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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Beobachtungsvorrichtung, insbesondere ein endoskopisches Beobachtungssystem, mit einem Instrument mit einem Schaft, einer am Schaft angeordneten Objektivoptik mit einem Sichtfeld, einem zur Erfassung von Bilddaten ausgebildeten bildgebenden Sensor und einer Bildverarbeitungseinheit.
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In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf medizinische Instrumente, die zur Beobachtung des Körperinneren ausgebildet sind, wobei das Instrument durch natürliche oder künstliche Körperöffnungen eingeführt wird.
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In weiteren Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung im Allgemeinen auf medizinische Beobachtungsinstrumente, was auch eine Beobachtung des Körpers von außerhalb des Körpers beinhaltet. Im Allgemeinen bezieht sich die vorliegende Offenbarung jedoch auf Beobachtungsinstrumente mit relativ geringem Arbeitsabstand oder Objektabstand.
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Beobachtungsinstrumente für medizinische Zwecke können im Allgemeinen ein großes Sichtfeld haben, um selbst bei einem relativ geringen Arbeitsabstand ausreichende Informationen bereitzustellen. Wenn beispielsweise zusätzlich zum Beobachtungsinstrument auch andere Instrumente in den Körper des Patienten eingeführt werden, dann werden die Instrumente häufig durch dieselbe Öffnung oder benachbarte Öffnungen eingeführt. Das heißt, wenn zum Beispiel ein chirurgisches Instrument eingeführt wird, während das Beobachtungsinstrument bereits an seinem Platz ist, dann befindet sich ein chirurgisches Instrument in einem blinden Bereich, bis die Spitze des chirurgischen Instruments in das Sichtfeld eintritt. Daher ist es in vielen Fällen wünschenswert, ein relativ großes Sichtfeld vorzusehen.
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Zum Beispiel kann das Sichtfeld eines Endoskops mit starrem Schaft in einem Bereich zwischen 60°und 90°(Grad) liegen. B eispielsweise kann das Sichtfeld eines Endoskops mit flexiblem Schaft in einem Bereich zwischen 105°und 160°(Grad) liegen.
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In der Regel ist es wünschenswert, den Durchmesser des Schaftes eines Beobachtungsinstruments zu minimieren, insbesondere in Fällen, in denen das distale Ende des Schaftes dazu ausgebildet ist, in den Körper eingeführt zu werden. Da außerdem miniaturisierte Bildsensoren verfügbar sind, sind bei bestimmten Instrumententypen die Objektivoptik und die Bildsensoren an der distalen Spitze des Schafts angeordnet. Da in vielen Fällen der Schaftdurchmesser begrenzt ist, ist es oft schwierig, wenn nicht gar unmöglich, dort optische Zoom-Merkmale zu integrieren.
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Wie hier verwendet, ist das distale Ende des Schaftes das Ende des Schaftes, das im Allgemeinen vom Beobachter abgewandt ist und dem beobachteten Objekt zugewandt ist. Das heißt, das distale Ende des endoskopischen Schafts, das bei einer endoskopischen Beobachtung verwendet wird, ist im Allgemeinen der Abschnitt, der in den Körper eingeführt wird, zumindest bei bestimmten Ausführungsformen. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen, da es auch Anwendungen gibt, bei denen das distale Ende des endoskopischen Schafts nicht notwendigerweise in den Körper eingeführt wird. Wie hier verwendet, ist das proximale Ende das entgegengesetzte Ende des Schafts, das vom beobachteten Objekt abgewandt und im Allgemeinen dem Betrachter zugewandt ist. Das obige Verständnis von distal und proximal ist auch auf weitere hier beschriebene Elemente anwendbar.
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Bei Beobachtungsinstrumenten ist oft ein Kompromiss zwischen dem gewünschten Sichtfeld und der Bildauflösung in einem zentralen Bereich des Sichtfeldes erforderlich. Im zentralen Bereich liegen wichtige Informationen für chirurgische/diagnostische Eingriffe vor, zum Beispiel interessierende Organe und Gewebeteile, Arbeitsköpfe zusätzlicher Instrumente usw. In einem peripheren Bereich des Sichtfeldes sind jedoch Informationen vorhanden, die für eine allgemeine Orientierung und auch für die Navigation nützlich sind.
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Inzwischen gibt es hochauflösende miniaturisierte Bildsensoren (CCD-Sensoren, CMOS-Sensoren usw.), die am distalen Ende der Schäfte von Beobachtungsinstrumenten angebracht werden können. Im Allgemeinen liefern Sensoren mit höherer Auflösung Bilddaten, die für digitales Zoomen und Schwenken und andere Bildmanipulationsoperationen verwendet werden können. Insbesondere wenn die vom Sensor bereitgestellten Auflösung größer ist als die vom Display (Monitor, Head Mounted Display, Multimediaprojektor usw.) gelieferte Auflösung, ist sogar verlustfreies digitales Zoomen möglich. In einigen Fällen ist sogar ein auf Interpolation basierendes digitales Zoomen akzeptabel, vorausgesetzt, dass die resultierende Qualität trotz des inhärenten Verlustes ausreichend ist.
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US 6,844,990 B2 , die sich mit der Erfassung von Panorama-/Landschaftsbildern befasst, schlägt vor, asphärische Linsen einzusetzen, um Bilder mit nicht gleichmäßiger Auflösung zu erfassen. Auf diese Weise werden ein erweiterter Bildbereich und ein komprimierter Bildbereich bereitgestellt. Somit sollen für diese spezielle Anwendung Verbesserungen gegenüber Standard-Fisheye-Objektiven erzielt werden. Beispielsweise kann die digitale Vergrößerung (Zoomen) auf den erweiterten Bildbereich angewendet werden, ohne dass eine Pixelinterpolation erforderlich ist. Ziel ist es, eine interaktive Darstellung der erfassten Bilder auf einem Computerbildschirm zu ermöglichen, einschließlich eines selektiven Zooms.
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In Anbetracht des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Beobachtungsvorrichtung bereitzustellen, die Weitwinkelansichten des beobachteten Feldes ermöglicht und dabei Bildsensoren mit nur begrenzter Größe verwendet. Vorzugsweise ist das digitale Zoomen zumindest für einen hauptsächlich interessierenden Bereich des beobachteten Feldes anwendbar. Es zwar anzumerken, dass bei den meisten praktischen Umsetzungen der Erfindung der hauptsächlich interessierende Bereich der zentrale Bereich sein wird und in dieser Spezifikation durchgehend als solcher bezeichnet wird, doch sollte der ausgewählte Bereich nicht als auf den zentralen Bereich im Wortsinne beschränkt betrachtet werden, da es sich bei einigen Ausführungsformen um einen oder mehrere periphere Bereiche handeln kann, in denen Bilder mit höherer Auflösung erlangt werden. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, eine Beobachtungsvorrichtung mit einem Beobachtungsinstrument bereitzustellen, das einerseits einen Weitwinkelüberblick über das Operationsgebiet ermöglicht, umfassend auch eine Beobachtung aller eingeführten Instrumente im Weitwinkelsichtfeld, und andererseits eine ausreichende Auflösung des zentralen Bereichs des beobachteten Feldes bereitstellt, um ausreichende Bilddetails bereitzustellen und um ein digitales Zoomen zu erlauben. Als weitere Randbedingung sollen miniaturisierte Optiken und Sensoren verwendet werden, die in einen Instrumentenschaft mit kleinem Durchmesser passen. Eine weitere Aufgabe ist es, das Anwendungsgebiet für hochauflösende Sensoren durch selektive Ausnutzung der Auflösung im Rahmen der Weitfeldbeobachtung zu erweitern. Vorzugsweise benötigt die Objektivoptik, zumindest in bestimmten Ausführungsformen, keinen Mechanismus für die Verstellung (optischer Zoom).
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Beobachtungsvorrichtung, insbesondere ein endoskopisches Beobachtungssystem, vorgestellt, die Folgendes aufweist:
- - ein Instrument mit einem Schaft mit einem proximalen und einem distalen Ende,
- - eine Objektivoptik, die am Schaft, beispielsweise am distalen Ende des Schaftes, angeordnet ist, wobei die Objektivoptik ein Sichtfeld aufweist,
- - einen bildgebenden Sensor, der dazu ausgebildet ist, Bilddaten zu erfassen, wobei der bildgebende Sensor eine Sensoranordnung bildet, die aus gleichmäßig verteilten sensitiven Elementen gebildet ist, und
- - eine Bildverarbeitungseinheit,
wobei die Objektivoptik dazu ausgebildet ist, eine Szene im Sichtfeld auf den bildgebenden Sensor zu projizieren,
wobei die Objektivoptik innerhalb des Sichtfeldes zumindest einen zentralen Abbildungsbereich und einen peripheren Abbildungsbereich definiert,
wobei die Objektivoptik unterschiedliche Brennweiten im zentralen Abbildungsbereich und im peripheren Abbildungsbereich aufweist,
wobei im zentralen Abbildungsbereich eine erste optische Abbildungsauflösung und im peripheren Abbildungsbereich eine zweite optische Abbildungsauflösung vorgesehen ist, wobei die erste Abbildungsauflösung größer als die zweite Abbildungsauflösung ist,
wobei die erfassten Bilder zumindest einen peripheren Bildabschnitt mit weitem Sichtfeld und zumindest einen zentralen Bildabschnitt mit erhöhter Auflösung aufweisen, und
wobei die Bildverarbeitungseinheit dazu ausgebildet ist, einen digitalen Zoom auf den zentralen Bildabschnitt anzuwenden, wobei vorzugsweise eine Vergrößerung des zumindest einen peripheren Bildabschnitts mit weitem Sichtfeld beibehalten wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird auf diese Weise vollständig gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein vorteilhafter Kompromiss zwischen Weitwinkelbilderfassung und Bildauflösung in zentralen Bildbereichen bereitgestellt. Daher kann ein bildgebender Sensor verwendet werden, der in das Innere des Instrumentenschafts passt. Außerdem weist der bildgebende Sensor eine gleichmäßige Verteilung der sensitiven Elemente (Pixel) auf, so dass bildgebende Sensoren mit Standardtechnologie verwendet werden können.
