DE69926120T2

DE69926120T2 - Abbildungssystem mit automatischer verstärkungsregelung für reflexion- und fluoreszenzendoskopie

Info

Publication number: DE69926120T2
Application number: DE69926120T
Authority: DE
Inventors: W. Richard Cline; J. John FENGLER; B. Curtis FIGLEY; Remy Dawson; W. Bruno JAGGI
Original assignee: Xillix Technologies Corp
Current assignee: Novadaq Technologies ULC
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2019-04-10
Also published as: ATE299354T1; AU3485099A; JP2002512067A; DE69926120D1; US6462770B1; EP1073365A1; US20020093563A1; WO1999053832A1; EP1073365B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Abbildungssysteme für medizinische Endoskopien, und insbesondere endoskopische Abbildungssysteme für Fluoreszenz- und Reflexionsendoskopien.
Hintergrund der Erfindung
Ein Diagnoseverfahren, das von Ärzten häufig zur Detektion von Krankheiten in einem Körperhohlraum eines Patienten eingesetzt wird, ist Weißlicht-Glasfaserendoskopie. Bei diesem Verfahren wird weißes Licht über einen nichtkohärenten faseroptischen Lichtleiter eines Endoskops in den Körperhohlraum geleitet. Das Licht beleuchtet das untersuchte Gewebe, und das reflektierte Beleuchtungslicht wird gesammelt und durch einen kohärenten faseroptischen Bildleiter des Endoskops geleitet. Die am Ende der Bildleitung durch das reflektierte weiße Licht gebildete Abbildung kann direkt durch das Okular des Endoskops betrachtet werden oder durch eine am Okular angeschlossene Farbvideokamera abgebildet werden. Durch die Kamera umgewandelte Abbildungen werden dann typischerweise zu einer Bildverarbeitungs-/Speichervorrichtung und zu einem Videomonitor übertragen, wo sie vom Arzt geprüft werden können.
Um Ärzte, die eine Endoskopie durchführen, bei der Detektion der Anwesenheit von kanzerösem oder präkanzerösem Gewebe zu unterstützen, können die Unterschiede im Spektrum der Eigenfluoreszenz (auch als native Fluoreszenz bezeichnet) von normalem und anomalem Gewebe genutzt werden. Bei der Fluoreszenz-Glasfaserendoskopie wird über den Lichtleiter des Endoskops Fluoreszenzanregungslicht in den Körperhohlraum geleitet. Die Wellenlängen dieses Lichts entsprechen dem Absorptionsspektrum der natürlich vorkommenden fluoreszierenden Moleküle (oder Fluorophore) im Gewebe (d.h. blauem Licht). Das Fluoreszenzanregungslicht bringt das Gewebe im Körperhohlraum dazu, mit einem grünen und roten Emissionsspektrum zu fluoreszieren, und das resultierende Licht wird gesammelt und über die faseroptische Bildleitung des Endoskops übertragen. Die resultierende Abbildung wird durch eine Kamera umgewandelt, die reflektiertes blaues Licht herausfiltert und die Eigenfluoreszenz in zwei breite Spektralbanden (grün und rot) teilt. Das durch das Licht der einzelnen Spektralbanden gebildete Bild wird auf einen getrennten verstärkten CCD- (ICCD-) Wandler projiziert, und das resultierende Signal wird zur Verarbeitung, Speicherung und schließlich Anzeige auf einem Videomonitor zu einem Steuerzentrum geleitet. Der Unterschied im Eigenfluoreszenzemissionsspektrum von normalem und anomalem Gewebe wird auf dem Videomonitor als Farbunterschied dargestellt.
Systeme für Fluoreszenz-Faserendoskopie sind in den US-Patenten Nr. 5.507.287; 5.590.660; 5.647.368 und 4.786.813 von Xillix Technologies Corp. in Richmond, BC, Kanada, dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung, umfassend beschrieben und werden von Xillix als Xillix^®, LIFE-Lung Fluorescence Endoscopy System^TM (das "LIFE-Lung-System") vertrieben. In der US-A-5 647 368 ist ein System zur Detektion von kanzerösen oder präkanzerösen Läsionen beschrieben, die durch eine Quecksilberdampflampe erzeugtes Licht in einem Lichtleiter eines Endoskops lenken. Durch das untersuchte Gewebe erzeugtes Eigenfluoreszenzlicht wird durch einen Kaltlichtspiegel in rote und grüne Spektralbanden geteilt und an ein Paar bildverstärkte CCD-Kameras angelegt. Die Kameras sind an einen Videomonitor angeschlossen. Die Systeme umfassen einen Satz Steuerungen, die es einem Arzt erlauben, die Helligkeit oder das Farbgleichgewicht des produzierten Videobilds einzustellen. Die Steuerungen können durch Hardware- oder Software-Steuerung der Kameraverstärkung umgesetzt werden. In mehreren Zentren durchgeführte klinische Studien haben gezeigt, dass die Sensitivität der Ärzte bei der Detektion von leichter Dysplasie oder schwererer Leiden unter Verwendung des LIFE-Lung-Systems von Xillix als Teil der Weißlichtendoskopie 2,71-mal größer ist als die Sensitivität von Ärzten, die nur Weißlichtendoskopie alleine einsetzen.
Das derzeitige LIFE-Lung-System weist jedoch eine Reihe von Einschränkungen auf. Erstens muss bei der derzeitigen Ausführungsform des Systems der Arzt die Verstärkung des Systems manuell einstellen (d.h. die Empfindlichkeit der Kamera gegenüber der Eigenfluoreszenz des Gewebes erhöhen oder senken). Dies stellt eine hinderliche Aufgabe für den Arzt dar, wenn er gleichzeitig versucht, das Endoskop in den Patienten einzuführen. Obwohl zahlreiche automatische Verstärkungsregelkreise für Videosysteme erhältlich sind, stellen diese für die komplexen Bedingungen im Zusammenhang mit der Abbildung von Eigenfluoreszenz mit ICCDs keine adäquate Verstärkungsregelung dar. Wenn beispielsweise die mittlere Helligkeit eines Bilds auf einen akzeptablen Wert erhöht wird, können helle Punkte auftreten, welche die ICCDs schädigen können. Wenn die Spitzenhelligkeit eines Bilds verringert wird, um örtliche Bildsättigung zu verhindern, kann der Rest des Bilds wiederum zu dunkel werden, um etwas darauf zu erkennen. Außerdem ergeben im Handel erhältliche, auf Mittel- und Spitzenwerten basierende automatische Verstärkungsregelkreise unter unterschiedlichen Betrachtungsbedingungen keine Bilder mit gutem Dynamikbereich, d.h. mit einem optimierten Kontrast. Bei der Endoskopie umfassen diese Betrachtungsbedingungen Situationen, in denen Fluoreszenzlichtintensitätsbereich größer ist als der Dynamikbereich von ICCDs, und die Bildszenen variieren von komplexen Strukturen (d.h. viele Intensitätsschwankungen) bis zu flachen Strukturen (d.h. homogene).
Ein weiteres Problem bei der Verwendung eines automatischen Verstärkungsregelkreises basiert auf der Tatsache, dass die Verstärkungsbeziehung zwischen den beiden Kanälen (rot und grün) des Abbildungssystems einer vorgegebenen Funktion folgen muss. Wenn die Verstärkung der einzelnen Kanäle unabhängig schwankt, reflektieren die Farben im resultierenden Videobild die spektralen Unterschiede in der Eigenfluoreszenz des Gewebes nicht gleichmäßig.
