DE102018114695B3

DE102018114695B3 - Filtersatz, System und Verfahren zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von Protoporphyrin IX und Fluorescein

Info

Publication number: DE102018114695B3
Application number: DE102018114695.7A
Authority: DE
Inventors: Marco Wilzbach; Christoph Nieten
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: DE102018114695B9

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filtersatz, ein Fluoreszenzbeobachtungssystem und ein Verfahren zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von Protoporphyrin IX und Fluorescein. Der Filtersatz umfasst ein Beleuchtungsfilter und ein Beobachtungsfilter. Der wellenlängenabhängige Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters weist im Spektralbereich der Absorptionsspektren von Protoporphyrin IX und Fluorescein einen Durchlassbereich auf und blockt Licht außerhalb dieses Bereichs. Das Beobachtungsfilter weist im Spektralbereich der Emissionsspektren von Protoporphyrin IX und Fluorescein einen Durchlassbereich auf. Das Beobachtungsfilter weist innerhalb des Durchlassbereichs des Beleuchtungsfilters einen weiteren Durchlassbereich auf, welcher bei der Verwendung von nur Protoporphyrin IX dazu führt, dass die Farbwahrnehmung, die durch den Filtersatz bereitgestellt wird, näherungsweise der Farbwahrnehmung entspricht, die sich bei den relevanten Fachkreisen bereits mit anderen Filtersätzen etabliert hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluoreszenzbeobachtungssystem, ein Verfahren zum Durchführen einer Fluoreszenzbeobachtung und einen hierzu verwendbaren Filtersatz, welche dazu geeignet sind, gleichzeitig die Fluoreszenzen der Fluoreszenzfarbstoffe Protoporphyrin IX (PpIX) und Fluorescein anzuregen und zu beobachten.
Fluoreszenzbeobachtung wird in vielen Bereichen der Technik, der Biologie und der Medizin eingesetzt, um verschiedene Arten von Strukturen eines Objekts voneinander unterscheidbar sichtbar zu machen. Herkömmlicherweise wird in einem Strahlengang zwischen einer Beleuchtungslichtquelle und dem zu beobachtenden Objekt ein Beleuchtungsfilter angeordnet, welches im Wesentlichen nur Licht passieren lässt, das die Fluoreszenz eines Fluoreszenzfarbstoffes anregen kann. In einem Strahlengang einer Beobachtungsoptik ist dann ein Beobachtungsfilter angeordnet, welches Fluoreszenzlicht passieren lässt und Licht, welches das Beleuchtungsfilter passieren lässt, im Wesentlichen nicht passieren lässt. In einem Bild, welches durch Einblick in die Beobachtungsoptik mit dem Auge direkt wahrgenommen wird oder welches von einer Kamera über die Beobachtungsoptik aufgenommen wird, sind dann fluoreszierende Strukturen des Objekts als helle Bereiche wahrnehmbar, während nicht fluoreszierende Strukturen des Objekts dunkel sind, so dass darin enthaltene Strukturen nicht wahrnehmbar sind.
Hierbei ist es ferner wünschenswert, dass auch die nicht fluoreszierenden Bereiche des Objekts im Bild wahrnehmbar sind, um die räumliche Lage der fluoreszierenden Strukturen relativ zu den nicht-fluoreszierenden Strukturen besser erfassen zu können. Hierzu wird üblicherweise das Beleuchtungslicht bzw. das an dem Objekt reflektierte Beleuchtungslicht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen sowohl durch das Beleuchtungsfilter als auch durch das Beobachtungsfilter geführt, wobei die Transmissionsgrade der Filter so eingestellt sind, dass das beide Filter durchlaufende Beleuchtungslicht das Fluoreszenzlicht nicht überstrahlt. Solche Filterpaare weisen jedoch häufig das Problem auf, dass sich der wellenlängenabhängige Transmissionsgrad beider Filter im selben Wellenlängenbereich stark ändert, sodass kleine Toleranzen bei der Fertigung dieser Filter bereits zu signifikanten Schwankungen des Übertragungsverhaltens des Filtersatzes und damit zu signifikanten Schwankungen in der Qualität der mit dem Filtersatz erzeugten Bilder führt.
Ein Beispiel eines solchen Filterpaares zur Beobachtung von PpIX ist in 3 dargestellt, worin ein Graph 101 den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad eines Beleuchtungsfilters und ein Graph 103 den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad eines Beobachtungsfilters zeigen. Im Wellenlängenbereich 105 weisen das Beleuchtungsfilter und das Beobachtungsfilter einen Transmissionsgrad auf, der groß genug ist, damit ein durch das Beleuchtungsfilter transmittierte Beleuchtungslicht den Fluoreszenzfarbstoff PpIX anregen kann und das am Objekt reflektierte Beleuchtungslicht beobachtet werden kann. Der Transmissionsgrad der beiden Filter ist im Wellenlängenbereich 105 so gewählt, dass das durch das Beobachtungsfilter transmittierte Beobachtungslicht des Wellenlängenbereichs 105 das Fluoreszenzlicht von PpIX nicht überstrahlt. Somit können gleichzeitig mit PpIX angereicherte Objektbereiche mittels Fluoreszenzlicht und diese Objektbereiche umgebende Objektgebiete mittels reflektiertem Beleuchtungslicht des Wellenlängenbereichs 105 beobachtet werden.
