WO2001052721A1 - Endoskop und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

Endoskop und verfahren zum betrieb desselben Download PDF

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WO2001052721A1 PCT/CH2001/000025 CH0100025W WO0152721A1 WO 2001052721 A1 WO2001052721 A1 WO 2001052721A1 CH 0100025 W CH0100025 W CH 0100025W WO 0152721 A1 WO0152721 A1 WO 0152721A1
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Urs Kindler
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Volpi Ag
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    • A61B3/0008—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes provided with illuminating means

Definitions

  • the present invention relates to a method for regulating the luminance of a viewing field in an endoscopy according to the preamble of claim 1, as well as an endoscope for performing this method and a controllable diaphragm arrangement for use in this method.
  • the illumination of the observation field plays an important role for successful endoscopy.
  • the luminous flux or the luminous intensity of the light source can be controlled by changing the supply voltage.
  • this also changes the color temperature of the light source and consequently also the color of the illuminated area of interest, which is particularly disadvantageous when viewed with video cameras.
  • US Pat. No. 4,834,071 describes a device for controlling the illuminance, which is particularly suitable for use in an endoscope, and which device contains a diaphragm, means for controlling the diaphragm and drive means for driving the diaphragm.
  • US-4,834,071 discloses an endoscope which, in addition to a probe, a light source and one Processor unit contains a device for controlling the illuminance according to the above statements. The illuminance is controlled in particular with the aid of the processor unit, which integrates the luminance of the recorded image and accordingly regulates the drive for controlling the diaphragm.
  • these objects are achieved by a method for regulating the luminance of a field of view in an endoscopy with the features of claim 1, and in particular by digitizing the image of the field of view and creating a luminance image of the field of view, dividing the luminance image into partial images by each A brightness histogram is created with a weighting matrix
  • Weighting factors are selected for the partial images, the histograms of the partial images are compared with at least one selected criterion, the weighting factors of this weighting matrix are adjusted and standardized, and an average brightness value of the histograms is calculated for each partial image, the weighting factors and the average brightness values multiplicate for each drawing file be decorated, and the sum of all partial images is formed to determine the lighting criterion.
  • the present invention now allows reflections in particular to be recognized as such and to be able to be reacted to in a suitable manner.
  • the present invention therefore ensures that the actual area of interest or the person of interest during an endoscopy
  • the present invention proves to be advantageous since areas that are too bright or too dark can be recognized within the field of view during an endoscopy, and depending on the situation, i.e. Whether these areas that are too light or too dark are the areas of endoscopy that are actually of interest or not, the luminance of the field of view can be regulated accordingly. In such cases, too, the present invention ensures a correctly illuminated field of view during endoscopy.
  • La shows a luminance image which was created in the course of a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. Lb another luminance image, which was created in the course of the preferred embodiment of the inventive method
  • FIG. 2 shows a brightness histogram of the luminance image created in FIG.
  • 3a shows a brightness histogram divided into eight areas of the luminance image created in FIG.
  • 3b shows a brightness histogram divided into eight areas of the luminance image created in FIG. 1b;
  • FIG. 4a shows the luminance image of FIG. La divided into 25 partial images with the associated brightness levels. stogrammen
  • FIG. 4b shows the luminance image of FIG. 1b divided into 25 partial images with associated brightness histograms
  • FIG. 5 shows a schematic flow diagram for determining or calculating the lighting criterion according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the endoscope according to the invention.
  • the generated images of the viewing field are digitized and converted into luminance images.
  • the individual pixels or image points assume values between 0 and 256 (8-bit conversion), the value 0 corresponding to a black or dark pixel and the value 256 corresponding to a white or light pixel.
  • the values of the individual pixels therefore provide direct information about the illuminance at the corresponding point.
  • Fig. La and Fig. Lb two luminance images 1 and 2 are shown, which were recorded in the course of an endoscopy of pig's eyes.
  • reflections occur on the one hand if surgical instruments with a metallic surface are held in front of the ophthalmoscope or the electro-optical device in such a way that the light intended to illuminate the field of view is directed directly into the
  • Optics of the ophthalmoscope is mirrored. On the other hand, it can also be used in liquid media, such as in the tear duct or there are reflections inside the vitreous. These are particularly dependent on the angle of incidence of the light rays and the ratio of the refractive indices. In the worst case, light rays are also directed directly into the optics of the ophthalmoscope. Due to the low absorption on reflecting surfaces, far more light reaches the device of the electro-optical device producing the images of the field of view, for example the CCD sensor of a camera, than from the other object surfaces. This leads to local overdriving of the CCD sensor, so that reflections are expressed as absolutely white areas in an otherwise well-illuminated image. Typically, reflections appear as small spots in the image. While no reflections can be seen in FIG. 1 a, a reflection 3, ie an absolutely white area, can be seen in the upper left half of the luminance image of FIG. 1 b.
  • the mean value of all pixels of a luminance image could be used for a simple lighting " criterion for regulating the luminance of a field of view in an endoscopy.
