DE102022121505A1 - Method, computer program and data processing unit for preparing the observation of a fluorescence intensity, method for observing a fluorescence intensity and optical observation system - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt (3), das sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objektbereiche (3A-H) umfasst, zur Verfügung gestellt, wobei die Beobachtung mit einem optischen Beobachtungssystem (100) erfolgen soll, mit dem sich Fluoreszenzstrahlung beobachten lässt, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:- Ermitteln des Parameterwertes wenigstens eines die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters, und- Simulieren der für die jeweiligen Objektbereiche (3A-H) zu erwartenden Fluoreszenzintensität auf der Basis des ermittelten Parameterwertes des wenigstens einen Parameters und eines Modells für den Einfluss des wenigstens einen Parameters auf die Fluoreszenzintensität.Im Rahmen der Simulation und eine Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes vorgegeben wird und anhand der Simulation wird für jeden Objektbereich (3A-H) die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt.Darüber hinaus werden ein Computerprogramm, ein computerimplementiertes Verfahren, eine Datenverarbeitungseinheit (6) und ein optisches Beobachtungssystem (100) zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt (3) zur Verfügung gestellt.A method is provided for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye in an observation object (3), which comprises object regions (3A-H) that differ from one another in their depth and/or orientation, wherein the observation is carried out with a optical observation system (100) should be carried out, with which fluorescence radiation can be observed, provided that it has a certain minimum intensity. The method comprises the steps: - determining the parameter value of at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity, and - simulating the fluorescence intensity to be expected for the respective object areas (3A-H) on the basis of the determined parameter value of the at least one parameter and a model for the Influence of the at least one parameter on the fluorescence intensity. As part of the simulation, a minimum concentration of the fluorescent dye is specified and the simulation is used to determine the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration for each object area (3A-H). In addition, a computer program, a computer-implemented one, is used Method, a data processing unit (6) and an optical observation system (100) for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye in an observation object (3) are provided.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt sowie ein Verfahren zum Beobachten einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Beobachtungssystem. Darüber hinaus werden ein Computerprogramm, ein computerimplementiertes Verfahren und eine Datenverarbeitungseinheit zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt zur Verfügung gestellt.The present invention relates to a method for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye in an observation object and a method for observing a fluorescence intensity of fluorescence radiation. The invention also relates to an optical observation system. In addition, a computer program, a computer-implemented method and a data processing unit are provided for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye in an observation object.
In modernen optischen Beobachtungssystemen, die optischen Beobachtungsgeräte wie beispielsweise Operationsmikroskope und Endoskopen umfassen können, lassen sich diverse Fluoreszenzoptionen integrieren, die eine Beobachtung von Fluoreszenz ermöglichen. Falls eine Fluoreszenzmessung erfolgen soll, beruhen diese häufig auf rein auf dem Farbeindruck und der wahrgenommenen Helligkeit bei der Beobachtung mit dem Auge. Dieser Farbeindruck und die Helligkeit sind jedoch sehr stark von den verschiedensten Parametern bei der Aufnahme abhängig, was keine zuverlässige quantitative Messung ermöglicht. Um Fluoreszenzmessungen besser vergleichbar zu machen, existieren daher Empfehlungen, den Arbeitsabstand und die Beleuchtungshelligkeit auf einen bestimmten Wert einzustellen.In modern optical observation systems, which can include optical observation devices such as surgical microscopes and endoscopes, various fluorescence options can be integrated that enable observation of fluorescence. If a fluorescence measurement is to be carried out, this is often based purely on the color impression and the perceived brightness when observed with the eye. However, this color impression and brightness are very dependent on the various parameters during the recording, which does not allow for reliable quantitative measurement. In order to make fluorescence measurements easier to compare, there are recommendations to set the working distance and the illumination brightness to a specific value.
Beispielsweise Fluoreszenzaufnahmen während Neuro-OPs hängen von einer Vielzahl von Parametern ab, die die wahrnehmbare Fluoreszenzintensität beeinflussen. Dabei ist es oftmals nötig, Parameter wie etwa den Arbeitsabstand, die Zoomstellung, etc. während der Neuro-OP immer mal wieder zu verändern. Bei jeder Veränderung ändert sich aber auch die beobachtete bzw. gemessene Fluoreszenzintensität. Das führt dazu, dass ein durch einen Fluoreszenzfarbstoff markierter Tumor einmal heller und einmal dunkler leuchtet, je nach dem aktuellen Parametersatz. Da aber zumindest bei manchen Fluoreszenzmethoden die Leuchtstärke der Fluoreszenz in die Diagnosestellung eingeht, wird eine Vergleichbarkeit zwischen mehreren Fluoreszenzmessungen in unterschiedlichen OP-Situationen, von unterschiedlichen Benutzern und in unterschiedlichen Kliniken angestrebt. Insbesondere werden zudem quantitative Verfahren zur Fluoreszenzmessung angestrebt.For example, fluorescence images during neuro-surgery depend on a variety of parameters that influence the perceptible fluorescence intensity. It is often necessary to change parameters such as the working distance, the zoom position, etc. from time to time during the neuro-surgery. With every change, the observed or measured fluorescence intensity also changes. This means that a tumor marked with a fluorescent dye sometimes shines brighter and sometimes darker, depending on the current set of parameters. However, since at least in some fluorescence methods the luminosity of the fluorescence is included in the diagnosis, the aim is to achieve comparability between several fluorescence measurements in different surgical situations, by different users and in different clinics. In particular, quantitative methods for fluorescence measurement are also sought.
Mit Kontaktmessungen an Gewebepunkten sind quantitative Messungen möglich, allerdings sind solche punktförmigen Messungen mit handgehaltenen Kontaktgeräten nicht praktikabel, um die Fluoreszenz in einem größeren Gebiet oder gar Live während der Resektion zu visualisieren. Derartige Kontakmessungen sind bspw. in Quantitative fluorescence in intracranial tumor: implications for ALA-induced PpIX as an intraoperative biomarker", Roberts et al, Neurosurg. 2011 July ; 115(1): 11-17. doi:10.3171/2011.2.JNS101451.beschriebenQuantitative measurements are possible with contact measurements at tissue points, but such point measurements with hand-held contact devices are not practical for visualizing fluorescence in a larger area or even live during resection. Such contact measurements are, for example, in Quantitative fluorescence in intracranial tumor: implications for ALA-induced PpIX as an intraoperative biomarker", Roberts et al, Neurosurg. 2011 July ; 115(1): 11-17. doi:10.3171/2011.2.JNS101451. described
Die
In
Zwar sind bspw. mit dem in
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Datenverarbeitungseinheit zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung sowie ein Verfahren zum Beobachten einer Fluoreszenzintensität und ein optisches Beobachtungssystem zur Verfügung zu stellen, mit denen die Wahrscheinlichkeit eines Fehlschlages bei einer Fluoreszenzmessung vermindert werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a method, a computer program and a data processing unit for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation and to provide a method for observing fluorescence intensity and an optical observation system with which the probability of failure in a fluorescence measurement can be reduced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zum Beobachten einer Fluoreszenzintensität nach Anspruch 11, durch ein optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 12, durch ein computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 20, durch ein Computerprogramm nach Anspruch 21 sowie eine Datenverarbeitungseinheit nach Anspruch 22 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved according to the invention by a method for preparing the observation of a fluorescence intensity according to claim 1, by a method for observing a fluorescence intensity according to
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt zur Verfügung gestellt. Das Beobachtungsobjekt, das auch ein interessierender Bereich eines größeren Objektes sein kann, weist sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objektbereiche auf. Die Beobachtung der Fluoreszenzintensität soll mit einem optischen Beobachtungssystem erfolgen, mit dem sich Fluoreszenzstrahlung beobachten lässt, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist. Die Mindestintensität kann dabei durch die Empfindlichkeit eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors festgelegt sein. Der Bildsensor kann bspw. Teil eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten optischen Beobachtungsgeräts wie etwa einer Kamera, eines Operationsmikroskops, eines Endoskops, etc. sein. Aber auch im Falle einer rein visuellen Beobachtung der Fluoreszenz mit dem verwendeten optischen Beobachtungsgerät muss eine gewisse Mindestintensität der Fluoreszenzstrahlung erzielt werden, damit das Auge sie wahrnehmen kann. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Ermitteln des Parameterwertes wenigstens eines die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters. Das Ermitteln des Parameterwertes kann dabei bspw. durch Erfassen des Parameterwertes mittels eines geeigneten Sensors oder durch Abrufen des Parameterwertes aus einer Steuerung erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Parameterwert zu ermitteln, indem er anhand eines Modells aus wenigstens einem anderen erfassten oder abgerufenen Parameterwert berechnet wird.
- - Simulieren der für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität auf der Basis des ermittelten Parameterwertes des wenigstens einen Parameters und eines Modells für den Einfluss des wenigstens einen Parameters auf die Fluoreszenzintensität.
- - Determining the parameter value of at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity. The parameter value can be determined, for example, by detecting the parameter value using a suitable sensor or by retrieving the parameter value from a controller. However, it is also possible to determine the parameter value by calculating it using a model from at least one other recorded or retrieved parameter value.
- - Simulating the fluorescence intensity expected for the respective object areas on the basis of the determined parameter value of the at least one parameter and a model for the influence of the at least one parameter on the fluorescence intensity.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Rahmen der Simulation eine Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes vorgegeben wird und anhand der Simulation für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt wird.The method according to the invention is characterized in that a minimum concentration of the fluorescent dye is specified as part of the simulation and the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration is determined for each object area on the basis of the simulation.
Anhand der Simulation des mit den ermittelten Parameterwerten für die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes zu erwartende Fluoreszenzintensität lässt sich vorab ermitteln, welche Bereiche des Beobachtungsobjekts mit den aktuell eingestellten Parametern das Detektieren der Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ermöglichen. Die kann genutzt werden, um zu überprüfen ob die ermittelte zu erwartende Fluoreszenzintensität ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden zu können. Durch das Überprüfen kann verhindert werden, dass Fluoreszenzmarkierung vorgenommen werden, die in den interessierenden Bereichen des Beobachtungsobjekts die Detektion der Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes gar nicht ermöglichen. Ein Zeitverlust durch nicht zielführende Fluoreszenzmessungen während einer Operation können dadurch vermieden werden. Um eine nicht zielführende Fluoreszenzmessung zu verhindern, kann bspw. eine optische und/oder akustische Warnung ausgegeben werden, wenn eine Überprüfung ergibt, dass nicht in jedem Objektbereich die für die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ermittelte zu erwartende Fluoreszenzintensität ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden zu können.Based on the simulation of the fluorescence intensity to be expected with the determined parameter values for the minimum concentration of the fluorescent dye, it is possible to determine in advance which areas of the observation object make it possible to detect the minimum concentration of the fluorescent dye with the currently set parameters. This can be used to check whether the expected fluorescence intensity determined is sufficient to be detected by the optical observation system with the given sensitivity. By checking, it is possible to prevent fluorescence marking from being carried out which does not allow the minimum concentration of the fluorescent dye to be detected in the areas of interest of the observation object. Loss of time due to inappropriate fluorescence measurements during an operation can thus be avoided. In order to prevent an ineffective fluorescence measurement, an optical and/or acoustic warning can be issued, for example, if a check shows that the expected fluorescence intensity determined for the minimum concentration of the fluorescent dye is not sufficient in every object area to match the given sensitivity of the optical Observation system can be detected by this.
Vorteilhafterweise kann eine grafische Darstellung generiert werden, die anzeigt, in welchen Objektbereichen die für die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ermittelte zu erwartende Fluoreszenzintensität ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden zu können. Der Nutzer wird dadurch in die Lage versetzt, u entscheiden, ob in den für Ihn relevanten Objektbereichen die für die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ermittelte zu erwartende Fluoreszenzintensität ausreicht, um die Fluoreszenzbeobachtung zielführend ausführen zu können.Advantageously, a graphical representation can be generated which shows in which object areas the expected fluorescence intensity determined for the minimum concentration of the fluorescent dye is sufficient to be able to be detected by the optical observation system with the given sensitivity. This enables the user to decide whether the expected fluorescence intensity determined for the minimum concentration of the fluorescent dye in the object areas relevant to him is sufficient to be able to carry out the fluorescence observation in a targeted manner.