Im Wellenlängenbereich 105 ändern sich der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters und der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters signifikant, sodass Fertigungstoleranzen in diesem Bereich zu einer starken Änderung des Übertragungsverhaltens des Filtersatzes führen.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Filtersatz, ein Fluoreszenzbeobachtungssystem und ein Verfahren zur Durchführung einer Fluoreszenzbeobachtung vorzuschlagen, welche bei üblichen Fertigungstoleranzen bezüglich des Transmissionsverhaltens von Filtern eine gleichbleibende Qualität der Fluoreszenzbeobachtung von mit PpIX angereicherten Bereichen eines Objekts und deren Umgebung ermöglichen. Hierbei soll die Wahrnehmung von fluoreszierenden und nicht-fluoreszierenden Objektbereichen möglichst der Wahrnehmung entsprechen, die aus dem Stand der Technik (3) bekannt ist und sich in diversen Anwendungsgebieten etabliert hat.
Die Druckschriften US 6 899 675 B2 , DE 10 2015 011 429 A1 , US 5 127 730 A , DE 10 2010 033 825 A1 , DE 10 2006 015 272 A1 , DE 103 39 784 A1 , EP 2 950 129 A1 , JP 2000 - 97 859 A offenbaren jeweils optische Fluoreszenzbeobachtungssysteme.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Aufgabe wird durch einen Filtersatz mit einem Beleuchtungsfilter und einem Beobachtungsfilter gelöst, wobei der Filtersatz so konfiguriert ist, dass die Fluoreszenzfarbstoffe PpIX und Fluorescein gleichzeitig angeregt und das von diesen Fluoreszenzfarbstoffen erzeugte Fluoreszenzlicht gleichzeitig beobachtet werden kann, wobei das Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfarbstoffs Fluorescein dazu verwendet wird, Gebiete eines Objekts sichtbar zu machen, die Bereiche des Objekts umgeben, in denen der Fluoreszenzfarbstoff PpIX angereichert ist und welche damit Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfarbstoffs PpIX emittieren. Auf diese Weise kann zusätzlich zu den mit dem Fluoreszenzfarbstoff PpIX angereicherten und hierdurch sichtbar gemachten Bereichen des Objekts das Umfeld dieser Bereiche mittels Fluorescein sichtbar gemacht werden.
Ferner ist der Filtersatz so konfiguriert, dass das Umfeld von nicht mit Fluorescein oder PpIX angereicherten Objektbereichen gemäß der etablierten Wahrnehmung beobachtet werden kann, ohne dass die Fluoreszenz von Fluorescein und PpIX überstrahlt wird. Dies wird durch einen Durchlassbereich im Wellenlängenbereich blauen Lichts sowohl im Beleuchtungsfilter als auch im Beobachtungsfilter erreicht.
Damit selbst Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Filtersatzes, die sich auf den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad sowohl des Beleuchtungsfilters als auch des Beobachtungsfilters auswirken, keine signifikante Änderung des Übertragungsverhaltens des Filtersatzes und in der Qualität der beobachtbaren Bilder verursachen, weisen das Beleuchtungsfilter und das Beobachtungsfilter keine sich nur teilweise überlappenden Durchlassbereiche auf. Hierdurch führen durch Fertigungstoleranzen bedingte Schwankungen der Wellenlängen, die einen Durchlassbereich von einem Sperrbereich trennen, nicht zu signifikanten Änderungen im Übertragungsverhalten des Filtersatzes.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Filtersatz zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von PpIX und Fluorescein ein Beleuchtungsfilter und ein Beobachtungsfilter. Im Folgenden werden die Eigenschaften des Beleuchtungsfilters und des Beobachtungsfilters durch deren jeweiligen wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad beschrieben. Nach gängiger Praxis ist der Transmissionsgrad eines Filters an der Wellenlänge λ definiert als das Verhältnis der Intensität des durch das Filter transmittierten Lichts der Wellenlänge λ zu der Intensität des auf das Filter gerichteten Lichts der Wellenlänge λ.
Um die Fluoreszenzfarbstoffe PpIX und Fluorescein gleichzeitig anregen zu können, weist der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters von einer ersten Wellenlänge λ1 bis zu einer zweiten Wellenlänge A2 ausschließlich Werte auf, die größer als ein erster Wert W1 sind. Die zweite Wellenlänge A2 ist größer als die erste Wellenlänge. Der erste Wert repräsentiert einen Minimalwert für den Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2. Zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 sollte der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters möglichst groß sein, d. h. der erste Wert sollte einen möglichst großen Wert (bis zu dem definitionsgemäßen Maximum von 100 %) haben.
Um das Fluoreszenzlicht der Fluoreszenzfarbstoffe PpIX und Fluorescein nicht mit Beleuchtungslicht, welches von dem Objekt teilweise reflektiert wird, zu überstrahlen, ist der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters von der zweiten Wellenlänge A2 bis 750 nm (was in etwa der oberen Grenze des sichtbaren Wellenlängenbereichs entspricht) überwiegend kleiner als ein zweiter Wert W2. Zwischen der zweiten Wellenlänge A2 und 750 nm sollte der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters möglichst klein sein, d. h. der zweite Wert W2 sollte einen möglichst kleinen Wert haben. Der zweite Wert repräsentiert beispielsweise einen Maximalwert, den der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters nahezu im gesamten Bereich von der zweiten Wellenlänge λ2 bis zu 750 nm nicht überschreitet. Der zweite Wert W2 ist kleiner als der erste Wert W1. Das Verhältnis des ersten Wertes zu dem zweiten Wert kann beispielsweise wenigstens 1.000 oder wenigstens 10.000 oder wenigstens 100.000 betragen.
