DE19751781C2

DE19751781C2 - Mikroskop mit Positionsüberwachung

Info

Publication number: DE19751781C2
Application number: DE19751781A
Authority: DE
Inventors: Roger Spink; Karl Weissbach
Original assignee: Leica Mikroskopie Systeme AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: DE19751781A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop mit Positionsüberwachung, insbesondere ein Operationsmikroskop für stereotaktische Operationen und ein Verfahren zum Betrieb desselben. Mit großem Aufwand wurde vor wenigen Jahren ein Mikroskop mit der Bezeichnung MKM der Öffentlichkeit vorgestellt.

Zur Erfassung der Objektlage des durch das Mikroskop betrachteten Objektes relativ zum Raum wurden dort in sämtlichen Gelenken des Mikroskopstativs Inkrementgeber vorgesehen, die die jeweilige Lage oder Lageänderung von Teilarmen des Stativs zueinander messen, wobei die Messergebnisse mittels Rechner ausgewertet werden, so dass es zu einer Positionsbestimmung der Blickrichtung der optischen Achse des Mikroskops im Raum kommt.

Gibt es nun an dieser Stelle eine Markierung, die durch das Mikroskop gesehen werden kann und auf die das Mikroskop mittels Eichvorgang gerichtet werden kann, so kann jede davon abweichende Position des Mikroskops durch Messen an den Ausgängen der Inkrementgeber berechnet bzw. festgestellt werden.

Dieses bekannte System weist jedoch zwei Nachteile auf: Erstens kann es bei der Vielzahl von Inkrementgebern zu einer Addition von Messfehlern kommen, die die Positionsbestimmung ungenau werden lässt. Zweitens wird eine z. B. unabsichtliche Lageänderung des durch das Mikroskop betrachteten Gegenstandes relativ zum Mikroskop nicht registriert. Sollte es damit zu einer Lageänderung kommen, stimmt das Koordinatensystem des Mikroskops nicht mehr mit dem Koordinatensystem des Objektes bzw. der Bildebene überein, so dass der gesamte aufwendige Inkrementerfassungsteil des Mikroskopstativs nutzlos wird.

Eine Alternative zu diesem System sind Erfassungssysteme, die sowohl die Position des Mikroskops als auch die Position des Objektes laufend erfassen und somit beide einem einzigen Koordinatensystem zuordnen. Die Relativposition von Mikroskop zu Objekt in diesem Koordinatensystem kann dabei jeweils mittels Rechner berechnet werden.

Solche Systeme arbeiten häufig mit Ultraschall oder mit lichtoptischen Signalgebern bzw. Positionssensoren.

Der Nachteil diese Systeme liegt in der Problematik der Abschattung von Sendesignalen und dem dadurch bedingten Ausfall der Positionserfassungsmöglichkeit. Tritt beispielsweise eine Operationsschwester zwischen einen Positionssensor und ein Positionssignal, so kann der Sensor den Ort des Signals nicht mehr vermessen und die Lagebestimmung wird verunmöglicht.

Beide System sind somit unvollkommen.

Die DE 44 12 073 A1 offenbart eine Operationsmikroskops-Einheit mit einem Stativ, einem Mikroskop und einer Kamera, die am Mikroskop angebrachte Leuchtdioden detektiert. Die Problematik einer möglichen Abschattung von Sendesignalen ist dort jedoch nicht gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zu finden, bei dem eine verbesserte Messgenauigkeit ohne Verlust der Messmöglichkeit durch die Abschattung zu finden.

Es soll ein Operationsmikroskop mit zuverlässiger Positionsbestimmung angegeben werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Kombination der Merkmale des Anspruches 1.

Mit dem neuen System, das erfindungsgemäß eine Kombination der beiden bekannten System enthält, werden somit die Positionserfassungsvorteile von optischer Positionsdetektion kombiniert mit der Möglichkeit einer elektronischen oder mechanischen Bewegungs- bzw. Positionserfassung bzw. Übertragung. Gegenüber dem Bekannten kommt es somit zu einer Reduktion von Inkrementgebern und dadurch zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit und in jedem Fall zu einer Vermeidung von Abschattungsproblemen bei den Positionssensoren.

Als erfindungsgemäße Variante, die vollständig auf Inkrementgeber verzichtet, ist ein Aufbau vorgesehen, bei dem die optischen Signalgeber der Messanordnung am oberen Ende des Operationsmikroskops und ebenso ausserhalb einer versehentlichen Abschattung fest angebracht sind. Die Anordnung entspricht dabei den Merkmalen unterhalb des letzten Spiegelstrichs im Anspruch 1. Auch sie löst die gestellte Aufgabe.

