Verfahren zum Betreiben eines Endoskops sowie Endoskop
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Endoskops, das ein Objektiv und einen Übertragungskanal zur Übertragung eines Bildes eines vor dem Objektiv befindlichen Objektes zu einer Bildaufnahmeeinheit als Detektionseinheit aufweist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Endoskop zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Endoskope sowie Verfahren, bei denen solche Endoskope eingesetzt werden, sind in vielfältigen Ausführungen und für verschiedenste Verwendungszwecke bekannt. Dabei weisen die bekannten Endoskope eine starre Blickrichtung mit überwiegend zweidimensionaler Bildbetrachtung auf. Das durch das Objektiv aufgenommene Bild wird meist über eine elektro-optische Bildaufnahmeeinheit, vorzugsweise CCD-Chips, aufgenommen und auf Sichtgeräten, z.B. auf Videomonitoren oder LCD-Displays, angezeigt .
Die elektro-optische Bildaufnahmeeinheit, die einen Chip mit einer Matrix aus lichtempfindlichen Elementen aufweist und beispielsweise in der US 5 452 004 und der US 4 942 473 beschrieben ist, ist entweder am proximalen Ende anstatt eines Okulars oder auf einem Okular aufgesetzt oder am distalen Ende des Endoskops nahe dem Objektiv angeordnet. Die Anordnung am distalen Ende erlaubt zwar ein einfaches optisches System zur Übertragung des Bildes, eine Miniaturisierung der Bauform des Endoskops ist aber durch die Größe des Chips der Bildaufnahmeeinheit begrenzt. Endoskope mit einer elektro- optischen Bildaufnahmeeinheit am proximalen Ende benötigen einen optischen Übertragungskanal zur Übertragung der Bildinformation vom Objektiv zur Bildauf ahmeeinheit. Der
Übertragungskanal kann aus lichtleitenden Fasern bestehen, womit kleine Bauformen möglich sind, die Bildqualität jedoch nur gering ist, oder aus einem Linsensystem, das eine hohe Übertragungsqualität aufweist. Auch bei der elektrooptischen Bildaufnahmeeinheit wird eine Miniaturisierung angestrebt, wie dies in der US 6 211 904 B1 am Beispiel eines CMOS-Sensor-Chips an chirurgischen Geräten oder Apparaturen wie beispielsweise Endoskopen beschrieben ist. Diese US 6 211 904 B1 weist ein Endoskop mit elektronischen Bildaufnehmern auf, wobei eine wahlfreie Zugriffsmöglichkeit auf beliebige Pixel vorhanden ist, um die elektronische Qualität der Signale zu verbessern und insbesondere auch den Rauschpegel zu reduzieren. Außer dem Zugriff auf einzelne Pixel kann auch der gesamte Bildinhalt ausgelesen werden.
Zur Verbesserung der bisherigen zweidimensionalen Darstellung des Operationsfeldes vor dem Objektiv des Endoskops sind dreidimensional darstellende Systeme bekannt. Für diese Darstellungsart wird eine stereoskopische Basis benötigt, vergleichbar mit dem "Augenabstand des Menschen, um aus der Überlagerung zweier Bilder unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln einen räumlichen Eindruck vom Operationsfeld zu erhalten.
Die stereoskopischen Bilder werden in der Regel von zwei getrennten Kameras erzeugt, die jeweils das Bild eines
- optischen Übertragungskanals eines Stereo-Endoskops aufnehmen, wie dies zum Beispiel in der US 5 428 386 beschrieben ist. In der US 5 381 784 ist ein Stereo-Endoskop beschrieben, welches am distalen Ende zwei elektro-optische Bildaufnahmeeinheiten (CCDs) aufweist, die jeweils ein stereoskopisches Halbbild aufnehmen und die durch den Abstand der CCDs die stereoskopische Basis- bereitstellen. Die Erzeugung zweier getrennter Bilder kann auch erreicht werden, indem ein
gemeinsames Bild vom Operationsbereich eines Endoskops im Verlauf des optischen Übertragungskanals in zwei Teile aufgetrennt wird. Dabei gibt es Systeme, die die Trennung entweder nahe des Objektivs (DE 42 19 851 A1 ) oder aber nahe des Okulars (DE 197 01 199 A1 ) vollziehen. Bei dieser Trennung entstehen zwei unabhängige Bildteile, die, vom Betrachter gemeinsam wahrgenommen, einen stereoskopisches Bild hervorrufen. Verschiedenste optische Ansätze zur Generierung von stereoskopischen Halbbildern sind auch in DE 692 29 778 T2 dargelegt .