Gemäß einer Definition gilt der Transmissionsgrad eines Filters von einer Wellenlänge λi bis zu einer Wellenlänge Xj als „überwiegend kleiner“ als ein Grenzwert, wenn der Transmissionsgrad des Filters von (λi + Δλ1) bis (λj - Δλ2) kleiner als der Grenzwert ist, wobei Δλ1 beispielsweise 5 nm oder 10 nm oder 15 nm beträgt, wobei Δλ2 beispielsweise 5 nm oder 10 nm oder 15 nm beträgt und wobei λί kleiner als λj ist. Gemäß einer alternativen Definition gilt der Transmissionsgrad eines Filters von einer Wellenlänge λi bis zu einer Wellenlänge λj als „überwiegend kleiner“ als ein Grenzwert, wenn der mittlere Transmissionsgrad des Filters von λi bis λj kleiner als der Grenzwert ist. Der mittlere Transmissionsgrad T im Wellenlängenbereich von λ_U bis λ_O ist beispielsweise definiert als $\bar{T} = \frac{1}{λ_{O} - λ_{U}} \int_{λ_{U}}^{λ_{O}} T (λ) d λ,$
wobei T(λ) den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad bezeichnet.
Die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2 sind so gewählt, dass diejenigen Wellenlängenbereiche, in denen das Absorptionsspektrum von PpIX und das Absorptionsspektrum von Fluorescein signifikante Werte aufweisen, wenigstens teilweise dazwischen liegen, so dass beide Fluoreszenzfarbstoffe effektiv angeregt werden können.
Hierzu ist die erste Wellenlänge λ1 beispielsweise größer als 350 nm, insbesondere größer als 375 nm, insbesondere größer als 395 nm und/oder kleiner als 430 nm, insbesondere kleiner als 415 nm, weiter insbesondere kleiner als 405 nm. Die zweite Wellenlänge A2 ist hierzu beispielsweise größer als 445 nm, insbesondere größer als 460 nm, weiter insbesondere größer als 475 nm oder größer als 490 nm und/oder kleiner als 550 nm, insbesondere kleiner als 525 nm, kleiner als 515 nm oder kleiner als 505 nm.
Der erste Wert W1 beträgt beispielsweise 50% oder 80 % oder 90% oder 99 % und/oder der zweite Wert W2 beträgt beispielsweise 0,005 % oder 0,001 %.
Von 350 nm bis zur ersten Wellenlänge λ1 kann der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters überwiegend kleiner als der zweite Wert W2 sein.
Um sowohl das Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfarbstoffs PpIX als auch das Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfarbstoffs Fluorescein beobachten zu können, ist der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters von einer dritten Wellenlänge λ3, die größer als die zweite Wellenlänge A2 ist, bis zu einer vierten Wellenlänge λ4, die größer als die dritte Wellenlänge λ3 ist, größer als der erste Wert W1. Die dritte Wellenlänge λ3 und die vierte Wellenlänge λ4 sind so gewählt, dass diejenigen Wellenlängenbereiche, in denen das Emissionsspektrum von PpIX und das Emissionsspektrum von Fluorescein signifikante Werte aufweisen, wenigstens teilweise dazwischen liegen. Somit kann Fluoreszenzlicht von PpIX und Fluorescein das Beobachtungsfilter passieren und beobachtet werden.
Damit sich fertigungsbedingte Toleranzen nicht mindernd auf die Qualität der Fluoreszenzbeobachtung auswirken, kann die dritte Wellenlänge λ3 um wenigstens 1 nm oder wenigstens 5 nm oder wenigstens 10 nm größer als die zweite Wellenlänge λ2 sein. Hierzu werden der Durchlassbereich des Beleuchtungsfilters zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 und der Durchlassbereich des Beobachtungsfilters zwischen der dritten Wellenlänge λ3 und der vierten Wellenlänge λ4 spektral beabstandet.
Um den Fluoreszenzfarbstoff Fluorescein effizient anregen und beobachten zu können, sollte die dritte Wellenlänge λ3 jedoch nicht sehr viel größer als die zweite Wellenlänge λ2 sein, da sich das Absorptionsspektrum und das Emissionsspektrum von Fluorescein signifikant überlappen. Beispielsweise ist die dritte Wellenlänge λ3 um höchstens 100 nm oder höchstens 50 nm oder höchstens 40 nm oder höchstens 30 nm größer als die zweite Wellenlänge A2.
Durch den spektralen Abstand zwischen der zweiten Wellenlänge A2 und der dritten Wellenlänge λ3 kann die beobachtete Intensität des Fluoreszenzlichts von Fluorescein, d. h. die Intensität des Fluoreszenzlichts von Fluorescein, das das Beobachtungsfilter passiert, eingestellt werden. Auf diese Weise können die durch das Beobachtungsfilter transmittierten Intensitäten von Fluoreszenzlicht von Fluorescein und PpIX so eingestellt werden, dass sie annähernd gleich groß sind, was die Beobachtung vereinfacht.
Die vierte Wellenlänge λ4 sollte größer als beispielsweise 635 nm gewählt werden, damit signifikante Bereiche des Emissionsspektrums von PpIX das Beobachtungsfilter passieren können. Die vierte Wellenlänge λ4 beträgt beispielsweise wenigstens 635 nm oder wenigstens 705 nm oder wenigstens 750 nm.
Der Filtersatz soll auch für die Fälle einsetzbar sein, in denen das Objekt mit PpIX, aber nicht mit Fluorescein angereichert ist oder das Beleuchtungslicht nur solche Wellenlängen umfasst, dass nur PpIX angeregt wird. In diesen Fällen soll dem Beobachter möglichst dieselbe Wahrnehmung der Farbverteilung bereitgestellt werden, die ihm bereits durch den herkömmlichen Filtersatz (vgl. 3) bekannt ist und sich in Fachkreisen etabliert hat.