Eine zweite Einschränkung des derzeitigen LIFE-Lung-Systems wird offensichtlich, wenn ein Arzt zwischen Weißlicht- (Reflexions-) und Fluoreszenzabbildungsmodi wechseln will. Beim derzeitigen System muss der Arzt Lichtquellen und Kameras manuell umschalten (d.h. von einer Weißlichtbeleuchtungsquelle zu einer Fluor eszenzanregungslichtquelle und von einer RGB-Farbkamera zu einer Fluoreszenzkamera). Ein Verfahren, um dieses zeitaufwändige Aufgabe zu umgehen, basiert darauf, alle Lichtquellen und Kameras gleichzeitig an das Endoskop anzuschließen und einen Modenschaltmechanismus zu verwenden, um von einem Abbildungsmodus zum anderen umzuschalten. Bei der Umsetzung eines Schaltmechanismus ist jedoch Vorsicht geboten, da die ICCDs beschädigt werden können, wenn sie dem hellen reflektierten Beleuchtungslicht ausgesetzt werden. Deshalb muss darauf geachtet werden, das die ICCDs nicht unter Strom gesetzt werden, wenn keine geeigneten Beleuchtungsbedingungen vorherrschen.
Eine dritte Einschränkung des derzeitigen LIFE-Lung-Systems besteht darin, dass ein Arzt, der das vom System angezeigte Bild betrachtet, keine Möglichkeit hat, das Ausmaß der Anomalität, die im untersuchten Gewebe vorhanden ist, objektiv zu quantifizieren. Die effektive Verwendung des Systems hängt von solch subjektiven Faktoren ab wie der Fähigkeit des Arztes, Farben zu unterscheiden, und seiner Fähigkeit, diese Farbinformationen im Zusammenhang mit anderen Bildmerkmalen zu interpretieren. Ein Mittel, um die Unterschiede in den Eigenfluoreszenzspektren von normalem und anomalem Gewebe objektiv zu quantifizieren, oder sogar ein zusätzliches Mittel, um diese Gewebe aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenfluoreszenzspektren subjektiv zu unterscheiden, könnte die klinische Einsetzbarkeit dieses Systems verbessern. Dies könnte mithilfe von Rechenverfahren erreicht werden, bei denen die Spektralinformationen der emittierten Fluoreszenz genutzt und die Ergebnisse zusammen mit den Abbildungen auf dem Monitor angezeigt werden.
Zusammengefasst kann der Betrieb der derzeitigen Fluoreszenzendoskopiesysteme durch folgende Maßnahmen deutlich verbessert werden:

a) einen automatischen Verstärkungssteuerkreis, der die Helligkeit von Eigenfluoreszenzabbildungen optimal einstellt und eine vorgegebene Beziehung zwischen den beiden Kanälen des Abbildungssystems aufrecht erhält;
b) einen Mechanismus, der ein rasches Umschalten zwischen den Weißlicht- und Fluoreszenzabbildungsmodi ermöglicht und gleichzeitig verhindert, dass unter Strom gesetzte ICCDs schädigenden Lichtintensitäten ausgesetzt werden; und
c) ein Mittel zur Nutzung der Unterschiede in den Eigenfluoreszenzemissionsspektren von normalem und anomalem Gewebe, um den Grad der Anomalität des Gewebes objektiv zu quantifizieren.

Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abbildungssystem für Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopie, das einen bestimmten automatischen Verstärkungsregel- (AVR-) Kreis im Fluoreszenzabbildungsmodus umfasst. Der AVR-Kreis stellt die Verstärkung des Abbildungssystems ein, indem die Verstärkung von zwei hochempfindlichen Abbildungsvorrichtungen, wie z.B. bildverstärkten CCD- (ICCD-) Wandlern in einem Fluoreszenzkamerakopf, eingestellt wird und indem die Lichtintensität der Anregungslichtquelle eingestellt wird. Die Videosignale von einem Kanälepaar (dem "grünen" und "roten" Kanal) einer Fluoreszenzkamera werden einem Satz Zähler zugeführt. Die Zähler, die aus an einen Taktoszillator angeschlossenen Zählern bestehen, messen die Dauer, für welche jedes einzelne Videosignal eine Stärke aufweist, die über einer Bezugsschwelle liegt, die für jeden Zähler individuell eingestellt ist. So können durch eine geeignete Einstellung der Schwellenwerte die Ausgaben der Zähler dazu gebracht werden, die Verteilung von Videosignalamplituden in einem oder mehreren Videofeldern anzugeben. Ausgehend von den Ausgaben der Zähler bestimmt ein Entscheidungsbaumalgorithmus, ob die Verstärkung des Abbildungssystems oder die Lichtquellenintensität erhöht oder gesenkt werden sollen. Eine Verstärkungssteuergleichung ergibt den geeigneten Wert für die Veränderung der Lichtquellenintensität und ordnet die resultierende Abbildungssystemverstärkungssteigerung oder -verringerung einer einzelnen Verstärkungsänderung für jeden ICCD-Wandler zu, sodass die relative Verstärkung zwischen den beiden Kanälen gleich bleibt.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem einen Schaltmechanismus, mit dem bequem zwischen dem Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopieabbildungsmodus umgeschaltet werden kann. Die Umsetzung des Moduswechsels impliziert, dass Weißlicht- und Fluoreszenzlichtquellen und -kameras gleichzeitig an das Endoskop angeschlossen sind und dass die geeignete Kombination aus Kamera und Lichtquelle aktiviert wird, wenn auf einen anderen Modus umgeschaltet wird. Dazu ist ein zweiteiliger Modenschaltmechanismus erforderlich: einer zum Umschalten der Kameras und einer zum Umschalten der Lichtquellen. Der Kameramodusschaltmechanismus besteht aus einem Lichteitmechanismus, wie beispielsweise einem Spiegel, der zwischen einer ersten Position, in der das Bild vom Endoskop zu einer RGB-Videokamera reflektiert wird, und einer zweiten Position, in der das Bild vom Endoskop zum Fluoreszenzkamerakopf passieren gelassen wird, beweglich ist. Wenn ein Arzt den Modenschalter verwendet, um von der Weißlichtabbildung zur Fluoreszenzabbildung umzuschalten oder umgekehrt, übermittelt ein Paar Näherungsschalter Signale an das Steuerzentrum des Systems, welches die Position des Spiegels überwacht, um sicherzustellen, dass die ICCDs nicht unter Strom stehen, bis die geeignete Lichtquelle gewählt wurde. Der Lichtquellenmodenschaltmechanismus besteht aus einem Filterantrieb, der blaue Fluoreszenzanregungsfilter oder Weißlichtfilter ein einem Beleuchtungslichtweg positioniert, der sich zwischen der Lichtquelle und einem Endoskop erstreckt.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Mittel zur objektiven Quantifizierung der spektralen Unterschiede zwischen normalem und anomalem Gewebe bereit, bei dem die relative Helligkeit der Eigenfluoreszenz in den abgebildeten Spektralbanden (rot und grün) genutzt wird. Ein Abschnitt der Eigenfluoreszenzabbildung wird analysiert, und der durch eine bestimmte mathematische Funktion, wie z.B. das Verhälfnis zwischen der Helligkeit der Bilder der beiden Wellenbereiche, definierte numerische Wert wird für den Arzt angezeigt.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die oben genannten Aspekte und zahlreiche weitere Vorteile dieser Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Abbildungen klarer ersichtlich werden, worin:
1 ein Blockdiagramm eines Abbildungssystems für Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopie gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Blockdiagramm einer Lichtquelle ist, die im Abbildungssystem für Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopie aus 1 verwendet wird;
3 ein Blockdiagramm eine automatischen Verstärkungsregelkreises gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein Bockdiagramm einer Reihe von Komparatoren und Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zählern ist, die im automatischen Verstärkungsregelkreis aus 3 enthalten sind;
5 ein Ablaufdiagramm der Schritte ist, die gemäß vorliegender Erfindung zur Änderung der Verstärkung des Abbildungssystems aus 3 oder der Intensität von Licht durchgeführt werden, das durch die in 2 dargestellte Lichtquelle erzeugt wird;
6 ein Blockdiagramm eines Abbildungsmodenschaltmechanismus ist, der sich im Kombinationskamerakopf gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung befindet; und
7 eine bildliche Darstellung einer Eigenfluoreszenzabbildung gemäß einem wieteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, die eine quantitative Angabe über die relative Intensität des Eigenfluoreszenzlichts umfasst, das in zwei Spektralbanden vorhanden ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abbildungssystem für Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopie, das einen automatischen Verstärkungsregel- (AVR-) Kreis im Fluoreszenzabbildungsmodus umfasst. Der AVR-Kreis regelt die Bildhelligkeit auf zwei Arten: a) durch Einstellung der Verstärkung der beiden bildverstärkten CCD- (ICCD-) Wandler in einem Fluoreszenzkamerakopf und b) durch Einstellung der Intensität einer Anregungslichtquelle. Der Eingang in den AVR-Kreis besteht aus den zwei Videosignalen (grüner und roter Kanal), die von der Fluoreszenzkamera erzeugt werden. Die Videosignale werden zu einer Reihe von Zählern geleitet, welche die Dauer bestimmen, für welche das Videosignal eine Stärke aufweist, die über einer Bezugsschwelle liegt (für jeden Zähler individuell eingestellt). Die Ausgaben der Zähler geben die Verteilung der Videosignalamplituden in einem oder mehreren Videofeldern an. Ausgehend von den Ausgaben der Zähler bestimmt ein Entscheidungsbaumalgorithmus, ob die Verstärkung des Abbildungssystems oder die Lichtquellenintensität erhöht oder gesenkt werden sollen. Eine Verstärkungssteuergleichung ergibt den geeigneten Wert für die Veränderung der Lichtquellenintensität und ordnet die Verstärkungssteigerung oder -verringerung einer einzelnen Verstärkungsänderung für jede ICCD zu, sodass die relative Verstärkung zwischen den beiden Kanälen gleich bleibt.