  • this criterion which is easy to calculate, but only a few statements about the lighting, the distribution of the lighting and the luminance of a
  • the brightness histogram of a luminance image provides far more information.
  • a brightness histogram according to the present invention indicates how often a particular pixel value is contained in a luminance image.
  • the occurrence of each pixel value is counted and graphically displayed as a frequency distribution.
  • Such a brightness histogram 20 of the luminance image created in FIG. 1 a is shown in FIG. 2.
  • the pixel value is plotted on the abscissa, while the determined number of pixel values is plotted on the ordinate.
  • reflections typically appear as smaller spots in the image.
  • Such small reflections increase the proportion of the high values when calculating or creating the brightness histogram over the entire luminance image, but they do not necessarily cause the above-mentioned increase in reflections typical of reflections in the bright area of the histogram. Therefore, an image or luminance image that has small reflections, i.e. Reflections that are limited to small areas within the luminance image are easily interpreted as too brightly lit, so that regulation based on them would result in unnecessary darkening of the field of view, and in particular the image that is actually of interest.
  • the luminance image in the present invention is therefore divided into partial images, each of which a histogram is calculated or is created.
  • the luminance image is divided into 25 partial images.
  • the division into sub-images of the same size and preferably square takes place, as shown in FIGS. 4a and 4b.
  • FIGS. 4a and 4b the luminance images of FIGS. 1a and 1b were divided into 5 ⁇ 5 partial images and the brightness histogram 40 and 41, divided into eight value ranges, was calculated for each partial image.
  • the partial images are numbered from top left to bottom right, starting with the number TI, the histograms of the partial images of the luminance image of the statements following FIG. 4b based on the criterion that the brightness histogram of a correctly illuminated luminance image can be approximated to the shape of a Gaussian bell curve, that is to say a normal distribution.
  • the partial images TI, T2 and T6 have a renewed increase in their respective brightness histograms in the bright area, which indicates the presence of reflections.
  • “bright” area is understood to mean the two of the total of eight value areas of the brightness histogram, which comprises the highest pixel values of the individual pixels.
  • the bright pixels predominate, 15 so that these image areas of the entire luminance image, i.e. the sub-images T7 and T12 are classified as too bright.
  • “bright” pixels are understood to mean those pixels which have pixel values
  • a partial image proves to be correctly illuminated in particular if the first and eighth value ranges, i.e. the range of values with the lowest pixel
  • gew ( f ⁇ ⁇ ) gew ( f ⁇ ⁇ ) • ( ⁇ 1 + - hi -st ⁇ oi (s: ⁇ NM I
  • the brightness histogram rises again in the bright area and indicates the presence of reflections, as explained in detail above.
  • a partial image should therefore be less important for the determination or calculation of the lighting criterion and to ensure a correctly illuminated field of view.
  • the weighting factor of the ith sub-image gew (i) is then multiplied by a factor r according to equation 5, where 0 ⁇ r ⁇ 1.
  • gew (i) gew (i) -r (5)
  • a sub-picture comprises NxM pixels, the following applies to the mean of the i-th sub-picture:
  • the function o (x, y) represents the entire luminance image of the field of view.
  • the weighting factors and the average brightness values for each partial image are multiplied and the sum of all partial images is formed in accordance with equation 8 in order to determine the lighting criterion L.
  • This lighting criterion is therefore the actual output variable, with the aid of which a control algorithm controls the drive of the diaphragm arrangement and thus regulates the luminance of the field of view.
  • the advantages of a the lighting criterion calculated or ascertained is obvious to the person skilled in the art.
  • overexposed or underexposed areas or partial images are recognized in the image, so that the lighting can be corrected more quickly and the luminance can thus be regulated.
  • the method according to the invention allows the detection of reflections and allows them to be suppressed in the manner described above for correct lighting.
  • sub-images that are too light or too dark result in an enlargement of the corresponding weighting factors, while reflections lead to a reduction in the corresponding weighting factors.
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the endoscope according to the invention.
  • the luminous flux of a light source 61 is coupled with the aid of the lenses 62 and 63 into a light guide 64, which is provided for illuminating a field of view 65 during an endoscopy.
  • a folding diaphragm 66 is arranged in the beam path of the light source 1, as a result of which the light intensity of the luminous flux is controlled.
  • the use of the folding screen 66 proves to be extremely advantageous since it ensures a uniform luminous flux distribution at the output of the light guide 64 and thus does not produce any ring-shaped shadows at the output of the light guide 64.
  • the folding screen 66 is that the illuminance at the output of the light guide 64 in has a linear relationship with the opening angle of the sector of the fold diaphragm 66.
  • the computational complexity for regulating the luminance of the field of view 65 according to the present invention is considerably reduced, as a result of which a significantly faster regulation of the luminance is brought about.
  • a sector angle of 30 ° of the folding screen 66 has proven to be advantageous.
  • the folding panel 6 is connected to a motor 67, which is, for example, a direct current motor, the control unit 68 of which precisely maintains a predetermined speed.
  • the speed is measured with an encoder disk 69.
  • the electro-optical device 70 comprises an image guide 71, a lens system 72 and a camera or CCD device 73.