Es sind aber auch Anordnungen bekannt, die mit einer Kamera auskommen, wie z.B. in DE 44 24 114 C1 oder JP 02237531 A beschrieben, und durch den Einsatz von Shuttern zwei räumlich überlagerte Halbbilder über eine Synchronisation der Kamerabilder mit der Transparenz des Shutters sequentiell trennen. Die Bildausgabe erfolgt sequentiell auf einem Monitor, wobei auch hier eine Synchronisation der Halbbilder mit dem entsprechenden Auge erforderlich ist. Auch in der DE 197 01 199 A1 wird das Erzeugen stereoskopisch korrelierter Doppelbilder mit Hilfe einer Blendeneinrichtung
(Shutter-Blende) im Strahlengang vom Objektiv zum Okular beschrieben. Dabei werden Teile des Strahlenbündels zeitweise abgedeckt, wodurch sich der optische Schwerpunkt der verbleibenden Strahlen entsprechend verschiebt und bei abwechselndem Abdecken gegenüberliegender Teile des Strahlenbündels ein stereoskopisches Doppelbild entsteht. In der DE 42 19 851 A1 ist ein System beschrieben, bei dem die Bildaufnahme über eine einzelne Objektivlinse geschieht und das Bild im nachfolgenden Strahlenverlauf mittels eines Zwillingsprismas in zwei divergierende Bilder aufgespaltet wird, die dann einer gemeinsamen oder auch zwei getrennten lichtempfindlichen Bildvorrichtungen (fotografischer Film oder elektronischer Bildsensor) zugeführt werden können. Durch die
Strahlenführung und _ die Auftrennung des vom Objektiv aufgenommenen Gesamtbildes vor der Bildaufnahmeeinheit sinkt die optische Abbildungsqualität auf der Bildauf ahmeeinheit . Außerdem ist eine nachträgliche Justage oder Anpassung der Positionen der beiden Teilbereiche zueinander, beispielsweise für eine Anpassung an verschiedene Sichtgeräte und/oder Benutzer, nur schwierig und umständlich oder gar nicht möglich, weil diese Positionen durch den Aufbau der Anordnung fest vorgegeben sind.
Eine räumliche Trennung der Bilder durch Auslesen zweier Teilbereiche auf einem Chip oder auf zwei Chips einer Bildaufnahmeeinheit ist in DE 38 06 190 C2 beschrieben. Dieses System stellt beide Halbbilder räumlich getrennt auf einem Monitor dar, die Zuordnung der Halbbilder zum entsprechenden Auge erfolgt über eine Polarisationsanordnung.
Eine Änderung der Position der beiden Halbbilder zueinander ist auf elektronischem Wege nicht möglich, sodass eine exakte, mit entsprechendem Aufwand verbundene, optische Justage des Systems vorgenommen werden uss, um aus den Halbbildern eine Überlagerung und somit ein stereoskopisches Bild zu erhalten. Weitere Nachteile dieses Systems sind die durch das Endoskop hindurch zu dessen distalen Ende hin verlaufende elektrischen und hochfrequenten Signalleitungen. Die Größe dieses Endoskops wird im wesentlichen durch den eingesetzten Bildempfänger bestimmt, was eine Miniaturisierung des Gerätes nur in Grenzen gestattet .
Eine andere Art der Verbesserung der Darstellung des Operationsraumes vor dem Objektiv des Endoskops stellt die Möglichkeit dar, die Blickrichtung zu variieren oder Bereiche des Operationsfeldes zu vergrößern (Zoom) .
In der US 5 196 928 ist ein Endoskop-System beschrieben, bei dem zwei unabhängige Endoskope mit jeweils einer elektro-
optischen Bildaufnahmeeinheit den Operationsraum darstellen, wobei die Abbildung auf einem gemeinsamen Monitor, der die Bilder nebeneinander oder auch Bild-in-Bild wiedergibt, stattfindet. Auch eine Transformation von Bildern, die mit Hilfe einer Rundumsicht-Optik (Fischaugenoptik) aufgenommen wurden und entsprechend verzerrt sind, in eine weitgehend ebene, entzerrte Darstellung, wie in DE 198 06 279 A1 beschrieben ist, ist möglich, wobei es bei der Transformation jedoch zu einem Verlust von Bildinformation kommen kann.
Variable Blickrichtungen sind in heutigen Endoskopsystemen dem technischen Bereich (Boreskope) vorbehalten. Hier existieren Reflexions-Schwenkprismen-Systeme verschiedener Hersteller, wie sie in WO 01/22865 A1 oder US 6 066 090 beschrieben sind.