Hierzu ist der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters von einer fünften Wellenlänge λ5, die größer als die erste Wellenlänge λ1 ist, bis zu einer sechsten Wellenlänge λ6, die kleiner als die zweite Wellenlänge λ2 ist, größer als ein dritter Wert W3 und kleiner als ein vierter Wert W4. Dementsprechend weist das Beobachtungsfilter von der fünften Wellenlänge λ5 bis zur sechsten Wellenlänge λ6 einen weiteren Durchlassbereich auf, dessen spektrale Breite und Transmissionsgrad so gewählt sind, dass das durch diesen Durchlassbereich transmittierte, an dem Objekt reflektierte Beleuchtungslicht im Wesentlichen denselben Farbeindruck vermittelt, den der herkömmliche Filtersatz (vgl. 3) vermittelt. Hierzu ist der dritte Wert W3 größer als der zweite Wert W2 und der vierte Wert W4 ist kleiner als der erste Wert W1.
Dadurch, dass die fünfte Wellenlänge λ5 größer als die erste Wellenlänge λ1 ist und die sechste Wellenlänge λ6 kleiner als die zweite Wellenlänge λ2 ist, befindet sich der durch die fünfte und sechste Wellenlänge definierte Durchlassbereich des Beobachtungsfilters spektral vollständig innerhalb des Durchlassbereichs des Beleuchtungsfilters, wodurch sich fertigungsbedingte Toleranzen nicht signifikant auf das Übertragungsverhalten des Filtersatzes auswirken.
Die fünfte Wellenlänge λ5 ist beispielsweise größer als 420 nm oder größer als 430 nm. Die sechste Wellenlänge λ6 ist beispielsweise kleiner als 530 nm oder kleiner als 500 nm oder kleiner als 470 nm.
Der dritte Wert W3 beträgt beispielsweise 0,005 % oder 0,01 % oder 0,1 %. Der vierte Wert W4 beträgt beispielsweise 1 % oder 5 % oder 10 %.
Der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters kann von der ersten Wellenlänge λ1 bis zu der fünften Wellenlänge λ5 überwiegend kleiner als der zweite Wert W2 sein. Das bedeutet beispielsweise, dass der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters von einer Wellenlänge (λ1 + 5 nm) oder (λ1 + 10 nm) oder (λ1 + 15 nm) bis zu einer Wellenlänge (λ5 - 5 nm) oder (λ5 - 10 nm) oder (λ5 - 15 nm) kleiner als der zweite Wert W2 ist. Alternativ bedeutet das beispielsweise, dass der mittlere Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters von der ersten Wellenlänge λ1 bis zu der fünften Wellenlänge λ5 kleiner als der zweite Wert W2 ist. Dieser Sperrbereich im Beobachtungsfilter dient zum einen der Unterdrückung von reflektiertem Beleuchtungslicht, wodurch der durch das Beobachtungsfilter erzeugte Farbeindruck eingestellt wird, und zum anderen der Erzielung eines gegenüber Fertigungstoleranzen stabilen Übertragungsverhaltens des Filtersatzes.
Der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters kann von der sechsten Wellenlänge λ6 bis zu der dritten Wellenlänge λ3 überwiegend kleiner als der zweite Wert W2 sein. Das bedeutet beispielsweise, dass der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters von einer Wellenlänge (λ6 + 5 nm) oder (λ6 + 10 nm) oder (λ6 + 15 nm) bis zu einer Wellenlänge (λ3 - 5 nm) oder (λ3 - 10 nm) oder (λ3 - 15 nm) kleiner als der zweite Wert W2 ist. Alternativ bedeutet das beispielsweise, dass der mittlere Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters von der sechsten Wellenlänge λ6 bis zu der dritten Wellenlänge λ3 kleiner als der zweite Wert W2 ist. Dieser Sperrbereich im Beobachtungsfilter dient zum einen der Unterdrückung von reflektiertem Beleuchtungslicht, wodurch der durch das Beobachtungsfilter erzeugte Farbeindruck eingestellt wird, und zum anderen der Erzielung eines gegenüber Fertigungstoleranzen stabilen Übertragungsverhaltens des Filtersatzes.
Um den Einfluss von Fertigungstoleranzen auf das Übertragungsverhalten des Filtersatzes zu reduzieren, kann die fünfte Wellenlänge λ5 um wenigstens 1 nm, wenigstens 5 nm, wenigstens 10 nm oder wenigstens 15 nm größer als die erste Wellenlänge λ1 sein. Zudem oder alternativ kann die sechste Wellenlänge λ6 um wenigstens 1 nm, wenigstens 5 nm, wenigstens 10 nm oder wenigstens 15 nm kleiner als die zweite Wellenlänge λ2 sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fluoreszenzbeobachtungssystem zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von PpIX und Fluorescein, wobei das Fluoreszenzbeobachtungssystem umfasst: ein Beleuchtungssystem mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines Objekts, eine Beobachtungsoptik zur Abbildung des Objekts und einen wie hierin beschrieben konfigurierten Filtersatz, wobei das Beleuchtungsfilter des Filtersatzes in einem Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Objekt angeordnet ist und das Beobachtungsfilter in einem Strahlengang der Beobachtungsoptik angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von PpIX und Fluorescein unter Verwendung eines wie hierin beschrieben konfigurierten Filtersatzes, wobei das Verfahren umfasst: Filtern eines Beleuchtungslichtstrahls, welcher auf ein Objekt gerichtet wird, mit dem Beleuchtungsfilter des Filtersatzes und Filtern von von dem Objekt ausgehendem Licht mit dem Beobachtungsfilter des Filtersatzes.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

1 zeigt ein Fluoreszenzbeobachtungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2A bis 2C zeigen Graphen zur Erläuterung eines Filtersatzes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad eines Beleuchtungsfilters und eines Beobachtungsfilters zur Anregung und Beobachtung von PpIX gemäß dem Stand der Technik.