  • the image of the field of view 65 generated by the electro-optical device 70 is digitized with the aid of a computer unit 74 and on a screen 75 shown.
  • the computer unit 74 creates an illumination criterion which is compared with a setpoint value of the luminance of the observation field 65 specified by the operator or user. This is indicated in the schematic block diagram of FIG. 6 by reference numeral 76.
  • Lighting criterion i.e. The actual value of the luminance of the field of view 65 is therefore to be considered as an output variable in terms of control technology.
  • the control unit 68 of the drive 67 is controlled by a controller 77.
  • a parameter-adaptive controller 78 is also provided, which is known to the person skilled in the art, in particular in the field of control technology, and here no further explanation is required.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Endoskop und ein Verfahren zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes. Das Endoskop weist eine Blendenanordnung (66) zur Steuerung der Lichtstärke eines Lichtstroms einer Lichtquelle (61) auf, sowie einen Lichtleiter (64), in welchen der Lichtstrom zur Beleuchtung eines Betrachtungsfeldes (65) bei einer Endoskopie einkoppelbar ist. Die Blendenanordnung (66) ist mit einem Antrieb (67) verbunden, der in Abhängigkeit der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes (65) steuerbar ist. Das Endoskop umfasst darüber hinaus eine elektro-optische Vorrichtung (70) zur Erzeugung eines Bildes des Betrachtungsfeldes (65) und eine Computereinheit (74) zur Ermittlung eines Beleuchtungskriteriums, d.h. ein Ist-Wert der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes (65), als auch zur Regelung des Antriebes (67) zur Steuerung der Blendenanordnung (66). Die Blendenanordnung (66) weist nun Mittel auf, mit denen das Bild des Betrachtungsfeldes digitalisiert und ein Luminanzbild des Betrachtungsfeldes erstellt wird; das Luminanzbild wird in Teilbilder unterteilt, und von jedem Teilbild wird ein Helligkeits-Histogramm erstellt; eine Gewichtungsmatrix mit Gewichtungsfaktoren für die Teilbilder wird ausgewählt; die Histogramme der Teilbilder werden mit mindestens einem ausgewählten Kriterium verglichen; die Gewichtungsfaktoren dieser Gewichtungsmatrix werden angepasst und normiert; und ein Helligkeits-Mittelwert der Histogramme wird für jedes Teilbild berechnet; die Gewichtungsfaktoren und die Helligkeits-Mittelwerte für jedes Teilbild werden multipliziert; und zur Ermittlung des Beleuchtungskriteriums wird die Summe über alle Teilbilder gebildet.

Description

Endoskop und Verfahren zum Betrieb desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Endoskop zur Durchführung dieses Verfahrens und eine steuerbare Blendenanordnung zur Verwendung in diesem Verfahren .
Für eine erfolgreiche Durchführung einer Endoskopie spielt die Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes, bspw. ein inter- essierender Bereich einer Körperhöhle oder eines Hohlorgans eine wesentliche Rolle. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Ausleuchtung einer Körperhöhle oder eines Hohlorgans durch Variation der Leuchtdichte am Ausgang der für eine Endoskopie im allgemeinen verwendete Faseroptik zu bein- flussen. So kann bspw. durch Änderung der Speisespannung der Lichtstrom oder die Lichtstärke der Lichtquelle gesteuert werden. Hierdurch wird allerdings auch die Farbtempera- tur der Lichtquelle und folglich auch die Farbe des beleuchteten interessierenden Bereichs verändert, was ins- besondere im Falle einer Betrachtung mit Videokameras besonders nachteilig ist.
Eine Möglichkeit, die Leuchtdichte einer beleuchtbaren Bildfläche bei einer Endoskopie bei konstanter Farbtemperatur zu steuern, besteht in der Verwendung von mechanischen Blenden bzw. Blendenanordnungen. So wird in der US-4'834'071 eine Vorrichtung zur Steuerung der Beleuchtungsstärke beschrieben, welche insbesondere für die Verwendung in einem Endoskop geeignet ist, und welche Vorrichtung eine Blende, Mittel zur Steuerung der Blende und Antriebsmittel zum Antreiben der Blende enthält . Darüberhinaus offenbart die US-4'834'071 ein Endoskop, das ausser einer Sonde, einer Lichtquelle und einer Prozessoreinheit eine Vorrichtung zur Steuerung der Beleuchtungsstärke gemäss obigen Ausführungen enthält . Die Steuerung der Beleuchtungsstärke erfolgt dabei insbesondere mit Hilfe der Prozessoreinheit, die die Leuchtdichte des aufgenommenen Bildes integriert und entsprechend den Antrieb zur Steuerung der Blende regelt.