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Dies beruht auf der Erkenntnis, dass im peripheren Bildabschnitt eine wesentlich geringere Auflösung akzeptabel ist, ohne einen Informationsverlust bezüglich der eingesetzten Instrumente und/oder allgemeiner Positions-/Orientierungsinformationen zur Navigation des Beobachtungsinstruments und anderer Instrumente zu riskieren.
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Daher ist es möglich, eine niedrigere Abbildungsauflösung zu verwenden (weniger Pixel pro Winkel des Sichtfeldes), so dass übrige Pixel für die Bildgebung des zentralen Abbildungsteils verwendet werden können, was dort zu einer höheren Abbildungsauflösung führt (größere Anzahl von Pixeln pro Winkel des Sichtfeldes).
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So ist es auch möglich, zumindest in bestimmten Ausführungsformen ein verlustfreies oder verlustarmes digitales Zoomen im zentralen Abschnitt zu ermöglichen, da eine ausreichende Abbildungsauflösung zur Verfügung steht. Unter der Voraussetzung, dass die Abbildungsauflösung im zentralen Abschnitt grösser ist als die Auflösung des Displays (Monitor, Head Mounted Display), ist verlustfreies oder nahezu verlustfreies digitales Zoomen möglich. Somit kann selektives digitales Zoomen oder lokales digitales Zoomen, bezogen auf die Bildabschnitte, auf die Bilder angewendet werden. Es ist zwar bevorzugt, dass eine Vergrößerung des zumindest einen peripheren Bildausschnitts mit weitem Sichtfeld beibehalten wird, wenn der zentrale Bildausschnitt digital vergrößert (eingezoomt) wird, aber es kann andere Betriebsmodi/Anzeigemodi geben, bei denen die Vergrößerung des peripheren Bildausschnitts nicht beibehalten werden muss.
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Im Allgemeinen beschreibt eine Abbildungsauflösung, so wie hier verwendet, die Anzahl der sensitiven Pixel/Elemente des bildgebenden Sensors pro Flächeneinheit und/oder pro Winkeleinheit. Da in Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung die Größe des Sichtfeldes (Blickwinkel) durch entsprechende Öffnungswinkel beschrieben wird, wird die Abbildungsauflösung durch Pixel/Winkeleinheit beschrieben.
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Hinsichtlich der optischen Vergrößerung stellt die Objektivoptik zumindest zwei verschiedene Vergrößerungen über das Sichtfeld bereit, nämlich den zentralen Abschnitt und den zumindest einen peripheren Abschnitt des Bildes. Die Objektivoptik weist eine Objektivlinse oder eine Objektivlinseneinheit mit multifokalen Eigenschaften auf. Das heißt, dass zumindest in einem ersten Bereich eine erste Brennweite und in einem zweiten Bereich eine zweite Brennweite vorhanden ist. Daher können zumindest eine asphärische Linse oder ein Satz von Linsen mit unterschiedlicher Brennweite, die zusammen eine Linseneinheit bilden, vorgesehen sein. Der erste Bereich kann mit dem zentralen Abschnitt des Bildes verknüpft werden. Der zweite Bereich kann mit dem peripheren Abschnitt des Bildes verknüpft werden. Im Allgemeinen kann eine Linsengestaltung ähnlich dem Ansatz von
US 6.844.990 B2 möglich sein, jedoch mit einem anderen Ziel hinsichtlich der Anwendung.
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In bestimmten Ausführungsformen ist im ersten Bereich eine grundsätzlich konstante Brennweite vorgesehen. Ferner ist in bestimmten Ausführungsformen im zweiten Bereich eine grundsätzlich konstante Brennweite vorgesehen. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Es kann zumindest Unterbereiche mit einer nicht konstanten, variierenden Brennweite geben.
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Aufgrund des Designs der Objektivoptik und des gleichmäßigen Musters der sensitiven Elemente auf dem bildgebenden Sensor wird das erfasste Bild im Ergebnis gegenüber anderen Abschnitten zumindest teilweise gedehnt oder gestaucht. Anders ausgedrückt, zumindest ein Abschnitt wird gegenüber dem/den gestauchten Abschnitt(en) vergrößert oder gedehnt. Daher sind zumindest in einigen Ausführungsformen die Objektivoptik und der bildgebende Sensor dazu ausgebildet, eine anamorphe Abbildung bereitzustellen. Die hier verwendeten Begriffe komprimiert, vergrößert, erweitert usw. beziehen sich in erster Linie auf die Abbildungsauflösung (Pixel pro Winkeleinheit), die für verschiedene Segmente des Sichtfeldes unterschiedlich ist, und nicht auf die Datenkomprimierung und ähnliche Maßnahmen.
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Daher ist einer der Abbildungsbereiche im Vergleich zur anderen Abbildungsbereichen komprimiert. In einigen Ausführungsformen sind die erfassten Bilder zumindest teilweise in der Breite gedehnt oder gestaucht. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der zentrale Bildabschnitt rechteckig ist und an ihn zwei benachbarte (linke und rechte) periphere Bildabschnitte angrenzen, die ebenfalls rechteckig sind.
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In anderen Fällen kann zusätzlich auch ein oberer peripherer Bildabschnitt und ein unterer peripherer Bildabschnitt vorhanden sein, die ebenfalls auf einer Bildgebung mit niedriger Auflösung im Vergleich zum zentralen Bildabschnitt beruhen können.
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Ferner kann in anderen Fällen der zentrale Bildabschnitt kreisförmig und der periphere Bildabschnitt ein Ring sein, der den zentralen Bildabschnitt umgibt. In einem solchen Fall werden die Bilder radial gedehnt oder gestaucht.
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Entsprechend dem obigen Aspekt wird die gegebene Auflösung eines bildgebenden Sensors (Pixel-Array) mit gleichmäßiger Verteilung effizient ausgenutzt, wobei relevante zentrale Bereiche eine hohe Auflösung aufweisen und in peripheren Bereiche eine geringere, aber ausreichende Auflösung. Das heißt, dass bei einer gegebenen Anordnung (Schaftdurchmesser) ein vorteilhafter Kompromiss zwischen Bildauflösung, digitaler Zoomfähigkeit und Sichtfeld gegeben ist.
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Da in den interessierenden Hauptbildbereichen, wo eine größere Auflösung zur Verfügung steht, ist digitales Zoomen möglich. Da außerdem aufgrund der unterschiedlichen optischen Vergrößerung bereits verschiedene Bildbereiche definiert sind, kann die Bildverarbeitungseinheit diese Bereiche unterschiedlich bearbeiten, um den Funktionsumfang zu erweitern, beispielsweise um digitales Zoomen zu ermöglichen, aber dennoch die Weitwinkelansicht beizubehalten.
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Darüber hinaus kann in bestimmten Ausführungsformen eine grundsätzlich konstante Brennweite im zentralen Bereich bereitgestellt werden, so dass Verzerrungen in den zentralen Bereichen weitgehend minimiert werden können, so dass zumindest in bestimmten Ausführungsformen Verzerrungen soweit wie möglich auf ein nicht wahrnehmbares Maß reduziert werden.
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Im Allgemeinen können die oben beschriebenen Prinzipien auf eine rechteckige Bildkomposition angewendet werden, d.h. der zentrale Bildabschnitt und der zumindest eine periphere Bildabschnitt sind jeweils rechteckig. Ferner können die oben beschriebenen Prinzipien auch auf eine kreisförmige Zusammensetzung des Bildes angewendet werden, wobei der zentrale Bildabschnitt ein zentraler Kreis ist und der zumindest eine periphere Bildabschnitt einen umlaufenden Ring bildet, der den zentralen Bildabschnitt umgibt. Zwischen der rechteckigen Komposition und der kreisförmigen Komposition können Mischformen vorliegen, die beispielsweise eine ovale Konfiguration und/oder eine nahezu rechteckige Form mit konvexen Seiten aufweisen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Bildverarbeitungseinheit in einem einheitlichen Bildanzeigemodus dazu ausgebildet, die erfassten Bilddaten durch Anwendung eines digitalen Zooms auf den zentralen Bildabschnitt und/oder den zumindest einen peripheren Bildabschnitt zu bearbeiten, so dass das angezeigte Bild einheitliche Vergrößerungseigenschaften aufweist.
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Wenn das erfasste Bild, das auf gleichmäßig verteilten CCD-, CMOS- oder anderen sensitiven Elementen basiert, auf einem Display angezeigt wird, das auf einer proportionalen Zuordnung/Abbildung zwischen Bildpixeln und Displaypixeln basiert, dann hat das angezeigte Bild deutlich eine vergrößerte, detailliertere Darstellung (zentraler Abschnitt mit großer Brennweite) und eine komprimierte Darstellung mit reduziertem Maßstab (peripherer Abschnitt mit kleiner Brennweite). Das heißt, in einem solchen Fall ist der optische Vergrößerungsfaktor entlang der angezeigten Ansicht unterschiedlich.
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Das Bild kann jedoch so bearbeitet werden, dass schlussendlich eine Kompensation der unterschiedlichen optischen Vergrößerung angewandt werden kann, was zu einer dargestellten Szene führt, die eine einheitliche Bildvergrößerung zu haben scheint.
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Geht man beispielsweise davon aus, dass der periphere Abschnitt etwas komprimiert ist (d.h. dass dem peripheren Abschnitt am bildgebenden Sensor weniger Pixel pro Winkeleinheit zugeordnet sind), dann kann der periphere Abschnitt hochskaliert werden, um der bereits im zentralen Abschnitt vorhandenen Bildvergrößerung zu entsprechen. Zu diesem Zweck können beispielsweise Pixelinterpolation und ähnliche Maßnahmen verwendet werden.
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In bestimmten Ausführungsformen kann der zentrale Abschnitt jedoch verkleinert werden, um die Bildvergrößerung zu erreichen, die im peripheren Abschnitt bereits vorhanden ist. Es versteht sich, dass auch eine simultane Bearbeitung vorgesehen sein kann, bei der der periphere Abschnitt hochskaliert und der zentrale Abschnitt herunterskaliert wird, um einem definierten Vergrößerungsfaktor zu entsprechen.