Eine Ausführungsform eines Fluoreszenzbeobachtungssystems wird nachfolgend anhand eines Operationsmikroskops erläutert. Allerdings sind Ausführungsformen des Fluoreszenzbeobachtungssystems nicht auf solche Operationsmikroskope beschränkt, sondern umfassen vielmehr jegliche Fluoreszenzbeobachtungssysteme, bei welchen auf ein Objekt gerichtetes Beleuchtungslicht mit einem Beleuchtungsfilter gefiltert und von dem Objekt ausgehendes Licht mit einem Beobachtungsfilter gefiltert wird.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst das Fluoreszenzbeobachtungssystem bzw. Mikroskop 1 eine Mikroskopieoptik 3 mit einem Objektiv 5 mit einer optischen Achse 7. In einer Objektebene des Objektivs 5 ist ein zu untersuchendes Objekt 9 angeordnet. Von dem Objekt 9 ausgehendes Licht wird von dem Objektiv 5 in ein bildseitiges Strahlenbündel 11 überführt, in welchem zwei mit Abstand von der optischen Achse 7 angeordnete Zoomsysteme 12, 13 angeordnet sind. Aus dem Strahlenbündel 11 werden zwei Teilstrahlenbündel 14 und 15 herausgegriffen und über in 1 nicht dargestellte Umlenkprismen Okularen 16 und 17 zugeführt, in welche ein Betrachter mit seinem linken Auge 18 bzw. seinem rechten Auge 19 Einblick nehmen kann, um eine vergrößerte Darstellung des Objekts 9 als Bild wahrzunehmen. Alternativ können statt der Okulare 16, 17 Kameras vorgesehen sein, die über Kameraoptiken Bilder der Teilstrahlenbündel 14, 15 erzeugen.
In dem Teilstrahlenbündel 15 kann ein teildurchlässiger Spiegel 21 angeordnet sein, um einen Teil des Lichts als Strahl 23 auszukoppeln, welcher einem Kamerasystem 24 zugeführt wird. Das Kamerasystem 24 kann eine Kamera oder mehrere Kameras umfassen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Kamerasystem 24 eine Kamera 32, welcher Licht des Strahls 23, welches einen teildurchlässigen Spiegel 25 durchsetzt, über eine Kameraadapteroptik 31 zugeführt wird, und eine Kamera 55, welcher Licht des Strahls 23, das an dem teildurchlässigen Spiegel 25 reflektiert wird, über ein Beobachtungsfilter 57 und eine Kameraadapteroptik 53 zugeführt wird. Das Beobachtungsfilter 57 ist auf die gleichzeitige Beobachtung von PpIX und Fluorescein abgestimmt und wird hierin mit Bezug zu 2C näher erläutert. Somit kann die Kamera 32 ein Normallichtbild des Objekts 9 detektieren, während die Kamera 55 ein Fluoreszenzlichtbild des Objekts 9 detektieren kann. Bilder der Kameras 32 und 55 werden über Datenverbindungen 33 bzw. 65 an eine Steuerung 35 übertragen und können in dieser in einem Speicher 95 gespeichert werden.
Auf ähnliche Weise kann in dem anderen Teilstrahlenbündel 14 ein teildurchlässiger Spiegel 37 angeordnet sein, über welchen ein Teilstrahl 39 ausgekoppelt wird, der über eine Kameraadapteroptik 41 einer Kamera 43 zugeführt wird, welche ebenfalls ein Normallichtbild detektieren kann, wobei deren detektierte Bilder über eine Datenverbindung 45 an die Steuerung 35 übertragen werden.
An die Steuerung 35 ist über eine Datenverbindung 67 ein Display 69 angeschlossen, dessen dargestelltes Bild über eine Projektionsoptik 70 und einen in dem Teilstrahlenbündel 15 angeordneten weiteren teildurchlässigen Spiegel 68 in den Strahlengang zu dem Okular 17 eingekoppelt wird, so dass der Betrachter mit seinem Auge 19 sowohl das auf dem Display 69 dargestellte Bild als auch das Bild des Objekts direkt wahrnehmen kann. Somit können von der Steuerung 35 in das Okular 17 beispielsweise Daten oder Bilder des Objekts eingeblendet werden, welche durch die Kameras 32, 55 und 43 detektiert oder durch Analyse der detektierten Bilder generiert werden können.
Die durch die Kameras detektierten Bilder können von der Steuerung 35 über eine Datenverbindung 47 auch an ein kopfgetragenes Betrachtungsgerät 49, welches auch als „head mounted display“ bezeichnet wird, ausgegeben werden, wozu das Gerät 49 zwei Displays 51, 52 für das rechte bzw. linke Auge des Betrachters umfasst.
Das Mikroskop 1 umfasst ferner ein Beleuchtungssystem 63 zum Erzeugen eines auf das Objekt 9 gerichteten Beleuchtungslichtstrahls 81. Hierzu umfasst das Beleuchtungssystem 63 eine breitbandige Lichtquelle, wie beispielsweise eine Halogenlampe oder eine Xenonlampe 71, einen Reflektor 72 und einen Kollimator 73, um einen kollimierten Lichtstrahl 74 zu erzeugen, welcher mittels einer oder mehrerer Linsen 75 auf ein Eintrittsende 76 eines Glasfaserbündels 77 gerichtet sein kann, um von der Lampe 71 emittiertes Licht in das Glasfaserbündel 77 einzukoppeln. Durch das Glasfaserbündel 77 wird das Licht in die Nähe des Objekts 9 transportiert, tritt dort an einem Austrittsende 78 des Glasfaserbündels 77 aus und wird dann durch eine Kollimationsoptik 79 zu dem auf das Objekt 9 gerichteten Beleuchtungslichtstrahl 81 kollimiert.