Zudem bietet das Verfahren auch die Möglichkeit, anhand der Simulation einen verbesserten Parameterwert, insbesondere einen optimierten Parameterwert, für den wenigstens einen Parameter derart zu ermitteln, dass die mit dem optimierten Parameterwert für die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes simulierte zu erwartende Fluoreszenzintensität in möglichst vielen Objektbereichen, insbesondere möglichst in allen Objektbereichen, ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden. Der verbesserte oder optimierte Parameterwert für den wenigstens einen Parameter kann dann bspw. zur manuellen Einstellung angezeigt werden oder an eine automatische Einstelleinheit ausgegeben werden, die den. aktuellen Parameterwert des wenigstens einen Parameters automatisiert auf den verbesserten oder optimierten Parameterwert eingestellt. Auf diese Weise kann der Anteil an nicht zielführenden Fluoreszenzmessungen auf diejenigen Fluoreszenzmessungen verringert werden, bei denen eine Verbesserung des Parameterwertes des wenigstens einen Parameterwertes nicht möglich ist.In addition, the method also offers the possibility of using the simulation to determine an improved parameter value, in particular an optimized parameter value, for the at least one parameter in such a way that the expected fluorescence intensity simulated with the optimized parameter value for the minimum concentration of the fluorescent dye is in as many object areas as possible, in particular If possible in all object areas, is sufficient to be detected by the optical observation system with the given sensitivity. The improved or optimized parameter value for the at least one parameter can then, for example, be displayed for manual setting or output to an automatic setting unit that. current parameter value of the at least one parameter is automatically set to the improved or optimized parameter value. In this way, the proportion of non-effective fluorescence measurements can be reduced to those fluorescence measurements in which an improvement of the parameter value of the at least one parameter value is not possible.
Im Rahmen der Simulation kann insbesondere eine Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und/oder eine Information über die Orientierung der Objektbereiche Verwendung finden. Die genannte Information bzw. die genannten Informationen können bspw. in Form eines 3D-Modells des Beobachtungsobjekts, in Form einer Tiefenkarte des Beobachtungsobjekts, etc. vorliegen. Diese Informationen ermöglichen es, im Rahmen der Simulation die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität vom Abstand des Beleuchtungssystems und/oder des optischen Beobachtungssystems von den jeweiligen Objektbereichen und/oder der Orientierung des Beleuchtungssystems und/oder des optischen Beobachtungssystems in Bezug auf die jeweiligen Objektbereiche zu berücksichtigen. Insbesondere wird auch eine Berücksichtigung von Abschattungseffekten möglich.As part of the simulation, in particular information about the depth distribution of the object areas and/or information about the orientation of the object areas can be used. The information mentioned can be present, for example, in the form of a 3D model of the observation object, in the form of a depth map of the observation object, etc. This information makes it possible, within the framework of the simulation, to take into account the dependence of the fluorescence intensity on the distance of the lighting system and/or the optical observation system from the respective object areas and/or the orientation of the lighting system and/or the optical observation system with respect to the respective object areas. In particular, it is also possible to take shading effects into account.
Als der wenigstens eine Parameterwert kann wenigstens der Parameterwert eines der folgenden Parameter ermittelt und in der Simulation berücksichtigt werden:
- - Abstand eines optischen Beobachtungsgeräts des optischen Bobachtungssystems von den Objektbereichen. Dieser Abstand kann bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden. Zum Ermitteln der Position und Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf das Beobachtungsobjekt kann bspw. ein Navigationssystem, Stereografie, etc. zum Einsatz kommen.
- - Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf die Objektbereiche. Die Orientierung kann wie der Abstand bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden.
- - Zoomeinstellung des optischen Beobachtungsgeräts.
- - Objektschnittweite des optischen Beobachtungsgeräts.
- - Blendeneinstellung des optischen Beobachtungsgeräts.
- - Gain eines im optischen Beobachtungsgerät verwendeten Bildsensors.
- - Belichtungsdauer eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors.
- - Nichtlinearitäten eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors.
- - Abstand eines Beleuchtungssystems von den Objektbereichen. Dieser Abstand kann bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden. Zum Ermitteln der Position und Orientierung des Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt kann bspw. ein Navigationssystem, Stereografie, etc. zum Einsatz kommen.
- - Orientierung eines Beleuchtungssystems in Bezug auf die Objektbereiche. Die Orientierung kann wie der Abstand bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden.
- - Intensität einer Beleuchtungslichtquelle.
- - spektrale Intensitätsverteilung einer Beleuchtungslichtquelle.
- - Zoomstellung eines Beleuchtungs-Zooms.
- - Stellung einer Beleuchtungsblende.
- - Distance of an optical observation device of the optical observation system from the object areas. This distance can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the optical observation device in relation to the observation object. For example, a navigation system, stereography, etc. can be used to determine the position and orientation of the optical observation device in relation to the observation object.
- - Orientation of the optical observation device in relation to the object areas. The orientation, like the distance, can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the optical observation device in relation to the observation object.
- - Zoom adjustment of the optical observation device.
- - Object focal length of the optical observation device.
- - Aperture adjustment of the optical observation device.
- - Gain of an image sensor used in the optical observation device.
- - Exposure duration of an image sensor used in the optical observation system.
- - Nonlinearities of an image sensor used in the optical observation system.
- - Distance of a lighting system from the object areas. This distance can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the lighting system in relation to the object being observed. For example, a navigation system, stereography, etc. can be used to determine the position and orientation of the lighting system in relation to the object under observation.
- - Orientation of a lighting system in relation to the object areas. The orientation, like the distance, can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the lighting system in relation to the object being observed.
- - Intensity of an illuminating light source.
- - spectral intensity distribution of an illuminating light source.
- - Zoom position of a lighting zoom.
- - Position of a lighting panel.
Alle genannten Parameter beeinflussen die Fluoreszenzintensität, die bei Vorliegen der Mindestkonzentration an Fluoreszenzfarbstoff detektierbar ist, bspw. vom Auge oder einem Bildsensor des optischen Beobachtungsgerätes. Umso mehr dieser Parameter in der Simulation berücksichtigt werden, desto genauer ist die Simulation. In der Praxis kann die vorhanden Rechnerkapazität und/oder die Ausstattung des Beobachtungssystems die Anzahl der verwendbaren Parameter auf die für die im Rahmen der vorgesehenen Fluoreszenzbeobachtung notwendigen oder wichtigsten Parameter begrenzen.All of the parameters mentioned influence the fluorescence intensity, which can be detected when the minimum concentration of fluorescent dye is present, for example by the eye or an image sensor of the optical observation device. The more these parameters are taken into account in the simulation, the more accurate the simulation is. In practice, the available computer capacity and/or the equipment of the observation system can limit the number of usable parameters to the parameters necessary or most important for the intended fluorescence observation.
Eine Lichtquelle zur Fluoreszenzanregung, typischerweise eine Xenon-Lampe oder eine LED, unterliegt Alterungserscheinungen, die dazu führen, dass sich die die spektrale Intensitätsverteilung der Beleuchtungslichtquelle mit der Zeit verändert. Es ist daher vorteilhaft, wenn die spektrale Intensitätsverteilung der Beleuchtungslichtquelle anhand des Wertes eines Lebensdauer-Zählers der Beleuchtungsquelle und ihrer nominell eingestellten Intensität unter Verwendung eines Degradationsmodells für die Beleuchtungsquelle ermittelt wird.A light source for fluorescence excitation, typically a xenon lamp or an LED, is subject to aging, which causes the spectral intensity distribution of the illuminating light source to change over time. It is therefore advantageous if the spectral intensity distribution of the illumination light source is determined based on the value of a lifespan counter of the illumination source and its nominally set intensity using a degradation model for the illumination source.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität wird mit einem Referenzparameterwert für den wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter wenigstens eine Referenzmessung mit einer Referenzkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes durchgeführt, um einen Referenzwert für die Fluoreszenzintensität bei der Referenzkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes zu erhalten.In an advantageous development of the method according to the invention for preparing the observation of a fluorescence intensity, at least one reference measurement is carried out with a reference concentration of the fluorescent dye using a reference parameter value for the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity in order to obtain a reference value for the fluorescence intensity at the reference concentration of the fluorescent dye .
Es wird dann eine Simulieren der für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität durchgeführt, in der für eine Abweichung des Parameterwertes des wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters von dem Referenzparameterwert eine Änderung der Fluoreszenzintensität im Vergleicht zur Referenzintensität ermittelt wird.A simulation of the fluorescence intensity to be expected for the respective object areas is then carried out, in which a change in the fluorescence intensity in comparison to the reference intensity is determined for a deviation of the parameter value of the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity from the reference parameter value.
Schließlich wird ein Ausgleichsfaktor ermittelt, mit dem sich in einem digitalen Bild die durch die Abweichung des Parameterwertes des wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters von dem Referenzparameterwert verursachte Änderung der Fluoreszenzintensität ausgleichen lässt.Finally, a compensation factor is determined with which the change in the fluorescence intensity caused by the deviation of the parameter value of the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity from the reference parameter value can be compensated for in a digital image.
Die Referenzmessung und der Ausgleichsfaktor ermöglichen es, Oberflächenbereiche mit derselben Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff unabhängig vom Abstand und der Orientierung eines Oberflächenbereiches in Bezug auf das Beleuchtungssystem des optischen Bobachtungssystems und in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät des optischen Bobachtungssystems in einem digitalen Bild mit derselben Intensität der Fluoreszenzstrahlung darzustellen.The reference measurement and the compensation factor make it possible to display surface areas with the same concentration of fluorescent dye regardless of the distance and orientation of a surface area in relation to the illumination system of the optical observation system and in relation to the optical observation device of the optical observation system in a digital image with the same intensity of fluorescence radiation .
Vorteilhafterweise wird die wenigstens eine Referenzmessung mit Referenzparameterwerten für jeden die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter, welcher später bei der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität relevant ist, vorgenommen. Auf diese Weise liefert die Referenzmessung genauere Ergebnisse. Die Referenzmessung kann bspw. an einem Referenzbeobachtungsobjekt mit einer bekannten Oberflächengeometrie, insbesondere mit einer ebenen Oberfläche, vorgenommen werden, wobei sich das optische Beobachtungsgerät des optischen Bobachtungssystems und das Beleuchtungssystem des optischen Bobachtungssystems jeweils in einer Referenzposition und einer Referenzorientierung in Bezug auf das Referenzbeobachtungsobjekt befinden. Im Rahmen der beschriebenen Weiterbildung ist es auch möglich, mehrere Referenzmessung mit mehreren, sich voneinander unterscheidenden Referenzkonzentrationen vorzunehmen, um Referenzwerte für die den unterscheidenden Referenzkonzentrationen zugeordneten Fluoreszenzintensitäten zu erhalten. Dadurch kann für die Berechnung der Ausgleichsfaktoren jeweils diejenige Referenzintensität Verwendung finden, von der die erfasste Fluoreszenzintensität die geringste Abweichung aufweist. Im Ergebnis kann die Genauigkeit der errechneten Ausgleichsfaktoren erhöht werden.Advantageously, the at least one reference measurement is carried out with reference parameter values for each parameter influencing the observation of the fluorescence intensity, which is later relevant when observing a fluorescence intensity. In this way, the reference measurement provides more accurate results. The reference measurement can be carried out, for example, on a reference observation object with a known surface geometry, in particular with a flat surface, with the optical observation device of the optical observation system and the illumination system of the optical observation system each being in a reference position and a reference orientation with respect to the reference observation object. As part of the development described, it is also possible to carry out several reference measurements with several reference concentrations that differ from one another in order to obtain reference values for the fluorescence intensities assigned to the different reference concentrations. This means that the reference intensity from which the recorded fluorescence intensity has the smallest deviation can be used to calculate the compensation factors. As a result, the accuracy of the calculated compensation factors can be increased.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Beobachten einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt zur Verfügung gestellt. Das Beobachtungsobjekt, das auch ein interessierender Bereich eines größeren Objektes sein kann, weist sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objektbereiche auf. Die Beobachtung der Fluoreszenzintensität erfolgt mit einem optischen Beobachtungssystem mit dem sich Fluoreszenzstrahlung beobachten lässt, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist. Die Mindestintensität kann dabei durch die Empfindlichkeit eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors festgelegt sein. Der Bildsensor kann dabei Teil eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten optischen Beobachtungsgeräts, etwa einer Kamera, eines Operationsmikroskops, eines Endoskops, etc., sein. Aber auch im Falle einer rein visuellen Beobachtung der Fluoreszenz muss eine gewisse Mindestintensität der Fluoreszenzstrahlung erzielt werden, damit das Auge sie wahrnehmen kann. Im Rahmen des Verfahrens zum Beobachten einer Fluoreszenzintensität kommt das erfindungsmäße Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt oder eine seiner vorteilhaften Weiterbildungen zum Einsatz.According to a second aspect of the invention, a method for observing a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye in an observation object is provided. The observation object, which can also be an area of interest of a larger object, has object areas that differ from one another in their depth and/or orientation. The observation of the fluorescence intensity is carried out using an optical observation system with which fluorescence radiation can be observed, provided that it has a certain minimum intensity. The Min The minimum intensity can be determined by the sensitivity of an image sensor used in the optical observation system. The image sensor can be part of an optical observation device used in the optical observation system, such as a camera, a surgical microscope, an endoscope, etc. But even in the case of purely visual observation of the fluorescence, a certain minimum intensity of the fluorescence radiation must be achieved so that the eye can perceive it. As part of the method for observing a fluorescence intensity, the method according to the invention is used to prepare the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye in an observation object or one of its advantageous developments.