Neben der Verstellung von Prismen, wie sie auch in DE 299 07 430 U1 und DE 198 39 188 A1 beschrieben ist, gibt es noch andere Möglichkeiten, eine Blickrichtungsänderungen zu realisieren. So beschreibt DE 199 03 437 C1 mechanische Lösungen zum Bewegen des distalen Endes von Endoskopen. In US 6 110 105 wird mittels einer Weitwinkeloptik, einem longitudinal verschiebbaren Spiegel und einem zu einer Übertragungsoptik starrem Spiegel eine Umlenkung eines Teilbereiches des Bildes in das Übertragungssystem erreicht. Durch eine Verschiebung des ersten Spiegels kann ein anderer Bereich des Bildes in das Übertragungssystem gelangen, was einer Änderung der Blickrichtung entspricht . Wegen der aufwendigen mechanischen Bewegungen am distalen Ende des Endoskops, die vom proximalen Ende des Endoskops her mit Hilfe einer entsprechenden Ansteuermechanik durchgeführt werden, ist eine Miniaturisierung solcher Systeme nur begrenzt möglich. Außerdem ist die Mechanik solcher Systeme fehleranfällig und bedarf einer Wartung, um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Derartige bewegliche
Ansteuermechaniken sind außerdem schwer oder gar nicht sterilisierbar, was für den chirurgischen Einsatz erforderlich ist.
DE 43 04 422 C1 stellt die Änderung des Gesichtsfeldes durch ein Zoom-Endoskop dar. Die Zoom-Funktion ist dabei mechanisch ausgeführt, was wegen der vorbeschriebenen Merkmale mechanischer Systeme nachteilig ist und dabei so ausgelegt, dass bei kleinster Vergrößerung das Bild den gesamten Chip bedeckt, während bei größerer Vergrößerung nur ein Teil des Bildes den gesamten Chip bedeckt. Durch das parallele Verschieben des CCD-Chips als Bildaufnahmeeinheit kann ein anderer Teilbereich des Gesichtsfeldes erfasst und somit eine andere Blickrichtung gewählt werden.
Ein ähnlicher Ansatz wird auch im Schlussbericht der Sektion für Minimalinvasive Chirurgie, Chirurgischen Klinik der Eberhard-Karl-Universität Tübingen im BMBF Verbundprojekt 1995- 1999 "Sichtsysteme für die minimal-invasive Chirurgie 'SIMIC'" dargelegt, wo der Bildempfänger (mechanisch) relativ zum Bild verschoben wird, um eine Änderung der Blickrichtung zu realisieren.
In der US 5 877 819 werden grundsätzliche Funktionen wie Zoom (Vergrößern/Verkleinern) und Pan (Verschieben) von Bilddaten einer elektro-optischen Bildaufnahmeeinheit erläutert. Dabei ist die Zoom-Funktion erst im Output-Device vorgesehen und es wird dabei lediglich konzentrisch gezoomt. Dies erfordert jedoch, dass die Gesamtheit der Daten von der Kamera ausgelesen und an den PC übermittelt werden muss, was einen Geschwindigkeitsnachteil mit sich bringt. Die Bilddaten werden bei der Zoom-Funktion in ihrer Größe geändert, was insbesondere bei der Vergrößerung zu Bilddatenverlusten führt und damit die Qualität der Bilder reduziert.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben eines Endoskops sowie ein Endoskop zu entwickeln, welches mechanisch einfach aufgebaut ist, wobei die für die Steuerung des Endoskops notwendigen mechanischen Bewegungen im oder am Endoskop möglichst gering sein sollen und welches sich flexibel für unterschiedliche Betrachtungssituationen im Operationsbereich einsetzen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung im wesentlichen ein Verfahren vor, welches vor allem dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb des gesamten auf die Bildaufnahmeeinheit projizierten Bildes die Signale von beliebigen Teilbereichen mit beliebiger Lage auf der Bildaufnahmeeinheit ausgelesen werden und dass die ausgelesenen Signale der Teilbereiche auf einem Sichtgerät in Teilen oder als Ganzes dargestellt werden.
Dabei ist die Position der ausgelesenen Teilbereiche auf der Bildaufnahmeeinheit frei veränderbar, wobei diese Positionsänderung einer Blickrichtungsänderung innerhalb des gesamten Operationsfeldes entspricht.
Eine besonders gute Darstellung der Teilbereiche auf dem Sichtgerät wird erreicht, wenn die Pixelanzahl der ausgelesenen Teilbereiche mit der Pixelanzahl des Ausgabeformates des Sichtgerätes in etwa übereinstimmt und wenn die ausgelesenen Teilbereiche an einem Sichtgerät vorzugsweise formatfüllend dargestellt werden. Vorteilhaft ist es dabei außerdem, wenn neben der Pixelanzahl auch das Seitenverhältnis der ausgelesenen Teilbereiche mit dem Seitenverhältnis des Ausgabeformates des Sichtgerätes übereinstimmt. Damit kann eine verzerrungsfreie Darstellung des aufgenommenen Bildes bei gleichzeitig guter Ausnutzung des Ausgabeformates erreicht werden.