Das Beleuchtungssystem 63 umfasst ferner eine Filterplatte 83, welche ein Beleuchtungsfilter 84 zur Fluoreszenzbeobachtung und ein Beleuchtungsfilter 85 zur Normallichtbeobachtung aufweist. Ein von der Steuerung 35 kontrollierter Antrieb 87 ist vorgesehen, um wahlweise das Beleuchtungsfilter 84 zur Fluoreszenzlichtbeobachtung und das Beleuchtungsfilter 85 zur Normallichtbeobachtung in dem Strahl 74 anzuordnen, wie dies durch den Pfeil 88 angedeutet ist. Das Beleuchtungsfilter 84 zur Fluoreszenzbeobachtung wird dann in dem Strahl 74 angeordnet, wenn in dem Objekt 9 die Fluoreszenzen von PpIX und Fluorescein angeregt und beobachtet werden sollen, während das Beleuchtungsfilter 85 zur Normallichtbeobachtung in dem Strahl 74 angeordnet wird, wenn das Objekt 9 unter Belichtung mit normalem Licht, wie beispielsweise Weißlicht, beobachtet werden soll. Das Beleuchtungsfilter 85 kann hierbei beispielsweise so ausgebildet sein, dass es von der Lampe 71 erzeugtes infrarotes Licht oder dem infraroten Licht nahes langwelliges Licht nicht passieren lässt, um eine unnötige Erwärmung des Objekts 9 zu vermeiden, und Licht kürzerer Wellenlängen passieren lässt.
Die wahlweise Anordnung der beiden Beleuchtungsfilter 84 und 85 in dem Strahl 74 kann von dem Betrachter über ein an die Steuerung 35 angeschlossenes Eingabegerät, wie beispielsweise einen Taster 97, gesteuert werden.
In dem Strahlengang des Teilstrahlenbündels 14 bzw. 15 ist jeweils ein Beobachtungsfilter 91 für Fluoreszenzbeobachtung angeordnet, wobei ein ebenfalls von der Steuerung 35 kontrollierter Antrieb 93 vorgesehen ist, um die Beobachtungsfilter 91 aus den Teilstrahlenbündeln 14 bzw. 15 zu entfernen, wie dies durch den Pfeil 94 angedeutet ist.
Die Beobachtungsfilter 91 werden dann in den Strahlengängen 14, 15 angeordnet, wenn das Beleuchtungsfilter 84 für Fluoreszenzbeobachtung in dem Strahl 74 angeordnet ist, und sie werden aus den Strahlengängen 14, 15 entfernt, wenn das Beobachtungsfilter 85 für Normallichtbeobachtung in dem Strahl 74 angeordnet ist. Hierzu kann der Antrieb 93 zusammen mit dem Antrieb 87 von der Steuerung 35 nach Betätigung des Eingabegeräts 97 durch den Betrachter angesteuert werden.
In dem dargestellten Beispiel werden das Beleuchtungsfilter 84 für Fluoreszenzbeobachtung und die Beobachtungsfilter 91 für Fluoreszenzbildbeobachtung durch Antriebe unter Kontrolle einer Steuerung in die Strahlgänge eingeführt und aus diesen entfernt. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die Filter in Filterhaltern vorgesehen sind, welche vom Betrachter direkt mit der Hand betätigt werden, um diese in die Strahlengänge einzuführen bzw. sie aus diesen zu entfernen.
Das Beleuchtungsfilter 84 und die Beobachtungsfilter 57, 91 für die Fluoreszenzbeobachtung weisen jeweils Transmissionscharakteristiken auf, welche auf die gleichzeitige Anregung und Beobachtung der Fluoreszenzfarbstoffe PpIX und Fluorescein abgestimmt sind. Eigenschaften eines Filtersatzes zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von PpIX und Fluorescein werden nachfolgend mit Bezug auf die 2A bis 2C beschrieben.
2A zeigt das wellenlängenabhängige Absorptionsspektrum von PpIX als Graph A_PpIX , das wellenlängenabhängige Emissionsspektrum von PpIX als Graph E_PpIX , das wellenlängenabhängige Absorptionsspektrum von Fluorescein als Graph A_FL und das wellenlängenabhängige Emissionsspektrum von Fluorescein als Graph E_FL .
Der Fluoreszenzfarbstoff PpIX weist ein Absorptionsspektrum A_PpIX auf, welches zwischen 350 nm und 430 nm eine normierte Absorptionsintensität von mehr als 0,2 aufweist. Die normierte Absorptionsintensität ist auf die maximale Absorptionsintensität normiert, d. h. das normierte Absorptionsspektrum weist lediglich Werte zwischen 0 und 1 auf. In dem Bereich von 350 nm bis 430 nm lässt sich der Fluoreszenzfarbstoff PpIX daher effizient anregen. Das Maximum der Absorption weist der Fluoreszenzfarbstoff PpIX bei etwa 405 nm auf. Der Fluoreszenzfarbstoff PpIX emittiert Fluoreszenzlicht in einem Spektralbereich von etwa 600 nm bis 750 nm, wobei ein Hauptmaximum der Emissionsintensität bei 635 nm und ein Nebenmaximum bei etwa 705 nm liegen.
Der Fluoreszenzfarbstoff Fluorescein weist zwischen etwa 450 nm und 530 nm eine normierte Absorptionsintensität von mehr als 0,2 auf. In diesem Bereich lässt sich der Fluoreszenzfarbstoff Fluorescein daher effizient anregen. Das Absorptionsspektrum von Fluorescein weist bei etwa 495 nm ein Maximum auf. Der Fluoreszenzfarbstoff Fluorescein emittiert Emissionslicht im Bereich von etwa 490 nm bis 650 nm. Das Maximum des Emissionsspektrums liegt bei etwa 520 nm.