Mit Hilfe des Verfahrens zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes lässt sich vorab ermitteln, welche Bereiche des Beobachtungsobjekts mit den aktuell eingestellten Parametern das Detektieren der Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ermöglichen. Auf diese Weise kann vor der Beobachtung der Fluoreszenzintensität beurteilt werden, ob die Messung sinnvoll ist. Falls die Messung nicht sinnvoll ist, kann der Parameterwert des wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters im Hinblick darauf verbessert oder optimiert werden, dass in möglichst vielen Oberflächenbereichen mit der Mindestkonzentration an Fluoreszenzfarbstoff eine mit dem optischen Beobachtungssystem detektierbare Fluoreszenzintensität erreicht werden kann. Der verbesserte oder optimierte Parameterwert des wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters kann bspw. wenigstens eine der folgenden Veränderungen gegenüber dem ursprünglichen Parameterwert beinhalten: Eine veränderte Intensität der Beleuchtungsstrahlung, eine veränderte Position des im optischen Beobachtungssystem verwendeten optischen Beobachtungsgeräts und/oder des im optischen Beobachtungssystem verwendeten Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt, eine veränderte Orientierung des im optischen Beobachtungssystem verwendeten optischen Beobachtungsgeräts und/oder des im optischen Beobachtungssystem verwendeten Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt, eine Veränderte Zoom-Einstellung des im optischen Beobachtungssystem verwendeten optischen Beobachtungsgeräts und/oder im optischen Beobachtungssystem verwendeten des Beleuchtungssystems, etc.With the help of the method for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye, it is possible to determine in advance which areas of the observation object make it possible to detect the minimum concentration of the fluorescent dye with the currently set parameters. In this way, before observing the fluorescence intensity, it can be assessed whether the measurement makes sense. If the measurement does not make sense, the parameter value of the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity can be improved or optimized with a view to achieving a fluorescence intensity detectable with the optical observation system in as many surface areas as possible with the minimum concentration of fluorescent dye. The improved or optimized parameter value of the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity can, for example, contain at least one of the following changes compared to the original parameter value: a changed intensity of the illumination radiation, a changed position of the optical observation device used in the optical observation system and/or of the optical observation device Observation system used lighting system in relation to the observation object, a changed orientation of the optical observation device used in the optical observation system and / or the lighting system used in the optical observation system in relation to the observation object, a changed zoom setting of the optical observation device used in the optical observation system and / or in optical observation system used, lighting system, etc.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Beobachtungssystem zur Verfügung gestellt, das die Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt, welches sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objektbereiche umfasst, ermöglicht, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist. Die Mindestintensität kann dabei durch die Empfindlichkeit eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors festgelegt sein. Aber auch im Falle einer rein visuellen Beobachtung der Fluoreszenz muss eine gewisse Mindestintensität der Fluoreszenzstrahlung erzielt werden, damit das Auge sie wahrnehmen kann. Das optische Beobachtungssystem kann bspw. eine Kamera, ein Operationsmikroskop, ein Endoskop, etc. als ein Beobachtungsgerät umfassen.According to a third aspect of the invention, an optical observation system is provided which enables the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation from a fluorescent dye in an observation object which comprises object regions that differ from one another in their depth and/or orientation, provided that this has a certain minimum intensity . The minimum intensity can be determined by the sensitivity of an image sensor used in the optical observation system. But even in the case of purely visual observation of the fluorescence, a certain minimum intensity of the fluorescence radiation must be achieved so that the eye can perceive it. The optical observation system can include, for example, a camera, a surgical microscope, an endoscope, etc. as an observation device.
Das optische Beobachtungssystem umfasst eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Parameterwertes wenigstens eines die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters und eine Simulationseinrichtung zum Simulieren der für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität auf der Basis des ermittelten Parameterwertes des wenigstens einen Parameters und eines Modells für den Einfluss des wenigstens einen Parameters auf die Fluoreszenz-intensität. Das Ermitteln des Parameterwertes kann dabei bspw. durch Erfassen des Parameterwertes mittels eines geeigneten Sensors oder durch Abrufen des Parameterwertes aus einer Steuerung erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Parameterwert zu ermitteln, indem er anhand eines Modells aus wenigstens einem anderen erfassten oder abgerufenen Parameterwert berechnet wird. Darüber hinaus umfasst das optische Beobachtungssystem eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, für eine im Rahmen der Simulation vorgegebene Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes anhand der Simulation für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität zu ermitteln.The optical observation system comprises a determination device for determining the parameter value of at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity and a simulation device for simulating the fluorescence intensity to be expected for the respective object areas on the basis of the determined parameter value of the at least one parameter and a model for the influence of the at least one Parameters on the fluorescence intensity. The parameter value can be determined, for example, by detecting the parameter value using a suitable sensor or by retrieving the parameter value from a controller. However, it is also possible to determine the parameter value by calculating it using a model from at least one other recorded or retrieved parameter value. In addition, the optical observation system includes an evaluation device which is designed to determine the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration for each object area for a minimum concentration of the fluorescent dye specified in the simulation based on the simulation.
Mit dem optischen Beobachtungssystem lässt sich das Verfahren zum Beobachten einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes einschließlich des Verfahrens zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes, so dass mit dem optischen Beobachtungssystem die mit Bezug auf diese beiden verfahren beschriebenen Vorteile realisiert werden können.With the optical observation system, the method for observing a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye, including the method for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye, so that the advantages described with respect to these two methods can be realized with the optical observation system.
In vorteilhaften Weiterbildungen des optischen Beobachtungssystems ist dieses zum Ausführen der vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes ausgebildet, do dass die mit Bezug auf die vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes mit dem optischen Beobachtungssystem realisiert werden können. Die mit den vorteilhaften Weiterbildungen des optischen Beobachtungssystems erzielten Vorteile werden daher nicht noch einmal beschrieben. Stattdessen wird auf die Beschreibung der Vorteile der Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes verwiesen.In advantageous developments of the optical observation system, this is designed to carry out the advantageous developments of the method according to the invention for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye, so that the with Reference to the advantageous developments of the method according to the invention for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation of a fluorescent dye can be realized with the optical observation system. The advantages achieved with the advantageous developments of the optical observation system will therefore not be described again. Instead, reference is made to the description of the advantages of the developments of the method according to the invention for preparing the observation of a fluorescence intensity of fluorescence radiation from a fluorescent dye.
In einer ersten der vorteilhaften Weiterbildungen ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgestaltet, für jeden Objektbereich eine Überprüfung vorzunehmen, ob die ermittelte zu erwartende Fluoreszenzintensität ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden zu können.In a first of the advantageous developments, the evaluation device is designed to carry out a check for each object area as to whether the expected fluorescence intensity determined is sufficient to be able to be detected by the optical observation system with the given sensitivity.
In einer zweiten der vorteilhaften Weiterbildungen ist die Simulationseinrichtung dazu ausgestaltet, im Rahmen der Simulation eine Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und/oder eine Information über die Orientierung der Objektbereiche zu verwenden.In a second of the advantageous developments, the simulation device is designed to use information about the depth distribution of the object areas and/or information about the orientation of the object areas as part of the simulation.
In einer dritten der vorteilhaften Weiterbildungen ist die Ermittlungseinrichtung dazu ausgestaltet ist, wenigstens den Parameterwert eines der folgenden Parameter zu ermitteln, und Simulationseinrichtung ist dazu ausgestaltet, in der Simulation diesen wenigstens eine Parameterwert zu berücksichtigen:
- - Abstand eines optischen Beobachtungsgeräts des optischen Beobachtungssystems von den Objektbereichen. Dieser Abstand kann bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden. Zum Ermitteln der Position und Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf das Beobachtungsobjekt kann bspw. ein Navigationssystem, Stereografie, etc. zum Einsatz kommen.
- - Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf die Objektbereiche. Die Orientierung kann wie der Abstand bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des optischen Beobachtungsgeräts in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden.
- - Zoomeinstellung des optischen Beobachtungsgeräts.
- - Objektschnittweite des optischen Beobachtungsgeräts.
- - Blendeneinstellung des optischen Beobachtungsgeräts.
- - Gain eines im optischen Beobachtungsgerät verwendeten Bildsensors.
- - Belichtungsdauer eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors.
- - Nichtlinearitäten eines im optischen Beobachtungssystem verwendeten Bildsensors.
- - Abstand eines Beleuchtungssystems von den Objektbereichen. Dieser Abstand kann bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden. Zum Ermitteln der Position und Orientierung des Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt kann bspw. ein Navigationssystem, Stereografie, etc. zum Einsatz kommen.
- - Orientierung eines Beleuchtungssystems in Bezug auf die Objektbereiche. Die Orientierung kann wie der Abstand bspw. anhand der Information über die Tiefenverteilung der Objektbereiche und der Information über die Orientierung der Objektbereiche sowie der Position und Orientierung des Beleuchtungssystems in Bezug auf das Beobachtungsobjekt ermittelt werden.
- - Intensität einer Beleuchtungslichtquelle.
- - spektrale Intensitätsverteilung einer Beleuchtungslichtquelle.
- - Zoomstellung eines Beleuchtungs-Zooms.
- - Stellung einer Beleuchtungsblende.
- - Distance of an optical observation device of the optical observation system from the object areas. This distance can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the optical observation device in relation to the observation object. For example, a navigation system, stereography, etc. can be used to determine the position and orientation of the optical observation device in relation to the observation object.
- - Orientation of the optical observation device in relation to the object areas. The orientation, like the distance, can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the optical observation device in relation to the observation object.
- - Zoom adjustment of the optical observation device.
- - Object focal length of the optical observation device.
- - Aperture adjustment of the optical observation device.
- - Gain of an image sensor used in the optical observation device.
- - Exposure duration of an image sensor used in the optical observation system.
- - Nonlinearities of an image sensor used in the optical observation system.
- - Distance of a lighting system from the object areas. This distance can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the lighting system in relation to the object being observed. For example, a navigation system, stereography, etc. can be used to determine the position and orientation of the lighting system in relation to the object under observation.
- - Orientation of a lighting system in relation to the object areas. The orientation, like the distance, can be determined, for example, based on the information about the depth distribution of the object areas and the information about the orientation of the object areas as well as the position and orientation of the lighting system in relation to the object being observed.
- - Intensity of an illuminating light source.
- - spectral intensity distribution of an illuminating light source.
- - Zoom position of a lighting zoom.
- - Position of a lighting panel.
In einer vierten der vorteilhaften Weiterbildungen ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgestaltet ist, eine grafische Darstellung zu generieren, die anzeigt, in welchen Objektbereichen die ermittelte zu erwartende Fluoreszenzintensität ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden zu können.In a fourth of the advantageous developments, the evaluation device is designed to generate a graphical representation that shows in which object areas the determined one is expected tending fluorescence intensity is sufficient to be detected by the optical observation system with the given sensitivity.
In einer fünften der vorteilhaften Weiterbildungen umfasst das optische Beobachtungssystem eine Optimierungseinheit, die dazu ausgestaltet ist, anhand der Simulation einen verbesserten Parameterwert, insbesondere einen optimierten Parameterwert, für den wenigstens einen Parameter derart zu ermitteln, dass die mit dem verbesserten oder optimierten Parameterwert simulierte zu erwartende Fluoreszenzintensität in möglichst vielen Objektbereichen (möglichst in allen Objektbereiche) ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungssystems von diesem detektiert werden.In a fifth of the advantageous developments, the optical observation system comprises an optimization unit which is designed to use the simulation to determine an improved parameter value, in particular an optimized parameter value, for the at least one parameter in such a way that the expected one simulated with the improved or optimized parameter value Fluorescence intensity in as many object areas as possible (if possible in all object areas) is sufficient to be detected by the optical observation system with the given sensitivity.
In einer sechsten der vorteilhaften Weiterbildungen umfasst das optische Beobachtungssystem eine Steuereinheit zum Steuern des optischen Beobachtungssystems, die zum Empfang des verbesserten oder optimierten Parameterwerts mit der Optimierungseinheit verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, den wenigstens einen Parameter auf den verbesserten oder optimierten Parameterwert einzustellen.In a sixth of the advantageous developments, the optical observation system comprises a control unit for controlling the optical observation system, which is connected to the optimization unit to receive the improved or optimized parameter value and is designed to set the at least one parameter to the improved or optimized parameter value.