Werden die Teilbereiche in der Größe verändert und weiterhin auf dem Sichtgerät formatfüllend dargestellt, entspricht dies einer Zoom-Funktion.
Wenn der Teilbereich größer ist als das Ausgabeformat des Sichtgerätes, wenn also die Pixelanzahl der ausgelesenen Teilbereiche größer ist als die Pixelanzahl des Ausgabeformates des Sichtgerätes bei in etwa gleichem Seitenverhältnis, wird das Bild vor der Darstellung auf dem Sichtgerät verkleinert und an das Ausgabeformat des Sichtgerätes angepasst. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Seitenverhältnis der ausgelesenen Teilbereiche mit dem Seitenverhältnis des Ausgabeformates übereinstimmt .
Wenn der ausgelesene Teilbereich kleiner ist als das Ausgabeformat des Sichtgerätes, wenn also die Pixelanzahl der ausgelesenen Teilbereiche kleiner ist als die Pixelanzahl des Ausgabeformates des Sichtgerätes bei in etwa gleichem Seitenverhältnis, wird das Bild vor der Darstellung auf dem Sichtgerät vergrößert und an das Ausgabeformat des Sichtgerätes angepasst. Die zur Anzeige nötigen zusätzlichen Pixel werden über Interpolation zwischen den Pixeln aus dem ausgelesenen Teilbereich erzeugt. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn das Seitenverhältnis der ausgelesenen Teilbereiche mit dem Seitenverhältnis des Ausgabeformates übereinstimmt.
Eine solche Zoom-Funktion ist somit ohne mechanische Bewegung rein elektronisch möglich und sehr flexibel einsetzbar. Der nutzbare Zoom-Bereich ist nur durch die Auflösung der eingesetzten Bildaufnahmeeinheit, durch die Auflösung des eingesetzten Sichtgerätes und durch die Qualität des zum Einsatz kommenden Interpolationsalgorithmus vorgegeben. Dabei wird bereits bei der Generierung der Bilddaten durch das
Auslesen eines Teilbereiches eine Datenreduktion erreicht, wodurch die Geschwindigkeit der Datenübertragung erhöht wird. Darüber hinaus ist diese Zoom-Funktion nicht auf eine Vergrößerung oder Verkleinerung konzentrisch um den Mittelpunkt der Bildaufnahmeeinheit beschränkt, sondern kann im Prinzip um jeden beliebigen Punkt durchgeführt werden.
Bei der Erzeugung eines dreidimensionalen Effektes vom Operationsfeld ist es -besonders vorteilhaft, wenn die Signale zweier stereoskopischer Halbbilder direkt einer Bildaufnahmeeinheit zugeführt werden und wenn die Positionen der ausgelesenen, jeweils ein stereoskopisches Halbbild bildenden Teilbereiche zur Erzielung einer dreidimensionalen Darstellung auf einem zweikanaligen Sichtgerät zueinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise ist es möglich, praktisch jedes System, welches stereoskopische Halbbilder liefert, für dieses Verfahren zu verwenden und damit einen dreidimensionalen Effekt beim Betrachten des Operationsfeldes zu erreichen. Dies betrifft neben bekannten Stereoendoskopen beispielsweise auch Stereo-Mikroskope. Die Justage der beiden stereoskopischen Halbbilder kann dabei rein elektronisch erfolgen, sodass die Montage einer solchen Anordnung wesentlich vereinfacht werden kann.
Die Erzielung eines dreidimensionalen Eindrucks vom Operationsfeld ist auch dann möglich, wenn nach einer Ausgestaltung der Erfindung, für die selbstständiger Schutz beansprucht wird, das Bild eines Objektes von einem einzigen Objektiv aufgenommen und über einen einzigen Übertragungskanal zur Bildaufnahmeeinheit übertragen wird, wenn die Signale zweier horizontal zueinander versetzt liegender Teilbereiche eines Bildes auf der Bildaufnahmeeinheit ausgelesen werden und wenn die ausgelesenen Signale der beiden Teilbereiche auf den beiden Kanälen eines zweikanaligen Sichtgerätes zur Erzielung
eines dreidimensionalen Eindrucks dargestellt werden. Auf diese Weise kann mit bekannten einkanaligen Endoskopen ein räumlicher Eindruck des Operationsfeldes erzeugt werden, ohne dass dafür zusätzlicher mechanischer Aufwand nötig ist. Dabei kann zwar mit diesem Verfahren nicht ganz der starke räumliche Eindruck des Verfahren, welches auf zwei stereoskopischen Halbbildern basiert, die von zwei getrennten Objektiven aufgenommen wurden, erreicht werden, jedoch besteht der Vorteil dieses Verfahrens vor allem darin, mit einem herkömmlichen Endoskop, welches nur einen Übertragungskanal aufweist, trotzdem einen räumlichen, dreidimensionalen Eindruck vom Operationsfeld zu erhalten.