1 ist ein Blockdiagramm eines Abbildungssystems 10 für Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopie gemäß vorliegender Erfindung. Das Herz des Abbildungssystems ist ein Steuerzentrum 20, das eine zentrale Rechnereinheit 22 umfasst, die programmiert ist, den Betrieb des eine Kombinationslichtquelle 36 und einen Kombinationskamerakopf 42 umfassenden Systems zu steuern. Ein interner Arbeitsspeicher (RAM), eine Festplatte und ein Festspeicher (ROM) 24 speichern ein Computer-Softwareprogramm, das den Betrieb der zentralen Rechnereinheit 22 steuert. Der Speicher ermöglicht außerdem die Speicherung von Daten, wie etwa erhaltenen Abbildungen, Parametern und Protokolldateien. Eine Reihe von Steuerungen 26 auf der Frontplatte des Steuerzentrums 20 erlaubt es dem Bediener, den Betrieb des Abbildungssystems einzustellen.
Das Steuerzentrum 20 umfasst außerdem eine Bildkarte 28, die analoge Videosignale von verschiedenen Quellen, einschließlich eines Fluoreszenzkamerakopfes 44 und eines RGB-Kamerakopfes 46, die in einem Kombinationskamerakopf 42 enthalten sind, empfängt. Ein Videoschalter, der Teil einer Digital- und Video-E/A 32 ist, empfängt und selektiert die Fluoreszenz oder RGB-Videosignale, die als Eingangssignal für die Bildkarte zugeführt werden. Die Bildkarte 28 digitalisiert das gewählte Videosignal, wonach sie die digitalisierten Signale verarbeitet und in Signale umwandelt, die auf einem Videomonitor 54 dargestellt werden können.
Ein automatischer Verstärkungsregelkreis 30, der im Steuerzentrum 20 enthalten ist, stellt die Verstärkung des Eigenfluoreszenzkamerakopfes 44 und die Intensität des Fluoreszenzanregungslichts von der Kombinationslichtquelle 36 automatisch ein.
Die Kombinationslichtquelle 36 stellt weißes Licht und Fluoreszenzanregungslicht bereit. Das Steuerzentrum 20 ist über Status- und Steuerleitungen 102, 106 und 108 mit der Lichtquelle 36 verbunden. Weißes Breitbandbeleuchtungslicht oder Fluoreszenzanregungslicht (typischerweise 437 nm ± 10 nm) wird von der Kombinationslichtquelle 36 zu einem Lichtleiter 38 eines faseroptischen Endoskops 40 geleitet. Das Licht vom Lichtleiter 38 leuchtet den internen Körperhohlraum eines Patienten aus. Reflektiertes weißes Licht oder Eigenfluoreszenzlicht vom untersuchten Gewebe wird von einem Bildleiter des faseroptischen Endoskops 40 übertragen und auf den Kombinationskamerakopf 42 projiziert. Der Kombinationskamerakopf 42 umfasst außerdem einen Modenschaltmechanismus 67, der das vom Endoskop 40 empfangene Licht entweder zum RGB-Videokamerakopf 46 oder zum Fluoreszenzkamerakopf 44 leitet. Wenn der Fluoreszenzabbildungsmodus eingestellt ist, erzeugt der Fluoreszenzkamerakopf 44 elektronische Signale, die zu einer Zweikanal-Fluoreszenzkamera-Steuereinheit im Steuerzentrum 20 (nicht dargestellt) geleitet werden, welches die elektronischen Signale in Standardvideosignale umwandelt. Die Videosignale werden dann durch die Video-E/A 32 zur Bildkarte 28 geleitet, wo sie verarbeitet werden, bevor sie auf dem RGB-Videomonitor 54 angezeigt werden. Alternativ dazu kann, wenn der Arzt eine Weißlichtreflexionsabbildung sehen will, die Position des Modenschaltmechanismus 67 so gewählt werden, dass das reflektierte Beleuchtungslicht auf einen RGB-Videokamerakopf 46 reflektiert wird. Die vom Kamerakopf 46 erzeugten elektronischen Signale werden zu einer RGB-Kamerasteuereinheit 48 geleitet, die sich außerhalb des Steuerzentrums 29 befindet, wo sie in RGB-Videosignale umgewandelt werden. Die Weißlicht-RGB-Videosignale werden ebenfalls durch die Video-E/A 32 zur Bildkarte 28 geleitet und verarbeitet, bevor sie auf dem RGB-Videomonitor 54 angezeigt werden. Die RGB-Videokamerasteuereinheit 48 umfasst einen automatischen Verstärkungssteuerkreis, der auch die Fähigkeit aufweist, die Intensität des von der Kombinationslichtquelle 36 erzeugten Lichts einzustellen, wenn das System im Weißlichtmodus läuft. Die automatischen Verstärkungssteuersignale für den Weißlichtmodus werden über eine Leitung 110 zur Kombinationslichtquelle übertragen.
Eine Tastatur 52 ist über die Digital-E/A 32 auf dem Computer-Motherboard mit dem Steuerzentrum 20 verbunden und ermöglicht es dem Bediener, Patientendaten einzugeben oder die Betriebsparameter des Abbildungssystems zu ändern.
Um die Weißlicht- und Fluoreszenzabbildungen anzuzeigen, wird der RGB-Videomonitor 54 über die Video-E/A 32 mit dem Steuerzentrum 20 verbunden. Ein Videorekorder 56 kann angeschlossen werden, um die Videobilder für eine spätere nochmalige Wiedergabe und Analyse aufzuzeichnen. Mithilfe eines Videodruckers 58 kann ein Arzt ein Einzelbild ausdrucken. Abbildungen können auch mithilfe einer Filmaufzeichnungsvorrichtung 60 aufgezeichnet oder auf einer magneto-optischen Platte 62 gespeichert werden.