Die Praxis zeigt allerdings, dass derartige und andere Vorrichtungen des Standes der Technik den Gegebenheiten bei einer Endoskopie, und insbesondere den Eigenheiten einer ophthalmologischen Endoskopie nicht in zufriedener Weise Rechnung tragen. So kommt es insbesondere bei Anwendungen am Auge oft zu Reflexionen, welche bspw. durch Flüssigkeiten innerhalb des Glaskörpers oder des Tränenkanals verursacht werden. Darüber hinaus entstehen Reflexionen, bspw. durch Operationsinstrumente, die während eines Eingriffs vor das Ophthalmoskop gelangen. Solche Reflexionen bewirken ein lokales Überbelichten des Bildes, da aufgrund der geringen Absorption an reflektierenden Oberflächen von diesen weit mehr Licht auf eine bilderzeugende Einrichtung einer elektro-optischen Vorrichtung, bspw. auf einen CCD-Sensor einer Kamera gelangen als von den übrigen Objektflächen, und veranlassen herkömmliche Verfahren zur Beleuchtungsregelung bzw. hierfür verwendete Vorrichtungen die Helligkeit im Bild zu reduzieren. Dadurch wird der eigentlich interessierende Bildausschnitt bei einer Endoskopie verdunkelt und erschwert dem Operateur die Durchführung seiner Arbeit .
Darüber hinaus ist es insbesondere bei der ophthalmologischen Endoskopie von Bedeutung, eine zu starke Beleuchtung zu vermeiden, da mit der stärkeren Beleuchtung photochemische Reaktionen im Gewebe des Auges induziert werden, die unter dem Begriff "Lichttoxizität " zusammen- gefasst werden. Diese umfasst zytotoxische und mutagene Nebenwirkungen in den Zellen, die erst nach Jahren, eine mehr oder weniger starke Trübung der Hornhaut verursachen oder zur Schädigung der Augennetzhaut führen können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie, insbesondere bei einer ophthalmologischen Endoskopie, anzugeben, welches Verfahren erlaubt, der behandelnden Person ein korrekt ausgeleuchtetes Bild des Betrachtungsfeldes zu präsentieren .
Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie zu schaffen, welches den Eigenheiten der ophthalmologischen Endoskopie Rechnung trägt, und welches Verfahren es erlaubt,
Reflexionen und zu helle oder zu dunkle Bildbereiche zu erkennen und diese bei der Regelung der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes zu berücksichtigen, um insbesondere für die eigentlich interessierenden Bereiche innerhalb des Betrachtungsfeldes eine optimale, d.h. eine ausreichende und doch nicht gefährdende Beleuchtung zu gewährleisten.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass das Bild des Betrachtungsfeldes digitalisiert und ein Luminanzbild des Betrachtungsfeldes erstellt wird, das Luminanzbild in Teilbilder unterteilt wird, von jedem Teilbild ein Hellig- keits-Histogramm erstellt wird, eine Gewichtungsmatrix mit
Gewichtungsfaktoren für die Teilbilder ausgewählt wird, die Histogramme der Teilbilder mit mindestens einem ausgewählten Kriterium verglichen werden, die Gewichtungs- faktoren dieser Gewichtungsmatrix angepasst und normiert werden, und ein Helligkeits-Mittelwert der Histogramme für jedes Teilbild berechnet wird, die Gewichtungfaktoren und die Helligkeits-Mittelwerte für jedes Teilbild multipli- ziert werden, und zur Ermittlung des Beleuchtungskriteriums die Summe über alle Teilbilder gebildet wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche .
Die durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielten Vorteile sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich. Insbesondere erlaubt die vorliegende Erfindung, dem
Operateur bzw. der die Endoskopie durchführenden Person zu jeder Zeit ein korrekt ausgeleuchtetes Bild zu präsentieren, bei dem vor allem den Eigenheiten der ophthalmologischen Endoskopie Rechnung getragen wird. So kommt es, wie bereits erwähnt, insbesondere bei Anwendungen am Auge oft zu Reflexionen, welche bspw. durch Flüssigkeiten innerhalb des Glaskörpers oder des Tränenkanals oder durch Operationsinstrumente verursacht werden. Solche Reflexionen veranlassen herkömmliche Verfahren zur Beleuchtungsregelung bzw. hierfür verwendete Vorrichtungen die Helligkeit im
Bild zu reduzieren. Dadurch wird der eigentlich interessierende Bildausschnitt bei einer Endoskopie verdunkelt und erschwert somit dem Operateur die Durchführung seiner Arbeit .
Die vorliegende Erfindung erlaubt es nun, dass insbesondere Reflexionen als solche erkannt werden, und in geeigneter Weise darauf reagiert werden kann. Die vorliegende Erfindung gewährleistet daher, dass während einer Endoskopie das eigentliche Interessengebiet bzw. der interessierende
Bereich des Betrachtungsfeldes, wie die Netzhaut oder die Wände des Tränenkanals, korrekt ausgeleuchtet sind und Reflexionen nicht zu deren Verdunkelung führen. Eine korrekte Ausleuchtung besteht insbesondere darin, dass das für die Endoskopie eigentlich interessierende Gebiet bzw. der interessierende Bereich ausreichend beleuchtet wird, und trotzdem diese oder andere Bereiche nicht der Gefahr einer Schädigung ausgesetzt sind.