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Gemäß diesem Aspekt werden die Bilddaten vor der Anzeige bearbeitet, um das Bild in einen Zustand zu versetzen, als ob es mit einem Objektiv mit konstanter oder im Wesentlichen konstanter Brennweite über die gesamte optische Oberfläche des Objektivs erfasst worden wäre. Mit anderen Worten, im einheitlichen Bilddarstellungsmodus gleicht die Verarbeitungseinheit die unterschiedlichen Brennweiten aus.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Bildverarbeitungseinheit in einem ersten uneinheitlichen Bildanzeigemodus dazu ausgebildet, den zentralen Bildabschnitt und den zumindest einen peripheren Bildabschnitt in einem nicht gezoomten Zustand zu übertragen, so dass das angezeigte Bild uneinheitliche Vergrößerungseigenschaften aufweist, die den verschiedenen Brennweiten entsprechen. Die nicht gezoomte Übertragung des Bildes (der Daten) bedeutet, dass der zentrale Bildabschnitt und der zumindest eine periphere Bildabschnitt im Hinblick auf digitales Zoomen/Komprimieren/Strecken nicht unterschiedlich behandelt werden. Daher kann es immer noch möglich sein, ein bestimmtes digitales Zoomen (zum Beispiel Hochskalieren, Herunterskalieren) sowohl auf den zentralen als auch auf den peripheren Bildabschnitt anzuwenden. Solche Maßnahmen kompensieren jedoch nicht die unterschiedliche optische Vergrößerung aufgrund der unterschiedlichen Brennweiten. Mit anderen Worten, ein digitaler Zoom-Vergrößerungsfaktor ist bei dieser Ausgestaltung für beide Bereiche gleich.
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Wenn es keine Kompensationsmaßnahmen gibt, wird das angezeigte Bild daher teilweise gestaucht oder gedehnt, so dass bestimmte Abschnitte des beobachteten Feldes mit derselben Winkelgröße auf der Anzeige eine andere Größe zu haben scheinen. Dies gilt insbesondere für Abschnitte des peripheren Bereichs im Vergleich zu Abschnitten des zentralen Bereichs. Daher ist im angezeigten Bild der zentrale Bildabschnitt im ersten uneinheitlichen Bildanzeigemodus detaillierter als der periphere Bildabschnitt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, in einem zweiten uneinheitlichen Bildanzeigemodus, ist die Bildverarbeitungseinheit dazu ausgebildet, die erfassten Bilddaten durch Anwendung des digitalen Zooms auf den zentralen Bildbereich zu bearbeiten, so dass das angezeigte Bild uneinheitliche Vergrößerungseigenschaften aufweist.
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Da die Abbildungsauflösung im zentralen Abschnitt größer ist als im peripheren Abschnitt, kann die Bildverarbeitungseinheit ohne nennenswerte Verluste digitales Zoomen auf den zentralen Abschnitt anwenden. Dennoch basieren der periphere Abschnitt und der zentrale Abschnitt auf unterschiedlichen optischen Vergrößerungen, während im zentralen Abschnitt zusätzlich digitale Vergrößerungsmaßnahmen angewendet werden.
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In bestimmten Ausführungsformen wird der zumindest eine periphere Bildabschnitt im angezeigten Bild beibehalten. Da beim digitalen Zoomen der zentrale Bildabschnitt grundsätzlich mehr Anzeigefläche erfordern würde, ist es möglich, den peripheren Bereich beizubehalten, jedoch Teile des vergrößerten zentralen Abschnitts zu entfernen, so dass am Übergang zwischen dem zentralen und dem peripheren Abschnitt eine grundsätzlich „blinde“ Lücke entsteht.
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In bestimmten Ausführungsformen kann die Bildverarbeitungseinheit jedoch, sofern die Anzeige groß genug ist, so betrieben werden, dass das angezeigte Sichtfeld vollständig erhalten bleibt, indem der periphere Abschnitt verschoben/erweitert wird, um genügend Fläche für die vergrößerte Ansicht des zentralen Abschnitts bereitzustellen. In bestimmten Ausführungsformen kann der äußere Rand des Bildes (äußerer Rand des peripheren Abschnitts) entfernt werden. In bestimmten Ausführungsformen wird der periphere Abschnitt verkleinert (unidirektional oder multidirektional), um genügend Platz für den zentralen Abschnitt zu schaffen.
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In weiteren Ausführungsformen ist die Bildverarbeitungseinheit in der Lage, einen Teilabschnitt des zentralen Abschnitts zu definieren, der in einer vergrößerten Ansicht angezeigt werden soll, und auf den verbleibenden Teil des zentralen Abschnitts, der nicht in der vergrößerten Ansicht angezeigt werden soll, eine Verkleinerung anzuwenden. Das heißt, es ist möglich, den nicht vergrößerten verbleibenden Teil des zentralen Abschnitts in einer Vergrößerung so darzustellen, als ob er Teil des peripheren Bereichs wäre. Mit anderen Worten, der verbleibende Teil des zentralen Abschnitts wird „digital“ in den peripheren Teil verschoben. Es sind aber auch Mischformen denkbar. Das heißt, der verbleibende Teil des zentralen Abschnitts, der nicht in einer vergrößerten Ansicht dargestellt werden soll, wird verkleinert, um genügend Platz für die vergrößerte Ansicht bereitzustellen, aber nicht an die Vergrößerung des peripheren Bereichs angepasst.
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Es ist anzumerken, dass die Begriffe erster Anzeigemodus und zweiter Anzeigemodus lediglich zur Identifizierung der beiden Modi und nicht zur Definition einer Reihenfolge verwendet werden. Das heißt, dass in bestimmten Ausführungsformen nur der erste uneinheitliche Bildanzeigemodus oder nur der zweite uneinheitliche Anzeigemodus verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen sind der erste und der zweite uneinheitliche Bilddarstellungsmodus vorgesehen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform hat der bildgebende Sensor eine definierte physikalische Auflösung, die über den sensitiven Sensorbereich gleichmäßig ist. Somit liegt eine grundsätzlich konstante Pixeldichte vor. Dies kann in Bezug auf beide Richtungen (zweidimensional), zum Beispiel Höhe und Breite, gelten.
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In einer Ausgestaltung ist der bildgebende Sensor in der Lage, eine HD-Auflösung (zum Beispiel 1280 x 720 Pixel) bereitzustellen. In einer Ausgestaltung ist der bildgebende Sensor in der Lage, eine FulIHD-Auflösung bereitzustellen (zum Beispiel 1920 x 1080 Pixel). In einer Ausgestaltung ist der bildgebende Sensor in der Lage, eine Auflösung von 2K bereitzustellen (zum Beispiel 2048 x 1536 Pixel). In einer Ausgestaltung ist der bildgebende Sensor in der Lage, eine Auflösung von 4K bereitzustellen (zum Beispiel 4096 x 3072 Pixel) Dies ist nicht einschränkend zu verstehen. Wenn die Auflösung ausreichend hoch ist, dann ist das digitale Zoomen ohne nennenswerten Informationsverlust möglich.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform definiert die Objektivoptik einen rechten peripheren Abbildungsbereich und einen linken peripheren Abbildungsbereich, wobei der zentrale Abbildungsbereich zwischen dem rechten peripheren Abbildungsbereich und dem linken peripheren Abbildungsbereich angeordnet ist. Es versteht sich, dass der bildgebende Sensor dazu ausgebildet ist, Bildsignale auch in dem linken und rechten peripheren Bereich zu erfassen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform definiert die Objektivoptik einen oberen peripheren Abbildungsbereich und einen unteren peripheren Abbildungsbereich, wobei der zentrale Abbildungsbereich zwischen dem oberen peripheren Abbildungsbereich und dem unteren peripheren Abbildungsbereich angeordnet ist. Es versteht sich, dass der bildgebende Sensor dazu ausgebildet ist, Bildsignale auch im oberen und unteren peripheren Bereich zu erfassen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform definiert die Objektivoptik einen umfänglichen peripheren Abbildungsbereich, wobei der zentrale Abbildungsbereich von dem umfänglichen peripheren Abbildungsbereich umgeben ist. Selbstverständlich ist der bildgebende Sensor so ausgebildet, dass er die Bildsignale auch im peripheren, umlaufenden Abbildungsbereich erfasst.
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Im Allgemeinen müssen der Abbildungsbereich des Sensors und die Bildabschnitte nicht unbedingt gleich oder deckungsgleich sein. Ferner muss das von der Objektivoptik gelieferte Bild in der Abbildungsebene, die durch die Sensoroberfläche des bildgebenden Sensors definiert ist, nicht notwendigerweise gleich oder kongruent mit dem Abbildungsbereich des Sensors sein. Es kann Randbereiche geben, die vom bildgebenden Sensor beispielsweise aus Gründen der Abbildungsqualität nicht genutzt werden. Ähnlich kann es auch Randbereiche der Sensoroberfläche des bildgebenden Sensors geben, die nicht genutzt werden und daher im erfassten Bild nicht vorhanden sind.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Schaft ein flexibler Schaft oder ein starrer Schaft. Daher kann das Instrument beispielsweise als ein Endoskop mit flexiblem Schaft und ein Endoskop mit starrem Schaft ausgebildet sein.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das Instrument optische Fasern zur Bildübertragung. Dies kann der Fall sein, wenn ein Instrument mit biegsamem Schaft verwendet wird. Bildübertragende Lichtleitfasern sind zwischen der Objektivoptik und dem bildgebenden Sensor angeordnet.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das Instrument zumindest eine Stablinse zur Bildübertragung. Dies kann der Fall sein, wenn ein Instrument mit starrem Schaft verwendet wird. Die Stablinsen sind zwischen der Objektivoptik und dem bildgebenden Sensor angeordnet.
