer Bilddaten zusammen mit aktuellen Bilddaten. Zudem können zwei Ansichten zu zwei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt werden. Alternativ ist die Anzeige eines Einzelbildes zusammen mit einem Video-Livebild vorstellbar.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Anzeige des ersten Bildes des Beobachtungsgerätes und des zweiten Bildes des Endoskops in einer „Picture-in-Picture“-Darstellung“ auf der Anzeigevorrichtung.
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Eine „Picture-in-Picture“-Darstellung ist die Anzeige des zweiten Bildes als eingefügtes Teilbild im ersten Bild. Dazu kann das zweite Bild verkleinert darstellt oder nur teilweise in einen Ausschnitt dargestellt sein. Durch die räumliche Nähe ersten Bildes und des zweiten Bildes können die Bilder von einem Benutzer optisch schneller erfasst werden.
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In einer Ausgestaltung ist ein Bewegungswert durch eine Analyse der von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung bereitgestellten Bilder ermittelbar.
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Eine zweite Bildaufnahmevorrichtung des Endoskops kann Bilder in zeitlicher Abfolge aufnehmen. Daraus kann in der Steuerungseinheit, beispielsweise durch eine Bildverarbeitungssoftware, ein Bewegungswert abgeleitet werden. Das Bilderfassungssystem bildet so einen zusätzlichen Bewegungssensor, der die Bewegungsdetektion und Auflösung des Gesamtsystems noch weiter verbessert.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromversorgung des Endoskops kabellos und umfasst eine Batterie oder einen Akkumulator.
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Bei Batterie- oder Akkumulator-betriebenen medizinischen Geräten kann auf ein Anschlusskabel verzichtet werden. Dadurch ist die Handhabung des Endoskops einfacher und flexibler, da kein Kabel bei einer Positionsänderung des Endoskops mitgeführt werden muss.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Beobachtungsgerät ein Operationsmikroskop.
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Operationsmikroskope können Bildaufnahmevorrichtungen, beispielsweise Bildaufnahmesensoren oder Kameras umfassen. Ein digitales Operationsmikroskop kann durch eine Kamera mit einer Optik gebildet sein. Vorteilhaft kann ein Endoskop in Ergänzung zu einem bereits vorhandenen Operationsmikroskop nachgerüstet werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Beobachtungsgerät eine Kamera.
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Eine Kamera ist kompakt, kostengünstig und behindert einen Beobachter während einer Untersuchung oder Operation kaum.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen erklärt, in welchen zeigen:
- 1 ein Beobachtungsgerät und ein Endoskop in einem Operationsszenario;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Operationsszenarios gemäß 1 mit einem ersten Koordinatensystem;
- 3 ein Operationsmikroskop-Bild zusammen mit einem Endoskop-Bild;
- 4 das Mikroskop-Bild und das Endoskop-Bild in einer zueinander ausgerichteten Anordnung;
- 5 das Endoskop gemäß 1 mit einem Bewegungssensor und der Einblendung einer grafischen Markierung auf einer Anzeigevorrichtung;
- 6 eine Anzeigevorrichtung mit einem Beispiel für eine Picture-in-Picture Anordnung mehrerer Endoskop-Bilder mit einer grafischen Markierung in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Sichtrichtung der Sonde des Endoskops;
- 7 ein Operationsmikroskop und ein Endoskop in einem Operationsszenario mit einem elektromagnetischem Tracking der Sonde.
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Die 1 zeigt ein Beobachtungsgerät und ein Endoskop 120 in einem Operationsszenario 100.
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Das Beobachtungsgerät ist ein Operationsmikroskop 101. Das Operationsmikroskop 101 mit einem Hauptobjektiv 102 ist zur Beobachtung eines zu beobachtenden Objektes 110, beispielsweise der Kopf eines Patienten, dargestellt. Das Hauptobjektiv 102 hat eine optische Achse 105. Das Operationsmikroskop ist als Stereo-Mikroskop ausgebildet. Ein Beobachter oder Operateur kann einen Operationsbereich 111 mit einer Objektebene, die als erste Beobachtungsebene 112 bezeichnet wird, durch die Okulare 103 betrachten. Das Operationsmikroskop 101 umfasst eine erste Bildaufnahmevorrichtung 104. Die Bildaufhahmevorrichtung 104 erfasst ein Bild oder eine Videosequenz des Operationsbereiches 111.
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Das zu operierende Gewebe des Operationsbereiches 111 wird zusätzlich über das Endoskop 120 beobachtet. Das Endoskop 120 umfasst ein Handstück 121 und eine Sonde 122. Das Handstück 121 ist gegenüber der Sonde abgewinkelt angeordnet, der Winkel beträgt beispielsweise 45°. An der Außenseite des Handstückes 121 können nicht dargestellte Griffflächen angebracht sein. Im Inneren des Handstückes 121 sind eine gestrichelt gezeichnete zweite Bildaufnahmevorrichtung 124, ein Bewegungssensor 125, sowie eine nicht dargestellt Beleuchtungsvorrichtung und eine Schnittstelle zur Datenübermittlung angeordnet.