Darüber hinaus erweist sich die vorliegende Erfindung als vorteilhaft, da zu helle oder zu dunkle Bereiche innerhalb des Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie erkannt werden können, und je nach Situation, d.h. ob es sich bei diesen zu hellen oder zu dunklen Bereichen um die eigentlich interessierenden Bereiche der Endoskopie handelt oder nicht, die Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes entsprechend geregelt werden kann. Auch für solche Fälle sorgt somit die vorliegende Erfindung für ein korrekt ausgeleuchtetes Betrachtungsfeld bei einer Endoskopie.
Die vorliegende Erfindung soll im folgenden mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. la ein Luminanzbild, welches im Verlauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens erstellt wurde;
Fig. lb ein weiteres Luminanzbild, welches im Verlauf der genannten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens erstellt wurde;
Fig. 2 ein Helligkeits-Histogramm des in Fig. la erstellten Luminanzbildes ,-
Fig. 3a ein in acht Bereiche eingeteiltes Helligkeitshistogramm des in Fig. la erstellten Luminanzbildes ;
Fig. 3b ein in acht Bereiche eingeteiltes Helligkeitshistogramm des in Fig. lb erstellten Luminanzbildes ;
Fig. 4a das in 25 Teilbilder unterteilte Luminanzbild von Fig. la mit dazugehörigen Helligkeits-Hi- stogrammen;
Fig. 4b das in 25 Teilbilder unterteilte Luminanzbild von Fig. lb mit dazugehörigen Helligkeits-Hi- stogrammen,-
Fig. 5 ein schematisches Flussdiagramm zur Ermittlung, bzw. Berechnung des Beleuchtungskriteriums gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Endoskops .
Im Verlauf der im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungs orm des erfindungsgemässen Verfahrens zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie werden die erzeugten Bilder des Betrach- tungsfeldes digitalisiert und in Luminanzbilder umgewandelt. Nach der Umwandlung nehmen die einzelnen Pixel bzw. Bildpunkte Werte zwischen 0 und 256 (8bit-Wandlung) an, wobei der Wert 0 einem schwarzen bzw. dunkeln und der Wert 256 einem weissen bzw. hellen Pixel entspricht. In einem Luminanzbild liefern daher die Werte der einzelnen Pixel direkt eine Aussage über die Beleuchtungsstärke an der entsprechenden Stelle. In Fig. la und Fig. lb sind zwei Luminanzbilder 1 und 2 gezeigt, welche im Verlauf einer Endoskopie von Schweineaugen aufgenommen wurden.
Wie oben bereits erläutert, entstehen Reflexionen einerseits, wenn Operationsinstrumente mit metallischer Oberfläche so vor das Ophthalmoskop bzw. die elektro-op- tische Vorrichtung gehalten werden, dass das zur Beleuch- tung des Betrachtungsfeldes vorgesehene Licht direkt in die
Optik des Ophthalmoskops gespiegelt wird. Andererseits kann es auch in flüssigen Medien, wie z.B. im Tränenkanal oder im Innern des Glaskörpers zu Reflexionen kommen. Diese sind insbesondere abhängig vom Einfallswinkel der Lichtstrahlen und dem Verhältnis der Brechungsindizes. Im ungünstigen Fall werden auch hier Lichtstrahlen direkt in die Optik des Ophthalmoskops geleitet. Aufgrund der geringen Absorption an reflektierenden Oberflächen gelangt von diesen weit mehr Licht auf die die Bilder des Betrachtungsfeldes erzeugende Einrichtung der elektro-optischen Vorrichtung, bspw. auf den CCD-Sensor einer Kamera, als von den übrigen Objektflächen. Dies führt zu einer lokalen Übersteuerung des CCD-Sensors, so dass Reflexionen sich als absolut weisse Bereiche in einem sonst gut ausgeleuchteten Bild äussern. Typischerweise machen sich Reflexionen als kleine Flecken im Bild bemerkbar. Während in Fig. la keine Reflexionen zu erkennen sind, sind in der linken oberen Hälfte des Luminanzbildes von Fig. lb eine Reflexion 3, d.h. ein absolut weisser Bereich, zu erkennen.
Wie bereits erwähnt, könnte für ein einfaches Beleuchtungs- " kriterium zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrachtungsfeldes bei einer Endoskopie der Mittelwert aller Pixel eines Luminanzbildes herangezogen werden. Allerdings lassen sich aus diesem, zwar einfach zu berechnenden Kriterium, aber nur wenige Aussagen über die Beleuchtung, die Ver- teilung der Beleuchtung und die Leuchtdichte eines
Betrachtungsfeldes gewinnen. Weit mehr Information liefert das Helligkeits-Histogramm eines Luminanzbildes. Ein Helligkeits-Histogramm gemäss der vorliegenden Erfindung gibt an, wie oft ein bestimmter Pixel-Wert in einem Luminanzbild enthalten ist. So werden bei der Berechnung bzw. Erstellung eines Helligkeits-Histogramms das Vorkommen eines jeden Pixel-Wertes gezählt und als Häufigkeitsverteilung graphisch dargestellt. Ein derartiges Helligkeits- Histogramm 20 des in Fig. la erstellten Luminanzbildes ist in Fig. 2 gezeigt. So ist auf der Abszisse der Pixel-Wert aufgetragen, während in der Ordinate die ermittelte Anzahl der Pixel -Werte aufgetragen ist.