Der vorbeschriebene dreidimensionale Effekt kann auch mit einer Blickrichtungsänderung kombiniert werden. Dabei ist es vorgesehen, dass für eine Blickrichtungsänderung im Bereich der beiden auf die Bildaufnahmeeinheit projizierten getrennten Bilder jeweils die Signale eines Teilbereichs an verschiedenen Positionen auf der Bildaufnahmeeinheit ausgelesen werden, wobei die ausgelesenen Teilbereiche im Gesamtbereich eines stereoskopischen Halbbildes beliebig, die beiden einander entsprechenden Teilbereiche relativ zueinander aber gleich positioniert sind. Eine Änderung der Blickrichtung kann dabei in horizontaler und/oder vertikaler Richtung ausgeführt werden.
Auch der vorbeschriebene dreidimensionale Eindruck kann mit einer Blickrichtungsänderung kombiniert werden. Dabei ist es vorgesehen, dass für eine Blickrichtungsänderung im Bereich des gesamten auf die Bildaufnahmeeinheit projizierten Bildes jeweils die Signale zweier horizontal zueinander versetzt liegender Teilbereiche mit beliebiger, relativ zueinander aber gleicher Lage auf der Bildaufnahmeeinheit ausgelesen werden. Auch hierbei kann eine Änderung der Blickrichtung in horizontaler und/oder vertikaler Richtung ausgeführt werden.
Ebenso ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, beispielsweise die Bilder mehrerer Endoskope auf eine Bildaufnahmeeinheit zu projizieren. Dafür ist es zweckmäßig, wenn zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer Teilbereiche eines Operationsfeldes oder mehrerer Operationsfelder die Bilder mehrerer unabhängiger Übertragungskanäle auf die Bildaufnahmeeinheit projiziert werden und wenn die Signale dieser Bilder auf einem Sichtgerät in Teilen oder als Ganzes dargestellt werden. Beispielsweise kann damit ein Operationsbereich aus zwei verschiedenen Richtungen aufgenommen werden und diese beiden Bilder dann auf zwei Sichtgeräten gleichzeitig ausgegeben werden. Damit kann das Operationsfeld durch die größere Menge an Bildinformation besser beobachtet und die Operationszeit verkürzt werden.
Vor allem bei Kombination einzelner oder mehrerer der vorbeschriebenen Maßnahmen ergibt sich ein Verfahren, welches flexibel für unterschiedliche Zwecke auf dem Gebiet der Endoskopie eingesetzt werden kann. Dabei können vorhandene Endoskope auf einfache Art und Weise umgerüstet werden, um für dieses Verfahren einsetzbar zu sein. Ein mechanischer Zusatzaufwand entsteht beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht. Die Miniaturisierung der einsetzbaren Endoskope ist also nur durch deren optische und grundlegende mechanische Parameter (z.B. nötige Abbildungsqualität oder nötige Festigkeit) begrenzt.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn bei einem Endoskop mit einem Objektiv, einem Übertragungskanal zur Übertragung eines Bildes eines vor dem Objektiv befindlichen Objektes und einer Bildaufnahmeeinheit als Detektionseinheit die Bildaufnahmeeinheit des verwendeten Endoskops mit einem Objektiv, einem Übertragungskanal zur Übertragung eines Bildes eines vor dem Objektiv befindlichen
Objektes und einer Bildaufnahmeeinheit als Detektionseinheit wenigstens einen Sensor-Chip aufweist, wenn zum Auslesen beliebiger Teilbereiche der Bildaufnahmeeinheit eine Steuereinheit vorgesehen ist und wenn die Bildaufnahmeeinheit an ein Sichtgerät angeschlossen ist. Da die Bildauswertung bei einem solchen Endoskop auf dem Sensor-Chip rein elektronisch erfolgt, können dabei auch Bildkorrekturen oder Justagen vorgenommen werden, für die sonst aufwendige mechanische oder optische Korrekturen notwendig wären. Dies stellt geringere Anforderungen an den mechanischen Aufbau des Endoskops und kann damit die Bedienung des Endoskops vereinfachen.
Ist eine Wiedergabe der Bilder des Operationsfeldes in Farbe nötig, ist es zweckmäßig, wenn die Bildaufnahmeeinheit mehrere Sensor-Chips, insbesondere drei Sensor-Chips, aufweist. Jeder einzelne Sensor-Chip eines solchen Aufbaus verarbeitet dabei einen bestimmten Spektralbereich des Lichtes. Die zusammengesetzten Signale aller Chips können dann ein Farbbild und damit eine wirklichkeitsnahe Abbildung der Objekte vor dem Objektiv des Endoskops bei gleich hoher Auflösung wie bei einem einzelnen Chip ergeben.