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Die Sonde 122 umfasst ein langes dünnes Rohr mit einer Sondenspitze 123. Die Sondenspitze 123 definiert das distale Ende der Sonde 122. Die Sonde 122 wird über eine Körperöffnung 113 in das Gewebe des Operationsbereiches 111 eingebracht, um anatomische Strukturen oder Körpergewebe hinter der ersten Beobachtungsebene 112 zu betrachten. An der Sondenspitze 123 ist eine nicht dargestellte Optik angeordnet. Die Sonde 122 umfasst einen ersten Lichtleiter zum Beleuchten eines Gewebebereiches und einen zweiten Lichtleiter, der von der an der Optik an der Sondenspitze 123 zu der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 geführt ist. In einer Ausführungsform kann der Lichtleiter auch durch einen Elektronenleiter ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann die Bilderfassungsvorrichtung auch an der Sondenspitze 123 angeordnet sein.
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Die erste Bildaufnahmevorrichtung 104 ist über eine erste Leitung 131 mit einer Steuerungseinheit 130 verbunden. Das Endoskop 120 ist mit einer zweiten Leitung 132 mit der Steuerungseinheit 130 verbunden. Die Steuerungseinheit 130 umfasst eine Bildverarbeitungseinheit 134. Die Steuerungseinheit 130 ist über eine dritte Leitung 133 mit einer Anzeigevorrichtung 140 gekoppelt. Die Anzeigevorrichtung 140 zeigt das von der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104 des Operationsmikroskops 101 erfasste Bild in einem ersten Bild 141. Das von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 des Endoskops 120 erfasste Bild wird in einem zweiten Bild 142 auf der Anzeigevorrichtung 140 dargestellt.
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Die von der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104 des Operationsmikroskops 101 oder der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 des Endoskops 120 erfassten Bilder können jeweils Einzelbilder oder Videosequenzen darstellen.
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Das Operationsmikroskop 101 kann ein konventionelles optisches Stereo-Operationsmikroskop sein, bei dem der Beobachtungsbereich durch die Okulare 103 betrachtet werden kann. Das Operationsmikroskop 101 kann auch als rein digitales Operationsmikroskop ausgebildet sein, bei dem der Operationsbereich 111 mit der ersten Beobachtungsebene 112 von der ersten Bildaufhahmevorrichtung 104 aufgenommen und auf der Anzeigevorrichtung 140 dargestellt wird. Das Operationsmikroskop 101 kann auch als Hybrid-System ausgebildet sein und sowohl eine Beobachtung durch Okulare 103 ermöglichen, als auch eine oder mehrere erste Bildaufnahmevorrichtungen 104 zur Darstellung des Beobachtungsbereiches mit der ersten Beobachtungsebene 112 aufweisen. Das Operationsmikroskop 101 kann auch durch eine einzelne Kamera gebildet sein. Das auf der Anzeigevorrichtung 140 dargestellte erste Bild 141 der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104 des Operationsmikroskops 101 kann als zwei- oder dreidimensionales Bild angezeigt werden.
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Das Endoskop 120 kann ferner einen Energiespeicher zur netzunabhängigen Stromversorgung aufweisen, beispielsweise eine Batterie oder einen wieder aufladbaren Akkumulator oder einen Kondensator mit sehr großer Kapazität. Das Endoskop 120 ist hermetisch gekapselt. Das Endoskop ist vollständig autoklavierbar. Im Einsatz bei einer Operation kann das Endoskop 120 aber auch durch eine sterile Schutzfolie, die als Drape bezeichnet wird, geschützt sein.
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Die Steuerungseinheit 130 ist beispielsweise durch eine Mikrocontroller-Baugruppe oder einen Industrie-Computer gebildet. Die Bildverarbeitungseinheit 134 ist ein Teil der Steuerungseinheit 130 und umfasst ein Hardware- und/oder ein Software-Modul. Die Steuerungseinheit 130 kann in das Operationsmikroskop 101 oder in der Anzeigevorrichtung 140 integriert sein. Die Steuerungseinheit 130 kann auch in mehrere Baugruppen aufgeteilt sein. Eine Baugruppe der Steuerungseinheit 130 kann in das Endoskop 120 integriert sein. Die erste Leitung 131, die zweite Leitung 132 und die dritte Leitung 133 können kabelgebunden oder kabellos gebildet sein. Eine kabelgebundene Leitung kann eine Netzwerk- oder eine Datenleitung, beispielsweise eine Koaxialkabel oder ein Glasfaserkabel, sein. Eine kabellose Verbindung kann durch Funk, WLAN oder Bluetooth gebildet sein und jeweils eine Sende-Empfangseinheit umfassen.
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Die erste Bildaufnahmevorrichtung 104 des Operationsmikroskops 101 oder die zweite Bildaufnahmevorrichtung 124 des Endoskops 120 können jeweils eine Kamera oder ein Bildsensor sein, beispielsweise ein CCD-Chip. Eine Bildaufnahmevorrichtung kann monochrome Bilder und/oder Farbbilder aufnehmen. Eine Bildaufnahmevorrichtung kann auch ausgebildet sein, Fluoreszenzbilder aufzunehmen. Es können eine oder mehrere nicht dargestellte Optikelemente, beispielsweise Linsen, Blenden oder Filter vor dem Bildsensor angeordnet sein. Eine Bildaufnahmevorrichtung kann einen einzelnen Bildsensor oder mehrere Bildsensoren umfassen und dazu ausgebildet sein, 2D- oder 3D-Bilder aufzunehmen. Ein Endoskop 120 kann auch eine Ultraschallsonde sein.