Damit ein Bediener den Betrieb des Abbildungssystems steuern kann, werden mehrere programmierbare Bedienungseingabevorrichtungen bereitgestellt. Ein Fußschalter 64 und drei Handsteuerschalter 65 auf dem Kamerakopf 42 erlauben es dem Bediener, verschiedene Funktionen des Steuerzentrums 20, wie beispielsweise das Einfrieren oder Speichern von Bildern, das Auswählen verschiedener AVR-Modi oder das Steuern von Peripheriegeräten, wie z.B. des Videodruckers 58, der Filmaufzeichnungsvorrichtung 60 oder der magneto-optischen Platte 62, fernzubetätigen.
2 zeigt die Kombinationslichtquelle 36 aus 1 in größerem Detail. Die Lichtquelle umfasst eine Metallhalogenidlampe 80, die Breitbandweißlicht mit Quecksilber- (Hg-) Peaks. Das von der Lampe 80 erzeugte Licht wird durch eine Reihe von Filtern 82 geschickt. Je nach gewählten Abbildungsmodus wird das Licht beispielsweise durch einen Breitbandweißlichtfilter übertragen (d.h. Dreifach-Sperrfilter, um die Hg-Peaks zu entfernen), der die Hg-Peaks entfernt und das Spektrum der Metallhalogenidlampe formt, sodass es dem einer Xenonlampe ähnelt. Alternativ dazu kann, wenn Fluoreszenzabbildung gewählt ist, Licht von der Lampe durch einen blauen Fluoreszenzanregungslichtfilter geschickt werden, der einen blauen Durchlässigkeitsbereich mit einer Mittenfrequenz nahe dem Quecksilber-Peak aufweist, der bei 437 Nanometer auftritt.
Licht, dass die Filter 82 passiert, tritt auch durch einen einstellbaren Intensitätssteuermechanismus 84 hindurch, der die Intensität des an ein Endoskop weitergeleiteten Lichts steuert. Die Intensitätssteuerung 84 ist vorzugsweise eine Metallplatte mit einer geeigneten Gestalt, um eine variable Menge Licht zu blockieren, wenn sie in den Lichtweg und aus ihm heraus bewegt wird.
Nachdem das Licht den Intensitätssteuermechanismus 84 passiert hat, durchläuft es einen Verschlussmechanismus 86, der sich öffnet, damit Licht in den Lichtleiter des Endoskops eintreten kann, wenn dieses angeschlossen ist.
Der Betrieb der Kombinationslichtquelle 36 wird von einem Lichtquellenregler 90 auf Mikroprozessorbasis gesteuert. Der Lichtquellenregler 90 steuert den Betrieb eines Metallhalogenidlampenvorschaltgeräts 92, das die Betriebsspannung für die Metallhalogenidlampe 80 bereitstellt. Außerdem stellt der Lichtquellenregler Steuersignale für einen Filterantrieb 94 bereit, der einen der Filter 82 in Übereinstimmung mit dem gewählten Abbildungsmodus physikalisch in den Lichtweg bewegt.
Ein Intentsitätssteuerantrieb 96 empfängt Steuersignale vom Lichtquellenregler 90, um die Intensitätssteuerung 84 in den Lichtweg und aus ihm heraus zu bewegen, wodurch die Intensität des Lichts geändert wird, die den Lichtleiter des Endoskops erreicht. Der Lichtquellenregler 90 sendet außerdem Steuersignale an einen Verschlussantrieb/-motor 98, die den Verschlussmechanismus 86 öffnen und schließen.
Neben der Steuerung der Komponenten, welche die Intensität und Wellenlänge von Licht einstellen, das in den Lichtleiter des Endoskops geleitet wird, ist der Lichtquellenregler 90 auch mit einer Reihe von Fronplattenschaltern 100 verbunden, die es einem Arzt erlauben, den Betrieb der Lichtquelle manuell einzustellen. alternativ dazu kann der Lichtquellenregler 90 Befehle zur Steuerung der Lichtquelle auch von einer Verbindung mit den Status- und Steuerleitungen 102 erhalten, die an das Steuerzentrum 20 angeschlossen ist, welches den Gesamtbetrieb des Abbildungssystems steuert, wie in 1 zu sehen ist.
Um das Ausgangssignal der Kombinationslichtquelle 36 von weißem Beleuchtungslicht zu blauem Anregungslicht oder umgekehrt zu ändern sowie um die Intensität des produzierten Lichts zu steuern, empfängt der Lichtquellenregler 90 außerdem über die Leitung 106 Steuersignale vom Steuerzentrum, die übermitteln, welcher der Filter 82 im Lichtweg platziert werden soll, um das weiße Beleuchtungslicht oder das blaue Anregungslicht zu erzeugen. Über die Status- und Steuerleitung 108 empfängt der Lichtquellenregler 90 Signale vom Steuerzentrum, die angeben, ob die Intensität des produzierten Anregungslichts erhöht oder verringert werden soll. Und schließlich empfängt der Lichtquellenregler 90 über die Leitung 110 Signale von der RGB-Videokamerasteuereinheit 48, welche die Intensität des produzierten weißen Beleuchtungslichts einstellen.
Damit der Arzt die Verstärkung im Fluoreszenzabbildungsmodus nicht mehr manuell einstellen muss, umfasst das Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung einen automatischen Verstärkungsregel- (AVR-) Kreis 30 für den Fluoreszenzmodus, wie in 3 dargestellt ist. Das Abbildungssystem kann aber auch, wie das derzeitige Xillix LIFE-Lung Fluorescence Endoscopy System^TM, manuell gesteuert werden. Die Ausführung des Fluoreszenzmodus-AVR sieht wie folgt aus: Wie oben beschrieben wird durch das untersuchte Gewebe erzeugtes Eigenfluoreszenzlicht in zwei Spektralbanden geteilt und auf ein Paar hochempfindlicher Abbildungsvorrichtungen, wie z.B. ein Paar CCDs unter Elektronenbeschuss oder bildverstärkter CCD-Wandler 44a und 44b, projiziert. Der Wandler 44a empfängt das Licht in einem Wellenlängenband Δλ₁, das sich im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums befindet, während der Wandler 44b Licht in einem Wellenlängenband Δλ₂ empfängt, der sich im roten Bereich des sichtbaren Spektrums befindet. Die von den verstärkten CCD-Wandlern 44a und 44a erzeugten elektronischen Signale werden zu Kamerasteuereinheiten (CCUs) 45a und 45b im Steuerzentrum 20 geleitet, wo sie in Videosignale umgewandelt und durch die Video-E/A 32 zur Bildkarte 28 und zum AVR-Kreis geleitet werden.
Die zum AVR-Kreis geleiteten Videosignale werden zu einer Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zählerschaltung 112 geleitet. Die Zählerschaltung empfängt außerdem ein Taktsignal, das durch die horizontalen und vertikalen Synchronsignale von den CCUs torgesteuert ist. Der Zähler 112 erzeugt eine Reihe von Ausgaben #T1, #T2, ... #Tn, die alle einen Wert enthalten, der proportional zu dem Bereich in einem oder mehreren Videofeldern ist, der einen Intensitätsbereich über einem zugeordneten vorgegebenen Schwellenintensitätswert aufweist. Jeder der Ausgabewerte #T1, ... #Tn kann durch eine Funktion a₁, ... a_n 114 gewichtet werden, bevor sie einem Entscheidungsbaumalgorithmus 116 zugeführt werden. Der Entscheidungsbaumalgorithmus 116 bestimmt, ob die Verstärkung des Abbildungssystems und/oder die Intensität des durch die Kombinationslichtquelle 36 produzierten Lichts erhöht oder verringert werden sollen. Die Ausgabe des Entscheidungsbaumalgorithmus 116 gibt das Ausmaß an, um welches die Verstärkung erhöht/verringert werden sollte, und dieses Signal wird einer Verstärkungssteuergleichung 120 zugeführt. Bei der Verstärkungssteuerung wird die Menge berechnet, um welche die Lichtquellenintensität und/oder die Verstärkung der einzeln verstärkten CCD-Wandler 44a und 44b des Abbildungssystems geändert werden sollte, um die Verstärkungsänderung zu erreichen, die durch den Entscheidungsbaumalgorithmus bestimmt wurde, wobei eine vorgegebene Verstärkungsbeziehung zwischen den beiden Kanälen aufrecht erhalten wird.