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In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind die Objektivoptik und der bildgebende Sensor an einem distalen Ende des Schaftes angeordnet. Somit sind die Objektivoptik und der bildgebende Sensor an der distalen Spitze des Schaftes oder zumindest nahe der distalen Spitze angeordnet. Bei einer solchen Anordnung muss die Größe des Sensors an die gegebenen Bauraumbeschränkungen angepasst sein.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der bildgebende Sensor an einem von einem proximalen Ende des Schafts und einem proximal des Schafts angeordneten Instrumentengehäuse angeordnet. Auch bei einer solchen Anordnung können Bauraumbeschränkungen für die Größe des Sensors und insbesondere für die Größe der Objektivoptik vorliegen.
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In bestimmten Ausführungsformen verfügt das Beobachtungsinstrument nicht über optische Zoomfunktionen. Das heißt, es gibt keine Möglichkeit, die Brennweite aktiv zu verändern. Da es strenge Beschränkungen für den Durchmesser des Schaftes gibt, ist oft nicht genügend Einbauraum für optische Zoomfunktionen vorhanden.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Schaftes, zumindest am distalen Ende des Schaftes, weniger als 20 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm, weiter bevorzugt weniger als 12 mm und weiter bevorzugt weniger als 10 mm.
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In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung deckt der zentrale Abbildungsbereich ein enges Winkelfeld mit einem Blickwinkel mit engem Feld ab, wobei der periphere Abbildungsbereich ein weites Winkelfeld mit einem Blickwinkel mit weitem Feld abdeckt, und wobei das enge Winkelfeld einen zentralen Abschnitt des weiten Winkelfeldes überlappt. Wie hier verwendet, ist das enge Feld ein Teilabschnitt des weiten Feldes, wobei im engen Feld eine größere Brennweite vorhanden ist. Der periphere Abbildungsbereich kann zumindest einen ersten und einen zweiten Abschnitt an einer rechten und einer linken Seite des Bildes aufweisen. Die rechte und die linke Seite werden durch die Anordnung des Sensors, bei dem es sich typischerweise um einen rechteckigen Sensor mit einem bestimmten Seitenverhältnis handelt, und durch die Ausrichtung der zur Darstellung verwendeten Anzeige definiert.
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Bei bestimmten Ausführungsformen kann der periphere Abbildungsbereich und auch der zentrale Abbildungsbereich symmetrisch zu einer optischen Achse angeordnet sein, die parallel zu einer Schaftachse des Instruments verläuft, zumindest am distalen Ende des Schafts.
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In bestimmten Ausführungsformen kann das Instrument jedoch mit einer Seitenblickfunktionalität ausgestattet sein. Daher ist die Blickrichtung der Objektivoptik eines solchen Instruments in Bezug auf die Hauptachse des Schafts geneigt. Es gibt zum Beispiel Instrumente mit einem festen Seitenblickwinkel von 30° Andere Werte, die sogar eine 90 Seitenblickfunktion aufweisen, sind denkba r.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform beträgt der Blickwinkel des weiten Sichtfeldes mindestens 60° vorzugsweise mindestens 90° weiter bevorzugt mindestens 105° weiter bevorzugt mindestens 120°u nd weiter bevorzugt mindestens 140° Der Winkel des weiten Sichtfeldes beträgt als o beispielsweise +/- 30° vorzugsweise +/- 45° weiter bevorzugt +/- 60°und weiter bevorz ugt +/- 70° bezogen auf die zentrale optische Achse. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Winkel des weiten Sichtfeldes weniger als 160° In Übereinstimmung mit die ser Ausführungsform umfasst die Objektivoptik daher keine Fischaugenlinsen oder ähnliche Linsen, die ein Sichtfeld von 180°oder nahezu 180°liefern können.
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Innerhalb des weiten Winkelfeldes ist das enge Winkelfeld vorgesehen. Das heißt, der Blickwinkel des engen Winkels ist kleiner als der Blickwinkel des weiten Sichtfeldes. Allerdings werden nur die Abschnitte des Blickwinkels des vitalen Sichtfeldes, die nicht durch den Blickwinkel des engen Sichtfeldes abgedeckt werden, letztendlich zur Bildung des peripheren Bildabschnitts verwendet. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform beträgt der Blickwinkel des engen Sichtfeldes zwischen 20 % und 60 % des Blickwinkels des weiten Sichtfeldes, in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform zwischen 30 % und 50 % des Blickwinkels des weiten Sichtfeldes und in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform zwischen 30 % und 40 % des Blickwinkels des weiten Sichtfeldes.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Instrument einen Objektabstand von weniger als 20 cm auf. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Instrument bei einem Objektabstand zwischen 0,5 cm und 20 cm, in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung zwischen 1,0 und 6,0 cm, betreibbar. Entsprechend diesen Ausführungsformen ist das Instrument also für die endoskopische Bildgebung im Körper des Patienten ausgestaltet. Das Instrument ist nicht für große Objektabstände ausgestaltet, wie zum Beispiel für Panoramafotografie, Landschaftsfotografie, Architekturfotografie usw.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der bildgebende Sensor ein pixelbasierter bildgebender Sensor, wobei die erste optische Abbildungsauflösung mindestens 150 %, in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform 200 % und in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform 300 % der zweiten optischen Abbildungsauflösung beträgt. Daher werden für die Abbildung mit der zweiten Abbildungsauflösung weniger Pixel pro Winkeleinheit verwendet als für die erste Abbildungsauflösung. Das heißt, im peripheren Abschnitt wird eine geringere Pixeldichte als im zentralen Abschnitt verwendet.
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Die zweite, niedrigere optische Abbildungsauflösung wird für den peripheren Abschnitt verwendet. Die resultierende Auflösung ist immer noch ausreichend hoch, um die Navigation zu ermöglichen und einen Gesamteindruck der beobachteten Stelle zu vermitteln. Aufgrund der nicht konstanten Pixeldichte über das beobachtete Sichtfeld gibt es eine größere Pixelkapazität für das hauptsächlich interessierende Gebiet, den zentralen Abschnitt.
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Wenn, wie hier verwendet, von unterschiedlichen Abbildungsauflösungen die Rede ist, kann sich dies im Allgemeinen auf mindestens eine der Auflösung in der Breite und der Auflösung in der Höhe beziehen, abhängig von der Gestaltung der Objektivoptik und des bildgebenden Sensors. In bestimmten Ausführungsformen ist die unterschiedliche Auflösung daher hauptsächlich in der Breitenrichtung vorhanden. In bestimmten Ausführungen sind jedoch sowohl in der Breitenrichtung als auch in der Höhenrichtung unterschiedliche Auflösungen vorhanden
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Außerdem können, unter Bezugnahme auf die kreisförmige Konfiguration der verschiedenen Bildabschnitte, dann unterschiedliche Abbildungsauflösungen in radialer Richtung vorliegen. Hybridformen (oval etc.) sind denkbar.
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Um die unterschiedliche Abbildungsauflösung auszugleichen und folglich, um gleichmäßige Proportionen im angezeigten Bild zu gewährleisten, kann die Bildverarbeitungseinheit, falls im gewählten Anzeigemodus gewünscht, dazu ausgebildet sein, die Bildauflösung des bearbeiteten Bildes anzupassen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Bildverarbeitungseinheit eine Schnittstelle zur Übertragung bearbeiteter Bilder an eine pixelbasierte Anzeigeeinheit. Im Allgemeinen ist die Beobachtungsvorrichtung für eine sofortige (Live- oder nahezu Live-) Darstellung der beobachteten Szene eingerichtet. Es ist nicht der Hauptzweck der Beobachtungsvorrichtung, Bilddaten für eine spätere Darstellung zu erfassen und zu speichern.
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In bestimmten Ausführungsformen weist die pixelbasierte Anzeigeeinheit eine gleichmäßige Pixelverteilung auf. Daher ist eine konstante Auflösung über die Anzeigefläche gegeben. Wie bei dem bildgebenden Sensor kann die Anzeigeeinheit für eine echte verlustfreie Darstellung von HD-Bildern, FuIlHD-Bildern, 2K-Bildern oder sogar 4K-Bildern eingerichtet sein. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Objektivoptik einen Übergangsbereich zwischen dem peripheren Abbildungsbereich und dem zentralen Abbildungsbereich, wobei der Übergangsbereich einen Übergang zwischen der Brennweite im zentralen Abbildungsbereich und der Brennweite im peripheren Abbildungsbereich bereitstellt. Daher gibt es keinen abrupten Schritt zwischen den verschiedenen Brennweiten, sondern einen allmählichen Übergang. Ferner können aus fertigungstechnischen Gründen bei der/den beteiligten Linse(n) der Objektivoptik entsprechende Übergangsbereiche definiert werden. In einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, im zentralen Bereich eine konstante oder nahezu konstante Brennweite (optische Vergrößerung) und im peripheren Bereich eine andere, aber ebenfalls konstante oder nahezu konstante Brennweite (optische Vergrößerung) vorzusehen.
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Es ist auch möglich, einen entsprechenden Übergangsabschnitt auch auf der Ebene der Bilddaten zu definieren, so dass zwischen dem zentralen Bildabschnitt und dem peripheren Bildabschnitt ein Übergang bereitgestellt wird.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Bildverarbeitungseinheit dazu betreibbar, in den bearbeiteten Bildern einen Übergang zwischen dem peripheren Bildabschnitt und dem zentralen Bildabschnitt bereitzustellen. Somit ist ein Übergang zwischen Abschnitten des Bildes mit niedriger Auflösung und Abschnitten des Bildes mit höherer Auflösung möglich. Dies kann auch eine Übertragung zwischen unterschiedlich gestreckten/gestauchten Bildabschnitten beinhalten.
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In bestimmten Ausführungsformen ist es ein Ziel, den Übergangsbereich in den angezeigten Bildern kaum sichtbar zu halten.
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In bestimmten Ausführungsformen werden von der Bildverarbeitungseinheit ein Rahmen/Kasten oder andere Markierungen zur Unterscheidung des zentralen Bildabschnitts vom peripheren Abbildungsbereich bereitgestellt. Wenn folglich im angezeigten Bild ein Übergangsabschnitt deutlich präsent ist, können der Rahmen oder die Markierung auch präsent sein, um den Übergangsabschnitt von den anderen Abschnitten des Bildes zu unterscheiden. Dies ist auch für die Navigation und zur Erhaltung der Übersicht hilfreich.