In einer siebten der vorteilhaften Weiterbildungen umfasst das optische Beobachtungssystem eine Ausgleichsfaktorermittlungseinheit, die dazu ausgestaltet ist einen Ausgleichsfaktor zu ermitteln, mit dem sich in einem mit einem Bildsensor aufgenommenen digitalen Bild eine durch eine Abweichung des Parameterwertes des wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters von einem Referenzparameterwert verursachte Änderung der Fluoreszenzintensität ausgleichen lässt. Die Ausgleichsfaktorermittlungseinheit ist weiter dazu ausgestaltet, den Ausgleichsfaktor auf der Basis wenigstens eines für eine Referenzkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes und für einen Referenzparameterwert ermittelten Referenzwertes für die Fluoreszenzintensität und einer Simulieren der für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität zu ermitteln, wobei in der Simulation für eine Abweichung des Parameterwertes des wenigstens einen die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters von dem Referenzparameterwert eine Änderung der Fluoreszenzintensität im Vergleicht zur Referenzintensität ermittelt wird.In a seventh of the advantageous developments, the optical observation system comprises a compensation factor determination unit, which is designed to determine a compensation factor with which a deviation of the parameter value of the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity is determined in a digital image recorded with an image sensor The change in fluorescence intensity caused by the reference parameter value can be compensated for. The compensation factor determination unit is further designed to determine the compensation factor on the basis of at least one reference value for the fluorescence intensity determined for a reference concentration of the fluorescent dye and for a reference parameter value and a simulation of the fluorescence intensity to be expected for the respective object areas, wherein in the simulation for a deviation of the Parameter value of the at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity is determined from the reference parameter value, a change in the fluorescence intensity compared to the reference intensity.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt, das sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objektbereiche umfasst, wobei die Beobachtung mit einem optischen Beobachtungssystem erfolgen soll, mit dem sich Fluoreszenzstrahlung beobachten lässt, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Empfangen oder Abrufen des Parameterwertes wenigstens eines die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters, und
- - Simulieren der für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität auf der Basis des ermittelten Parameterwertes des wenigstens einen Parameters und eines Modells für den Einfluss des wenigstens einen Parameters auf die Fluoreszenzintensität.
- - Receiving or retrieving the parameter value of at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity, and
- - Simulating the fluorescence intensity expected for the respective object areas on the basis of the determined parameter value of the at least one parameter and a model for the influence of the at least one parameter on the fluorescence intensity.
Im Rahmen der Simulation wird eine Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes vorgegeben und es wird anhand der Simulation für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt.As part of the simulation, a minimum concentration of the fluorescent dye is specified and the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration is determined for each object area using the simulation.
Außerdem wird gemäß der Erfindung ein Computerprogramm zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenz-farbstoffes in einem Bobachtungsobjekt, das sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objekt-bereiche umfasst, wobei die Beobachtung mit einem optischen Beobachtungssystem erfolgen soll, mit dem sich Fluoreszenzstrahlung beobachten lässt, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist, bereitgestellt. Das Computerprogramm umfasst Instruktionen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen,
- - den Parameterwert wenigstens eines die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters zu empfangen oder abzurufen, und
- - die für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität auf der Basis des empfangenen oder abgerufenen Parameterwertes des wenigstens einen Parameters und eines Modells für den Einfluss des wenigstens einen Parameters auf die Fluoreszenzintensität zu simulieren.
- - to receive or retrieve the parameter value of at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity, and
- - to simulate the fluorescence intensity to be expected for the respective object areas on the basis of the received or retrieved parameter value of the at least one parameter and a model for the influence of the at least one parameter on the fluorescence intensity.
Im Rahmen der Simulation wird eine Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes vorgegeben und es wird anhand der Simulation für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt.As part of the simulation, a minimum concentration of the fluorescent dye is specified and the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration is determined for each object area using the simulation.
Schließlich wird gemäß der Erfindung eine Datenverarbeitungseinheit zum Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in einem Bobachtungsobjekt, das sich in ihrer Tiefenlage und/oder ihrer Orientierung voneinander unterscheidende Objektbereiche umfasst, wobei die Beobachtung mit einem optischen Beobachtungssystem erfolgen soll, mit dem sich Fluoreszenzstrahlung beobachten lässt, sofern diese eine gewisse Mindestintensität aufweist, zur Verfügung gestellt. Die Datenverarbeitungseinheit umfasst einen Speicher und einen Prozessor, der Prozessor mittels eines im Speicher gespeicherten Computerprogramms dazu ausgestaltet ist,
- - den Parameterwert wenigstens eines die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameters zu empfangen oder abzurufen, und
- - die für die jeweiligen Objektbereiche zu erwartenden Fluoreszenzintensität auf der Basis des empfangenen oder abgerufenen Parameterwertes des wenigstens einen Parameters und eines Modells für den Einfluss des wenigstens einen Parameters auf die Fluoreszenzintensität zu simulieren.
- - to receive or retrieve the parameter value of at least one parameter influencing the observation of the fluorescence intensity, and
- - to simulate the fluorescence intensity to be expected for the respective object areas on the basis of the received or retrieved parameter value of the at least one parameter and a model for the influence of the at least one parameter on the fluorescence intensity.
Im Rahmen der Simulation wird eine Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes vorgegeben und es wird anhand der Simulation für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt.As part of the simulation, a minimum concentration of the fluorescent dye is specified and the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration is determined for each object area using the simulation.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen computerimplementierten Verfahren, des erfindungsgemäßen Computerprogramms und der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungseinheit sind aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ersichtlich und werden daher an dieser Stelle nicht weiter beschrieben. Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren, das erfindungsgemäße Computerprogramm und die erfindungsgemäße Datenverarbeitungseinheit können zudem derart weitergebildet sein, dass sie das Ausführen der Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen.The advantages of the computer-implemented method according to the invention, the computer program according to the invention and the data processing unit according to the invention are apparent from the method according to the invention and are therefore not described further at this point. The computer-implemented method according to the invention, the computer program according to the invention and the data processing unit according to the invention can also be developed in such a way that they enable the further developments of the method according to the invention to be carried out.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung exemplarischer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
-
1 ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung. -
2 zeigt ein die optischen Komponenten eines Operationsmikroskops, wie es als optisches Beobachtungsgerät im optischen Beobachtungssystem Verwendung finden kann, in einer schematischen Darstellung. -
3 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Varioskopobjektivs. -
4 zeigt die optischen Komponenten eines digitalen Operationsmikroskops, wie es als optisches Beobachtungsgerät im optischen Beobachtungssystem Verwendung finden kann, in einer schematischen Darstellung. -
5 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität. -
6 zeigt ein Beispiel für ein Beobachtungsobjekt. -
7 zeigtdas Beobachtungsobjekt aus 6 mit einer Markierung, die anzeigt, wo die zu erwartende Fluoreszenzintensität nicht ausreicht, um mit der gegebenen Empfindlichkeit des optischen Beobachtungsgeräts von diesem detektiert werden zu können.
-
1 an exemplary embodiment of an optical observation system for observing a fluorescence intensity of fluorescent radiation. -
2 shows the optical components of a surgical microscope, as it can be used as an optical observation device in the optical observation system, in a schematic representation. -
3 shows schematically the basic structure of a varioscope lens. -
4 shows the optical components of a digital surgical microscope, as it can be used as an optical observation device in the optical observation system, in a schematic representation. -
5 shows an exemplary embodiment of a method for preparing the observation of a fluorescence intensity. -
6 shows an example of an observation object. -
7 shows theobservation object 6 with a marking that indicates where the expected fluorescence intensity is not sufficient to be detected by the optical observation device with the given sensitivity.
Das optische Beobachtungssystem 100 umfasst eine Steuerung 4 und eine Datenverarbeitungseinheit 6, die mit einem im Operationsmikroskop 2 vorhandenen Bildsensor aufgenommene digitale Bilddaten zur Darstellung auf einem Monitor 8, der insbesondere ein 3D-Monitor sein kann, aufbereitet und an den Monitor 8 ausgibt. Statt des Monitors 8 oder zusätzlich zu dem Monitor können weitere Anzeigeeinheiten, beispielsweise ein HMD (Head Mounted Display) oder ein digitaler Einblick des Operationsmikroskops 2, vorhanden sein, an welche die Datenverarbeitungseinheit 6 die zur Darstellung aufbereiteten digitalen Bilddaten sendet. Die Datenverarbeitungseinheit 6 kann im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel durch Laden eines Computerprogramms dazu eingerichtet werden, ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzstrahlung eines Fluoreszenzfarbstoffes in dem Beobachtungsobjekt 3 auszuführen. Alternativ kann die Datenverarbeitungseinheit 6 eine Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) enthalten, in welcher die Schritte zum Ausführen des Verfahrens hinterlegt sind.The
Das optische Beobachtungssystem 100 umfasst außerdem ein Beleuchtungssystem 40, mit dem das Beobachtungsobjekt 3 mit Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Das Beleuchtungssystem 40 ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel in der Lage, das Beobachtungsobjekt 3 mit einer speziellen Wellenlänge, im folgenden Anregungswellenlänge genannt, zu beleuchten, die einen in das Beobachtungsobjekt 3 eingebrachten Fluoreszenzfarbstoff zum Aussenden von Fluoreszenzstrahlung anregt. Das Operationsmikroskop 2 ist dazu eingerichtet, die vom Fluoreszenzfarbstoff ausgehende Fluoreszenzstrahlung zu detektieren. Hierzu kann das Operationsmikroskop 2 insbesondere einen digitalen Bildsensor mit einer hinreichenden Empfindlichkeit für die Wellenlänge der Fluoreszenz des Fluoreszenzfarbstoffes aufweisen. Zudem ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wenigsten ein in den Beobachtungsstrahlengang einbringbarer Filter vorhanden, mit dem vom Beobachtungsobjekt 3 reflektiertes Licht mit der Anregungswellenlänge aus dem Beobachtungsstrahlengang entfernt werde kann. Die Anregung erfolgt in der Regel mit einer Intensität, die dazu führen würde, dass die Fluoreszenzstrahlung durch das Licht mit der Anregungswellenlänge überstrahlt wird. Mit dem wenigsten einen in den Beobachtungsstrahlengang einbringbarer Filter kann diese Überstrahlung verhindert werden.The
Selbstverständlich muss die Fluoreszenz nicht notwendigerweise über ein Display wie beispielsweise dem Monitor 8 beobachtet werden, sondern sie kann auch auf rein optischem Wege durch Okulare des Operationsmikroskops beobachtet werden. Unabhängig davon, ob die Fluoreszenz mittels Okularen oder mit Hilfe von Bildsensoren beobachtet wird, muss die Fluoreszenzintensität ein gewisses Mindestmaß überschreiten, um detektiert werden zu können. Bei einem Bildsensor muss die Detektionsschwelle im entsprechenden Wellenlängenbereich von der Fluoreszenzintensität überschritten werden. Aber auch bei der visuellen Beobachtung ist eine gewisse Mindestintensität der Fluoreszenzstrahlung vonnöten, damit das Auge als Detektor die Fluoreszenzstrahlung wahrnehmen kann. Das hauptsächliche Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Beobachtung der Fluoreszenz mithilfe digitaler Bildsensoren wie etwa CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren.Of course, the fluorescence does not necessarily have to be observed via a display such as the
Nachfolgend werden mit Bezug auf die
Das in
Beobachterseitig des Objektivs 5 ist ein Vergrößerungswechsler 11 angeordnet, der entweder wie im dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiel als Zoom-System zur stufenlosen Änderung des Vergrößerungsfaktors oder als so genannter Galilei-Wechsler zur stufenweisen Änderung des Vergrößerungsfaktors ausgebildet sein kann. In einem Zoom-System, das bspw. aus einer Linsenkombination mit drei Linsen aufgebaut ist, können die beiden objektseitigen Linsen verschoben werden, um den Vergrößerungsfaktor zu variieren. Tatsächlich kann das Zoom-System aber auch mehr als drei Linsen, bspw. vier oder mehr Linsen aufweisen, wobei die äußeren Linsen dann auch fest angeordnet sein können. In einem Galilei-Wechsler existieren dagegen mehrere feste Linsenkombinationen, die unterschiedliche Vergrößerungsfaktoren repräsentieren und im Wechsel in den Strahlengang eingebracht werden können. Sowohl ein Zoom-System, als auch ein Galilei-Wechsler wandeln ein objektseitiges paralleles Strahlenbündel in ein beobachterseitiges paralleles Strahlenbündel mit einem anderen Bündeldurchmesser um. Der Vergrößerungswechsler 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel bereits Teil des binokularen Strahlengangs des Operationsmikroskops 2, d.h. er weist eine eigene Linsenkombination für jeden stereoskopischen Teilstrahlengang 9A, 9B des Operationsmikroskops 2 auf. Das Einstellen eines Vergrößerungsfaktors mittels des Vergrößerungswechslers 11 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über ein motorisch angetriebenes Stellglied (nicht dargestellt), das zusammen mit dem Vergrößerungswechsler 11 Teil einer Vergrößerungswechseleinheit zum Einstellen des Vergrößerungsfaktors ist.A
An den Vergrößerungswechsler 11 schließt sich im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel beobachterseitig eine Schnittstellenanordnung 13A, 13B an, über die externe Geräte an das Operationsmikroskop 1 angeschlossen werden können und die im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel Strahlteilerprismen 15A, 15B umfasst. Grundsätzlich können aber auch andere Arten von Strahlteilern Verwendung finden, bspw. teildurchlässige Spiegel. Die Schnittstellen 13A, 13B dienen im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel zum Auskoppeln eines Strahlenbündels aus dem Strahlengang des Operationsmikroskops 2 (Strahlteilerprisma 15B) bzw. zum Einkoppeln eines Strahlenbündels in den Strahlengang des Operationsmikroskops 2 (Strahlteilerprisma 15A). Sie können jedoch auch beide zum Auskoppeln eines Strahlenbündels aus dem Strahlengang des Operationsmikroskops 2 oder beide zum Einkoppeln eines Strahlenbündels in den Strahlengang des Operationsmikroskops 2 ausgebildet sein.In the present exemplary embodiment, the
Das Strahlteilerprisma 15A in dem Teilstrahlengang 9A dient im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel dazu, mit Hilfe eines Displays 37, bspw. einer Digital Mirror Device (DMD) oder eines LCD-Displays, und einer zugehörigen Optik 39 über das Strahlteilerprisma 15A Informationen oder Daten für einen Betrachter in den Teilstrahlengang 9A des Operationsmikroskops 1 einzuspiegeln. Im anderen Teilstrahlengang 9B ist an der Schnittstelle 13B ein Kameraadapter 19 mit einer daran befestigten Kamera 21 angeordnet, die mit einem elektronischen Bildsensor 23, bspw. mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, ausgestattet ist. Mittels der Kamera 21 kann ein elektronisches und insbesondere ein digitales Bild des Beobachtungsobjekts 3 aufgenommen werden. Als Bildsensor kann insbesondere auch ein Hyper-Spektralsensor Verwendung finden, in dem nicht nur drei Spektralkanäle (bspw. rot, grün und blau) vorhanden sind, sondern eine Vielzahl von Spektralkanälen. Wenn beide Schnittstellen 13A, 13B zum Auskoppeln eines Strahlenbündels aus dem Strahlengang des Operationsmikroskops 2 ausgebildet sind, kann an beide Schnittstellen 13A, 13B jeweils ein Kameraadapter 19 mit einer daran befestigten Kamera 21 angeordnet sein. Auf diese Weise können stereoskopische Bilder aufgenommen werden.In the present exemplary embodiment, the
Im Operationsmikroskop kann zudem wenigsten eine weitere Schnittstellenanordnung mit wenigstens zwei Strahlteilern vorhanden sein, wobei bspw. die eine Schnittstellenanordnung zum Einkoppeln stereoskopischer Teilbilder dienen kann und die andere Schnittstellenanordnung zum Auskoppeln stereoskopischer Teilbilder dienen kann.In the surgical microscope, at least one further interface arrangement with at least two beam splitters can also be present, for example one interface arrangement can be used to couple in stereoscopic partial images and the other interface arrangement can be used to couple out stereoscopic partial images.