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Die Anzeigevorrichtung 140 ist ein Bildschirm, der als ein 2D-Bildschirm oder ein 3D-Bildschirm ausgebildet sein kann. In einer alternativen Ausführungsform ist die Anzeigevorrichtung 140 eine Dateneinspiegelungsvorrichtung im Operationsmikroskop 101. Eine Dateneinspiegelungsvorrichtung ist eine Anzeigevorrichtung, deren Bild in einen oder beide Beobachtungsstrahlengänge des Operationsmikroskops 101 eingeblendet wird. Eine Dateneinspiegelungsvorrichtung kann ein monochromes oder ein farbiges Bild darstellen. Die Dateneinspiegelungsvorrichtung kann das von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 des Endoskops 120 aufgenommenen Bildes zusammen mit Zusatzinformationen darstellen. Zusatzinformationen können beispielsweise präoperative Bilder oder Textinformation sein. Es kann auch ein 2D-Bildschirm oder ein 3D-Bildschirm zusammen mit der Dateneinspiegelungsvorrichtung vorhanden sein.
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Ist die Anzeigevorrichtung 140 ein Bildschirm, können die Bilder der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104 des Operationsmikroskops 101 und der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 des Endoskops 120 zusammen angezeigt werden. Dabei kann das zweite Bild 142, das Endoskop-Bild, als Teilbild in dem von dem Operationsmikroskop erfassten ersten Bild 141 dargestellt werden. Dies wird als „Picture-in-Picture“-Darstellung bezeichnet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Leitung 131 von der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104 direkt zu der Anzeigeeinheit 140 geführt. Dazu kann die erste Leitung 131 auch durch die Steuerungseinheit 130 hindurchgeführt sein, ohne mit der Bildverarbeitungseinheit 134 verbunden zu sein. Die Steuerungseinheit kann eine Information über die Ausrichtung der ersten Sichtachse Y1 umfassen. Diese Information kann in der Steuerungsvorrichtung als fester Wert gespeichert sein.
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Die 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Operationsszenarios gemäß 1 mit einem ersten Koordinatensystem 150.
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Das erste Koordinatensystem 150 umfasst die orthogonalen Achsen X1, Y1 und Z1. Das erste Koordinatensystem 150 ist zusätzlich unterhalb des Hauptobjektivs 102, senkrecht zu der optischen Achse 105 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 151 gekennzeichnet. Dieses erste Koordinatensystem ist auch für die ersten Beobachtungsebene 112 definiert. Die Achse Z1 ist durch die optische Achse 105 gebildet. Der nicht dargestellte Beobachter befindet sich an einer Position vor dem Operationsbereich 111 und blickt aus einer Richtung -Y1 in Richtung +Y1. Diese Blickrichtung definiert die erste Sichtrichtung des Beobachters relativ zu dem Operationsmikroskop. Diese erste Sichtrichtung ist für den Beobachter die „0°“-Sichtrichtung. Die Achse Y1 bildet die erste Sichtachse. Die X1-Achse ist orthogonal zu der Achse Y1 definiert. Aus Sicht des Beobachters ist der-X1-Achsenabschnitt als Links und der +X1-Achsenabschnitt als Rechts definiert.
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Ein Operationsmikroskop-Bild 152 zeigt eine Darstellung des Bildes, das durch das Operationsmikroskop 101 betrachtet werden kann. Das Operationsmikroskop-Bild 152 kann durch die Okulare 103 betrachtet werden. Zusätzlich wird das Operationsmikroskop-Bild 152 durch die erste Bildaufnahmevorrichtung 104 aufgenommen und kann als erstes Bild 141 auf der Anzeigevorrichtung 140 angezeigt werden, wie dies in 1 gezeigt ist. Die X1-Achse verläuft von links nach rechts. Die Achse Y1, die die erste Sichtrichtung des Beobachters definiert, verläuft von unten nach oben. Oben im Operationsmikroskop-Bild 152 ist die für den Beobachter definierte erste Sichtrichtung „0°“ markiert.
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Das Operationsmikroskop-Bild 152 zeigt den zu beobachtenden Operationsbereich 111. Zudem ist ein Teil der Sonde 122 sichtbar, die mit dem Bezugszeichen 122' bezeichnet ist.
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Die Sonde 122 ist in das Gewebe des Operationsbereiches 111 über die Körperöffnung 113, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 113', eingebracht. Die Sondenspitze 123 der Sonde 122 ist in dem Operationsmikroskop-Bild 152 nicht sichtbar.
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An der Sondenspitze 123 des Endoskops 120, ist eine Optik, die als Weitwinkeloptik ausgebildet ist, angeordnet, so dass die Blickrichtung der Sondenspitze 123 nicht in einer Verlängerung der Mittelachse der Sonde 122, sondern in einem Winkel zu deren Mittelachse erfolgt. Dieser Winkel beträgt ungefähr 45°, bezogen auf die Mittelachse der Sonde 122. Die an der Sondenspitze 123 angeordnete Weitwinkeloptik bewirkt einen vergrößerten Öffnungswinkel 126. Der Öffnungswinkel 126 der Weitwinkeloptik beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 100°. Zusätzlich ist das Handstück 121 um einen bestimmten Winkel gegenüber der Sonde 122 abgewinkelt. Dieser Winkel beträgt beispielsweise 45°.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Sondenspitze auch in einer anderen Form ausgebildet sein und eine andere Blickrichtung und einen anderen Öffnungswinkel aufweisen.