Als weiterer Vorteil ergibt sich durch die Erfindung, dass im Bereich der Signalsender des Mikroskopes, die energetisch erregt sein können, durch die entfernte Lage derselben vom Objekt (z. B. Operationsfeld in einem Gehirn) keine Bedenken gegen elektrische Ströme und damit verbundene elektrischen Felder bestehen.

Als weiterer Stand der Technik können angeführt werden: DE 42 02 505 A1, DE 38 07 578 A1, DE 41 34 481 A1 und WO 95/27918 A1.

Weitere Ausgestaltungen und deren Varianten sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben bzw. unter Schutz gestellt.

Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus den Figuren bzw. der nachfolgenden Figurenbeschreibung.

Die Figuren sind zusammenhängend beschrieben, gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen, funktionsähnliche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indizes.

Es zeigen dabei

Fig. 1 das Prinzip eines erfindungsgemässen Aufbaus an einem Stativ mit Inkrementgebern, Positionsdetektor und Auswerteschaltung;

Fig. 2 das Schema einer Variante des Stativaufbaus mit Inkrementgebern;

Fig. 3 das Schema eines Stativaufbaus gemäß Fig. 1, jedoch ohne Inkrementgeber;

Fig. 4 ein Detail aus Fig. 1 und

Fig. 5 ein Detail eines möglichen Aufbaus für Signalsender.

Symbolisch ist in Fig. 1 eine Tragsäule 8a eines Stativs dargestellt, das in beliebiger Form gegenüber Boden 9, Wand oder Decke abgestützt ist. Über einen symbolisch angedeuteten gelenkigen Aufbau 10 sind drei Teilträger 1a, 2, 3a frei im Raum schwenkbar angelenkt. Die Teilträger 1a, 2, 3a sind untereinander durch Gelenke 11a, 12 verbunden. Am freien Ende des Teilträgers 3a befindet sich ein Gelenk 13a. Die Gelenke 11a, 12, 13a beinhalten - symbolisch angedeutete - Inkrementgeber 4a, 14 und 5a. Die Inkrementgeber 4a und 14 dienen der Erfassung der Relativlage der Teilträger 2 und 3a zum Teilträger 1a. Der Inkrementgeber 5a dient der Erfassung der Relativlage eines Mikroskops, insbesondere der optischen Achse (OA) eines Mikroskopes, relativ zum Teilträger 3a.

Ein solches Mikroskop ist durch übliche und bekannte Maßnahmen mit dem Gelenk 13a gelenkig mit dem Teilträger 3a verbunden, wie nicht näher dargestellt.

Die Inkrementmesswerte der Inkrementgeber 4a, 14 und 5a werden über Messleitungen 16 der Positionsauswerteeinheit 15 zugeführt. Ist somit die räumliche Lage des Teilträgers 1a bekannt, kann die Positionsauswerteeinheit 15 die räumliche Lage der optischen Achse (OA) berechnen. Zur Feststellung der räumlichen Lage des Teilträgers 1a dient eine Signalsenderanordnung 7a, die mit dem Teilträger 1a starr verbunden ist. Die Signalsenderanordnung 7a weist an sich bekannte Signalsender auf, die durch einen Positionsdetektor 17 delektiert und deren räumliche Lage im Raum über eine optische Positionserfassungseinheit 18 erfasst werden kann. Die Einheit 18 ist über eine Messleitung 16 mit der Positionsauswerteeinheit 15 verbunden.

Die Positionsauswerteeinheit 15 kann somit eine beliebige Änderung der räumlichen Position der optischen Achse (OA) detektieren.

Eine Abschattung der erfindungsgemäßen Positionierung ist nicht mehr möglich, so dass zu jeder Zeit eine akkurate und richtige Positionsbestimmung der Lage der optischen Achse bzw. des Mikroskops möglich ist. Optische und inkrementale Messwerterfassungen ergänzen sich bei diesem Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß in optimaler Weise.

Dieses erfindungsgemäße System wird insbesondere bei dem weiter verbesserten erfindungsgemäßen Verfahren optimal angewendet, bei dem zusätzlich zur Lageinformation auch noch der mittels zusätzlicher Messeinrichtung 19 ermittelte Z-Abstand bzw. Abstand zwischen Mikroskop und betrachteter Objektebene bzw. Bildebene als Eingabewert über eine Messleitung 16 in die Positionsauswerteeinheit eingegeben werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn nicht nur der Z-Abstand, sondern auch die tatsächliche Vergrößerung des Mikroskops berücksichtigt wird, da diese Information bei der späteren Überlagerung von früher gemachten Bildern (z. B. CT oder Röntgenaufnahmen) wichtig ist, um diese rechnerisch an dieselben Vergrößerungswerte anzupassen. Der Positionsauswerteeinheit 15 ist es somit nicht nur möglich, die Lage der optischen Achse (OA), sondern auch die Lage der Objekt bzw. Bildebene im Raum zu bestimmen.