An die Schnittstelle 13 schließt sich beobachterseitig ein Binokulartubus 27 an. Dieser weist zwei Tubusobjektive 29A, 29B auf, welche das jeweilige parallele Strahlenbündel 9A, 9B auf eine Zwischenbildebene 31 fokussieren, also das Beobachtungsobjekt 3 auf die jeweilige Zwischenbildebene 31A, 31 B abbilden. Die in den Zwischenbildebenen 31A, 31B befindlichen Zwischenbilder werden schließlich von Okularlinsen 35A, 35B wiederum nach Unendlich abgebildet, so dass ein Betrachter das Zwischenbild mit entspanntem Auge betrachten kann. Außerdem erfolgt im Binokulartubus mittels eines Spiegelsystems oder mittels Prismen 33A, 33B eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln 9A, 9B, um diesen an den Augenabstand des Betrachters anzupassen. Mit dem Spiegelsystem oder den Prismen 33A, 33B erfolgt zudem eine Bildaufrichtung.A
Das Operationsmikroskop 2 ist außerdem mit einem Beleuchtungssystem 40 ausgestattet, mit dem der das Beobachtungsobjekt 3 mit Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Hierzu weist das Beleuchtungssystem 40 im vorliegenden Beispiel eine Weißlichtquelle 41, etwa eine Halogenglühlampe oder eine Gasentladungslampe wie bspw. eine Xenonlampe, auf. Aber auch LEDs kommen als Lichtquellen in Betracht. Das von der Weißlichtquelle 41 ausgehende Licht wird über einen Umlenkspiegel 43 oder ein Umlenkprisma in Richtung auf das Beobachtungsobjekt 3 gelenkt, um dieses auszuleuchten. In dem Beleuchtungssystem 40 ist weiterhin eine Beleuchtungsoptik 45 vorhanden, die für eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten beobachteten Beobachtungsobjektes 3 sorgt. Die Beleuchtungsoptik 45 kann dabei auch ein Zoom-System (beleuchtungs-Zoom) umfassen, mit dem sich die Größe des Beleuchtungslichtflecks verändern lässt, und/oder ein System, mit dem sich der Fokusabstand der Beleuchtungsoptik 45 variieren lässt. Außerdem kann das Beleuchtungssystem 40 einen Lichtquelle zum Aussenden von Licht einer Wellenlänge, die in einem in das Beobachtungsobjekt 3 eingebrachten Fluoreszenzfarbstoff eine Fluoreszenz anregt, ausgestattet sein. Alternativ kann wie in
Das Beleuchtungssystem 40 kann außerdem wenigstens eine Blende und/oder wenigstens eine Linse umfassen, mit der bzw. denen sich das Profil des von der Lichtquelle ausgehenden Beleuchtungslichtkegels beeinflussen lässt, bspw. um ein mittenbetontes Beleuchtungsprofil zu generieren. Die wenigstens eine Blende und/oder die wenigstens eine Linse 49 kann bzw. können bei Bedarf in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden. Weiterhin kann das Beleuchtungssystem 40 Blenden umfassen, mit denen sich eine scharfe Begrenzung des Leuchtfeldes im Beobachtungsobjekt 3 herbeiführen lässt.The
Es sei darauf hingewiesen, dass der in
In der in
Ein Beispiel für ein Varioskopobjektiv ist schematisch in
Obwohl in
Im Fall des Monitors 8 können die stereoskopischen Teilbilder zeitsequentiell dargestellt werden. Bspw. mittels einer synchronisierten Shutterbrille können die stereoskopischen Teilbilder dann dem jeweils ausschließlich dem passenden Auge dargeboten werden. Eine Alternative besteht darin, die stereoskopischen Teilbilder in unterschiedlich polarisiertem Licht darzustellen und den Betrachter mit einer Brille auszustatten, die für das rechte und das linke Auge jeweils nur das polarisierte Licht eines der stereoskopische Teilbild passieren lässt.In the case of the
Obwohl in
In dem in
Ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Vorbereitung der Beobachtung einer Fluoreszenzintensität mit dem in
Das Beobachten von Fluoreszenz ist insbesondere bei der Tumorresektion von Bedeutung, da der behandelnde Chirurg anhand der Fluoreszenz beurteilt, welches Tumorgewebe ist und daher entfernt werden soll. Dies setzt jedoch voraus, dass die Fluoreszenzintensität des Tumorgewebes ausreicht, um sie im gesamten Tumorgewebe detektieren zu können. Manche Arten von Tumoren wie beispielsweise niedriggradige Gliome (Low Grade Glioma / LGG) nehmen jedoch nur sehr geringe Mengen von Kontrastmittel (bspw. PPIX im Falle von niedriggradigen Gliomen) auf, so dass die Fluoreszenzintensität sehr niedrig und entsprechend schwer zu messen ist. Selbst in sensitiven optischen Beobachtungsgeräten ist bspw. die Fluoreszenzintensität von PPIX in niedriggradigen Gliomen oftmals knapp an der Nachweisschwelle, so dass optimale Beobachtungsbedingungen sichergestellt werden müssen, um mit dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B ein zuverlässiges Fluoreszenzsignal detektieren zu können. Im Stand der Technik können daher Fälle auftreten, in denen näher am Operationsmikroskop 2 liegende Gewebebereiche (bspw. Objektbereiche 3A-C) als fluoreszierend erscheinen, da genug Anregungslicht zum Gewebe kommt und genug von der ausgestrahlten Fluoreszenz zu dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 6B geleitet wird. Tiefer liegende Gewebebereiche (bspw. Objektbereiche 3D-H) in der gleichen Szene werden dagegen trotz gleicher Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff aufgrund des größeren Abstandes der Beleuchtungslichtquelle 41 womöglich nicht mehr ausreichend hell mit der Anregungswellenlänge beleuchtet und/oder die Einsammeleffizienz nimmt aufgrund des größeren Abstandes des Operationsmikroskops 2 von den entsprechenden Objektbereichen 3D-H ab, z.B. insgesamt mit einer (1/Abstand)^4-Abhängigkeit. Liegt die Fluoreszenzintensität der höher liegenden Objektbereichen 3A-C knapp über der Empfindlichkeitsschwelle des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 6B, so kann die de gleiche die Fluoreszenzintensität bei tiefer liegenden Gewebebereichen 3D-H womöglich gerade nicht mehr vom Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 6B detektiert werden. Das heißt, es kann vorkommen, dass in dem mit dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 6B gewonnen Bild einige Objektbereiche 3A-C des im Bild dargestellten Beobachtungsobjekts 3, die effizienter beleuchtet und beobachtet werden können, als fluoreszierend dargestellt werden, während andere Objektbereiche 3D-H mit derselben Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff als nicht fluoreszierend dargestellt werden. Dies kann für den behandelnden Chirurgen zu großen Herausforderungen führen, welche die Behandlung unnötig verlängern können. Auch kann die Fluoreszenz nach einer Verstellung des Operationsmikroskops 2 (z.B. Zoomänderung, Bewegung des Operationsmikroskops und/oder des Beleuchtungssystems 40 relativ zum Beobachtungsobjekt 3) in dem mit dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 6B gewonnen Bild plötzlich verschwinden oder auftauchen, was eine zuverlässige Diagnostik erheblich erschwert.Observing fluorescence is particularly important during tumor resection, as the treating surgeon uses the fluorescence to assess which tissue is tumor and should therefore be removed. However, this requires that the fluorescence intensity of the tumor tissue is sufficient to be able to detect it in the entire tumor tissue. However, some types of tumors, such as low-grade gliomas (LGG), only absorb very small amounts of contrast agent (e.g. PPIX in the case of low-grade gliomas), so that the fluorescence intensity is very low and therefore difficult to measure. Even in sensitive optical observation devices, for example, the fluorescence intensity of PPIX in low-grade gliomas is often close to the detection threshold, so that optimal Observation conditions must be ensured in order to be able to detect a reliable fluorescence signal with the
Die Datenverarbeitungseinheit 6 des optischen Beobachtungssystems 100 aus
In einer optionalen Weiterbildung kann die Auswerteeinrichtung 18 eine grafische Darstellung generieren, aus der sich ablesen lässt, in welchen Objektbereichen 3A-H die zu erwartende Fluoreszenzintensität nicht ausreicht, um vom Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B detektiert werden zu können. Eine solche grafische Darstellung kann im einfachsten Fall eine Konturlinie 20 sein, die in ein Bild des Beobachtungsobjekts 3, wie es in
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Auswerteeinrichtung 18 unter Rückgriff auf die Simulationseinrichtung 16 für wenigstens einen Parameter des Operationsmikroskops 2 und/oder des Beleuchtungssystems 40 und/oder des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B einen verbesserten Parameterwerte ermittelt, der dazu führt, dass die Zahl der Objektbereiche 3A-H, bei denen die Fluoreszenzintensität der Mindestkonzentration an Fluoreszenzfarbstoff am Bildsensor 23 oder an den Bildsensoren 61A, 61 B zu einem detektiertbaren Signal führt, größer wird. Der wenigstens eine verbesserte Parameterwert kann dann entweder automatisiert eingestellt werden oder dem Nutzer als Einstellungsempfehlung beispielsweise auf dem Monitor 8 dargeboten werden.In addition, there is the possibility that the
Die Ermittlungseinrichtung 14, die Simulationseinrichtung 16 und die Auswerteeinrichtung 18 sind im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel als Softwaremodule in die Datenverarbeitungseinheit 6 integriert. Sie können aber auch in die Steuerung 4 des optischen Beobachtungssystems 1000 oder in einen zum optischen Beobachtungssystem 100 gehörenden PC integriert sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Ermittlungseinrichtung 14, die Simulationseinrichtung 16 und die Auswerteeinrichtung 18 in unterschiedliche Komponenten des optischen Beobachtungssystems 100 integriert sind. Beispielsweise kann die Ermittlungseinrichtung 14 in die Steuerung 4 integriert sein und die Simulationseinrichtung 16 sowie die Auswerteeinrichtung 18 in einen PC. Grundsätzlich besteht zudem die Möglichkeit, die Ermittlungseinrichtung 14 und/oder die Simulationseinrichtung 16 und/oder die Auswerteeinrichtung 18 als eigenständiges Hardwaremodul auszugestalten.The
Die Ermittlungseinrichtung 14, die Simulationseinrichtung 16 und die Auswerteeinrichtung 18 führen im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen drei Schritte aus. Diese sind das Erfassen von Parameterwerten für Parameter, welche die zum Bildsensor gelangende Fluoreszenzintensität beeinflussen (Ermittlungseinrichtung 14 in Schritt S1), das Simulieren der Fluoreszenzintensität, die vom jeweiligen Objektbereich 3A-H zum Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B gelangt, wobei ein von den Parametern, für die die Parameterwerte erfasst werden, abhängiges Modell der Fluoreszenzbeobachtung Verwendung findet (Simulationseinrichtung 16 in Schritt S2), um für die einzelnen Objektbereich 3A-H für eine vorgegebene Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes die zu erwartenden Fluoreszenzintensität am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B zu ermitteln, und das Auswerten der Simulation von der (Auswerteeinrichtung 18 in Schritt S3), um zu ermitteln, bei welchen Objektbereichen 3A-H die zu erwartenden Fluoreszenzintensität am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B für die vorgegebene Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ausreicht, um vom Bildsensor 23 bzw. den Bildsensoren 61 A, 61 B detektiert zu werden. Wenn die Auswertung ergibt, dass Objektbereiche 3A-H vorliegen, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B nicht zu einer von diesem bzw. von diesen zu detektierenden Fluoreszenzintensität führt, kann die Auswerteeinrichtung 18 eine Warnung ausgeben. Die Auswerteeinrichtung 18 kann darüber hinaus weitere Aufgaben wahrnehmen wie beispielsweise das Erstellen der beschriebenen grafischen Darstellung oder das beschriebene Ermitteln wenigstens eines verbesserten Parameterwertes.The
In Schritt S1 werden die aktuellen Parameterwerte der in Schritt S2 für die Simulation verwendeten Parameter erfasst. Beispiele für Parameter, die im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel in die Simulation eingehen können sind der Abstand des Operationsmikroskops 2 von den Objektbereichen 3A-H des Beobachtungsobjekts 3, die Orientierung des Operationsmikroskops 2 in Bezug auf die Objektbereiche 3A-H des Beobachtungsobjekts 3, die Zoomeinstellung des Operationsmikroskops 2, die Objektschnittweite des Operationsmikroskops 2, die Blendeneinstellung des Operationsmikroskops 2, der Gain des im Operationsmikroskop 2 verwendeten Bildsensors 23 oder der im Operationsmikroskop verwendeten Bildsensoren 61A, 61B, die Belichtungsdauer des im Operationsmikroskop 2 verwendeten Bildsensors 23 oder der im Operationsmikroskop verwendeten Bildsensoren 61A, 61B, Nichtlinearitäten des im Operationsmikroskop 2 verwendeten Bildsensors 23 oder der im Operationsmikroskop verwendeten Bildsensoren 61A, 61B, der Abstand des Beleuchtungssystems 40 von den Objektbereichen 3A-H des Beobachtungsobjekts 3, die Orientierung des Beleuchtungssystems 40 in Bezug auf die Objektbereiche 3A-H des Beobachtungsobjekts 3, die Intensität einer Beleuchtungslichtquelle 41, die spektrale Intensitätsverteilung einer Beleuchtungslichtquelle 41, die Zoomstellung eines Beleuchtungs-Zooms, die Stellung einer Beleuchtungsblende.In step S1, the current parameter values of the parameters used for the simulation in step S2 are recorded. Examples of parameters that can be included in the simulation in the present exemplary embodiment are the distance of the