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In bestimmten Ausführungsformen ist die Bildverarbeitungseinheit in der Lage, einen Rand und/oder einen Übergangsbereich zwischen dem peripheren Bildabschnitt und dem zentralen Bildabschnitt in den bearbeiteten Bildern hervorzuheben. Dies kann eine visuelle Hervorhebung in den angezeigten Bildern beinhalten.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Instrument als medizinisches Beobachtungsinstrument, insbesondere als Beobachtungsinstrument für chirurgische Behandlungen, ausgestaltet.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Beobachtungsvorrichtung, insbesondere eines endoskopischen Beobachtungssystems, bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellung eines Instruments, das einen Schaft mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende aufweist, einer am Schaft angeordneten Objektivoptik mit einem Sichtfeld, und eines bildgebenden Sensors zur Erfassung von Bilddaten, wobei der bildgebende Sensor eine Sensoranordnung bildet, die aus gleichmäßig verteilten sensitiven Elementen gebildet ist,
wobei die Objektivoptik dazu ausgebildet ist, eine Szene im Sichtfeld auf den bildgebenden Sensor zu projizieren,
wobei die Objektivoptik innerhalb des Sichtfeldes zumindest einen zentralen Abbildungsbereich und einen peripheren Abbildungsbereich definiert,
wobei die Objektivoptik unterschiedliche Brennweiten im zentralen Abbildungsbereich und im peripheren Abbildungsbereich aufweist,
wobei im zentralen Abbildungsbereich eine erste optische Abbildungsauflösung und im peripheren Abbildungsbereich eine zweite optische Abbildungsauflösung vorgesehen ist, wobei die erste Abbildungsauflösung größer als die zweite Abbildungsauflösung ist,
- - Erfassung von Bildern mit zumindest einem peripheren Bildabschnitt mit weitem Sichtfeld und zumindest einem zentralen Bildabschnitt mit erhöhter Auflösung, und
- - Verarbeitung der erfassten Bilder, umfassend ein digitales Zoomen des zentralen Bildabschnitts, wobei vorzugsweise eine Vergrößerung des zumindest einen peripheren Bildabschnitts mit weitem Sichtfeld beibehalten wird.
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In bestimmten Ausführungsformen ist das Verfahren dazu ausgebildet, eine Vorrichtung zu betreiben, die gemäß zumindest einer hierin offengelegten Ausführungsform der Beobachtungsvorrichtung ausgebildet ist.
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Das hierin vorgestellte Betriebsverfahren und die Beobachtungsvorrichtung können ähnliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen haben.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte gebrochene Seitenansicht eines endoskopischen Beobachtungsinstruments mit starrem Schaft, das einen Bestandteil einer Beobachtungsvorrichtung bildet;
- 2 eine vereinfachte Seitenansicht eines endoskopischen Beobachtungsinstruments mit flexiblem Schaft;
- 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform einer Beobachtungsvorrichtung für die multifokale Beobachtung darstellt;
- 4 ein beobachtetes Bild mit weitem Sichtfeld auf verschiedenen Ebenen der Beobachtung und Darstellung;
- 5 ein beobachtetes Bild mit weitem Sichtfeld und ein daraus resultierendes Anzeigebild;
- 6 Maßnahmen zur digitalen Bildverarbeitung, die auf das in 5 dargestellte Anzeigebild anwendbar sind;
- 7 ist eine vereinfachte Darstellung, die ein kreisförmiges Beobachtungsfeld und daraus resultierende Proportionen der Abbildungsbereiche veranschaulicht;
- 8 eine vereinfachte Darstellung, die ein rechteckiges Beobachtungsfeld mit einem umgebenden peripheren Abschnitt veranschaulicht;
- 9 eine Zuordnung beispielhafter Brennweiten-Eigenschaften zu Abschnitten eines beobachteten Feldes, über eine Breitenerstreckung des beobachteten Feldes;
- 10 eine frontale Ansicht einer Objektivoptik mit verschiedenen Brennweiten;
- 11 ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Beobachtungsvorrichtung mit multifokaler Funktionalität veranschaulicht;
- 12 ein Flussdiagramm, das ein Bildverarbeitungsverfahren veranschaulicht, das dazu betreibbar ist, unterschiedliche optische Vergrößerungen in den Bildern auszugleichen; und
- 13 ein Flussdiagramm, das ein Bildverarbeitungsverfahren veranschaulicht, mit dem Abschnitte eines dargestellten Bildes digital gezoomt werden können.
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Anhand von 1 wird eine beispielhafte Ausgestaltung einer Beobachtungsvorrichtung 10, insbesondere eines endoskopischen Beobachtungssystems, erläutert. Ergänzend wird auf 3 verwiesen, die ein entsprechendes schematisches, vereinfachtes Blockschaltbild zeigt.
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Die Beobachtungsvorrichtung 10 ist als medizinisches Beobachtungsvorrichtung für medizinische Prozeduren, wie chirurgische Eingriffe, diagnostische Verfahren usw., ausgestaltet. Die Beobachtungsvorrichtung 10 umfasst ein Instrument 12, insbesondere ein endoskopisches Instrument. Das Instrument 12 weist einen Schaft 14 mit einer Schaftachse 16 auf. Der Schaft 14 erstreckt sich zwischen einem proximalen Ende 18 und einem distalen Ende 20. Das distale Ende 20 wird zumindest in bestimmten Ausführungsformen durch künstliche oder natürliche Körperöffnungen in das Körperinnere des Patienten eingeführt. Es sind jedoch weitere Anwendungen vorgesehen, bei denen das Instrument 10 nicht unbedingt in den Körper eingeführt wird.
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Am oder angrenzend an das distale Ende 20 ist ein optisches System 24 vorgesehen. Zum Beispiel weist das optische System 24 eine Objektivoptik 26 mit zumindest einer Objektivlinse auf. Ferner ist zumindest in bestimmten Ausführungen ein Bildübertragungselement 28 vorgesehen. Das Bildübertragungselement 28 kann als Stablinse, Glasfasern usw. ausgestaltet sein. Es kann jedoch alternative Ausführungsformen des optischen Systems 24 geben, die kein Bildübertragungselement 28 verwenden, so dass Bilder so nahe wie möglich am distalen Ende 20 des Schafts 16 bereitgestellt und erfasst werden.
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In der beispielhaften Ausführungsform von 1 ist zusätzlich ein bildgebender Sensor 30 vorgesehen, der proximal des optischen Systems 24 angeordnet ist. Das optische System 24, insbesondere die Objektivoptik 26, ist also als Abbildungsoptik/Projektionsoptik ausgestaltet, um dem bildgebenden Sensor 30 ein Abbild eines beobachteten Sichtfeldes 34 bereitzustellen. Der Sensor 30 hat eine lichtempfindliche Abbildungsfläche 32, siehe 3.
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In bestimmten Ausführungsformen ist das Instrument 12 ein Instrument mit weitem Sichtfeld. Das heißt, ein Blickwinkel 36 ist relativ groß. Zum Beispiel liegt der Blickwinkel 36 zwischen 60°und 160° Daher beträgt der Blickwinkel 36 mindestens 60° In bestimmten Ausführungsformen ist der Blickwinkel 36 größer als 90° In bestimmten Ausführungsformen ist der Blickwinkel 36 größer als 120°. In 1 ist das Instrument 12 ein sogenanntes Instrument mit starrem Schaft. Das heißt, der Schaft 16 ist nicht flexibel/auslenkbar. Im Gegensatz dazu wird auf 2 verwiesen, die eine ähnliche Anordnung eines Instruments 212 zeigt, wobei jedoch das Instrument 212 als Instrument mit biegsamem Schaft ausgebildet ist. Im Allgemeinen kann bei einem Instrument mit biegsamem Schaft 212 ein relativ großer Blickwinkel bereitgestellt werden, der in der Regel sogar grösser ist als der Blickwinkel eines Instruments mit starrem Schaft 12. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen.
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In 1 ist die Blickrichtung des optischen Systems 24 parallel zur Achse 16 des Schafts 14. Daher ist auch eine Hauptachse der Objektivlinse des optischen Systems 24 parallel oder sogar deckungsgleich mit der Achse 16 des Schafts 14. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen. Es sind auch Instrumente mit Seitenblickfunktionalität bekannt. Bei einem Seitenblickinstrument ist die Hauptachse der Objektivlinse des optischen Systems gegenüber der Achse des Schaftes geneigt.
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Das Instrument 10 ist dazu ausgebildet, eine Szene oder Stelle 38 in einem relativ kleinen Arbeitsabstand oder Objektabstand 40 zu beobachten. Das heißt, in beispielhaften Ausführungsformen beträgt der Arbeitsabstand 40 weniger als 20 cm. Der Arbeitsabstand kann zum Beispiel zwischen 1 cm und 6 cm betragen, je nach dem konkreten Anwendungsfall. Da der Arbeitsabstand 40 relativ klein ist, ist ein weiter Blickwinkel 36 des Sichtfeldes 34 notwendig, um einen Überblick über die Szene zu erhalten. Da zudem in vielen Fällen bei einem medizinischen Eingriff neben dem Beobachtungsinstrument 10 weitere Instrumente eingesetzt werden, die ebenfalls vom Beobachtungsinstrument 10 beobachtet werden müssen, ermöglicht ein großer Blickwinkel 36 die Übersicht über zusätzliche Instrumente, die in die beobachtete Szene eingeführt werden.
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Als allgemeine Anforderung an die Beobachtungsinstrumente 10 ist der Durchmesser des Schaftes 16 zu minimieren, um die Exposition des Patienten so gering wie möglich zu halten. Daher beträgt der Schaftdurchmesser des Instruments 10 bei bestimmten Ausführungen weniger als 15 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, noch bevorzugter weniger als 10 mm. In einigen Fällen sind sogar noch kleinere Durchmesserwerte denkbar. Für den Einbauraum der Komponenten des optischen Systems 24 und des bildgebenden Sensor 30 gelten daher relativ strenge Randbedingungen.