Wenn die Kameraverstärkung erhöht oder verringert werden soll, ergibt die Verstärkungssteuergleichung 120 zwei Binärzahlen, deren Größe zu einer proportionalen Verstärkungsänderung in den beiden ICCDs führt. Ein Erhöhungs-/Verringerungs-Verstärkungssteuerkreis 122 empfängt die Binärzahlen von der Verstärkungssteuergleichung 120 und wandelt die empfangenen Binärzahlen in ein Paar Spannungspegel um, das einem Paar von Wandlerverstärkungsreglern 124 und 126 zugeführt wird. Die Wandlerverstärkungsregler 124 und 126 stellen die Gesamtverstärkung der verstärkten CCD-Wandler 44a bzw. 44b ein.
4 zeigt den oben beschriebenen Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zähler 112 in größerem Detail. Der Zähler 112 führt numerische Zählungen durch, die angeben, wie lange eine Schwellenintensität in einem oder mehreren Einzelbildern überschritten wird. Diese numerischen Zählungen entsprechen dem Bereich in einem Bild mit einer Intensität über einem vorbestimmten Wert. Eine Anordnung von unabhängig programmierbaren Referenzschwellen-Digital-Analog-Wandler 140 wird durch das Steuerzentrum 20 programmiert, eine Reihe von Referenzschwellenpegeln festzulegen, mit denen die Videosignale von den CCUs verglichen werden. Die jeweiligen Referenzschwellenpegel werden so gewählt, dass sie einen Prozentsatz des Null- bis Vollvideosignals darstellen, der von den CCUs erzeugt wird, und ihre gewählten Werte hängen im Allgemeinen von der Art des untersuchten Gewebes ab, wie nachstehend beschrieben ist.
Die Referenzschwellen werden auf die Umkehreingänge einer Reihe von Komparatoren 144 angewandt. Beispielsweise wird eine Spannung von 45% des Vollbereichs des Videosignals des grünen Kanals über eine Leitung 142a an einem Umkehreingang eines Komparators 144a angelegt. Auf ähnliche Weise wird eine Spannung von 75% des Vollbereichs über eine Leitung 142b auf einen Umkehreingang eines Komparators 144b angelegt. Eine weitere Gruppe von Referenzschwellenspannungen wird an eine Reihe von Komparatoren angelegt, die das von der Rotkanal-CCU erzeugte Videosignal empfangen. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für jeden Kanal ein Referenzschwellenwert mit einem gewünschten Spitzenwert festgesetzt, während der andere Referenzschwellenwert auf einen gewünschten mittleren Intensitätswert eingestellt wird.
Die von den Zweikanal-Fluoreszenz-CCUs erzeugten Videosignale werden an die nicht umkehrenden Eingänge der Komparatorschaltungen 144 angelegt. Wenn der Spannungspegel der Videosignale die von den Digital-Analog-Wandlern 140 festgesetzten Referenzschwellenwerte überschreitet, produzieren die Komparatoren 144 logische High-Signale. Jeder Komparator 144 weist einen zugehörigen 24-Bit-Zähler 146 auf. Jeder Zähler weist einen Zählerfreigabeanschluss auf, der an den Ausgang des zugehörigen Komparators angeschlossen ist, sodass der Zähler eingeschaltet wird, wenn der Komparator das logische High-Signal erzeugt.
Wie oben angeführt umfasst der automatische Verstärkungsregelkreis 30 einen freilaufenden Taktgeber 150 mit einer Frequenz, die im Wesentlichen gleich dem Pixeltakt der CCUs ist. Ein Synchronisationsverzögerungs- und Torschaltung 152 empfängt die horizontalen und vertikalen Synchronisationssignale, die von den CCUs erzeugt werden, und passiert nur den freilaufenden Taktgeber 150 während der aktiven Abschnitte der Videosignale. Die Synchronisationsverzögerungs- und Torschaltung 152 erzeugt außerdem einen Feldtaktimpuls für jedes Feld der empfangenen Videosignale. Die Impulse werden von einem Kurz-Zähler 154 gezählt, um die Anzahl an Feldperioden zu verfolgen, die mit den in den Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zählern enthaltenen Werten zusammenhängen.
Wenn die Zähler 146 durch ihre entsprechenden Komparatorschaltungen 144 eingeschaltet werden, zählen die Zähler 146 die Anzahl an synchronisationstorgesteuerten Taktimpulsen, die während der Zeit auftreten, in der die durch die Rot- oder Grünkanal-CCUs erzeugten Videosignale den Referenzschwellenwert für den Komparator, der an den Freigabeanschluss des Zählers angeschlossen ist, überschreiten.
Die Werte in den Zählern 146 werden mithilfe eines Zählerabfrageregelkreises 160 abgelesen, welcher die Zähler 146 mit dem Datenbus 130 des Abbildungssystems verbindet, der sich auf einem Motherboard im Steuerzentrum 20 befindet. Der Zählerabfrageregelkreis empfängt auch die Zählung des Kurz-Zählers 154. Der Kurz-Zähler 154 ermöglicht die Programmierung der Software, sodass sie die Zähler 146 in periodischen Abständen, wie beispielsweise alle zehn Felder usw., ausliest.
Obwohl die derzeit bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Referenzschwellenwerte für den grünen und roten Kanal verwendet, können auf die oben beschriebene Weise zusätzliche Schwellenwertzähler zum automatischen Verstärkungsregelkreis hinzugefügt werden, wenn genauere Informationen über die Verteilung der Videosignalamplituden erwünscht sind.
5 zeigt die Schritte des Entscheidungsbaumalgorithmus 116 und die Verstärkungssteuergleichung 120 aus 3 zur Einstellung der Verstärkung der ICCDs und der Lichtquellenintensität. 5 zeigt die beiden grundlegenden Prozesse zur Umsetzung der automatischen Verstärkungsregelung, nämlich i) den Schritt der Festlegung von Parametern in Schritt 162 und 164 und ii) die Durchführung des Entscheidungsbaumalgorithmus und der Verstärkungssteuergleichung in Schritt 166 bis 172.
Beginnend mit Schritt 162 werden die maximalen und mittleren Referenzschwellenwerte festgelegt. Diese Werte werden vom Bediener der Systemsoftware gewählt. Die gewählten Werte hängen von der Art des betrachteten Bildes ab. Bei einem Bild, das viele strukturelle Merkmale aufweist, werden die Schwellenwerte so gewählt, dass sichergestellt wird, dass alle Details sichtbar bleiben. Wenn beispielsweise ein Körperhohlraum mit einer detaillierten Struktur, wie z.B. die Bronchien, betrachtet werden, kann der maximale Referenzschwellenwert auf 90% des Vollbereichswerts eingestellt werden, und der mittlere Referenzschwellenwert kann auf 50% des Vollbereichswerts eingestellt werden. Alternativ dazu können, wenn der untersuchte Körperhohlraum relativ homogen ist, wie dies etwa beim Magen der Fall ist, die Referenzschwellenwerte so eingestellt werden, dass die mittlere Intensität des Bildes ein relativ helles Bild ergibt. Der maximale Referenzschwellenwert kann beispielsweise auf 80% des Vollbereichs eingestellt werden, und der mittlere Referenzschwellenwert auf 60% des Vollbereichs. Es können vorprogrammierte Schwellen werte für häufig untersuchte Gewebeproben oder fallspezifische Werte eingegeben werden.