Zum Erfassen der Parameterwerte umfasst die Datenverarbeitungseinheit 6 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Parameterwert-Ermittlungseinrichtung 14, welche von der Steuerung 4 die am Operationsmikroskop 2, am Stativ 1 und am Beleuchtungssystem 40 eingestellten Parameterwerte abruft. Die Parameterwerte können alternativ aber auch durch Auslesen von Sensormesswerten erfasst werden. Es besteht zudem die Möglichkeit, Parameterwerte mittelbar aus anderen, unmittelbar erfassten Parameterwerten zu berechnen. Beispielsweise kann die relative Position und die relative Orientierung des Operationsmikroskops 2 in Bezug auf das Beobachtungsobjekt 3 aus der mittels des Trackingssystems 12 im Koordinatensystem des Trackingssystems 12 erfassten Position und Orientierung des Operationsmikroskops 2, sowie der ebenfalls mittels des Trackingssystems 12 im Koordinatensystem des Trackingssystems 12 erfassten Position und Orientierung des Beobachtungsobjekts berechnet werden. Alternativ können die Positionen und die Orientierung des Operationsmikroskops 2 in Bezug auf die Objektbereiche 3A-H des Beobachtungsobjekts 3 mittels stereografischer Methoden aus stereoskopischen Bildern des Beobachtungsobjekts ermittelt werden. Größen wie beispielsweise die Zoomstellung des Operationsmikroskops 2 oder des Beleuchtungssystems 40 können wie im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel von der Ermittlungseinrichtung 14 direkt aus der Steuerung 4 des Operationsmikroskops 2 und des Beleuchtungssystems ausgelesen werden oder von Sensoren im jeweiligen Zoomsystem erfasst werden. Auch die Intensität und die spektrale Intensitätsverteilung der Beleuchtungslichtquelle 41 lassen sich mittelbar erfassen, indem sie anhand des Wertes eines Lebensdauerzählers, welche die bisherige Lebensdauer der Beleuchtungslichtquelle erfasst, anhand von Kennlinien berechnen.To record the parameter values, the
Aufgrund einer mit der Zeit fortschreitenden Degradation der Beleuchtungslichtquelle 41 weicht die von der Beleuchtungslichtquelle 41 aktuell abgegebene Intensität der Anregungswellenlänge mit der Zeit von der nominell eingestellten Intensität der Anregungswellenlänge ab. Die nominell eingestellte Intensität der Anregungswellenlänge ergibt sich dabei aus der nominell eingestellten Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 und ihrer spektralen Intensitätsverteilung. Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die von der Beleuchtungslichtquelle 41 aktuell abgegebene Intensität der Anregungswellenlänge mittels eines im Operationsmikroskop 2 oder im Beleuchtungssystem 40 verbauten Intensitätssensors 42 ermittelt werden. Der Intensitätssensor 42 ist vorzugsweise nur oder zumindest hauptsächlich auf die Anregungswellenlänge sensitiv, um eine möglichst genaue Erfassung der Intensität der Anregungswellenlänge für die Fluoreszenz zu erhalten. Optional kann mittels eines Intensitätssenaors auch die spektrale Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichtes ermittelt werden, etwa mit Hilfe eines Multispektralsensors. Die mit der nominell eingestellten Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 von dieser aktuell abgegebenen Intensität der Anregungswellenlänge (oder die spektrale Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichtes) kann alternativ oder zusätzlich aber auch dadurch ermittelt werden, dass ein vor der eigentlichen Beobachtung unter das Operationsmikroskop 2 gelegtes und fokussiertes Kalibriertarget (z.B. weißes Blatt Papier) mit dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B aufgenommen und das dabei im Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B generierte Signal ausgewertet wird. Vorzugsweise erfolgt dabei nur eine Auswertung des/derjenige Farbkanals/Farbkanäle des Bildsensors bzw. der Bildsensoren, die der Anregungswellenlänge am nächsten kommt bzw. kommen. Die ermittelte Intensität kann dann in Schritt S2 in der Simulation Verwendung finden. Aus der ermittelten Intensität der Anregungswellenlänge kann optional aber auch die Abweichung der aktuellen Intensität der Anregungswellenlänge von der sich aus der nominell eingestellten Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 ergebenden Intensität der Anregungswellenlänge bestimmt werden und ein Korrekturwert ermittelt werden, mit dem die die Einstellung der Beleuchtungslichtquelle 41 korrigiert werden muss, um eine der nominellen Intensität der Anregungswellenlänge entsprechende aktuelle Intensität der Anregungswellenlänge zu erhalten. Mit dem Korrekturwert kann also die Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 derart angepasst werden, dass die Degradation der Beleuchtungslichtquelle 41 bei der Fluoreszenzanregung gerade kompensiert wird.Due to a progressive degradation of the
Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit, die mit der nominell eingestellten Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 von dieser aktuell abgegebene Intensität der Anregungswellenlänge zu ermitteln, ist die Bestimmung über einen Lebensdauer-Zähler der Beleuchtungsquelle 41 (typischerweise Xenon-Lampe oder LED) und die für die Beleuchtungsquelle 41 nominell eingestellte Intensität. Mit zunehmender Lebensdauer der Beleuchtungslichtquelle nimmt die Intensität des von ihr emittierten Beleuchtungslichtes ab, so dass ihre tatsächliche Intensität von der nominell eingestellten Intensität abweicht. Anhand der bisherigen Lebensdauer der Beleuchtungsquelle 41 kann die aktuelle Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 aus der nominell eingestellten Intensität ermittelt und in der Simulation des Schrittes S2 verwendet werden. Optional kann auch hier aus dem Grad, um den die aktuelle Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 gegenüber der nominell eingestellten Intensität verringert ist, ein Korrekturwert ermittelt werden, um den die Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 korrigiert werden muss, um eine der nominell eingestellten Intensität entsprechende aktuelle Intensität zu erhalten. Mit dem Korrekturwert kann also die Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 derart angepasst werden, dass die Degradation der Beleuchtungslichtquelle 41 bei der Fluoreszenzanregung gerade kompensiert wird. Das verwendete Degradationsmodell für die Beleuchtungsquelle 41 kann optional neben der Änderung Gesamtintensität der Beleuchtungsquelle 41 auch die mit der Zeit auftretenden Verschiebungen in der spektralen Intensitätsverteilung der Beleuchtungsstrahlung berücksichtigen. Die Verschiebung in der spektralen Intensitätsverteilung führt dazu, dass der Grad, um den die aktuelle Intensität der Beleuchtungslichtquelle 41 gegenüber der nominell eingestellten Intensität verringert ist, von der Wellenlänge abhängt. Anhand der Berücksichtigung der mit der Zeit auftretenden Verschiebungen in der spektralen Intensitätsverteilung kann für jede Wellenlänge des Beleuchtungslichtes die aktuelle Intensität ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung der mit der Zeit auftretenden Verschiebungen in der spektralen Intensitätsverteilung lässt sich zudem ein genau auf die Anregungswellenlänge der Fluoreszenz abgestimmter Korrekturwert ermitteln. Auf der Basis der korrigieren Anregungswellenlänge kann eine Berechnung dahingehend erfolgen, wie viel Fluoreszenzstrahlung emittiert wird. Dabei kann in der Berechnung die spektrale Intensitätsverteilung der Beleuchtungslichtquelle 41 mit der effektiven spektralen Anregungskurve der Fluoreszenz gewichtet werden. Anand einer solchen Gewichtung können beim Berechnen des wenigstens einen Korrekturwertes von der Wellenlänge abhängige Eigenschaften des Beobachtungsobjekts 3 berücksichtigt werden, bspw. die Absorption der Anregungswellenlänge beim Eindringen in das Beobachtungsobjekt.Another alternative or additional possibility of determining the intensity of the excitation wavelength currently emitted by the
Die optionale Korrektur der Einstellung der Beleuchtungslichtquelle 41 kann automatisiert erfolgen, so dass die tatsächliche Intensität der Beleuchtungslichtquelle immer der nominell eingestellten Intensität entspricht. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dem Nutzer mitzuteilen, wie er die Einstellung der Beleuchtungslichtquelle 41 anpassen muss, um eine gewünschte Intensität der Beleuchtungslichtquelle zu erzielen.The optional correction of the setting of the
In Schritt S2 erfolgt dann eine Simulation der Fluoreszenzemission anhand eines Modells für die Beobachtung der Fluoreszenzintensität, wobei für die Simulation eine Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff angenommen wird, die einer vorgegebenen Mindestkonzentration entspricht. In das Modell gehen Parameter des Beleuchtungssystems 40, Parameter des Operationsmikroskops 2 sowie Parameter des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B ein, auf die nachfolgend im Einzelnen eingegangen wird. Die Simulation wird im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel von einer in die Datenverarbeitungseinheit 6 integrierten Simulationseinrichtung 16 ausgeführt.In step S2, the fluorescence emission is then simulated using a model for observing the fluorescence intensity, a concentration of fluorescent dye which corresponds to a predetermined minimum concentration being assumed for the simulation. The model includes parameters of the
Die Parameter des Beleuchtungssystems 40 bestimmen unter anderem die Emissionsintensität der Beleuchtungslichtquelle 41 und die Emissionswellenlänge der Beleuchtungslichtquelle 41 und damit die Anregungswellenlänge. Darüber hinaus bestimmen der Abstand des Beleuchtungssystems 40 von den Objektbereichen 3A-H des Beobachtungsobjekts 3 und die Orientierung des Beleuchtungssystems 40 in Bezug auf die Objektbereiche 3A-H des Beobachtungsobjekts 3, die Zoomstellung des Beleuchtungssystems 40 und die Stellung von Blenden im Beleuchtungssystem 40, wie viel Anregungsstrahlung pro Flächeneinheit eines zu einem Objektbereich 3A-H gelangt. Dies beeinflusst der Intensität der Anregungswellenlänge am Ort der Fluoreszenzanregung und damit auch die Intensität der Fluoreszenzemission wodurch wiederum die in den Pixeln des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B ankommende Fluoreszenzintensität beeinflusst wird.The parameters of the
Die Parameter des Operationsmikroskops 2 bestimmen, wie viel von einem Objektbereich 3A-H des Beobachtungsobjekts 3 emittierte Fluoreszenzstrahlung zu dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61 B (oder in das Okular) gelangt. Hierbei sind für die zum Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61 B gelangende Fluoreszenzintensität und damit für die in den Pixeln des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61 B hervorgerufene Signalstärke insbesondere der Abstand des Operationsmikroskops 2 von den Objektbereichen 3A-H des Beobachtungsobjekts 3 und die Orientierung des Operationsmikroskops 2 in Bezug auf die Objektbereiche 3A-H des Beobachtungsobjekts 3, die Zoomstellung im Operationsmikroskops 2, das Transmissionsverhalten in den Beobachtungsstrahlengang eingebrachter Blenden (Vignettierung) und Filter (Transmissionsgrad) von Bedeutung.The parameters of the
Bei einem Bildsensor beeinflussen der Gain (Verstärkungsfaktor), die Belichtungsdauer, Nichtlinearitäten des Bildsensors und sonstige variable Faktoren des Bildsensors die durch die eintreffende Fluoreszenzintensität in den Pixeln des Bildsensors hervorgerufene Signalstärke.In the case of an image sensor, the gain (amplification factor), the exposure time, non-linearities of the image sensor and other variable factors of the image sensor influence the signal strength caused by the incoming fluorescence intensity in the pixels of the image sensor.