Figure imgf000010_0001
bzw einer Normalverteilung angenähert werden kann.
Wie bereits erwähnt, machen sich in der Regel Reflexionen typischerweise als kleinere Flecken im Bild bemerkbar. Derartige kleine Reflexionen erhöhen bei der Berechnung bzw. Erstellung des Helligkeits-Histogramms über das gesamte Luminanzbild zwar den Anteil der hohen Werte, sie verursachen aber nicht zwingend den oben erwähnten und in Fig. 3b gezeigten für Reflexionen typischen Anstieg im hellen Bereich des Histogramms. Daher kann ein Bild bzw. Luminanzbild, welches kleine Reflexionen aufweist, d.h. Reflexionen, die sich auf kleine Bereiche innerhalb des Luminanzbildes beschränken, leicht als zu hell beleuchtet interpretiert werden, so dass eine darauf basierende Regelung eine unnötige Verdunkelung des Betrachtungsfeldes, und insbesondere des eigentlich interessierenden Bildes zur Folge hätte.
Damit der interessierende Bereich bzw. der Hintergrund bei der Endoskopie zu jeder Zeit korrekt ausgeleuchtet bleibt, und damit Reflexionen, insbesondere die oben erwähnten kleinen Reflexionen erkannt werden, wird bei der vorliegenden Erfindung daher das Luminanzbild in Teilbilder unterteilt, von welchen je ein Histogramm berechnet bzw. er- stellt wird. In der hier erläuterten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Luminanzbild in 25 Teilbilder aufgeteilt. Typischerweise erfolgt die Aufteilung in gleich grosse und bevorzugterweise quadratische Teilbilder, wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt ist.
In Fig. 4a und 4b wurden die Luminanzbilder von Fig. la und lb in 5x5 Teilbilder unterteilt und für jedes Teilbild das auf acht Werte-Bereiche eingeteilte Helligkeits-Histogramm 40 und 41 berechnet. Nummeriert man die Teilbilder von links oben nach rechts unten, beginnend mit der Nummer TI, so liefern die Histogramme der Teilbilder des Luminanzbil- des von Fig. 4b folgende Aussagen basierend auf dem Kriterium, dass das Helligkeits-Histogramm eines korrekt ausgeleuchteten Luminanzbildes an die Form einer Gauss ' sehen Glockenkurve, also einer Normalverteilung angenähert werden 5 kann. Die Teilbilder TI , T2 und T6 weisen einen erneuten Anstieg in ihren jeweiligen Helligkeits-Histogrammen im hellen Bereich auf, was auf das Vorhandensein von Reflexionen hindeutet. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens versteht man 10 unter "hellem" Bereich die zwei der insgesamt acht Werte- Bereiche des Helligkeits-Histogramms, welche die höchsten Pixel-Werte der einzelnen Pixel umfasst .
In den Teilbildern T7 und T12 überwiegen die hellen Pixel, 15 so dass diese Bildbereiche des gesamten Luminanzbildes, d.h. die Teilbilder T7 und T12 , als zu hell eingestuft werden. Für das vorliegende bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens versteht- man unter "helle" Pixel diejenigen Bildpunkte, welche Pixel-Werte
20. aufweisen, welche von den zwei der acht eingeteilten Werte-
Bereiche mit den höchsten Pixel-Werten umfasst werden. Für die anderen Teilbilder von Fig. 4b ergeben sich ausgeglichene, d.h. einer Normalverteilung annäherbare Hellig- keits-Histogramme, die auf eine gute und korrekte Beleuch- 25 tung des Betrachtungsfeldes hindeuten. So erweist sich für das bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens ein Teilbild insbesondere dann als korrekt ausgeleuchtet, wenn dem ersten und dem achten Werte-Bereich, d.h. der Werte-Bereich mit den geringsten Pixel-
30 Werten und der Bereich mit den höchsten Pixel-Werten des
Helligkeits-Histogramms, keine Bildpunkte des Teilbildes zugeordnet werden können.