In Schritt 164 wählt der automatische Verstärkungsregelkreis eine Reihe von AVR-Bildfüllzielwerten aus. Diese Werte repräsentieren den nominalen Bildbereich, für den die Videosignalamplitude größer als oder gleich wie ein bestimmter Schwellenwert sein muss. Beispielsweise können Füllzielwerte gewählt werden, sodass 2% des Bildbereichs Videosignalamplituden aufweisen, die größer sind als der maximale Schwellenwert, und 55% des Bildbereichs Videosignalamplituden aufweisen, die größer als der mittlere Schwellenwert sind. Der automatische Verstärkungsregelkreis stellt die Verstärkung der ICCDs und/oder der Intensität der Lichtquelle ein, sodass die Bildintensitätsverteilung, die vom Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zähler 112 berechnet wurde, so gut wie möglich mit den gewünschten Bildfüllzielwerten übereinstimmt. Wie die Schwellenwerte werden auch die Füllzielwerte vom Bediener des Systems bestimmt.
Schritt 166 ist der erste Schritt des tatsächlichen AVR-Entscheidungsbaumalgorithmus. In Schritt 166 wartet der automatische Verstärkungsregelkreis darauf, dass die letzte Verstärkungsänderung stattfindet, und misst dann die Bildintensitätsverteilung für eine vorgegebene Anzahl an Feldern. Nach der vorgegebenen Anzahl an Feldern werden die Werte von den Zählern 146 in der Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zählerschaltung 112 ausgelesen und die Bildbereiche analysiert.
Der Bildbereich mit Videosignalamplituden über dem höheren oder "maximalen" Schwellenwert und der Bildbereich mit Videosignalamplituden über dem niedrigeren oder "mittleren" Schwellenwert werden in Schritt 168 dem Entscheidungsbaum zugeführt. Der Entscheidungsbaum bestimmt, ob die Verstärkung geändert werden soll, sodass die Intensitätsverteilung besser den AVR-Füllzielwerten entspricht. Wie oben erläutert kann der Bildbereich, der den maximalen oder mittleren Schwellenwert überschreiten darf, durch die Funktionen 114 bewertet werden, damit der automatische Verstärkungsregelkreis mehr wie ein Regelkreis für Maximal- oder Mittelwerte funktioniert, wenn dies für die jeweilige Untersuchungssituation gewünscht ist.
Das Ausmaß der Verstärkungsänderung, das durch den Entscheidungsbaumalgorithmus 116 bestimmt wird, wird in Schritt 170 durch allgemein bekannte Prozesssteuerverfahren modifiziert, um vorübergehendes Verhalten, wie etwa Überschwingung, Ausregelzeit und Oszillationsverhalten, zu optimieren. Diese Verfahren umfassen eine Leckintegratorfunktion, Totzonenregelung, Steuerfunktionszuordnung, Proportionalregelung und Geschwindigkeits- und Bereichsbegrenzungsvorgänge bei der nächsten angewandten Verstärkungsänderung. Diese Verfahren stellen sicher, dass Verstärkungsänderungen so rasch wie möglich stattfinden, ohne Stabilitätsprobleme zu verursachen.
In Schritt 172 wird die Verstärkungsänderung für die Grün- oder Rotkanal-ICCD und, falls erforderlich, das Ausmaß der Lichtquellenintensitätsänderung bestimmt. Die Verstärkungsänderung wird durch die Steuerverfahren modifiziert und in die Verstärkungssteuergleichung 120 eingebracht. Diese Gleichung setzt die Verstärkungseinstellung der ICCD in jedem der zwei Kanäle zueinander in Beziehung, sodass das Verhältnis (Polynom erster Ordnung) zwischen den Verstärkungen der beiden Kanäle aufrecht erhalten wird. Das Verhältnis zwischen den Verstärkungen der beiden Kanäle kann vom Systembediener bestimmt werden. Der Bediener kann das Verhältnis so einstellen, dass das resultierende Videobild je nach Bedarf roter oder grüner wirkt. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die relative Verstärkung der ICCD im roten Kanal in Bezug auf die ICCD im grünen Kanal über einen Bereich von 0,75 bis 3 variiert werden. Bei einigen Anwendungen kann die Beziehung zwischen den Verstärkungen der beiden Kanäle ein Polynom einer höheren Ordnung darstellen, z.B. g₁ = c + ag₂ + bg² ₂ + ..., worin g₁ die Verstärkung des roten Kanals ist, g₂ die Verstärkung des grünen Kanals ist und a, b und c Konstanten sind.
Es kann vorkommen, dass die erforderliche Fluoreszenzkameraverstärkung in einem oder in beiden Kanälen außerhalb des optimalen Verstärkungseinstellungsbereichs der ICCD liegt. Wenn die berechnete Verstärkungseinstellung eines Kanals über der maximalen Optimaleinstellung oder unter der minimalen Optimaleinstellung liegt, dann wird die Intensität der Anregungslichtquelle um ein festgelegtes Maß erhöht oder verringert. Die Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichts wird so eingestellt, dass sie ausreicht, um die Kameraverstärkungseinstellungen wieder in den optimalen Betriebsbereich zu bringen. Ein Pseudocode des Entscheidungsbaumalgorithmus 116 und der Verstärkungssteuergleichung 120 ist in Anhang A zu finden.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem einen zweiteiligen Modenschaltmechanismus (einen Teil in der Lichtquelle und einen Teil im Kombinationskamerakopf), mit dem bequem zwischen dem Weißlicht- und Fluoreszenzendoskopieabbildungsmodus umgeschaltet werden kann. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm des Modenschaltmechanismus des Kombinationskamerakopfs. Der Modenschaltmechanismus der Lichtquelle ist in 2 dargestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Mechanismus muss das Endoskop über den Endoskopanschluss 180 an die Kombinationslichtquelle 36 und den Kombinationskamerakopf 42 angeschlossen sein. Die Kombinationslichtquelle 36 ist zur Bereitstellung von Weißlicht- (Reflexi ons-) beleuchtung und Blaulicht- (Fluoreszenzanregungs-) beleuchtung fähig. Der Kombinationskamerakopf 42 ist zur Umwandlung von Dreikanal-RGB-Reflexionsbildern und Zweikanal-Fluoreszenzbildern fähig.
Da die Lichtquelle 36 und der Kamerakopf 42 physikalisch voneinander getrennt sind, besteht der Modenschaltmechanismus aus zwei Teilen. Die beiden Teile des Mechanismus sind durch Steuersignale über das Abbildungssystem-Steuerzentrum 20 und den Lichtquellensystemregler 90 verbunden. Da die Metallhalogenidlampe 80 in der Kombinationslichtquelle 36 sowohl weißes als auch blaues Licht bereitstellen kann, besteht der Lichtquellenteil des Modenschalters aus dem Filterantrieb 94 und den Weißlicht- und Blaulichtfiltern 82. Der Filterantrieb 94 reagiert auf Befehle vom Lichtquellensystemregler 90 und positioniert den geeigneten Filter im Lichtweg zwischen der Lampe und dem Endoskoplichtleiter. Der Status des Filterantriebs 94 wird ebenfalls vom Lichtquellensystemregler 90 überwacht, der dann über den Anschluss an die Status- und Steuerleitungen 102 mit dem Steuerzentrum 20 kommuniziert.