Im Rahmen der Simulation des Schrittes S2 wird mittels eines Optik- und Systemmodells vorzugsweise der Einfluss aller genannten Parameter bei der Berechnung der bei Vorliegen der Mindestkonzentration an Fluoreszenzfarbstoff in den Pixeln des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61 B hervorgerufene Signalstärke berücksichtigt.As part of the simulation of step S2, the influence of all of the parameters mentioned is preferably taken into account by means of an optical and system model when calculating the signal strength caused when the minimum concentration of fluorescent dye is present in the pixels of the
Eins Beispiel für ein mögliches Optik- und Systemmodell wie folgt
Die Beleuchtungsterm ergibt sich dabei aus den Parameterwerten des Beleuchtungssystems 40, der Einsammelterm aus den Parameterwerten des Operationsmikroskops 2 und der Sensorterm aus den Parameterwerten des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B.The illumination term results from the parameter values of the
Ein möglicher Beleuchtungsterm ist:
Ein möglicher Einsammelterm ist:
Ein möglicher Sensorterm ist:
Die Beleuchtungsterm, der Einsammelterm und das Rohsignal werden jeweils für einen Pixel des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B und den darauf abgebildeten Objektbereich 3A-H des Beobachtungsobjektes 3 berechnet. Die Größe eines Objektbereiches 3A-H des Beobachtungsobjekts 3 ergibt sich daher im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel aus dem Abbildungsfaktor mit dem das Beobachtungsobjekt 3 auf den Bildsensor 23 oder die Bildsensoren 61A, 61B abgebildet wird, wobei der Abbildungsfaktor u.a. von Parametern des Operationsmikroskops 2 abhängt, bspw. von der Zoom-Einstellung, dem Arbeitsabstand, etc. Zudem kann die Größe der Objektbereiche 3A-H die auf einen Pixel des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61 B vergrößert werden, indem mehrere nebeneinander angeordnete Pixel zu einem größeren Pixel zusammengefasst werden (sog. Binning), um die effektive Pixelfläche zu vergrößern.The illumination term, the collection term and the raw signal are each calculated for a pixel of the
Die Auswerteinrichtung 18 wertet anschließend in Schritt S3 das Ergebnis der Simulation aus Schritt S2 dahingehend aus, ob Objektbereiche 3A-H vorliegen, für die die mit der vorgegebenen Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes ermittelte Fluoreszenzintensität am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B nicht ausreicht, um vom Bildsensor 23 bzw. den Bildsensoren 61 A, 61 B detektiert zu werden. Wenn die Auswertung ergibt, dass Objektbereiche 3A-H vorliegen, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B nicht zu einer von diesem bzw. von diesen zu detektierenden Fluoreszenzintensität führt, gibt die Auswerteeinrichtung 18 im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel eine Warnung aus (Schritt S4). Die Warnung kann optional mit einer grafischen Darstellung einhergehen, die anzeigt, welche Objektbereiche am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B nicht zu einem vom Bildsensor 23 bzw. den Bildsensoren 61A, 61 B detektierbaren Fluoreszenzintensität führen, damit der Nutzer die Relevanz der Warnung abschätzen kann. Falls die Auswertung ergibt, dass Objektbereiche, die am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B nicht zu einem vom Bildsensor 23 bzw. den Bildsensoren 61A, 61B detektierbaren Fluoreszenzintensität führen, nicht vorhanden sind, endet die Vorbereitung der Fluoreszenzbeobachtung und die Fluoreszenzbeobachtung kann durchgeführt werden (Schritt S5).The
Die Auswerteeinrichtung 18 kann darüber hinaus optional weitere Aufgaben wahrnehmen. Beispielsweise kann sie das bereits erwähnte Ermitteln wenigstens eines verbesserten Parameterwertes durchführen. Das optionale Ermitteln des wenigstens einen verbesserten Parameterwertes findet entweder automatisiert oder auf eine Anforderung des Nutzers hin in Schritt S6 statt, wenn die Auswertung in Schritt S3 ergibt, dass Objektbereiche 3A-H vorliegen, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B nicht zu einer von diesem bzw. von diesen zu detektierenden Fluoreszenzintensität führt. In Schritt S6 ermittelt die Auswerteeinrichtung 18 dann für wenigstens einen die Fluoreszenzintensität am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B beeinflussenden Parameter einen verbesserten Parameterwert, welcher dazu führt, dass die Zahl an Objektbereichen 3A-H, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B nicht zu einer von diesem bzw. von diesen zu detektierenden Fluoreszenzintensität führt, verringert wird. Zum Verbessern des Parameterwertes kann die Auswerteeinrichtung 18 beispielsweise den entsprechenden Parameterwert variieren und für jeden bei der Variation vorkommenden Wert des Parameters einen Qualitätswert berechnen. Als Qualitätswert kann dabei beispielsweise die Anzahl derjenigen Objektbereiche, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61B nicht zu einer detektierbaren Fluoreszenzintensität führt, herangezogen werden. Dabei kann optional auch eine Gewichtung dahingehend erfolgen, wo sich die verbleibenden Objektbereiche, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B nicht zu einer detektierbaren Fluoreszenzintensität führt, im Bild befinden. Bspw. können Objektbereiche im Zentrum des Bildes eine höhere Gewichtung erfahren als Objektbereiche am Rand des Bildes. Das Verbessern des wenigstens einen Parameters kann dann so lange fortgeführt werden, bis der Qualitätswert ein Minimum erreicht hat oder einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Alternativ kann als Qualitätswert die Anzahl derjenigen Bereiche, für die die Mindestkonzentration des Fluoreszenzfarbstoffes am Ort des Bildsensors 23 bzw. der Bildsensoren 61A, 61 B zu einer detektierbaren Fluoreszenzintensität führt, herangezogen werden. Das Verbessern des wenigstens einen Parameters kann dann so lange fortgeführt werden, bis der Qualitätswert ein Maximum erreicht hat oder einen mindestwert unterschreitet. Auch hierbei kann wieder eine unterschiedliche Gewichtung von Objektbereiche im Zentrum des Bildes und von Objektbereiche am Rand des Bildfeldes erfolgen. Der verbesserte Parameterwert des wenigstens einen Parameters kann dann entweder automatisiert eingestellt werden (Schritt S7), oder dem Nutzer als eine empfohlene Einstellung angezeigt werden. Bspw. kann wenigstens eine der folgenden Verbesserungen erfolgen:
- - Ausrichtung des Blickwinkels des
Operationsmikroskops 2 und/oder des Beleuchtungssystems 40 über das Stativ 1, - - Optimieren der Lichtstärke der Optik des Operationsmikroskops 2 (Zoomeinstellung, Arbeitsabstand)
- - Optimieren der Empfindlichkeit des Bildsensors 23 bszw.
61A, 61 Bder Bildsensoren - - Erhöhung der Beleuchtungshelligkeit.
- - Alignment of the viewing angle of the
surgical microscope 2 and/or thelighting system 40 via the tripod 1, - - Optimizing the light intensity of the optics of the surgical microscope 2 (zoom setting, working distance)
- - Optimizing the sensitivity of the
image sensor 23 or the 61A, 61Bimage sensors - - Increase lighting brightness.
Dem Nutzer kann im Rahmen des Verfahrens auch eine Möglichkeit geboten werden, bspw. in der Steuerung 4 oder in der Auswerteeinrichtung 18 einstellen, welche die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter von der Auswerteeinrichtung 18 automatisch verbessert werden sollen und welche er selbst manuell verbessern möchte.As part of the method, the user can also be offered the opportunity to set, for example in the
Wenn in der nach der Vorbereitung der Fluoreszenzbeobachtung durchgeführten Fluoreszenzbeobachtung ein Ermitteln der oberflächennahen Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff erfolgen soll, muss das com Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61 B detektierte Signal anhand eines Vorfaktors korrigiert werden.
Der dabei in das Optik- und Systemmodell eingehende Vorfaktor lässt sich zu diesem Zweck für jeden Fluoreszenzfarbstoff und für eine angenommene Gewebeart durch Kalibration ermitteln. Vorzugsweise wird je nach Gewebeart ein anderer Vorfaktor verwendet. Falls lediglich für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt werden soll, kann ein geeigneter Vorfaktor anhand eines Modells des Emissionsvorgangs und der Eigenschaften des verwendeten optischen Systems ermittelt werden.For this purpose, the prefactor included in the optics and system model can be determined for each fluorescent dye and for an assumed tissue type through calibration. Depending on the type of tissue, a different prefactor is preferably used. If only the fluorescence intensity expected with the minimum concentration is to be determined for each object area, a suitable prefactor can be used can be determined using a model of the emission process and the properties of the optical system used.
Für die Kalibration finden Referenzobjekte Verwendung. Bei einem ersten Referenzobjekt handelt es sich z.B. um ein diffus reflektierendes weißes Objekt, das 50% der eingestrahlten Lichtintensität diffus zurückwirft. Bei einem zweiten Referenzobjekt handelt es sich beispielsweise um eine wässrige Lösung in einem Referenzgefäß, die eine Referenzkonzentration von 100nM des Fluoreszenzfarbstoffs beinhaltet. Außerdem werden Referenzlagen und - orientierungen des Operationsmikroskops 2 und des Beleuchtungssystems 40 in Bezug auf das jeweilige Referenzobjekt definiert. Für sämtliche in die Simulation eingehende Parameter des Operationsmikroskops 2, des Beleuchtungssystems 40 und des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61 B wird jeweils ein Referenzparameterwert definiert.Reference objects are used for calibration. A first reference object is, for example, a diffusely reflecting white object that diffusely reflects 50% of the irradiated light intensity. A second reference object is, for example, an aqueous solution in a reference vessel that contains a reference concentration of 100nM of the fluorescent dye. In addition, reference positions and orientations of the
Die Referenzparameterwerte können beispielsweise (müssen aber nicht) so gewählt sein, dass für die Kalibration folgende Referenzbedingungen vorliegen:
- - Senkrechte Beobachtung der Oberfläche des Referenzobjekts (Referenz-Beobachtungswinkel 90°),
- - Referenzort innerhalb des Bildes auf der dem Bildsensor: Das Objekt befindet sich im Zentrum des Bildes und wird auf den mittigen Pixel abgebildet,
- - Referenz-
Arbeitsabstand zwischen Operationsmikroskop 2 und Objekt von 200mm, - - Referenzstellung des Operationsmikroskops 2 (Referenz-Fokuslage = 200mm, Referenz-Zoomfaktor der Beobachtungsoptik gamma_Beobachtung = 1, Referenzblendenstellung: 100% geöffnete Blende),
- - Referenzhelligkeit
der Beleuchtung von 50%, Referenzalter der Lampe: neue Xenon-Lampe, - - Referenz-Einstellung von Beleuchtungsblende (vollständig offen) und Beleuchtungszoom (mittlere Stellung des Beleuchtungszooms, Zoomfaktor gamma_Beleuchtung = 1),
- - Referenzeinstellung der Bildsensorparameter: Gain=0, Belichtungszeit 20ms, usw.