Für eine hochauflösende Darstellung des Operationsfeldes ist es sehr vorteilhaft, wenn die Bildaufnahmeeinheit eine höhere Auflösung aufweist als die zur Bildausgabe verwendeten Sichtgeräte. Dadurch kann ein Teilbereich, dessen Auflösung in etwa der Auflösung des Sichtgerätes entspricht, auf der Bildaufnahmeeinheit verschoben werden. Damit kann eine gute Darstellung auf dem Sichtgerät erreicht werden, ohne dass ein Informationsverlust zwischen dem Teilbereich auf der Bildaufnahmeeinheit und der Darstellung auf dem Sichtgerät auftritt.
Nachstehend ist die Erfindung mit ihren als wesentlichen
Einzelteilen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in zum Teil schematisierter Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Endoskop mit zwei verschiedenen Blickrichtungen als Strahlengänge,
Fig. 2 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit und darauf vollständig pro iziertem Bild,
Fig. 3 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit und darauf überlappend projiziertem Bild,
Fig. 4 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit einem ausgelesenen Teilbereich des Bildes,
Fig. 5 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit einer
Darstellung der Verschiebung eines Teilbereiches,
Fig. 6 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit einer Darstellung der Verkleinerung eines Teilbereiches,
Fig. 7 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit einer Darstellung der Vergrößerung eines Teilbereiches,
Fig. 8 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit zwei darauf vollständig projizierten stereoskopischen Bildern,
Fig. 9 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit zwei die Bildaufnahmeeinheit überlappend projizierten stereoskopischen Bildern,
Fig. 10 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit zwei ausgelesenen Teilbereichen,
Fig. 11 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit einer Darstellung der parallelen Verschiebung zweier Teilbereiche ,
Fig. 12 eine Funktionsblock-Darstellung eines Endoskops mit elektronischer Bildauswertung,
Fig. 13 eine Frontalansicht der Bildaufnahmeeinheit mit zwei sich überlappenden ausgelesenen Teilbereichen zur
Erzielung eines dreidimensionalen Eindrucks vom Operationsfeld sowie,
Fig. 14 eine Fron alänsicht der Bildaufnahmeeinheit mit einer Darstellung der parallelen Verschiebung zweier sich überlappender Teilbereiche.
Ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes und in Fig. 1 im Längsschnitt dargestelltes Endoskop weist ein Objektiv 2, einen Übertragungskanal 4 und ein abbildendes System 40 zur Übertragung eines Bildes 17 (Fig. 2, 3) eines vor dem Objektiv 2 befindlichen Objektes 100 zu einer Bildaufnahmeeinheit 6 als Detektionseinheit auf. Außerdem zeigt Fig. 1 zeigt zwei verschiedene Blickrichtungen 18a und 18b im gesamten Gesichtsfeld des Endoskops 1 als Strahlengänge, die von einem distalen Ende des Endoskops 1 mit dem Objektiv 2 über den Übertragungskanal 4 und dem abbildenden System 40 zu der an einem proximalen Ende 3 befindlichen Bildaufnahmeeinheit 6 verlaufen. Mit diesem Endoskop 1 können innerhalb des gesamten auf die Bildaufnahmeeinheit 6 projizierten Bildes 17 die Signale von beliebigen Teilbereichen 19a, 19b, 19c, 19d, 22a, 22b, 23a, 23b mit beliebiger Lage auf der Bildaufnahmeeinheit 6 ausgelesen werden und wobei die ausgelesenen Signale der Teilbereiche 19a, 19b, 19c, 19d, 22a, 22b, 23a, 23b auf einem
Sichtgerät 16 in Teilen oder als Ganzes dargestellt werden (vgl. dazu auch Fig. 4, 5, 6, 7, 10, 11)
Fig. 4 zeigt die Positionierung eines Teilbereiches 19a mit den Abmessungen Wx , Wγ und der Position X, Y auf der Bildaufnahmeeinheit 6, die die Abmessungen Nx , Nγ hat. Die Abmessungen Nx und Nγ und die daraus resultierende Pixelanzahl der Bildaufnahmeeinheit 6 sind dabei größer als die Abmessungen Wx , Wγ und die daraus resultierende Pixelanzahl des Teilbereiches 19a.