Diese Möglichkeit führt zu dem erfindungsgemäßen, weiterreichenden Verfahren zur Überlagerung von Bilddaten eines durch ein Mikroskop gesehenen Objektes, wenn, wie erfindungsgemäß weiter vorgesehen ist, das Objekt ebenso wie der Teilträger 1a mit einer Signalsenderanordnung 7b versehen ist.

Solche Signalsenderanordnungen 7b können beispielsweise Fiducials sein, wie sie am Schädel eines Patienten festgelegt sind, um die Lage des Schädels im Raum über den Positionsdetektor 17 und die optische Positionserfassungseinheit 18 feststellen zu können. Da die Positionsmesswerte der Signalsenderanordnung 7b ebenso der Positionsauswerteeinheit 15 zugeführt werden, ist durch diese nicht nur die Absolutlage von Bildebene bzw. Objektebene sondern auch die Relativlage des Objektes dazu bestimmbar. Bilder des Objektes (z. B. MRI, CT- Bilder o. dgl.), die Positionsdaten der Fiducial enthalten, können somit nach Kenntnis der räumlichen Lage der Fiducials des Patienten unter dem Mikroskop positionsrichtig überlagert werden, indem die Bilddaten rechnerisch an die Position der Bild- bzw. Objektebene angepasst werden.

Im Zusammenhang mit der Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere auf folgende Publikationen bzw. Patentanmeldungen verwiesen, die Angaben zu einer Variante technischer Realisierungsmöglichkeit der Detailschritte enthalten: WO 95/27918 A1 für die Bestimmung des Z-Abstandes, für die Vergrößerungsmessung und für das rechnerische Umwandeln von Bilddaten zur Überlagerung derselben; WO 95/27917 A1; WO 96/36897 A1 für das Überlagern von Bildinformationen mittels Laserlicht; WO 97/47240 A1 und WO 97/13997 A1 für Details eines möglichen Stativaufbaus.

Alle die erwähnten Dokumente gelten mit dem Inhalt ihrer Figuren und der dazugehörigen Figurenbeschreibung als im Rahmen dieser Anmeldung liegend geoffenbart.

Die Variante nach Fig. 2 zeigt ein einfacheres System mit weniger Teilträgern 1b, 3b, wobei Gelenke 11b und 13b in diesem Fall beispielsweise lediglich Drehgelenke umfassen, die eine Rotation der nachfolgenden Teile um jeweils die Erstreckungsachse des angrenzenden Teilträgers 1b, 3b erlauben.

Fig. 3 zeigt eine grundsätzliche Variante zu den erstbeschriebenen Figuren, die ohne Inkrementgeber auskommt. Dieser Aufbau verfügt über einen starren Übertragungsarm 6, der mit dem Mikroskop bzw. dessen optischer Achse (OA) starr festgelegt ist und an seinem abragenden Ende die Signalsenderanordnung 7a trägt. Bei diesem Aufbau genügt ein hier nicht dargestellter Positionsdetektor 17 (Fig. 1) mit optischer Positionserfassungseinheit 18 (Fig. 1) zur Erfassung der räumlichen Lage der optischen Achse (OA). Selbstverständlich sind bei den Aufbauten sowohl nach Fig. 2 und Fig. 3 bevorzugt auch die Z- und Vergrößerungsmessung integriert, hier aber nicht gezeichnet.

Der Aufbau gemäss Detaildarstellung Fig. 4 ist somit sinngemäß auch bei den Aufbauten der Fig. 1-3 anwendbar.

Fig. 5 zeigt einen winkelförmigen Rahmen 20, der die Signalsenderanordnung 7a und eventuell auch 7b darstellt. Die winkelförmige Anordnung von Leuchtdioden 21 an diesem Rahmen 20 ermöglicht seine räumliche Detektion mit Hilfe des Positionsdetektors 17.

Durch die Winkelanordnung sind sowohl Kipp- als auch Drehlagen im Raum identifizierbar. Die Relativposition der Leuchtdioden 21 zueinander und zum Rahmen 20 der optischen Positionserfassungseinheit 18 und/oder der Positionsauswerteeinheit 15 ist bekannt (Eichung), weshalb nach dem Detektieren des Rahmens 20 unmittelbar auf die Lage des mit ihm starr verbunden Teilträgers geschlossen werden kann.

Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt.