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Die zweite Bildaufnahmevorrichtung 124 des Endoskops 120 kann ein Bild anatomischer Strukturen unterhalb der ersten Beobachtungsebene 112 aus einer seitlichen Richtung in einer zweiten Beobachtungsebene 127 aufnehmen. Die zweite Beobachtungsebene 127 unterscheidet sich von der ersten Beobachtungsebene 112. Die erste Beobachtungsebene 112 und die zweite Beobachtungsebene 127 sind in einem Winkel zueinander angeordnet. Dieser Winkel beträgt beispielsweise 80°. Das von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 aufgenommene Bild wird als Endoskop-Bild bezeichnet. Das Endoskop-Bild definiert ein zweites Koordinatensystem 160 mit den orthogonalen Achsen X2, Y2 und Z2.
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Die zweite Sichtrichtung der Sonde 122 ist durch den geometrischen und optischen Aufbau des Endoskops 120 definiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist zweite Sichtrichtung der Sonde 122 durch die Y2-Achse definiert. Die Y2-Achse liegt in der Ebene, die durch die nicht dargestellte Mittelachse der Sonde 112 und des Handstücks 125 aufgespannt ist. Die Y2-Achse bildet die zweite Sichtachse.
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In dem Endoskop-Bild liegt der Mittelpunkt der zweiten Beobachtungsebene 127 in der Mitte des durch die Weitwinkeloptik aufgespannten Beobachtungskegels. Der Mittelpunkt des Endoskop-Bildes ist in der 2 als rückwärtige Verlängerung der Z2-Achse des zweiten Koordinatensystems 160 markiert. Damit liegt der Mittelpunkt des Endoskop-Bildes nicht in einer Verlängerung der Mittelachse der Sonde 122, wo der Beobachter den Mittelpunkt intuitiv erwarten würde. Im Endoskop-Bild wird der Bereich, der in der Verlängerung der Mittelachse der Sonde 122 liegt, am Bildrand dargestellt, im negativen Bereich der Y2-Achse, sozusagen in 180°-Position.
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Diese Abwinkelung stellt für den Beobachter, der das Endoskop 120 mit seiner Hand führt, eine gewisse Herausforderung für die Auge-Hand-Koordination dar. Dies wird zusätzlich dadurch erschwert, da die Sondenspitze 123 in dem Operationskanal, der in dem Gewebe des Operationsbereiches 111 unterhalb der Körperöffnung 113 liegt, für den Beobachter sowohl mit dem bloßen Auge als auch mit dem Operationsmikroskop 101 nicht sichtbar ist. Die im Operationsmikroskop zu betrachtende anatomische Struktur, beispielsweise ein Aneurysma, verdeckt einen Teil der Sonde 122 und die Sondenspitze 123. Zudem kann die Sondenspitze 123 einem zu schonenden Gewebe oder einer zu schonenden Struktur besonders nahe sein. Eine irrtümliche Bewegung der Sonde 122 in axialer Richtung der Mittelachse der Sonde 122, in Vorschubrichtung tiefer in den Operationskanal hinein, könnte eine ungewollte Gewebeschädigung bewirken.
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Deshalb wird in dem auf der Anzeigevorrichtung 140 dargestellten zweiten Bild 142, dem Endoskop-Bild, eine grafische Markierung eingeblendet, die die Richtung der zweiten Sichtachse Y2 im zweiten Bild anzeigt.
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In einer Ausführungsform wird das auf der Anzeigevorrichtung 140 dargestellte zweite Bild 142 derart gedreht, dass die zweite Sichtachse Y2 mit der ersten Sichtachse Y1 übereinstimmt. In diesem Ausführungsbeispiel wird das zweite Bild 142 derart zum einen Winkel gedreht, dass die zweite Sichtachse Y2 vertikal angeordnet ist. Der Bildbereich, der in Y2-Richtung liegt wird oben angezeigt.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Bilddrehung des zweiten Bildes 142 zusammen mit der Anzeige der grafischen Markierung.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die grafische Markierung auch einen Bildbereich markieren, der eine Geradeaussicht in der Vorschubrichtung der Sonde 122 anzeigt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Vorschubrichtung in einer 180°-Position, d. h. in der Nähe des unteren Bildrandes des zweiten Bildes 142.
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Alle oben genannten Varianten können einzeln oder in Kombination vorhanden sein. Es ist vorstellbar, das zwei grafische Markierungen eine Sichtachse Y2 und eine Vorschubrichtung markieren und zusätzlich das zweite Bild auf den Anzeigevorrichtung 140 um einen Winkel gedreht dargestellt werden.
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Es ist auch vorstellbar, dass die Bilddrehung des zweiten Bildes 142 ohne eine Anzeige der grafischen Markierung erfolgt. Beispielsweise wird das zweite Bild 142 derart zum einen Winkel gedreht, dass die zweite Sichtachse Y2 vertikal angeordnet ist. Der Bildbereich, der in Y2-Richtung liegt, wird oben angezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel kann auf eine Anzeige der grafischen Markierung verzichtet werden.