Die erfindungsgemässe Unterteilung in einzelne Teilbilder 35 erweist sich somit als äusserst vorteilhaft, um Reflexionen und oder zu hell oder zu dunkel ausgeleuchtete Teilbereiche des Luminanzbildes sicher zu erkennen. Darüber hinaus er- ω t t H o in o in o in
Figure imgf000013_0001
OJ to NJ H H o in o in O in
Q
Φ
Φ
CD
Φ
P
•
Figure imgf000014_0001
U) ω to to H H in o in o cn o in
Figure imgf000015_0001
gew( fι\) = gew( fι\) • (Λ 1 + — hi -st ~oi (s : \ N-M I
Ist andererseits histoa > 0, so kann dies zwei Ursachen haben. Entweder kommen in dem entsprechenden i-ten Teilbild Reflexionen vor, oder dieser Bildbereich des Luminanzbildes, d.h. das entsprechende Teilbild ist generell zu hell. Ob das eine oder das andere der Fall ist, lässt sich durch Vergleich von histo? mit histo8 feststellen. Ist histo7 > histost so ist der Anteil heller Pixel im entsprechenden Teilbild gross . In Analogie, wird auch in diesem Fall der Gewichtungsfaktor des i - ten Teilbildes gew(i ) in einem Schritt 55 nach Fig. 5 angepasst, und zwar um den prozen- tualen Anteil ge äss Gleichung 4 erhöht:
Figure imgf000016_0001
Ist jedoch h±stoe > hlsto < histo8, so steigt das Hellig- keits-Histogramm im hellen Bereich erneut an und weist auf das Vorhandensein von Reflexionen hin, wie oben ausführlich erläutert. Für die Ermittlung bzw. Berechnung des Beleuchtungskriteriums und zur Gewährleistung eines korrekt ausgeleuchteten Betrachtungsfeldes sollte daher ein solches Teilbild weniger ins Gewicht fallen. In einem Schritt 56 wird daher der Gewichtungsfaktors des i-ten Teilbildes gew(i) gemäss Gleichung 5 mit einem Faktor r multipliziert, wobei 0 < r < 1.
gew (i) =gew (i) -r (5)
Nachdem die Gewichtungsfaktoren aller Teilbilder entspre- chend dem Verlauf des jeweiligen Helligkeits-Histogramms angepasst wurden, werden sie Gleichung 6 entsprechend normiert :
∑Mgew( )
Ausser dieser Normierung ist in einem Schritt 57 die Bildung des Mittelwerts des entsprechenden Teilbildes beinhal- tet . Umfasst ein Teilbild NxM Pixel, so gilt für den Mittelwert des i - ten Teilbildes:
Figure imgf000017_0001
Die Funktion o (x, y) repräsentiert hierbei das gesamte Luminanzbild des Betrachtungsfeldes. In einem Schritt 58 gemäss Fig. 5 werden die Gewichtungsfaktoren und die Hel- ligkeits-Mittelwerte für jedes Teilbild multipliziert und zur Ermittlung des Beleuchtungskriteriums L die Summe über alle Teilbilder gemäss Gleichung 8 gebildet:
25 L = μ(i) -gew„(i) (8)
(=1
Bei diesem Beleuchtungskriterium handelt es sich somit um die eigentliche Ausgangsgrösse, mit deren Hilfe ein Regel- algorithmus den Antrieb der Blendenanordnung ansteuert und somit die Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes regelt.
Die Vorteile eines gemäss der vorliegenden Erfindung be- rechneten bzw. ermittelten Beleuchtungskriteriums sind für den Fachmann offensichtlich. So werden einerseits über- bzw. unterbelichtete Bereiche bzw. Teilbilder im Bild erkannt, so dass eine schnellere Korrektur der Beleuchtung und damit eine Regelung der Leuchtdichte bewirkt werden kann. Andererseits erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren die Erkennung von Reflexionen, und erlaubt diese in der oben beschriebenen Weise für eine korrekte Beleuchtung zu unterdrücken. Wie oben bereits erläutert, bewirken zu helle oder zu dunkle Teilbilder eine Vergrösserung der entsprechenden Gewichtungsfaktoren, während Reflexionen zu einer Verkleinerung der entsprechenden Gewichtungsf ktoren führt .
Je mehr dunkle Pixel vorhanden sind, d.h. je grösser die Anzahl der durch den Wert histoi ausgedrückte Anzahl der Pixel ist, desto grösser muss der Gewichtungsfaktor für das entsprechende Teilbild werden, damit es zu einer schnellen Regelung der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes bei der Endoskopie kommt.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Endoskops . So wird der Lichtstrom einer Lichtquelle 61 mit Hilfe den Linsen 62 und 63 in einen Lichtleiter 64 eingekoppelt, welcher zur Beleuchtung eines Betrachtungsfeldes 65 bei einer Endoskopie vorgesehen ist. Im Strahlengang der Lichtquelle 1 ist eine Faltblende 66 angeordnet, wodurch die Lichtstärke des Lichtstroms gesteuert wird. Die Verwendung der Faltblende 66 erweist sich als überaus vorteilhaft, da sie zu einer gleichmässigen Lichtstromverteilung am Ausgang des Lichtleiters 64 sorgen und damit keine ringförmigen Schatten am Ausgang des Lichtleiters 64 erzeugen. Das Vermeiden derartiger ringförmiger Schatten erhöht zusätzlich die Beleuchtungsqualität bei der durchzuführenden Endoskopie. Ein weiterer Vorteil der Faltblende 66 besteht darin, dass die Beleuchtungsstärke am Ausgang des Lichtleiters 64 in einer linearen Beziehung zum Öffnungswinkel des Sektors der Faltenblende 66 steht. Hierdurch wird der Rechenaufwand zur Regelung der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes 65 gemäss der vorliegenden Erfindung erheblich verringert, wodurch eine bedeutend schnellere Regelung der Leuchtdichte bewirkt wird. Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat sich ein Sektorenwinkel von 30° der Faltblende 66 als vorteilhaft erwiesen.