Ein zweiter Teil des Modenschaltmechanismus befindet sich im Kombinationskamerakopf 42. Dieser Teil des Modenschaltmechanismus 67 weist einen beweglichen Lichtweg-Leitmechanismus 186, wie etwa einen Spiegel, auf. Wenn das Abbildungssystem auf den Fluoreszenzabbildungsmodus geschaltet ist, wird der Spiegel aus dem Lichtweg zwischen dem Okular des Endoskops und dem Fluoreszenzkamerakopf 44 bewegt. Auf diese Weise erreicht das Fluoreszenzlicht den Kaltlichtspiegel 182, der Δλ₁ und Δλ₂ spektral in ihre jeweiligen optischen Wege trennt. Wenn das Abbildungssystem auf den Weißlichtabbildungsmodus geschaltet ist, wird der Spiegel 186 in den Lichtweg bewegt. In dieser Position wird Licht vom Endoskop zu einem zweiten, fixen Spiegel 190 geleitet, wo der Lichtweg geknickt wird, um ein Periskop zu bilden, welches das Licht vom Okular des Endoskops wieder zum RGB-Videokamerakopf 46 leitet.
Der Betrieb der beiden Teile des Modenschaltmechanismus wird durch eine Bedienungseingabe am Kombinationskamerakopf 42 gesteuert. Der Bediener legt einen Schalter 65 um und verändert so den Betrieb des Abbildungssystems. Das führt dazu, dass ein Signal zum Steuerzentrum gesendet wird, das angibt, dass ein Wechsel des Abbildungsmodus vorgenommen wurde. Ein Paar elektrischer oder optischer Näherungsschalter 192, 194 im Kombinationskamerakopf 42, das die Position des beweglichen Spiegels 186 erfasst, erzeugt ein Signal. Ein zweites Signal wird von Schaltern 192, 194 erzeugt und zum Steuerzentrum 20 geleitet, wenn der bewegliche Spiegel 186 seine neue Position erreicht hat.
Die Schalter 192, 194 dienen als Sicherheitsmechanismus für die ICCDs im Fluoreszenzkamerakopf. Wenn sie unter Strom stehen, sind die ICCDs anfällig für Schäden durch helles Licht (z.B. Weißlichtreflexionsbilder vom Okular des Endoskops). Wenn der bewegliche Spiegel 186 nicht vollständig in Fluoreszenzmodusabbildungsposition ist, reagiert das Steuerzentrum 20 sofort, indem es die Stromzufuhr zu den ICCDs unterbricht, wodurch diese vor möglicherweise schädlicher Beleuchtung geschützt werden.
Das Steuerzentrum 20 reagiert unterschiedlich auf die Schaltsignale, je nachdem ob der Bediener vom Fluoreszenzabbildungsmodus in den Weißlichtabbildungsmodus oder vom Weißlichtabbildungsmodus in den Fluoreszenzabbildungsmodus umschaltet. Im ersteren Fall reagiert das Steuerzentrum 20 auf das erste Schaltsignal, indem es sofort die Stromzufuhr zu den ICCDs unterbricht und die Anzeige aller Bilder stoppt. Wenn das Steuerzentrum 20 das zweite Schaltsignal empfängt, das übermittelt, dass der bewegliche Spiegel 186 im Kamerakopf 42 die Weißlichtabbildungsmodusposition erreicht hat, sendet das Steuerzentrum ein Signal an den Lichtquellensystemregler 90, das ihm befiehlt, den Weißlichtfilter in den Lichtweg zu bewegen. Wenn der Lichtquellenmodusschalter den Filteraustausch beendet hat, erzeugt der Lichtquellensystemregler 90 ein Lichtquellenstatussignal, das zum Steuerzentrum 20 übermittelt wird. Beim Empfang des Lichtquellenstatussignals leitet das Steuersignal das Videosignal von der RGB-Videokamerasteuereinheit 48 zum RGB-Videomonitor um und die resultierende Weißlichtabbildung wird angezeigt.
Wird vom Weißlichtabbildungsmodus in den Fluoreszenzabbildungsmodus umgeschaltet, reagiert das Steuerzentrum 20 auf das erste Schaltsignal vom Kombinationskamerakopf 42, indem es ein Signal an den Lichtquellensystemregler 90 sendet, das ihm befiehlt, den Blaulichtfilter in den Lichtweg zu bewegen. Ein Lichtquellenstatussignal wird erzeugt und zum Steuerzentrum 20 gesendet, wenn der Lichtquellenmodenschalter den Filteraustausch beendet hat. Wenn das Steuerzentrum außerdem das zweite Schaltsignal vom Kombinationskamerakopf 42 empfängt, welches übermittelt, dass der bewegliche Spiegel 186 die Fluoreszenzabbildungsmodusposition erreicht hat, versorgt das Steuerzentrum die ICCDs im Fluoreszenzkamerakopf 44 mit Spannung und leitet die Videosignale von den Fluoreszenzkamerasteuereinheiten zum RGB-Videomonitor 54. Die resultierende Fluoreszenzabbildung wird auf dem RGB-Videomonitor 54 angezeigt. Wenn das inkorrekte Lichtquellenstatussignal vom Steuerzentrum 20 empfangen wird, werden die ICCDs im Fluoreszenzkamerakopf nicht versorgt, auch wenn das zweite Schaltsignal vom Kombinationskamerakopf 42 empfangen wurde.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung quantifiziert das Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung die relative Helligkeit des Eigenfluoreszenzlichts, das vom Gewebe in den Spektralbanden Δλ₁ und Δλ₁ erzeugt wird, auf objektive Weise. 7 zeigt eine Monitoranzeige 200 mit einer Abbildung 202 des untersuchten Gewebes. Unterschiede im Eigenfluoreszenzspektrum von normalem und anomalem Gewebe sind in der Abbildung als Bereiche mit unterschiedlicher Farbe dargestellt. Anomales Gewebe 204 erzeugt beispielsweise proportional weniger Eigenfluoreszenzlicht im grünen Bereich des Spektrums als normales Gewebe und ist in der angezeigten Abbildung als rötlicher Bereich dargestellt.
Die relative Helligkeit des Eigenfluoreszenzlichts im von System abgebildeten grünen und roten Wellenbereich Δλ₁ und Δλ₂ kann als Maß für den Unterschied der tatsächlichen Fluoreszenzemissionsspektren von normalem und anomalem Gewebe verwendet werden. Ein Verhältnis (oder eine andere Funktion, welche den Δλ₁- zum Δλ₂-Wellenbereich in Beziehung setzt) der Helligkeit der Gewebeeigenfluoreszenz im roten und grünen Spektralband wird berechnet und dem Arzt angezeigt. Das Verhältnis wird für einen kleinen Bereich, wie z.B. einen Bereich 206, der in der Mitte des Sehfelds definiert ist, berechnet. Da das Farbverhältnis auf Einzelbildbasis in Echtzeit nachgerechnet werden kann, stellt das angezeigte Farbverhältnis das mittlere Farbverhältnis des dargestellten Gewebes innerhalb des Grenzen des Bereichs 206 dar. Obwohl der Bereich 206 hier als bestimmter Bereich dargestellt ist, der sich in der Mitte des Sehfelds befindet, können auch andere Stellen im Sehfeld sowie größere oder kleinere Bereiche verwendet werden.
Die Berechnung des Verhältnisses wird wie folgt durchgeführt: Wie oben beschrieben werden die Videosignale von den Fluoreszenzkamerasteuereinheiten zur Bildkarte 28 geleitet. Die Bildkarte 28 digitalisiert die Videosignale, sodass die Videosignalamplituden proportional digitalen Graustufenwerten entsprechen. Die zentrale Rechnereinheit 22 im Steuerzentrum 20 liest die von der Bildkarte 28 digitalisierten Daten aus und summiert die Graustufenwerte aller digitalen Daten des roten Kanals innerhalb des Bereichs 206 und dividiert diese Summe durch die Summe aller Daten des grünen Kanals innerhalb des Bereichs 206. Der Quotient dieser beiden Summen wird auf dem Monitor als dimensionslose Zahl 208 angezeigt.