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Wie weiter unten weiter erläutert wird, kann innerhalb des allgemein großen Sichtfeldes 34 mit einem weiten Winkel 36 ein enges Feld mit einem engen Winkel 42 definiert werden, siehe auch 3. Im engen Feld wird durch das optische System 24 eine größere optische Vergrößerung erreicht.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der bildgebende Sensor 30 am oder nahe dem distalen Ende des Schafts 16 angeordnet. Dies ist bei wesentlichen Ausführungsformen der Fall. Es kann jedoch alternative Ausführungsformen geben, bei denen der bildgebende Sensor 30 weiter proximal, d.h. am oder nahe dem proximalen Ende 18 oder noch weiter proximal angeordnet ist.
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In der beispielhaften Ausgestaltung gemäß 1 ist der Schaft 16 am proximalen Ende 18 mit einem Gehäuse 46 eines Instruments verbunden. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Gehäuse 46 auch einen Handhabungsteil, an dem ein Benutzer das Instrument 12 greifen und handhaben kann. Ein Lichtanschluss 48 ist mit dem Gehäuse 46 verbunden. In bestimmten Ausführungen bildet der Lichtanschluss 46 eine Schnittstelle, durch die das Beleuchtungslicht zum distalen Ende 18 und schließlich zur beobachteten Stelle 38 geleitet werden kann.
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Am Gehäuse 46 kann auch eine Schaltungsanordnung vorgesehen sein, vergleiche einen Block 50. Die Schaltungsanordnung 50 kann zur Steuerung der Funktionen des Instruments 12 vorgesehen sein. Am distalen Ende des Instrumentes 12 ist eine Schnittstelle 52 vorgesehen, über die Daten, insbesondere Bilddaten, an eine Steuervorrichtung 56 mit einer Bildverarbeitungseinheit 58 übertragen werden können, siehe 3. Die Steuervorrichtung 56 ist mit einer Anzeigeeinheit 62 gekoppelt. Die Anzeigeeinheit 62 kann als Monitor, am Kopf getragene Anzeige (Head Mounted Display) usw. gestaltet sein. Ferner können zur Steuerung des Betriebs der Beobachtungseinrichtung 10 und zur Steuerung der Steuereinrichtung 56 Bedienelemente 64 für den Benutzer vorgesehen sein. In beispielhaften Ausführungsformen können die Bedienelemente 64 zumindest eine Tastatur, eine Maus, Drehknöpfe, Schalter, Sprachsteuerung, Gestensteuerung usw. umfassen. Die Steuervorrichtung 56 kann über Kabel oder drahtlos mit einem von Instrument 12, Display 62 und den Steuerelementen 64 gekoppelt werden.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Beobachtungsinstruments mit flexiblem Schaft 212. Das Instrument 212 hat einen Schaft 214 mit einer zentralen Schaftachse 216. Der Schaft 214 erstreckt sich zwischen einem proximalen Ende 218 und einem distalen Ende 220. Zumindest ein Abschnitt 222 des Schaftes 214 ist flexibel, so dass das distale Ende 220 des Schaftes 214 auslenkbar ist. Daher hat das Instrument 212 eine variable Seitenblickfunktionalität. Am oder angrenzend an das distale Ende ist ein optisches System 224 vorgesehen. Die Ablenkbewegung des flexiblen Abschnitts 222 wird durch einen gekrümmten Doppelpfeil 232 angezeigt. Der Benutzer kann die Auslenkbewegung des flexiblen Abschnitts 222 über einen Steuermechanismus mit einem Steuerelement 234 steuern, das beispielsweise am Gehäuse 246 des Instruments angeordnet ist.
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Wie das in 1 dargestellte Instrument 12 weist auch das Instrument 212 einen am Gehäuse 212 vorgesehenen Lichtanschluss 248, eine Schaltungsanordnung 250 und eine Datenschnittstelle 252 zur Übertragung von Bilddaten auf. Ferner kann auch das Instrument 212 wie das Instrument 12 mit Objektiven und einem im Schaft 214 angeordneten Bildsensor versehen sein. Im Allgemeinen kann auch das Instrument 112, wie bereits oben besprochen, eine Weitfeldfunktionalität haben, wobei der weite Blickwinkel sogar größer als der in 1 dargestellte Winkel 36 sein kann.
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3 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine beispielhafte Konfiguration einer Beobachtungseinrichtung 10 mit einem Instrument 12 zeigt, wie bereits in Zusammenhang mit 1 beschrieben. Aus Veranschaulichungsgründen sind der Schaft und andere Strukturelemente des Instruments 12 in 3 nicht dargestellt.
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Das optische System 24 weist eine Objektivoptik 26 auf. Eine Abbildung der beobachteten Stelle 38 wird von der Objektivoptik 26 bereitgestellt und auf die sensitive Oberfläche 32 des Sensors 30 übertragen. In der beispielhaften Ausführungsform von 3 ist zwischen der Objektivoptik 26 und dem bildgebenden Sensor 30 ein als Stablinse angeordnetes Bildübertragungselement 28 vorgesehen. Es gibt aber auch Ausführungsformen, die kein Bildübertragungselement 28 benötigen, da der bildgebende Sensor 30 noch näher an der Objektivoptik 26 angeordnet ist.
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Der bildgebende Sensor 30 erfasst ein Bild und erzeugt Bilddaten, die in der Bildverarbeitungseinheit 58 der Steuervorrichtung 56 verarbeitet werden. Die Bilder der an der Stelle 38 beobachteten Szene können über die Anzeigeeinheit 62 angezeigt werden. Ferner sind Bedienelemente 64 für den Benutzer vorgesehen.
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Die Objektivoptik 26 ist in der Ausführungsform in 3 symmetrisch zu einer Hauptachse 68 des optischen Systems 24 dargestellt. Die Objektivoptik 26 weist zumindest eine Objektivlinse oder eine Gruppe von Objektivlinsen auf, die eine multifokales Abbildungsfunktionalität bereitstellen. Das heißt, verschiedene Abschnitte der betrachteten Seite 38 innerhalb des relativ großen Sichtfeldes 34 werden mit unterschiedlichen optischen Vergrößerungen auf den bildgebenden Sensor 30 übertragen.
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Beispielsweise ist innerhalb des Sichtfeldes 34 ein zentraler Abbildungsbereich 74 vorgesehen, dem eine erste Brennweite zugeordnet ist. Zusätzlich zu dem zentralen Abbildungsbereich 74 sind zwei periphere Abbildungsbereiche 76 vorgesehen, denen eine zweite Brennweite zugeordnet ist. Die erste Brennweite ist größer als die zweite Brennweite. In bestimmten Ausführungsformen ist die jeweilige Brennweite innerhalb der Bereiche 74, 76 relativ konstant. Allerdings können auch geringfügige Änderungen der Brennweite innerhalb des jeweiligen Bereichs akzeptabel sein. In jedem Fall gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen dem allgemeinen Bereich der Brennweite in dem zentralen Abbildungsbereich 74 und dem allgemeinen Bereich der Brennweite in dem peripheren Abbildungsbereich 76.
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Die unterschiedlichen optischen Vergrößerungen für den zentralen Abbildungsbereich 74 und den peripheren Abbildungsbereich 76, die vom optischen System 24 angewendet werden, haben zur Folge, dass der bildgebende Sensor 30 bei der Erfassung der Bilddaten eine unterschiedliche Auflösung (zum Beispiel Pixel pro Winkeleinheit) anwendet. Dies ist auch bei einem bildgebenden Sensor 30 der Fall, der eine gleichmäßige Verteilung der Pixel in der sensitiven Fläche 32 aufweist.
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4 ist ein Vergleich von Abbildungen der beobachteten Stelle 38, an der beobachtete Objekte 86, 88 vorhanden sind (oberer Abschnitt von 4), eines übertragenen Bildes der beobachteten Stelle 38, wie es von dem bildgebenden Sensor 30 gesehen wird, der ein Sensorarray 82 mit einer gleichmäßigen, festen Pixelverteilung aufweist (mittlerer Abschnitt von 4), und einer resultierenden Auflösung in erfassten Bilddaten 92, die das (wiederhergestellte) Bild der beobachteten Stelle 38 darstellen (unterer Abschnitt von 4).
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Der bildgebende Sensor 30 als eine konstante Verteilung der sensitiven Elemente (Pixel) im Sensorarray 82. Somit ist die Anzahl der Pixel pro Längen- oder Flächeneinheit der sensitiven Fläche 32 über die Erstreckung der Fläche 32 konstant.
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In der beobachteten Stelle 38 sind ein zentrales Element 86 und periphere Elemente 88 vorhanden. Ein Blick auf die peripheren Elemente 88 ist hilfreich für die allgemeine Navigation und Orientierung. Der für das medizinische Verfahren hauptsächlich interessierende Bereich ist jedoch das zentrale Element 86. Hier ist eine Detailansicht erwünscht.
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Aufgrund der multifokalen Eigenschaften der Objektivoptik werden unterschiedliche optische Vergrößerungen auf verschiedene Bereiche 74, 76 des übertragenen Bildes angewendet. Wie im mittleren Abschnitt von 4 zu sehen ist, weist der zentrale Abbildungsbereich 74 eine stärkere optische Vergrößerung auf als die peripheren Abbildungsbereiche 76, zumindest in ihrer Breitenerstreckung.
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In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass in 4 zu Illustrationszwecken optische Bildkompressions-/dehnungs-Maßnahmen nur in der Breitenabmessung des Bildes, wie sie vom Benutzer gesehen wird, angewendet werden. Ähnliche Maßnahmen können auch in der Höhendimension angewendet werden, wie weiter unten erörtert wird.
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Wie in 4 dargestellt, sind für die Erfassung des peripheren Abbildungsbereichs 76 weniger Pixel (in der Breitendimension) erforderlich als für den zentralen Abbildungsbereich 74. Dies ist auf die unterschiedlichen optischen Vergrößerungen zurückzuführen, die durch das optische System 24 angewendet werden. Da der Sensor 30 ein gleichmäßig verteiltes Sensorarray 82 aufweist, werden die peripheren Abbildungsbereiche 76 im Vergleich zum zentralen Abbildungsbereich 74 in einem komprimierten Zustand (verkleinerte Ansicht) erfasst. Im Gegensatz dazu ist der vom Sender 30 erfasste zentrale Abbildungsbereich 74 gegenüber den peripheren Abbildungsbereichen vergrößert.