2B zeigt den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters 84 in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis etwa 800 nm. Der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters 84 ist von einer ersten Wellenlänge λ1 bis zu einer zweiten Wellenlänge λ2 größer als ein erster Wert W1. In dem in 2B gezeigten Beispiel beträgt die erste Wellenlänge λ1 etwa 390 nm; die zweite Wellenlänge λ2 beträgt etwa 495 nm; und der erste Wert W1 beträgt etwa 50 %. Der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters 84 beträgt von der ersten Wellenlänge λ1 bis zu der zweiten Wellenlänge A2 etwa 90 %.
Unterhalb der ersten Wellenlänge λ1 bis zu etwa 350 nm und oberhalb der zweiten Wellenlänge A2 bis etwa 800 nm ist der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters überwiegend kleiner als ein zweiter Wert W2. Der zweite Werte W2 beträgt in dem in 2B gezeigten Beispiel etwa 0,005 %. Der Wert des Transmissionsgrads in den genannten Bereichen beträgt etwa 0,002 %. Hierdurch wird vermieden, dass das Objekt mit Beleuchtungslicht im Spektralbereich der Emissionsbereiche der Fluoreszenzfarbstoffe PpIX und Fluorescein beleuchtet wird.
2C zeigt den wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters 57, 91 im Spektralbereich von etwa 350 nm bis etwa 800 nm. Um Fluoreszenzlicht der Fluoreszenzfarbstoffe PpIX und Fluorescein beobachten zu können, weist das Beobachtungsfilter einen Durchlassbereich von einer dritten Wellenlänge λ3 bis zu einer vierten Wellenlänge λ4 auf, innerhalb dessen der Transmissionsgrad größer als der erste Wert W1 ist. In dem in 2C gezeigten Beispiel beträgt die dritte Wellenlänge λ3 etwa 540 nm; und die vierte Wellenlänge λ4 beträgt etwa 750 nm. Der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters beträgt von der dritten Wellenlänge λ3 bis zu der vierten Wellenlänge λ4 etwa 99 %.
Um bei Verwendung von nur PpIX (Fluorescein ist nicht im Objekt vorhanden oder wird durch die Beschaffenheit des Beleuchtungslichts nicht angeregt) eine Farbwahrnehmung zu erreichen, die annähernd der Farbwahrnehmung entspricht, die durch den in 3 dargestellten Filtersatz bereitgestellt wird, weist das Beobachtungsfilter 57, 91 einen weiteren Durchlassbereich von einer fünften Wellenlänge λ5 bis zu einer sechsten Wellenlänge λ6 auf, innerhalb dessen der Transmissionsgrad größer als ein dritter Wert W3 und kleiner als ein vierter Wert W4 ist. In dem in 2C gezeigten Beispiel beträgt die fünfte Wellenlänge λ5 etwa 430 nm; die sechste Wellenlänge λ6 beträgt etwa 460 nm; der dritte Wert W3 beträgt etwa 0,02 %; und der vierte Wert W4 beträgt etwa 1 %. Der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters beträgt von der fünften Wellenlänge λ5 bis sechsten Wellenlänge λ6 etwa 0,7 %.
Von etwa 350 nm bis zur fünften Wellenlänge λ5 sowie von der sechsten Wellenlänge λ6 bis zu der dritten Wellenlänge λ3 sowie oberhalb der vierten Wellenlänge λ4 ist der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters überwiegend kleiner als der zweite Wert W2. In dem in 2C gezeigten Beispiel beträgt der Transmissionsgrad in diesen Bereichen etwa 0,006 %.
Das Beleuchtungsfilter 84 und das Beobachtungsfilter 57, 91 sind so konfiguriert, dass sie keine Durchlassbereiche umfassen, die einander nur teilweise überlappen. Der Durchlassbereich des Beobachtungsfilters von der dritten Wellenlänge λ3 bis zur vierten Wellenlänge λ4 ist vollständig in dem Sperrbereich des Beobachtungsfilters von der zweiten Wellenlänge A2 bis zu 800 nm enthalten. Der Durchlassbereich des Beobachtungsfilters von der fünften Wellenlänge λ5 bis zur sechsten Wellenlänge λ6 ist vollständig innerhalb des Durchlassbereichs des Beleuchtungsfilters von der ersten Wellenlänge λ1 bis zur zweiten Wellenlänge λ2 enthalten. Zudem sind die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2, welche den Durchlassbereich des Beleuchtungsfilters begrenzen, jeweils in Sperrbereichen des Beobachtungsfilters (dem Sperrbereich von etwa 350 nm bis zur fünften Wellenlänge λ5 und dem Sperrbereich von der sechsten Wellenlänge λ6 bis zur dritten Wellenlänge λ3) angeordnet. Aufgrund dieser Konfiguration wirken sich fertigungsbedingte Toleranzen, aufgrund welcher die erste bis sechste Wellenlänge jeweils geringen Toleranzen unterliegt, nicht signifikant auf die Gesamtwirkung des Filtersatzes aus. Der Filtersatz ist daher gegenüber Fertigungstoleranzen unempfindlich.
Dies wird auch dadurch erreicht, dass sich die erste bis sechste Wellenlänge jeweils paarweise voneinander wenigstens um 1 nm oder um wenigstens 5 nm oder um wenigstens 10 nm unterscheiden. In dem in den 2B und 2C gezeigten Beispiel ist die fünften Wellenlänge λ5 um etwa 40 nm größer als die erste Wellenlänge λ1; die zweite Wellenlänge λ2 ist um etwa 35 nm größer als die sechste Wellenlänge λ6; und die dritte Wellenlänge λ3 ist um etwa 45 nm größer als die zweite Wellenlänge λ2. Fertigungsbedingte Toleranzen wirken sich daher nicht signifikant auf das Gesamtverhalten des Filtersatzes aus.