Die Faltblende 6 ist mit einem Motor 67 verbunden, der bspw. ein Gleichstrommotor ist, dessen Regeleinheit 68 eine vorgegebene Geschwindigkeit genau einhält. Gemessen wird die Geschwindigkeit mit einer Encoderscheibe 69.
Die elektro-optische Vorrichtung 70 umfasst einen Bildleiter 71, ein Linsensystem 72 und eine Kamera bzw. CCD-Vorrichtung 73. Das durch die elektro-optische Vorrichtung 70 erzeugte Bild des Betrachtungsfeldes 65 wird mit Hilfe einer Computereinheit 74 digitalisiert und auf einem Bild- schirm 75 dargestellt. Die Computereinheit 74 erstellt gemäss der vorliegenden Erfindung ein Beleuchtungskriterium, das mit einem vom Operateur bzw. Benutzer vorgegebenen Sollwert der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes 65 verglichen wird. Dies ist im schematischen Blockschaltbild von Fig. 6 durch das Bezugszeichen 76 angedeutet. Das
Beleuchtungskriterium, d.h. der Ist-Wert der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes 65 ist somit regeltechnisch als Ausgangsgrösse zu betrachten. Gegebenenfalls wird die Regeleinheit 68 des Antriebs 67 durch einen Regler 77 gere- gelt. In der in Fig. 6 gezeigten bevorzugten Ausführungs- form ist darüber hinaus ein parameteradaptiver Regler 78 vorgesehen, was dem Fachmann, insbesondere auf dem Gebiet der Regeltechnik bekannt ist und hier keiner näheren Erläuterung bedarf .
Obwohl hier bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offensichtlich, dass Veränderungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne sich vom Wesen und Zweck der Erfindung zu entfernen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Regelung der Leuchtdichte eines Betrach- tungsfeldes (65) bei der Endoskopie, insbesondere bei der ophthalmologischen Endoskopie, in welchem Verfahren ein Lichtstrom einer Lichtquelle (61) i.n einen zur Beleuchtung des Betrachtungsfeldes (65) vorgesehenen Lichtleiter (64) eingekoppelt wird, wobei die Licht- stärke des Lichtstroms mittels einer Blendenanordnung { 66 ) gesteuert wird, welche Blendenanordnung (66) mit einem Antrieb (67) versehen ist, welcher Antrieb (67) in Abhängigkeit der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes (65) gesteuert wird, und in welchem Verfahren eine elektro-optische Vorrichtung (70) ein Bild des Betrachtungsfeldes (65) erzeugt, und ein Beleuchtungskriterium, d.h. einen Ist-Wert der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes (65) ermittelt wird, dieser Ist-Wert mit einem Soll-Wert der Leuchtdichte des Betrachtungsfeldes " (65) verglichen wird und der Antrieb (67) zur Steuerung der Blendenanordnung (66) geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bild des Betrachtungsfeldes digitalisiert und ein Luminanzbild des Betrachtungsfeldes erstellt wird, das Luminanzbild in Teilbilder unterteilt wird, von jedem Teilbild ein Helligkeits-Histogramm erstellt wird, eine Gewichtungsmatrix mit Gewichtungsfaktoren für die Teilbilder ausgewählt wird, die Histogramme der Teilbilder mit mindestens einem ausgewählten Kriterium verglichen werden, die Gewichtungsfaktoren dieser Gewichtungsmatrix angepasst und normiert werden, und ein Helligkeits-Mittelwert der Histogramme für jedes Teilbild berechnet wird, die Gewichtungfaktoren und die Helligkeits-Mittelwerte für jedes Teilbild multipliziert werden, und zur Ermittlung des Beleuchtungs- ω XJ to H H in o in o in o in
σ_ in _J ω t
Figure imgf000022_0001
u> ω to t H H in σ in o in o in
H * > 03 ! O
Figure imgf000023_0001
d.h. eines Ist-Werts der Leuchtdichte des Betrachtungs- feldes, und zur Regelung des Antriebs zur Steuerung der Blendenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenanordnung (66) Mittel aufweist, mit denen das Bild des Betrachtungsfeldes digitalisiert und ein Luminanzbild des Betrachtungsfeldes erstellt wird, das Luminanzbild in Teilbilder unterteilt wird, von jedem Teilbild ein Helligkeits-Histogramm erstellt wird, eine Gewichtungsmatrix mit Gewichtungsfaktoren für die Teil- bilder ausgewählt wird, die Histogramme der Teilbilder mit mindestens einem ausgewählten Kriterium verglichen werden, die Gewichtungsfaktoren dieser Gewichtungsmatrix angepasst und normiert werden, und ein Helligkeits-Mittelwert der Histogramme für jedes Teil- bild berechnet wird, die Gewichtungfaktoren und die Helligkeits-Mittelwerte für jedes Teilbild multipliziert werden, und zur Ermittlung des Beleuchtungs- kriteriums die Summe über alle Teilbilder gebildet wird.
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