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Zur Veranschaulichung ist im unteren Abschnitt von 4 eine Darstellung der erfassten Bilddaten 92 bereitgestellt, wobei ein zentraler Bildabschnitt 94, der den zentralen Abbildungsbereich 74 darstellt, und periphere Bildabschnitte 96, die die peripheren Abbildungsbereiche 76 darstellen, vorgesehen sind. Um den ursprünglichen Anteil der beobachteten Objekte 86, 88 in der Szene an der beobachteten Stelle 38 wiederherzustellen, werden die peripheren Bildabschnitte 96 erweitert (hochskaliert). Da jedoch eine andere Abbildungsauflösung auf die Abschnitte 94, 96 angewendet wurde, weisen die erweiterten (wiederhergestellten) peripheren Bildabschnitte 96 weniger detaillierte Informationen auf als der zentrale Bildabschnitt 94 auf.
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der untere Abschnitt von 4, der die nicht konstante Auflösung der Bilddaten 92 (relativ zu ihren ursprünglichen Proportionen an der beobachteten Stelle 38) zeigt, nicht unbedingt das primäre Ziel für die Bilddarstellung hinsichtlich der wiederhergestellten Proportion ist. Das heißt, es wird in vielen Fällen akzeptiert, dass die peripheren Bildabschnitte 96 in einem komprimierten Zustand dargestellt werden, da dies ausreicht, um einen Überblick über das große Sichtfeld zu geben. Im Gegenzug steht der auf diese Weise eingesparte Anzeigebereich für eine detailliertere Darstellung des zentralen Bildabschnitts 94 zur Verfügung.
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Wenn es jedoch in einem einheitlichen Bildanzeigemodus gewünscht ist, die ursprünglichen Proportionen der Objekte 86, 88 in der beobachteten Szene an der Stelle 38 beizubehalten oder wiederherzustellen, kann das angezeigte Bild schließlich dem unteren Abschnitt von 4 (Referenznummer 92) entsprechen, auch in Bezug auf die Proportionen der beobachteten Objekte 86, 88.
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5 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung einer beobachteten Szene an der beobachteten Stelle 38, wobei das vom optischen System übertragene Bild einen zentralen Abbildungsbereich 74 und angrenzende, periphere Abbildungsbereiche 76 aufweist. In der beobachteten Szene sind zusätzliche Instrumente 100 vorhanden. Die Instrumente 100 werden über die peripheren Abbildungsbereiche 76 in den zentralen Abbildungsbereich 74 eingeführt.
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Referenznummer 104 illustriert einen Anzeigemodus, bei dem der zentrale Bildabschnitt 94 in einem vergrößerten Zustand und die peripheren Bildabschnitte 96 in einem komprimierten Zustand dargestellt werden. Das heißt, der Unterschied in der optischen Vergrößerung des zentralen Abbildungsbereichs 74 und des peripheren Abbildungsbereichs 76 wird im angezeigten Bild im Wesentlichen beibehalten. Daher kann der Anzeigemodus 104 als nicht-einheitlicher Anzeigemodus bezeichnet werden. Der Anzeigemodus 104 stellt einen Kompromiss zwischen großen Blickwinkeln und ausreichenden Details im zentralen Bildbereich 94 dar. Es versteht sich, dass die zusätzlichen Instrumente 100 in den peripheren Bildabschnitten in einem etwas verzerrten Zustand dargestellt werden. Eine allgemeine Übersicht und auch das Navigieren sind jedoch weiterhin möglich.
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Basierend auf dem bereits in 5 erläuterten Anzeigemodus 104 wird in 6 ein zusätzlicher Anzeigemodus 110 dargestellt, bei dem der zentrale Bildbereich 94 teilweise vergrößert ist. Im oberen Teil von 6 zeigt das Bezugszeichen 108 eine ausgewählte Vergrößerungszone im zentralen Bildausschnitt 94 an. Der Benutzer kann die Zone 108 für das digitale Zoomen auswählen. Im resultierenden Anzeigemodus 110 wird der gewählte Vergrößerungsbereich 108 vergrößert und deckt im Wesentlichen den gesamten Anzeigebereich ab, der zuvor vom zentralen Bildabschnitt 94 abgedeckt wurde.
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In der in 6 beispielhaft dargestellten Ausführungsform werden die peripheren Bildabschnitte 96 auch im Darstellungsmodus 110 beibehalten und bewahrt. Der Anzeigemodus 110 ist ein uneinheitlicher Anzeigemodus, da im angezeigten Bild für jeden der Bildabschnitte 94, 96 unterschiedliche Vergrößerungen vorhanden sind, die auf selektive optische Vergrößerung und selektive digitale Vergrößerung (Digitalzoom) zurückzuführen sind.
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Im beispielhaften Anzeigemodus 110 wird ein Randabschnitt des zentralen Bildabschnitts 94 aus dem angezeigten Bild entfernt. Das heißt, zwischen dem Rest des zentralen Bildabschnitts 94 und den peripheren Bildabschnitten 96 sind blinde Abschnitte vorhanden, die nicht angezeigt werden. Die in den peripheren Bildabschnitten 96 enthaltenen Bildinformationen sind jedoch weiterhin vorhanden, so dass ein Überblick über die beobachtete Szene möglich ist.
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7 veranschaulicht, dass neben der rechteckigen Definition der Abbildungsbereiche, denen unterschiedliche Brennweiten zugeordnet sind, auch kreisförmige Anordnungen vorhanden sein können. Es versteht sich, dass viele optische Systeme rotationssymmetrisch in Bezug auf eine optische Hauptachse gestaltet sind. In vielen Fällen ist der Abbildungssensor jedoch rechteckig, so dass Randabschnitte des vom optischen System übertragenen Bildes vom Abbildungssensor ohnehin ignoriert werden.
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Im oberen Abschnitt von 7 bezeichnet die Referenznummer 116 ein kreisförmiges Sichtfeld. Im Sichtfeld 116 sind ein kreisförmiger zentraler Abbildungsbereich 118 und ein ringförmiger peripherer Abbildungsbereich 120 vorhanden. Wie bei den vorstehenden Ausführungen ist das optische System spezifisch derart ausgelegt, dass im zentralen Abbildungsbereich 118 eine größere Brennweite als im peripheren Abbildungsbereich 120 vorhanden ist. Daher werden unterschiedliche optische Vergrößerungen auf das von dem jeweiligen optischen System übertragene Bild angewendet.
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Im mittleren Abschnitt von 7 illustriert die Referenznummer 124 die Bilddaten entsprechend dem Anteil des Bildes, der von einem optischen System übertragen wird, das auf dem kreisförmigen Sichtfeld 116 mit einem zentralen Abbildungsbereich 118 und einem peripheren Abbildungsbereich 120 basiert. In den Bilddaten 124 sind ein zentraler Bildabschnitt 126 und ein peripherer Bildabschnitt 128, der den zentralen Bildabschnitt 126 umgibt, vorhanden. Verglichen mit dem Anteil des zentralen Abbildungsbereichs 118 und des peripheren Abbildungsbereichs 120 im kreisförmigen Sichtfeld 116 ist der zentrale Bildabschnitt 126 aufgrund der größeren optischen Vergrößerung vergrößert, während der Bildabschnitt 128 aufgrund der kleineren optischen Vergrößerung verkleinert ist. Daher werden weniger Pixel pro Flächeneinheit/Winkeleinheit für die Abbildung des peripheren Abbildungsbereichs 120 verwendet.
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Im unteren Abschnitt von 7 illustriert die Referenznummer 132 einen möglichen Anzeigemodus, bei dem der zentrale Bildabschnitt 126 und/oder der periphere Bildabschnitt 128 so bearbeitet werden, dass das angezeigte Bild hinsichtlich des Verhältnisses des zentralen Bildabschnitts 126 und des peripheren Bildabschnitts 128 dem ursprünglichen Sichtfeld 116 entspricht. Das heißt, der periphere Bildabschnitt kann hochskaliert werden (künstliche Erhöhung der Auflösung), während der zentrale Bildabschnitt 126 herunterskaliert werden kann (Verringerung der Bildauflösung). Andere Anzeigemodi als der einheitliche Bilddarstellungsmodus 132 sind denkbar.
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8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Konfiguration eines Sichtfeldes 140. Das Sichtfeld 140 ist rechteckig, während ein zentraler Abbildungsbereich 142, der ebenfalls eine rechteckige Form hat, und periphere Abbildungsbereiche 144, 146, 148, 150 vorhanden sind. Das heißt, der zentrale Abbildungsbereich 142 ist von den peripheren Abbildungsbereichen 144, 146, 148, 150 auch an der Ober- und Unterseite umgeben. Wie bei den anderen hier vorgestellten Ausführungsformen kann es mehrere Darstellungsmodi geben, in denen die aus den jeweiligen Zonen (mit unterschiedlicher optischer Vergrößerung) gewonnenen Bilddaten selektiv bearbeitet werden.
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9 zeigt beispielhafte Ausführungsformen, die nicht nur einen zentralen Abbildungsbereich 162 und periphere Abbildungsbereiche 164, sondern auch einen dazwischenliegenden Übergangs-Abbildungsbereich 166 nutzen. Auf diese Weise können in der Praxis die Anforderungen an das Design optischer Linsen vereinfacht werden. Im Allgemeinen ist gewünscht, eine erste Brennweite im peripheren Abbildungsbereich 164 und eine zweite Brennweite im zentralen Abbildungsbereich 162 zu haben. Innerhalb jedes der beiden Abbildungsbereiche 162, 164 sollte die Brennweite, zumindest in bestimmten Ausführungsformen, grundsätzlich konstant sein. In der Praxis gibt es jedoch Grenzen für optische Linsendesigns. So würde beispielsweise eine erste, konstante Brennweite in einem ersten Bereich und eine zweite, konstante Brennweite in einem zweiten Bereich zu einem grundsätzlich unstetigen, abrupten Übergang führen, vorausgesetzt, es ist erforderlich, dass sich die Bereiche ohne Zwischenbereich direkt berühren.