- - Vertical observation of the surface of the reference object (reference observation angle 90°),
- - Reference location within the image on the image sensor: The object is in the center of the image and is imaged on the central pixel,
- - Reference working distance between
surgical microscope 2 and object of 200mm, - - Reference position of the surgical microscope 2 (reference focus position = 200mm, reference zoom factor of the observation optics gamma_Observation = 1, reference aperture position: 100% open aperture),
- - Reference brightness of the lighting of 50%, reference age of the lamp: new xenon lamp,
- - Reference setting of the illumination aperture (fully open) and illumination zoom (middle position of the illumination zoom, zoom factor gamma_illumination = 1),
- - Reference setting of the image sensor parameters: Gain=0, exposure time 20ms, etc.
Durch die Kalibration unter den Referenzbedingungen wird ermittelt, welches Signal am Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B (d.h. im vorliegenden Beispiel dem mittigen Referenzpixel des Bildsensors) das vom ersten Referenzobjekt reflektierte Licht erzeugt, wenn die Beleuchtung des ersten Referenzobjekts mit der Referenzhelligkeit erfolgt und die übrigen Referenzeinstellungen vorliegen. Beispielsweise erzeugt das erste Referenzobjekt durch Reflektion des Beleuchtungslichts unter den genannten Referenzbedingungen ein Referenz-Roh-Signal von 100HE (Helligkeitseinheiten) auf dem Referenzpixel des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61 B. Für den Fall des Vorliegens der Referenzbedingungen wird in der Datenverarbeitungseinheit daher eine Referenzintensität in Form eines Referenz-Signals von ebenfalls 100HE hinterlegt.The calibration under the reference conditions determines which signal at the
Außerdem wird durch die Kalibration unter den Referenzbedingungen ermittelt, welches Signal am Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B (d.h. im vorliegenden Beispiel dem mittigen Referenzpixel des Bildsensors) vorlieget, wenn die Fluoreszenz im zweiten Referenzobjekt mit der Referenzintensität der Anregungswellenlänge erfolgt. Beispielsweise erzeugt das zweite Referenzobjekt unter Referenzbedingungen durch von der Anregungswellenlänge angeregte Fluoreszenzemission ein Referenz-Roh-Signal von 100HE (Helligkeitseinheiten) auf dem Referenzpixel des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B. Für den Fall des Vorliegens der Referenzbedingungen wird in der Datenverarbeitungseinheit 6 daher ein eine Referenzintensität in Form eines Referenz-Signals von ebenfalls 100HE hinterlegt.In addition, the calibration under the reference conditions determines which signal is present at the
Ziel der Kalibration ist nun, dass unabhängig davon, ob die tatsächlichen Parameterwerte von den Referenzparameterwerten abweichen, bei Beobachtung des Referenzobjekts mit dem erfindungsgemäßen optischen Beobachtungssystem 100 stets mit das gleiche Signal von 100HE detektiert wird. Weiterhin ist es Ziel der Kalibration, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der diffusen Reflektivität eines Beobachtungsobjekts 3 und dem erfassten Signal bzw. zwischen der Fluoreszenzfarbstoff-Konzentration des Beobachtungsobjekts 3 und dem erfassten Signal besteht. Beispielsweise soll bei einer Fluoreszenzbeobachtung mit einer von der Referenzkonzentration von 100nM abweichenden Konzentration von 10nM, 50nM, 70nM, etc. an Fluoreszenzfarbstoff bei einem ansonsten gleichen zweiten Referenzobjekt ein korrigiertes Signal von 10HE, 50HE, 70HE, etc. detektiert werden. Für den Fall einer Beobachtung von reflektiertem Licht (z.B. Weißlicht-Beobachtung) soll beispielsweise ein erstes Referenzobjekt mit einer von der Referenzreflektivität von 50% abweichenden diffusen Reflektivität von 10%, 20%, 30%, etc. stets mit einem korrigierten Signal von 10 HE, 20 HE, 30 HE, etc. detektiert werden.The aim of the calibration is now that, regardless of whether the actual parameter values deviate from the reference parameter values, the same signal of 100U is always detected when the reference object is observed with the
Um dies zu gewährleisten, ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel in der Datenverarbeitungseinheit 6 für jeden die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter durch Kalibration oder Vorausberechnung ein Zusammenhang zwischen der Abweichung des Ist-Wertes des jeweiligen Parameters von seinem Referenzwert und der Abweichung des die gemessene Intensität repräsentierenden Signals am Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B von dem die Referenzintensität repräsentierenden Referenz-Signal im Speicher der Signalverarbeitungseinheit hinterlegt. Beispielsweise kann in der Datenverarbeitungseinheit 6 hinterlegt sein, dass ein vom Referenz-Zoomfaktor gamma_Beobachtung = 1 der Beobachtungsoptik abweichender Ist-Zoomfaktor gamma_Beobachtung = 2 dazu führt, dass sich das Signal, und damit die gemessene Intensität, um den Faktor 0,25 verringert. Der Zusammenhang kann bspw. als Gleichung oder Gleichungssystem hinterlegt sein. Alternativ kann er in Form einer Wertetabelle oder mehrerer Wertetabellen hinterlegt sein. Es ist zudem möglich das der Zusammenhang für manche Parameter als Gleichung oder Gleichungssystem hinterlegt und für andere Parameter in Form einer Wertetabelle oder mehrerer Wertetabellen. Im Falle einer oder mehrerer Wertetabellen kann auch zwischen den hinterlegten Werten interpoliert oder extrapoliert werden.To ensure this, in the present exemplary embodiment in the
Mit Hilfe der in der Datenverarbeitungseinheit 6 hinterlegten Formel oder Formeln bzw. der in der Datenverarbeitungseinheit 6 hinterlegten Wertetabelle oder Wertetabellen kann eine gemessene Intensität, insbesondere eine gemessene Fluoreszenzintensität, in eine korrigierte Intensität, insbesondere eine korrigierte Fluoreszenzintensität umgewandelt werden. Falls beispielsweise bei ansonsten mit den Referenzbedingungen übereinstimmenden Ist-Bedingungen der Beobachtung lediglich der Ist-Zoomfaktor gamma_Beobachtung = 2 vom Referenz-Zoomfaktor gamma_Beobachtung = 1 abweicht, wird vom Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B für die Referenz-Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff ein Roh-Signal von 25HE, welches die gemessene erfasst. Zur Korrektur des Roh-Signals wird daher das Roh-Signal durch Abweichungsfaktor 0,25 geteilt, um ein korrigierte Signal von 100HE zu erhalten, das die Fluoreszenzintensität der Referenz-Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffes von 100nM entspricht.With the help of the formula or formulas stored in the
In einem anderen Beispiel ist das Roh-Signal aufgrund von Vignettierung der Optik am Rand des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B bei ansonsten gleichbleibenden Referenzbedingungen beispielsweise um den Abweichungsfaktor 0,2 verringert. Zur Korrektur des Roh-Signals wird dieses für Pixel am Rand des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B durch den Abweichungsfaktor von 0,2 geteilt, so dass sich wiederum ein korrigiertes Signal von 100HE ergibt.In another example, the raw signal is reduced by a deviation factor of 0.2, for example, due to vignetting of the optics at the edge of the
In noch einem anderen Beispiel ist das Roh-Signal bei einem Beleuchtungs-Zoomfaktor gamma_Beleuchtung = 3 und ansonsten unveränderten Referenzbedingungen um den Faktor 9 auf Roh-Signal von 900HE erhöht. Zur Korrektur des Roh-Signals wird daher das Roh-Signal von 900HE durch Abweichungsfaktor 9 geteilt, um ein korrigiertes Signal von 100HE zu erhalten, das die Fluoreszenzintensität der Referenz-Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffes von 100nM entspricht.In yet another example, the raw signal is increased by a factor of 9 to a raw signal of 900U with an illumination zoom factor gamma_illumination = 3 and otherwise unchanged reference conditions. To correct the raw signal, the raw signal of 900HE is divided by a deviation factor of 9 to obtain a corrected signal of 100HE, which corresponds to the fluorescence intensity of the reference concentration of the fluorescent dye of 100nM.
Verschiedene die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter können auch miteinander gekoppelt sein, z.B. kann die Vignettierung sowohl vom Ort auf dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B als auch von den optischen Beobachtungsparametern Zoom, Fokus und Blendenstellung abhängen. In diesem Fall sind entsprechende verknüpfte Wertetabellen bzw. Formeln für die Abweichungsfaktoren hinterlegt.Various parameters influencing the observation of the fluorescence intensity can also be coupled with one another, e.g. the vignetting can depend on the location on the
Das Korrekturverfahren muss im Allgemeinen für jeden Pixel des Bildsensors 23 oder der Bildsensoren 61A, 61B separat ausgeführt werden, da einige Abweichungsfaktoren vom Ort auf dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B (bspw. Vignettierung). Ein Großteil der Abweichungsfaktoren sind allerdings vom Ort auf dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B unabhängig (z.B. Intensitätseinstellung der Lichtquelle), so dass globale, für alle Orte auf dem Bildsensor 23 oder den Bildsensoren 61A, 61B Abweichungsfaktoren darstellen.The correction process generally needs to be carried out separately for each pixel of the
Als Ergebnis der beschriebenen Vorgehensweise hat das Referenzobjekt mit 100nM Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffs somit immer einen korrigierten Messwert von 100HE, und ein nur in der Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffes von 33nM vom Referenzobjekt abweichendes Ist-Objekt immer einen korrigierten Messwert von 33HE usw. Sind sämtliche aktuellen Parameterwerte der die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter bekannt und die sich jeweils ergebenden Abweichungsfaktoren richtig im System hinterlegt, so hängt des korrigierte Signal einzig von den Eigenschaften des Beobachtungsobjekts 3 selbst ab (z.B. optische Eigenschaften, Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffs im Objekt, ...) und nicht von den Einstellungen des Operationsmikroskops 2 oder der geometrischen Lage des Beobachtungsobjekts 3 relativ zum Operationsmikroskops 2.As a result of the procedure described, the reference object with a 100nM concentration of the fluorescent dye always has a corrected measured value of 100HU, and an actual object that only deviates from the reference object in the concentration of the fluorescent dye of 33nM always has a corrected measured value of 33HU, etc. Are all the current parameter values of the The parameters influencing the observation of the fluorescence intensity are known and the resulting deviation factors are correctly stored in the system, then the corrected signal depends solely on the properties of the
In einem realen System können nicht alle aktuellen Parameterwerte der die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter bestimmt und geeignet korrigiert werden. Es können aber zumindest die Einflüsse möglichst vieler die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter kompensiert werden, so dass das korrigierte Signal zumindest von den aktuellen Parameterwerten dieser Parameter (nahezu) unabhängig ist. Um dennoch zu einem zuverlässigen korrigierten Signal zu gelangen, sollte der Nutzer des Operationsmikroskops 2 dafür sorgen, dass sämtliche nicht vom System korrigierbaren, die Beobachtung der Fluoreszenzintensität beeinflussenden Parameter den Referenzbedingungen entsprechen. Ist beispielsweise der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf das Signal nicht im System korrigierbar hinterlegt, so sollte vom Benutzer dafür gesorgt werden, dass die Referenz-Beleuchtungsintensität eingestellt ist.In a real system, not all current parameter values of the parameters influencing the observation of the fluorescence intensity can be determined and appropriately corrected. However, at least the influences of as many parameters as possible influencing the observation of the fluorescence intensity can be compensated for, so that the corrected signal is (almost) independent of at least the current parameter values of these parameters. In order to still achieve a reliable corrected signal, the user of the
Selbstverständlich kann die Kalibration auch durchgeführt werden, wenn anhand der Simulation lediglich für jeden Objektbereich die mit der Mindestkonzentration zu erwartende Fluoreszenzintensität ermittelt werden soll.Of course, the calibration can also be carried out if the simulation is only intended to determine the fluorescence intensity to be expected with the minimum concentration for each object area.
Fluoreszenzfarbstoffe wie PPIX bleichen bei Anregung langsam aus und verlieren nach und nach an Fluoreszenzintensität. In einer Weiterbildung des in
Die vorliegende Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass im Rahmen der Erfindung von den beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispielen abgewichen werden kann. Die Erfindung soll daher nicht durch die exemplarischen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich besteht beigefügten Ansprüche.The present invention has been described in detail for explanatory purposes using exemplary embodiments. However, a person skilled in the art will recognize that within the scope of the invention, deviations can be made from the exemplary embodiments described. The invention should therefore not be limited by the exemplary embodiments, but rather only consists of the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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