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Die Drehung des zweiten Bildes und/oder eine grafische Markierung ermöglicht dem Beobachter eine zuverlässige Orientierung in dem auf der Anzeigevorrichtung 140 dargestellten zweiten Bild 142 und eine eindeutige Zuordnung des in Vorschubrichtung der Sonde 122 liegenden Gewebebereiches und erleichtert somit die Auge-Hand-Koordination wesentlich.
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Das Operationsmikroskop-Bild 152 zeigt einen Teil der Sonde 122'. Das Operationsmikroskop-Bild 152 ist durch die Steuerungseinheit 130 auswertbar. Damit ist eine Ausrichtung der Sonde 122' relativ zu der ersten Beobachtungsebene 112 durch Auswertung der Bildinformation der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104 ermittelbar. Diese Information über die Ausrichtung der Sonde 122' kann die durch den Bewegungssensor 125 bereitgestellten Informationen ergänzen und/oder als Startwert herangezogen werden. Auf Basis dieser Information kann das System kalibriert werden.
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Die 3 zeigt ein Operationsmikroskop-Bild 201 zusammen einem Endoskop-Bild 202. Zur Erläuterung ist das Endoskop-Bild 202 im Zentrum des Operationsmikroskop-Bildes 201 angeordnet. Das Operationsmikroskop-Bild 201 gemäß 3 entspricht dem Operationsmikroskop-Bild 152 gemäß 2.
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Die erste Sichtrichtung des Beobachters relativ zu ersten Beobachtungsebene 112, ist durch die erste Sichtachse Y1 definiert. Die zweite Sichtrichtung des Endoskops ist durch die zweite Sichtachse Y2 definiert.
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Das Operationsmikroskop-Bild 201 zeigt in Y1-Richtung oder in 0°-Position die erste Sichtrichtung auf den Operationsbereich 111, wie der Beobachter diesen auch ohne Operationsmikroskop in der ersten Sichtrichtung entlang der ersten Sichtachse Y1 betrachten kann. Der Beobachter bezeichnet diese 0°-Position als „Oben“.
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Das Endoskop-Bild 202 dagegen ist um den Winkel 203 verdreht. Die zweite Sichtachse Y2 des Endoskop-Bildes 202, die der Beobachter aufgrund der Halteposition des Endoskops als „Oben“ bezeichnen würde, ist somit um den Winkel 203, beispielsweise 70°, bezogen auf die erste Sichtachse Y1 des Operationsmikroskop-Bildes 201 verdreht angeordnet.
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Bei einer Drehung des Endoskops um die Achse der Sonde oder bei einer Bewegung der Sonde in Vorschubrichtung, d. h. in axialer Richtung der Achse der Sonde, ändern sich der dargestellte Bildausschnitt und/oder der Winkel 203 des Endoskop-Bildes 202. Ohne eine Information über diesen Winkel 203 ist die Auge-Hand-Koordination des Beobachters, der das Endoskop mit seiner Hand führt, erschwert. Dies führt zu Irritationen beim Bewegen des Endoskops und bei der Zuordnung der Bildinhalte.
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Deshalb wird im dargestellten zweiten Bild, dem Endoskop-Bild 202, eine grafische Markierung 204 eingeblendet, die die Richtung der zweiten Sichtachse Y2 im zweiten Bild anzeigt. Diese grafische Markierung 204 ist als Linie mit einem Richtungspfeil ausgebildet, der die Lage und Richtung der zweiten Sichtachse Y2 anzeigt. Damit kann der Beobachter sehr einfach die relative Orientierung des Endoskop-Bildes 202 zu der Sichtachse des Operationsmikroskop-Bild 101 erkennen. Dies erleichtert dem Beobachter die Führung des Endoskops und die Auge-Hand-Koordination.
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Die Ausführung der grafischen Markierung 204 kann in unterschiedlichen geometrischen Formen und/oder Farben erfolgen. Die grafische Markierung 204 kann beispielsweise als ein einzelner Pfeil oder eine einzelne Linie, ein Zapfen, ein Dreieck oder eine Line am Bildrand ausgebildet sein. Die grafische Markierung kann am oberen oder unteren Bildrand oder vom Bildrand abgesetzt, im Bildzentrum oder an einer beliebigen Stelle im Bild angeordnet sein. Die grafische Markierung 204 kann in unterschiedlichen geeigneten Farben ausgeführt sein, die sich farblich gut vom betrachteten Gewebe abheben, z.B. grün oder gelb. Die Farben können frei wählbar oder fest voreingestellt sein. Bereits die Ausführung als kurzes Liniensegment am Bildrand, entlang der zweiten Sichtachse Y2, kann ausreichend sein. Das Liniensegment kann beispielsweise eine Länge aufweisen, die einen Betrag in einem Bereich zwischen 3% bis 10% des Durchmessers des Endoskop-Bildes 202 aufweist.
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Die 4 zeigt das Mikroskop-Bild 201 und das Endoskop-Bild 202 gemäß 3 in einer zueinander ausgerichteten Anordnung.