Als Alternative zur Anzeige einer dimensionslosen Zahl können auch andere nichtvisuelle Informationen verwendet werden, um die relative Helligkeit der Gewebeeigenfluoreszenz in den spektralen Wellenbereichen Δλ₁ und Δλ₂ zu quantifizieren. Beispielsweise kann ein Ton mit einer Frequenz erzeugt werden, die vom Verhältnis der Helligkeit der Eigenfluoreszenz in den einzelnen Spektralbanden abhängt. Auf ähnliche Weise könnte auch die Frequenz eines Blinklichts in Übereinstimmung mit der Verhältnisänderung geändert werden.

Claims

Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie, umfassend: eine Lichtquelle (36), die ein Fluoreszenzanregungslicht erzeugt; ein Endoskop (40), welches das Fluoreszenzanregungslicht an ein in vivo untersuchtes Gewebe abgibt und die vom Gewebe erzeugte Eigenfluoreszenz sammelt; eine Zweikanal-Fluoreszenzkamera (44), die eine erste und eine zweite hochempfindliche Abbildungsvorrichtung umfasst, die die Selbstfluoreszenz in einem ersten und einem zweiten Spektralband empfangen und elektronische Signale erzeugen, die für das untersuchte Gewebe repräsentativ sind; ein Steuerzentrum (20), umfassend eine Bildverarbeitungskarte (28), die die von der Zweikanal-Fluoreszenzkamera erzeugten elektronischen Signale empfängt, wobei das Steuerzentrum die Verarbeitung, Speicherung und Anzeige an einem Videomonitor (54) eines Bildes des untersuchten Gewebes veranlasst; und einen Videomonitor (54), der die von der Bildverarbeitungskarte erzeugten Videosignale empfängt und ein Bild des untersuchten Gewebes anzeigt; dadurch gekennzeichnet, dass das System einen automatischen Verstärkungsregelkreis (30) umfasst, der die Verteilung der Intensitätspegel in den von der Zweikanal-Fluoreszenzkamera erzeugten elektronischen Signale bestimmt und auf der Grundlage der Verteilung der Intensitätspegel die Verstärkung der ersten und der zweiten hochempfindlichen Abbildungsvorrichtung und die Intensität der Lichtquelle einstellt, sodass die relative Verstärkung zwischen den beiden hochempfindlichen Abbildungsvorrichtungen im Wesentlichen einem Polynom folgt.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 1, worin der automatische Verstärkungsregelkreis eine Vielzahl von Zeit-über-dem- Schwellenwert-Zählern (112) umfasst, die einen Bildbereich in einem oder mehreren Videofeldern bestimmen, dessen Intensitäten über einer Vielzahl von vorbestimmten Schwellenwerten liegen.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 2, worin die Zeit-über-dem-Schwellenwert-Zähler zudem Folgendes umfassen: ein Taktsignal (150) mit einer Frequenz, die im Wesentlichen dem Pixeltakt der Zweikanal-Fluoreszenzkamera entspricht; eine Torschaltung (152), die das Taktsignal während eines aktiven Abschnitts der von der Zweikanal-Fluoreszenzkamera erzeugten elektronischen Signale weiterleitet; eine Vielzahl von Zählern (146), die die Impulse des torgesteuerten Taktsignals zählen; eine Vielzahl von Komparatoren (144), wobei die von der Zweikanal-Fluoreszenzkamera erzeugten elektronischen Signale an einen ersten Eingang und eine programmierbare Referenzspannung an einen weiteren Eingang angeschlossen sind, sodass der Komparator bei einer Größe der Videosignale, die die Referenzspannung des Komparators überschreitet, ein Ausgangssignal erzeugt, das einen der Vielzahl an Zählern freigibt; und einen Prozessor (22), der zur Einstellung der Verstärkung der hochempfindlichen Abbildungsvorrichtung und der Lichtquellenintensität programmiert ist, sodass die Verteilung der Intensitätspegel in einem oder mehreren elektronischen Feldern im Wesentlichen einer gewünschten Verteilung entspricht.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle so programmierbar ist, dass sie Fluoreszenzanregungslicht oder weißes Licht erzeugt, und das System zudem Folgendes umfasst: eine Farbvideokamera (46), die zum Empfang von Licht, das vom Endoskop gesammelt wurde, angeschlossen ist; einen Lichtweg-Leitmechanismus (67), der selektiv angeordnet ist, um das vom Endoskop gesammelte Licht zur Zweikanal-Fluoreszenzkamera oder zur Farbvideokamera zu leiten; zumindest einen Schalter (192, 194), der ein Signal erzeugt, welches die Position des Lichtweg-Leitmechanismus anzeigt; und einen Lichtquellenregler, der das Signal vom Schalter empfängt und die Lichtquelle zur Erzeugung von weißem Licht veranlasst, nachdem das vom Schalter erzeugte Signal anzeigt, dass der Lichtweg-Leitmechanismus angeordnet ist, um das vom Endoskop gesammelte Licht zur Farbvideokamera zu leiten.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 4, worin der Lichtquellenregler (90) die Lichtquelle veranlasst, die Erzeugung von weißem Licht zu stoppen und mit der Erzeugung von Fluoreszenzlicht zu beginnen, bevor der Lichtweg-Leitmechanismus von einer Position, in der das vom Endoskop gesammelte Licht zum Farbvideokamera-Kopf geleitet wird, zu einer Position bewegt wird, in der das vom Endoskop gesammelte Licht zur Zweikanal-Fluoreszenzkamera geleitet wird.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 1, worin die erste hochempfindliche Abbildungsvorrichtung die Selbstfluoreszenz in einem ersten Spektralband und die zweite hochempfindliche Abbildungsvorrichtung die Selbstfluoreszenz in einem zweiten Spektralband empfängt, wobei das Abbildungssystem zudem eine zentrale Rechnereinheit (22) umfasst, die eine quantitative Angabe der Intensität des Selbstfluoreszenzlichts im ersten Spektralband gegenüber der Intensität des Selbstfluoreszenzlichts im zweiten Spektralband ausgibt.
Abbildungssystem nach Anspruch 1, umfassend einen zweiteiligen Modenschaltmechanismus, der Folgendes umfasst: i) eine Lichtleitvorrichtung (186), die selektiv positioniert ist, um das vom Endoskop gesammelte Licht zum Fluoreszenzkamerakopf oder zum Farbvideokamerakopf zu leiten, und ii) einen Mechanismus (190, 82, 96, 98), der arbeitet, um die Lichtquelle zu ändern, sodass diese je nach Position der Lichtleitvorrichtung entweder Fluoreszenzanregungslicht oder weißes Licht erzeugt; und einen Videomonitor (56), der die von der Bildverarbeitungskarte erzeugten Signale empfängt und ein Bild des untersuchten Gewebes anzeigt.
Abbildungssystem nach Anspruch 1, worin das Steuerzentrum (20) jeweils eine Anzeige (208) der relativen Intensität des Selbstfluoreszenzlichts im ersten und im zweiten Spektralband erzeugt, das einen Abschnitt eines Bilds des Gewebes erzeugt.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 8, worin die Anzeige (208) der relativen Intensität eine numerische Darstellung der jeweiligen relativen Intensitäten im ersten und im zweiten Spektralband umfasst.
Abbildungssystem für Fluoreszenzendoskopie nach Anspruch 9, worin die Anzeige (208) an einem Videomonitor angezeigt wird.