Claims

Filtersatz zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von Protoporphyrin IX und Fluorescein, umfassend: ein Beleuchtungsfilter (84) und ein Beobachtungsfilter (57, 91); wobei der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters (84) von einer ersten Wellenlänge (λ1) bis zu einer zweiten Wellenlänge (λ2), die größer als die erste Wellenlänge ist, größer als ein erster Wert (W1) ist, wobei der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters (84) von der zweiten Wellenlänge (A2) bis 750 nm überwiegend kleiner als ein zweiter Wert (W2) ist; wobei der zweite Wert (W2) kleiner als der erste Wert (W1) ist; wobei die zweite Wellenlänge (A2) kleiner als 550 nm ist; wobei der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters (57, 91) von einer dritten Wellenlänge (λ3), die größer als die zweite Wellenlänge (λ2) ist, bis zu einer vierten Wellenlänge (λ4), die größer als die dritte Wellenlänge (λ3) ist, größer als der erste Wert (W1) ist, wobei der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters (57, 91) von einer fünften Wellenlänge (λ5), die größer als die erste Wellenlänge (λ1) ist, bis zu einer sechsten Wellenlänge (λ6), die kleiner als die zweite Wellenlänge (λ2) ist, größer als ein dritter Wert (W3) und kleiner als ein vierter Wert (W4) ist, wobei der dritte Wert (W3) größer als der zweite Wert (W2) ist und der vierte Wert (W4) kleiner als der erste Wert (W1) ist; wobei das Verhältnis des ersten Wertes (W1) zu dem zweiten Wert (W2) wenigstens 10.000 beträgt; und wobei der vierte Wert (W4) 10 % beträgt.
Filtersatz nach Anspruch 1, wobei der Transmissionsgrad des Beleuchtungsfilters (84) von 350 nm bis zur ersten Wellenlänge (λ1) überwiegend kleiner als der zweite Wert (W2) ist.
Filtersatz nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters (57, 91) von der ersten Wellenlänge (λ1) bis zu der fünften Wellenlänge (λ5), insbesondere von 350 nm bis zu der fünften Wellenlänge (λ5), überwiegend kleiner als der zweite Wert (W2) ist; und/oder wobei der Transmissionsgrad des Beobachtungsfilters (57, 91) von der sechsten Wellenlänge (X6) bis zu der dritten Wellenlänge (λ3) überwiegend kleiner als der zweite Wert (W2) ist.
Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die fünfte Wellenlänge (λ5) größer als 420 nm ist, insbesondere größer als 430 nm ist; und/oder wobei die sechste Wellenlänge (X6) kleiner als 530 nm ist, insbesondere kleiner als 500 nm ist, weiter insbesondere kleiner als 470 nm ist.
Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Wellenlänge (λ1) kleiner als 430 nm ist, insbesondere kleiner als 415 nm ist, weiter insbesondere kleiner als 405 nm ist; und/oder wobei die erste Wellenlänge (λ1) größer als 350 nm ist, insbesondere größer als 375 nm ist, weiter insbesondere größer als 395 nm ist.
Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Wellenlänge (λ2) kleiner als 525 nm ist, insbesondere kleiner als 515 nm ist, weiter insbesondere kleiner als 505 nm ist; und/oder wobei die zweite Wellenlänge (A2) größer als 445 nm ist, insbesondere größer als 460 nm ist, weiter insbesondere größer als 475 nm ist, weiter insbesondere größer als 490 nm ist.
Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die fünfte Wellenlänge (λ5) um wenigstens 1 nm, insbesondere um wenigstens 5 nm, weiter insbesondere um wenigstens 10 nm oder um wenigstens 15 nm, größer als die erste Wellenlänge (λ1) ist; und/oder wobei die sechste Wellenlänge (λ6) um wenigstens 1 nm, insbesondere um wenigstens 5 nm, weiter insbesondere um wenigstens 10 nm oder um wenigstens 15 nm kleiner als die zweite Wellenlänge (λ2) ist.
Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dritte Wellenlänge (λ3) um wenigstens 1 nm, insbesondere um wenigstens 5 nm, weiter insbesondere um wenigstens 10 nm, größer als die zweite Wellenlänge (λ2) ist; und/oder wobei die dritte Wellenlänge (λ3) um höchstens 100 nm, insbesondere um höchstens 50 nm, weiter insbesondere um höchstens 40 nm, weiter insbesondere um höchstens 30 nm, größer als die zweite Wellenlänge (A2) ist.
Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Wert (W1) 50% oder 80% oder 90% oder 99% beträgt; und/oder wobei der zweite Wert (W2) 0,005% oder 0,001% beträgt; und/oder wobei der dritte Wert (W3) 0,005 % oder 0,01% oder 0,1% beträgt.
Fluoreszenzbeobachtungssystem (1) zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von Protoporphyrin IX und Fluorescein, umfassend: ein Beleuchtungssystem (63) mit einer Lichtquelle (71) zur Beleuchtung eines Objekts (9), eine Beobachtungsoptik (3) zur Abbildung des Objekts (9) und einen Filtersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Beleuchtungsfilter (84) des Filtersatzes in einem Beleuchtungsstrahlengang (74) zwischen der Lichtquelle (71) und dem Objekt (9) angeordnet ist und das Beobachtungsfilter des Filtersatzes (57, 91) in einem Strahlengang (14,15,29) der Beobachtungsoptik (3) angeordnet ist.
Verfahren zur gleichzeitigen Anregung und Beobachtung von Protoporphyrin IX und Fluorescein unter Verwendung des Filtersatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren umfasst: Filtern eines Beleuchtungslichtstrahls (74), welcher auf ein Objekt (9) gerichtet wird, mit dem Beleuchtungsfilter (84) des Filtersatzes, und Filtern von von dem Objekt (9) ausgehendem Licht (11) mit dem Beobachtungsfilter (57, 91) des Filtersatzes.