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Das Endoskop-Bild 202 ist relativ zu dem Endoskop-Bild 201 um den Winkel 203, der in diesem Beispiel 70° beträgt, im Uhrzeigersinn gedreht angeordnet, so dass die zweite Sichtachse Y2 des Endoskop-Bildes 202 mit der erste Sichtachse Y1 des Mikroskop-Bildes 201 übereinstimmt.
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Damit ist die zweite Orientierung des zweiten Bildes, des Endoskop-Bildes 201, abhängig von der Winkelposition der Sonde, dem Winkel 203, relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ausgerichtet. Durch die Drehung des Endoskop-Bildes 202 stimmt nun die Sicht- und Arbeitsrichtung des Endoskops mit der des Operationsmikroskops überein.
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Da durch den Bewegungssensor eine Winkelposition und/oder Winkeländerung erfasst wird, die durch die Steuerungseinheit verarbeitet und ausgewertet wird, kann die Ausrichtung der grafischen Markierung 204 im zweiten Bild, automatisch nachgeführt werden. Dies erleichtert die Auge-Hand-Koordination des Beobachters, der das Endoskop in der Hand hält und verbessert die Handhabung des Endoskops.
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In einer Ausführung ist die erste Bildaufnahmevorrichtung 104 direkt mit der Anzeigevorrichtung 140 verbunden. Dabei ist die Steuerungseinheit 130 nur mit der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124 und der Anzeigevorrichtung verbunden. In der Steuerungseinheit 130 ist eine Information über die Orientierung der ersten Sichtachse Y1 hinterlegt, so dass die Orientierung des zweiten Bildes relativ zu der Sichtachse Y1 ausrichtbar ist und/oder die graphische Markierung 204 im zweiten Bild ausrichtbar ist. Die Orientierung des zweiten Bildes und/oder die graphische Markierung 204 sind abhängig von eine Winkelposition der Sonde 122 relativ zu der ersten Sichtachse Y1 nachführbar.
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Die 5 zeigt das Endoskop gemäß 1 mit einem Bewegungssensor und der Einblendung einer grafischen Markierung auf einer Anzeigevorrichtung.
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Das Visualisierungssystem 200 weist die gleichen Komponenten auf wie das Visualisierungssystem in dem Operationsszenario 100 gemäß 1, wobei die Bezugszeichen um 100 erhöht sind. Die Darstellung in 5 unterscheidet sich von der Darstellung gemäß 1 dadurch, dass ein Endoskop 220 mit einer Steuerungseinheit 230 und einer Anzeigevorrichtung 240 ohne ein Operationsmikroskop dargestellt ist.
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Das Endoskop 220 umfasst eine Sonde 222 mit einer Sondenspitze 223, eine gestrichelt dargestellte zweite Bildaufnahmevorrichtung 224 und einen Bewegungssensor 225. Das Endoskop 220 ist mit einer zweiten Leitung 232 mit der Steuerungseinheit 230 verbunden. Die Steuerungseinheit 230 ist über eine dritte Leitung 233 mit der Anzeigevorrichtung 240 gekoppelt. Die Steuerungseinheit 230 umfasst eine Bildverarbeitungseinheit 234. Das von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 224 des Endoskops 220 aufgenommene Bild wird in einem zweiten Bild 242 auf der Anzeigevorrichtung 240 dargestellt. Eine grafische Markierung 243 zeigt die zweite Sichtrichtung Y2, bzw. die 0°-Position, des Endoskops 220 an. Die grafische Markierung 243 wird durch die Bildverarbeitungseinheit 234 in das von der Bildaufnahmevorrichtung 224 übermittelte Bild überlagert oder eingeblendet.
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Bei einer Drehung des Endoskops 220 um die Mittelachse der Sonde 222 nach rechts oder links verändert sich die Sichtrichtung, bzw. die 0°-Position, des Endoskops 220 ebenfalls nach rechts oder links. Diese Drehbewegung ist durch den halbkreisförmigen ersten Doppelpfeil 228 dargestellt. Eine Winkeländerung bei dieser Drehbewegung wird durch den Bewegungssensor 225 detektiert und an die Steuerungseinheit 230 übermittelt. Dadurch kann die Darstellung des zweiten Bildes 242, abhängig von der Winkeländerung des Endoskops 220, bezogen auf die erste Sichtachse des Operationsmikroskop neu berechnet werden und die Position der grafischen Markierung 243 jeweils neu nachgeführt werden. Das von der Bildaufnahmevorrichtung 224 dargestellte zweite Bild 242 zeigt die Sichtrichtung des Endoskops 220 und kann auf zwei Arten zusammen mit der grafischen Markierung 243 angezeigt werden.
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In einer ersten Darstellungsvariante wird das zweite Bild 242 bezogen auf die erste Sichtrichtung des Operationsmikroskops derart angezeigt, dass die zweite Sichtachse Y2 des Endoskops 220 mit der ersten Sichtachse Y1 des Mikroskops übereinstimmen. In diesem Fall zeigt die grafische Markierung 243 in die gleiche Richtung, wie die erste Sichtachse des Operationsmikroskops, beispielsweise nach oben.