Dies betrifft insbesondere den Aufbau nach Fig. 3 und die grundsätzliche Kombination von optischen und inkrementalen Messwerten zur Erfassung der Lage eines Mikroskops o. dgl.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung an einem Mikroskop eingeschränkt. Sie könnte mit Vorteil auch bei verschiedensten anderen optischen Geräten wie Fernrohren, Vermessungseinrichtungen usw. angewendet werden.

Im Rahmen der Erfindung liegen auch Positionsvermessungsverfahren, bei denen mittels Inkrementgebern die Grobposition des Mikroskops erfasst und mittels optischen Positionssensoren in einem zweiten Messvorgang die Feinposition ermittelt wird, wobei gegebenenfalls von der Grobpositionserfassung eine Rückkopplung zum Positionsdetektor (17) erfolgt, z. B. kann dieser nachgeführt werden, um besser auf die Signalsenderanordnungen gerichtet zu sein. Weiter vorteilhaft ist die Erfindung bei der Anwendung von Drapes, die nun im Mikroskopbereich keine Sensoren bzw. Signalsender behindern können.

Bezugszeichenliste

1a, b Teilträger

2

Teilträger
3a, b Teilträger
4a, b Inkrementgeber zwischen

1

und

2

5a, b Inkrementgeber . . . Ende von

3

6

starrer Übertragungsarm
7a, b Signalsenderanordnung (

7

)
8a, b, c Stativ

9

Boden

10

gelenkiger Aufbau
11a, b Gelenk

12

Gelenk
13a, b Gelenksaufbauten

14

Inkrementgeber

15

Positionsauswerteeinheit

16

Messleitungen

17

Positionsdetektor

18

optische Positionserfassungseinheit

19

Messeinrichtung

20

Rahmen

21

LED, Signalgeber
O = Patient oder Objekt
OA = optische Achse

Claims

1. Stativ für ein Operationsmikroskop,
mit einer raumfesten Tragsäule (8a; 8b; 8c) und einem an deren Ende gelenkig angesetzten Stativarm (1a; 1b), der seinerseits mit einem weiteren Stativarm (2; 3b) über wenigstens ein Gelenk (11a; 11b) verbunden ist,
und mit einer optisch arbeitenden Messanordnung zur Bestimmung der Raumlage des Operationsmikroskops,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine optische Signalgebervorrichtung (7a) der Messanordnung entweder auf der Oberseite des Stativarms (1a; 1b), außerhalb einer versehentlichen Abschattung fest angebracht ist und die Relativposition des Operationsmikroskops zur Signalgebervorrichtung (7a) über Inkrementgeber (4a,14, 5a) der Messanordnung in dem wenigstens einen Gelenk (11a; 11b; 12, 13a) registrierbar ist,
oder dass
die optische Signalgebervorrichtung (7a) der Messanordnung am oberen Ende des Operationsmikroskops, außerhalb einer versehentlichen Abschattung fest angebracht ist und mehrere Signalgeber (21) aufweist, deren räumliche Anordnung eine Detektion der Kipp- und Drehlage des Operationsmikroskops gewährleistet, wobei in diesem Fall der Anbringung der Signalgebervorrichtung (7a) am oberen Ende des Operationsmikroskops keine Inkrementgeber (4a, 14, 5a) in dem wenigstens einen Gelenk (11a; 11b; 12, 13a) ausgebildet sind.

2. Stativ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stativarm (1a; 1b) und dem Operationsmikroskop weitere Stativarme (2, 3a) mit jeweils einem zugehörigen Gelenk (12, 13a) ausgebildet sind.

3. Stativ nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgebervorrichtung (7, 7a; 7b) mehrere Leuchtdioden (21) aufweist.

4. Stativ nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Signalgebervorrichtung (7a) ein weiterer, ebenfalls die Auswerteeinheit ansteuernder, optischer Signalgeber (7b) vorgesehen ist, der im Betriebszustand auf einem winkeligen, im Bereich des Operationsgebietes am Patienten angebrachten Tragrahmen (20) ausgebildet ist.

5. Stativ nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgebervorrichtung (7, 7a; 7b) von Lichtwellenleitern beaufschlagt ist.

6. Stativ nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Operationsebene im Raum der Abstand zwischen dem Operationsmikroskop und dem Operationsgebiet sowie die Mikroskopvergrösserung eingebbar sind.

7. Stativ nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Signalgebervorrichtung (7a) angesteuerte Auswerteeinheit (15) vorgesehen ist, die bei vorhandenen Inkrementgebern (4a, 14, 5a) von diesen Inkrementgebern (4a, 14, 5a) zusätzlich angesteuert ist.

8. Stativ nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall vorhandener Inkrementgeber (4a, 14, 5a) diese zur Grobpositionierung und die Signalgebervorrichtung (7a) zur Feinpositionierung dient.