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Ergänzend werden in 9 zwei beispielhafte Brennweitenverteilungen der Objektivoptik über das Sichtfeld am Beobachtungsort erläutert. Aus Veranschaulichungsgründen sind zwei alternative Ansätze in jeweiligen Koordinatensystemen dargestellt. Die Achse 172 bezeichnet in jedem Koordinatensystem eine entsprechende Dimension/Erstreckung der jeweiligen Objektivlinse der Objektivoptik (beispielsweise die Breitenerstreckung in der in 9 dargestellten Ausführungsform). Die Achse 174 bezeichnet die Brennweite an einer jeweiligen (Breiten-)Position. Im zentralen Abbildungsbereich 162 ist eine im Wesentlichen konstante Brennweite 176 vorgesehen. Im peripheren Abbildungsbereich 164 ist eine im Wesentlichen Brennweite 178 vorgesehen. Die Brennweite 176 ist größer als die Brennweite 178. In dem dazwischenliegenden Übergangs-Abbildungsbereich 166 ist ein Übergang 180 zwischen den unterschiedlichen Brennweiten 176, 178 vorgesehen. Der Übergang 180 ist grundsätzlich linear, so dass relativ scharfe Wenden zwischen den drei linearen Abschnitten 176, 178 und 180 vorhanden sind.
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In der alternativen beispielhaften Form der Brennweitenkurve, die im unteren Abschnitt von 9 dargestellt ist, ist ein glatter Übergang 182 zwischen den grundsätzlich linearen Brennweitenabschnitten 176 und 178 vorgesehen. Der glatte Übergang kann dazu ausgebildet sein, einen tangentialen Übergang zwischen den im Wesentlichen konstanten, aber unterschiedlichen Brennweiten im zentralen Abbildungsbereich 162 und dem peripheren Abbildungsbereich 164 bereitzustellen. Dadurch können scharfe Wenden vermieden werden, was die Auslegung und Herstellung der Objektivoptik vereinfachen kann.
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10 zeigt ein kreisrundes Sichtfeld 188, siehe auch die in 7 dargestellte Ausführungsform. Wie bei der Ausführungsform eines rechteckigen Sichtfeldes in 9 kann auch für das kreisförmige Sichtfeld188 zusätzlich zu einem zentralen Abbildungsbereich 190 und einem umgebenden peripheren Abbildungsbereich 192 ein Übergangs-Abbildungsbereich 194 vorgesehen werden. Eine radiale Verteilung der jeweiligen Brennweite in den Bereichen 190, 192, 194 kann grundsätzlich den beiden beispielhaften Brennweitenkurven (in Bezug auf die Breite eines rechteckigen Beobachtungsortes) entsprechen, so dass ein grundsätzlich steiler, linearer Übergang mit scharfen Wenden oder ein grundsätzlich glatter, tangentialer Übergang gegeben ist.
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11 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb einer Beobachtungsvorrichtung darstellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, der sich auf die Bereitstellung eines Instruments, insbesondere eines endoskopischen Instruments bezieht, das mit einer Objektivoptik versehen ist, die einen zentralen Abbildungsbereich und einen peripheren Abbildungsbereich definiert, wobei im zentralen Abbildungsbereich und im peripheren Abbildungsbereich unterschiedliche Brennweiten bereitgestellt werden. Die Brennweite im zentralen Abbildungsbereich ist größer als die Brennweite im peripheren Abbildungsbereich. Die Objektivoptik (optisches System) stellt einem sensitiven Bereich eines Abbildungssensors ein Bild der beobachteten Szene bereit. Der Abbildungssensor hat eine gleichmäßige Pixelverteilung über die gesamte Sensorfläche.
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In einem weiteren Schritt S12 wird eine Szene, zum Beispiel eine Operationsstelle, mit dem endoskopischen Instrument beobachtet. Da das Instrument vorzugsweise mit einer Weitfeldfähigkeit ausgestattet ist, ist ein ausreichend großes Sichtfeld möglich.
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Das von dem optischen System (Objektivoptik) bereitgestellte Bild wird in zwei parallelen Schritten S14 und S16 erfasst. Schritt S14 bezieht sich auf die Bildaufnahme in einem zentralen Bereich, während der Schritt S16 sich auf die Bildaufnahme in einem peripheren Bereich bezieht. Das heißt, über einen Bildsensor mit einer gleichmäßig verteilten Sensoranordnung können zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlicher optischer Vergrößerung erfasst werden. Mit anderen Worten, aufgrund des Designs des Bildsensors und des Designs des optischen Systems ist die Abbildungsauflösung (Pixel pro Winkeleinheit) für den zentralen Abschnitt größer als für den peripheren Abschnitt.
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Im Anschluss an Schritt S14 ist ein Verarbeitungsschritt S18 vorgesehen. Schritt S18 kann digitales Zoomen (Hochskalieren, Herunterskalieren), Bilddehnen oder Bildkomprimieren (eindimensional oder zweidimensional) und weitere Maßnahmen umfassen. Im Anschluss an Schritt S16 ist ein Verarbeitungsschritt S20 vorgesehen. Schritt S20 kann digitales Zoomen (Hochskalieren, Herunterskalieren), Bilddehnung oder Bildkomprimierung (eindimensional oder zweidimensional) und weitere Maßnahmen umfassen. Da beide Abschnitte eine unterschiedliche optische Vergrößerung haben, können die Verarbeitungsschritte S18 und S20 das Ziel haben, den optischen Vergrößerungsunterschied zu kompensieren, so dass die vom Benutzer wahrgenommene angezeigte Vergrößerung für beide Abschnitte gleich ist.
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Es versteht sich, dass nicht in jedem Anzeigemodus sowohl der periphere Abschnitt als auch der zentrale Abschnitt bearbeitet werden. Zum Beispiel kann der Schritt S18 auch ein isoliertes digitales Zoomen des zentralen Abschnitts beinhalten, um die erhöhte Auflösung in diesem Abschnitt zu nutzen. Zumindest einer der Schritte S18, S20 kann also in einigen Betriebsmodi-/Anzeigemodi optional sein.
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In einem weiteren Schritt S22 werden bearbeitete Bilddaten, die den zentralen Abschnitt und den peripheren Abschnitt darstellen, für die gleichzeitige Darstellung auf einem Display kombiniert. Dabei bleibt die Weitfeldcharakteristik erhalten, so dass eine Übersicht möglich ist, während im zentralen Abschnitt die erhöhte Auflösung genutzt werden kann.
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12 ist ein Flussdiagramm, das Datenverarbeitungsmaßnahmen veranschaulicht, die auf Bilddaten angewendet werden, die von einem Bildsensor mit gleichmäßig verteilten Pixeln erfasst werden, der Bildaufnehmer aufnimmt, die durch ein optisches System mit nicht konstanten Brennweiten bereitgestellt werden.
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In einem Schritt S50 werden Bilddaten bereitgestellt, wobei die Bilddaten verschiedene Bildabschnitte mit unterschiedlicher optischer Vergrößerung darstellen, die in den Schritten S52 und S54 extrahiert werden. Insbesondere in der abgebildeten Ausführungsform haben die Bilder einen zentralen Abschnitt (Schritt S52) und einen peripheren Abschnitt (Schritt S54). Die optische Vergrößerung im zentralen Abschnitt ist größer als die optische Vergrößerung im peripheren Abschnitt.
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Im Anschluss an den Schritt S52 kann in einem Schritt S56 eine digitale Vergrößerung (Vergrößern oder Verkleinern) auf den zentralen Bildbereich angewendet werden. Im Anschluss an den Schritt S54 kann in einem Schritt S58 eine digitale Vergrößerung (Vergrößern oder Verkleinern) auf den peripheren Bildbereich angewendet werden.
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Zumindest ein Anzeigemodus (einheitlicher Bildanzeigemodus) wird in zumindest einem der Schritte S56, S58 digitales Zoomen angewendet, um die Unterschiede in der optischen Vergrößerung zwischen den beiden Abschnitten auszugleichen. Die Daten werden dann in einem Schritt S60 für die Anzeige kombiniert. Daher ist es im einheitlichen Bildanzeigemodus möglich, ein einheitliches Bild mit einer, vom Betrachter wahrgenommenen, konstanten resultierenden Vergrößerung zu präsentieren.
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13 ist ein weiteres Flussdiagramm, das Datenverarbeitungsmaßnahmen veranschaulicht, die auf Bilddaten angewendet werden, die von einem Bildsensor mit gleichmäßig verteilten Pixeln erfasst werden, der Bilder aufnimmt, die durch ein optisches System mit nicht konstanten Brennweiten bereitgestellt werden.
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In einem Schritt S80 werden Bilddaten bereitgestellt, wobei die Bilddaten verschiedene Bildabschnitte mit unterschiedlicher optischer Vergrößerung darstellen, die in den Schritten S82 und S84 extrahiert werden. Insbesondere in der abgebildeten Ausführungsform haben die Bilder einen zentralen Abschnitt (Schritt S82) und einen peripheren Abschnitt (Schritt S84).
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Im zentralen Bereich wird eine höhere Bildauflösung als im peripheren Bereich bereitgestellt. Das heißt, der zentrale Abschnitt kann in einem Schritt S86 individuell vergrößert (eingezoomt) werden, um weitere Details zu erhalten. Durch digitales Zoomen wird der zentrale Abschnitt vergrößert. Da auch der periphere Abschnitt vorhanden ist, kann ein Randbereich des zentralen Abschnitts, der in einer festen Einstellung nicht mehr dargestellt werden kann, entfernt werden. Dies würde dazu führen, dass ein kombiniertes Bild eine blinde Lücke zwischen dem zentralen Abschnitt und dem peripheren Abschnitt aufweist. Es kann andere Maßnahmen geben, um einen Übergang zwischen dem zusätzlich vergrößerten zentralen Abschnitt und dem peripheren Bereich zu schaffen.
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Daraufhin werden in einem Schritt S88 die Daten, die die beiden Abschnitte repräsentieren, für die gleichzeitige Anzeige in einem uneinheitlichen Bildanzeigemodus kombiniert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6844990 B2 [0010, 0019]