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In einer zweiten Darstellungsvariante wird das zweite Bild 242 bezogen auf die erste Sichtrichtung des Operationsmikroskops unter einem Drehwinkel angezeigt, wobei die grafische Markierung 243 die zweite Sichtachse Y2 des Endoskops 220 relativ zu der ersten Sichtachse Y1 des Operationsmikroskops anzeigt. Die grafische Markierung 243, die die Sichtrichtung, bzw. die 0°-Position, des Endoskops 220 darstellt, wird synchron zu einer Rotationsbewegung der Sonde 222 des Endoskops 220 auf der Anzeigevorrichtung 240 mitgeführt. Dies ist durch den zweiten Doppelpfeil 244 dargestellt.
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Auf diese Weise ist für den Beobachter eine Orientierung bezogen auf die auf der Anzeigevorrichtung 240 angezeigten Bilder sehr einfach möglich.
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Die 6 zeigt eine Anzeigevorrichtung 300 mit einem Beispiel für eine Picture-in-Picture Anordnung mehrerer Endoskop-Bilder mit einer grafischen Markierung in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Sichtrichtung der Sonde des Endoskops.
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Die Anzeigevorrichtung 300 zeigt in einem rechteckigen ersten Bild 310 ein Operationsmikroskop-Bild, beispielsweise die Darstellung eines Operationssitus. In dem Operationsmikroskop-Bild ist eine erste Position der Sonde 311 eines Endoskops zu einem ersten Zeitpunkt sichtbar. In einem runden zweiten Bild 320 wird das zugehörige Endoskop-Bild zu diesem ersten Zeitpunkt dargestellt. Eine zweite Sichtachse des Endoskops, bezogen auf die erste Sichtachse des Operationsmikroskops wird durch eine erste grafische Markierung 221 angezeigt.
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Eine Winkeländerung an eine zweite Position der Sonde 312 zu einem zweiten Zeitpunkt wird durch den Bewegungssensor im Endoskop erfasst. Das zu dem zweiten Zeitpunkt erfasste Bild wird in einem runden dritten Bild 330 angezeigt. Eine zweite grafische Markierung 331 zeigt die zweite Sichtachse des Endoskops relativ zu der ersten Sichtachse des Operationsmikroskops zu diesem zweiten Zeitpunkt.
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Eine weitere Winkeländerung an eine dritte Position der Sonde 313 zu einem dritten Zeitpunkt wird durch den Bewegungssensor im Endoskop erfasst. Das zu dem dritten Zeitpunkt erfasste Bild wird in einem runden vierten Bild 340 angezeigt. Eine dritte grafische Markierung 341 zeigt die zweite Sichtachse des Endoskops relativ zu der ersten Sichtachse des Operationsmikroskops zu diesem dritten Zeitpunkt.
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Die 7 zeigt ein Operationsmikroskop und ein Endoskop in einem Operationsszenario 400 mit einem elektromagnetischen Tracking der Sonde.
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Das Operationsszenario 400 weist ein Visualisierungssystem mit den gleichen Komponenten auf wie das Visualisierungssystem in dem Operationsszenario 100 gemäß 1, wobei die Bezugszeichen um 300 erhöht sind.
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Ein Endoskop 420 gemäß 7 unterscheidet sich von dem Endoskop 120 gemäß 1 dadurch, dass der Bewegungssensor 125 durch ein erstes elektromagnetisches Trackingelement 428 ersetzt ist.
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Das erste elektromagnetische Trackingelement 428 steht mit einem zweiten elektromagnetischen Trackingelement 429 in Bezug, das an einem Operationsmikroskop 401 angeordnet ist. Das erste elektromagnetische Trackingelement 428 und das zweite elektromagnetischen Trackingelement 429 können durch ein Sender-Empfänger-Paar gebildet sein. Dazu kann in einem Handstück 421 des Endoskops beispielsweise ein RFID-Chip oder eine Magnetspule angeordnet sein. Der Abstand zwischen dem Handstück 421 des Endoskops 420 und dem Operationsmikroskop 401 liegt für ein elektromagnetisches Tracking in einem günstigen Bereich. Eine Anordnung des ersten elektromagnetischen Trackingelementes 428 innerhalb des Handstücks 421 hat den Vorteil, dass keine äußeren Trackingelemente am Endoskop 420 angeordnet sind, die eine Handhabung erschweren oder sich nachteilig auf die Sicht auf den Operationsbereich 411 auswirken würden. Es ist auch vorstellbar, dass das erste Trackingelement 428 und das zweite Trackingelement 429 durch ein zusätzliches, nicht dargestelltes, Navigationssystem detektierbar sind.
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In einer alternativen Ausführungsform sind in dem Handstück 421 des Endoskops 420 sowohl ein erstes Trackingelement 428 als auch ein nicht dargestellter Bewegungssensor, beispielsweise ein Lage- oder Beschleunigungssensor, angeordnet. Die Kombination aus elektromagnetischem Tracking und einem Bewegungssensor ermöglicht eine sehr genaue Bewegungs- und Positionsdetektion des Endoskops 420.
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In einer Ausführung der Erfindung gemäß der 1 bis 7 umfasst das Visualisierungssystem ein erstes Beobachtungsgerät mit einer ersten Bildaufnahmevorrichtung 104, 404 zur Beobachtung eines Operationsbereiches 111, 411 mit einer ersten Beobachtungsebene 112, 412, wobei in der ersten Beobachtungsebene 112, 412 eine Sichtrichtung durch eine erste Sichtachse Y1 definiert ist, und ein Endoskop 120, 220, 420 mit einer Sonde 122, 122', 222 und einer zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124, 224, 424 zur Beobachtung des Operationsbereichs 111, 411 mit einer zweiten Beobachtungsebene 127 mit einer zweiten Sichtachse Y2.