Fig. 2 und 3 zeigen zwei Möglichkeiten der Projektion des gesamten vom Objektiv 2 aufgenommenen Bildes 17 auf der Bildaufnahmeeinheit 6. Dabei ist in Fig. 2 das Bild 17 vollständig auf die "Bildaufnahmeeinheit projiziert, sodass keine Informationen verloren gehen, jedoch wird die Fläche der Bildaufnahmeeinheit 6 nicht völlig ausgenutzt. In Fig. 3 überlappt das aufgenommene Bild 17 die Bildaufnahmeeinheit 6, sodass zwar Informationen am Rand des Bildes 17 verloren gehen, jedoch die gesamte Fläche der Bildaufnahmeeinheit 6 ausgenutzt wird. Um die Vorteile beider Projektionsmöglichkeiten zu nutzen und gleichzeitig die Nachteile zu minimieren, kann in einer nicht dargestellten Variante das Bild 17 derart auf die Bildaufnahmeeinheit projiziert werden, dass einerseits möglichst wenig Information verloren geht, d.h. die Überlappung gering ist bei gleichzeitig möglichst guter Ausnutzung der Fläche der Bildaufnahmeeinheit 6.
Fig. 6 zeigt einen auf der Bildaufnahmeeinheit 6 ausgelesenen Teilbereich 19a, der nach der Positionierung in seinen Abmessungen verkleinert wird, wobei die Position des Zentrums des Teilbereichs gleich bleibt. Wenn die Pixelanzahl des Teilbereichs 19a mit der Pixelanzahl des Ausgabeformates eines Sichtgerätes 16 in etwa übereinstimmt, dann wird der kleinere
neue Teilbereich 19c bei einer formatfüllenden Anzeige auf dem Sichtgerät 16 vergrößert dargestellt.
Fig. 7 zeigt den in Fig. 6 dargestellten Vorgang in umgekehrter 5 Richtung. Der Teilbereich 19a mit einer Pixelanzahl, die in etwa mit der Pixelanzahl des Ausgabeformates eines Sichtgerätes 16 übereinstimmt, wird nach der Positionierung in seinen Abmessungen vergrößert, wobei die Position des Zentrums des Teilbereichs gleich bleibt. Eine formatfüllende Darstellung des 0 größeren Teilbereichs 19d erfolgt dann auf dem Sichtgerät 16 verkleinert .
Die Fig. 8 und 9 zeigen vergleichbar mit Fig. 2 und 3 die Möglichkeiten der Projektion von Bildern auf die
5 Bildaufnahmeeinheit 6 am Beispiel stereoskopischer Halbbilder 20 und 21. Dabei sind die Positionen der beiden stereoskopischen Halbbilder 20 und 21 zur Erzielung einer dreidimensionalen Darstellung auf einem zweikanaligen Sichtgerät 16 auf der Bildaufnahmeeinheit 6 zueinander
!0 ausgerichtet. Für die Projektion in Fig. 9 wurden die beiden stereoskopischen Halbbilder 20 und 21 durch eine Blende gegeneinander abgeschirmt, um eine gegenseitige Überlappung zu vermeiden.
!5 Fig. 5 zeigt die Verschiebung des Teilbereiches 19a auf der Bildaufnahmeeinheit 6 zu einer anderen Position. Der neue Teilbereich 19b bleibt dabei im Vergleich zum ursprünglichen Teilbereich 19a in der Größe unveränder . Diese Verschiebung eines Teilbereiches entspricht damit einer iO Blickrichtungsänderung.
Eine Blickrichtungsänderung durch die Verschiebung von Teilbereichen auf der Bildaufnahmeeinheit 6 ist auch bei stereoskopischen Halbbildern möglich, wie Fig. 10 und 11
zeigen. Fig. 10 stellt dabei einen Anfangszustand der beiden ausgelesenen Teilbereiche 22a und 23a der stereoskopischen Halbbilder 20 und 21 (siehe Fig. 8 und 9) dar. Die beiden Teilbereiche 22a und 23a sind dabei zueinander auf der Bildaufnahmeeinheit 6 ausgerichtet, um eine dreidimensionale Darstellung auf dem Sichtgerät 16 zu erreichen. Für eine Blickrichtungsänderung und gleichzeitiger dreidimensionaler Darstellung auf dem Sichtgerät 16 werden die beiden Teilbereiche 22a und 23a im Gesamtbereich der stereoskopischen Halbbilder 20 und 21 auf der Bildaufnahmeeinheit 6 beliebig, in diesem Fall nach oben, verschoben. Relativ zueinander bleibt die Position der beiden Teilbereiche 22a und 23a aber gleich.
Fig. 13 zeigt zwei sich überlappende Teilbereiche 22a und 23a auf der Bildaufnahmeeinheit 6, wobei jeder der Teilbereiche 22a, 23a ein quasi-stereoskopisches Halbbild repräsentiert. Durch die Überlappung der Teilbereiche 22a, 23a beim Auslesen und der separaten Darstellung dieser Teilbereiche 22a, 23a auf jeweils einem Kanal eines zweikanaligen Sichtgerätes 16 wird ein dreidimensionaler Eindruck des Operationsfeldes erreicht, obwohl das Operationsfeld nur einkanalig, beispielsweise von einem einkanaligen Endoskop oder auch Mikroskop aufgenommen wird. Durch diese rein elektronische Aufspaltung des Gesamtbildes nach einer einkanaligen Bildübertragung bis zur Bildaufnahmeeinheit 6 in zwei (quasi) -stereoskopische Halbbilder 22a, 23a kann ein solcher dreidimensionaler Eindruck vom Operationsfeld ohne zusätzlichen mechanischen beziehungsweise konstruktiven Aufwand erzielt werden.
Fig. 14 zeigt eine Kombination der Erzeugung eines dreidimensionalen Eindrucks vom Operationsfeld mit Hilfe sich überlappender Teilbereiche 22a, 23a und einer Blickrichtungsänderung innerhalb des gesamten Bildes des Operationsfeldes, welches auf die Bildaufnahmeeinheit 6
projiziert wurde. Dabei werden die beiden sich überlappenden Teilbereiche 22a, 23a mit relativ zueinander gleicher Lage auf der Bildaufnahmeeinheit 6 , in diesem Beispiel von einer unteren Position (22a, 23a) - in eine obere Position (22b, 23b) , verschoben. Auch diese Blickrichtungsänderung geschieht rein elektronisch durch das Auslesen unterschiedlicher Bereiche der Bildaufnahmeeinheit 6 zu unterschiedlichen Zeitpunkten, ohne dass zusätzliche konstruktive Maßnahmen notwendig sind.
Fig. 12 zeigt eine Funktionsblock-Darstellung mit den Funktionsgruppen eines elektronischen Endoskops 1 , wie es zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens verwendet werden kann. Erkennbar ist, dass ein Bild 17 eines Objektes (100) über einen Übertragungskanal 4 einer Kamera 5 zugeführt wird. Die Kamera 5 verarbeitet diese Bildinformation über eine Bildaufnahmeeinheit 6 zu einem elektronischen Signal . Die Bildaufnahmeeinheit 6_ kann dabei einen Sensor-Chip zur Gewinnung von monochromatischen oder farbigen Bildern oder drei Chips zur Gewinnung von Farbbildern aufweisen. Eine zentrale Kamera-Steuereinheit 7 zur Steuerung der Bildaufnahmeeinheit 6 sowie ein Kamera-Interface 8 zur Übertragung der Bildinformation an eine zentrale I/O-Einheit 9 bereiten die Signale der Bildaufnahmeeinheit 6 derart auf, dass die zentrale I/O-Einheit 9 diese Signale weiterverarbeiten kann. Dabei ist die zentrale Kamera-Steuereinheit 7 mit einer zentralen 1/0- Steuereinheit 11 verbunden. Ein Framegrabber 10 wandelt die elektronische Signale der Kamera 5 in aufeinanderfolgende, getrennte Einzelbilder um, die mit einer Bildbearbeitungseinheit 14 nachbearbeitet werden können, beispielsweise um Farbkorrekturen vorzunehmen, und danach in einem Bildspeicher 13, beispielsweise einer Festplatte, abgelegt werden können und/oder um auf einem Sichtgerät 16 dargestellt zu werden. Weisen die Einzelbilder aus dem Framegrabber 10 eine andere Auflösung als das Ausgabeformat des
Sichtgerätes 16 auf, findet eine Anpassung der Auflösung der Einzelbilder an das Ausgabeformat des Sichtgerätes 16 mit Hilfe einer Auflösungsadaptionseinheit 12 statt. Über eine externe Steuerung 15 kann der auf dem Sichtgerät 16 angezeigte Teilbereich aus dem Gesamtbereich der Einzelbilder gewählt werden. Die externe Steuerung 15 kann dabei eine Maus, ein Joystick, eine Tastatur oder eine Sprachsteuerung sein. Das zur Anzeige verwendete Sichtgerät 16 kann eine Computer- oder Video-Monitor-Anordnung, ein head-mounted Display oder ein Projektionssystem sein.
Kurz zusammengefasst dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Endoskops 1, das ein Objektiv 2, einen Übertragungskanal 4 zur Übertragung eines Bildes 17 eines vor dem Objektiv 2 befindlichen Objektes 100 zu einer Bildaufnahmeeinheit 6 " als Detektionseinheit aufweist, wobei innerhalb des gesamten auf die Bildaufnahmeeinheit 6 projizierten Bildes die Signale von beliebigen Teilbereichen 19a, 19b, 19c, 19d, 22a, 22b, 23a, 23b mit beliebiger Lage auf der Bildaufnahmeeinheit 6 ausgelesen werden können. Die ausgelesenen Signale der Teilbereiche 19a, 19b, 19c, 19d, 22a, 22b, 23a, 23b werden auf einem Sichtgerät 16 in Teilen oder als Ganzes dargestellt.
/ Ansprüche