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Das Visualisierungssystem umfasst eine Anzeigevorrichtung 140, 240, 300, die ein von der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104, 404 aufgenommenes erstes Bild 141, 310 in einer ersten Orientierung und ein von der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124, 224, 424 aufgenommenes zweites Bild 142, 242, 320, 330, 340 in einer zweiten Orientierung darstellt und eine Steuerungseinheit 130, 230, die mit der ersten Bildaufnahmevorrichtung 104, 404, der zweiten Bildaufnahmevorrichtung 124, 224, 424 und der Anzeigevorrichtung 140, 240, 300 verbunden ist.
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Das Endoskop 120, 220, 420 umfasst einen Bewegungssensor 125, 225, der mit der Steuerungseinheit 130, 230 verbunden ist, durch den eine Winkelposition der Sonde 122, 122', 222 des Endoskops 120, 220, 420 im Raum ermittelbar ist, wobei die Steuerungseinheit 130, 230 ausgebildet ist, dass durch Auswertung der Daten des Bewegungssensors 125, 225 eine Winkelposition der Sonde 122, 122', 222 des Endoskops 120, 220, 420 relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ermittelbar ist, sodass die zweite Orientierung des zweiten Bildes 142, 242, 320, 330, 340 abhängig von einer Winkelposition der Sonde 122, 122', 222 relativ zu der ersten Sichtachse Y1 ausrichtbar ist.
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In einer Ausgestaltung ist in dem auf der Anzeigevorrichtung 140, 240, 300 dargestellten zweiten Bild 142, 242, 320, 330, 340 eine grafische Markierung 204, 321, 331, 341 eingeblendet ist, die die Richtung der zweiten Sichtachse Y2 im zweiten Bild 142, 242, 320, 330, 340 anzeigt, wobei die grafische Markierung 204, 321, 331, 341 abhängig von einer Winkelposition der Sonde 122, 122', 222 relativ zu der ersten Sichtachse Y1 nachführbar ist.
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In einer Ausgestaltung ist das erste Beobachtungsgerät ein Operationsmikroskop 101, 401. Das Operationsmikroskop 101, 401 kann ein konventionelles Operationsmikroskop mit Okularen und mindestens einer Kamera sein oder ein rein digitales, kamerabasiertes, Operationsmikroskop.
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In einer Ausgestaltung ist das erste Beobachtungsgerät eine Kamera. Die Kamera kann eine handelsübliche Kamera sein oder eine Kamera mit einer zusätzlichen Optik.
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Erfindungsgemäß kann das Endoskop auch eine andere Bilderfassungsvorrichtung sein, beispielsweise eine handgeführte Kamera oder eine Bilderfassungsvorrichtung, die auf Basis von Ultraschall Bilder erfassen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 400
- Operationsszenario
- 101, 401
- Operationsmikroskop
- 102, 402
- Hauptobjektiv
- 103, 403
- Okulare
- 104, 404
- Erste Bildaufnahmevorrichtung
- 105, 405
- Optische Achse
- 110, 410
- Zu beobachtendes Objekt
- 111, 411
- Operationsbereich
- 112, 412
- Erste Beobachtungsebene
- 113, 113'
- Körperöffnung
- 120, 220, 420
- Endoskop
- 121, 421
- Handstück
- 122, 122', 222
- Sonde
- 123,223
- Sondenspitze
- 124, 224, 424
- Zweite Bildaufnahmevorrichtung
- 125,225
- Bewegungssensor
- 126
- Öffnungswinkel
- 127
- Zweite Beobachtungsebene
- 130, 230
- Steuerungseinheit
- 131
- Erste Leitung
- 132, 232
- Zweite Leitung
- 133, 233
- Dritte Leitung
- 134, 234
- Bildverarbeitungseinheit
- 140, 240
- Anzeigevorrichtung
- 141
- Erstes Bild
- 142, 242
- Zweites Bild
- 150
- Erstes Koordinatensystem
- 151
- Erstes Koordinatensystem
- 152
- Operationsmikroskop-Bild
- 160
- Zweites Koordinatensystem
- 200
- Visualisierungssystem
- 201
- Operationsmikroskop-Bild
- 202
- Endoskop-Bild
- 203
- Winkel
- 204
- Grafische Markierung
- 228
- Erster Doppelpfeil
- 243
- Grafische Markierung
- 244
- Zweiter Doppelpfeil
- 300
- Anzeigevorrichtung
- 310
- Erstes Bild
- 311
- Erste Position der Sonde
- 312
- Zweite Position der Sonde
- 313
- Dritte Position der Sonde
- 320
- Zweites Bild
- 321
- Erste grafische Markierung
- 330
- Drittes Bild
- 331
- Zweite grafische Markierung
- 340
- Viertes Bild
- 341
- Dritte grafische Markierung
- 428
- Erstes elektromagnetische Trackingelement
- 429
- Zweites elektromagnetische Trackingelement
