WO2009121633A2 - Verfahren und vorrichtung zum aufnehmen von farbbildern und ldi-signalen von einem objekt - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum aufnehmen von farbbildern und ldi-signalen von einem objekt Download PDF

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WO2009121633A2
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light
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radiation
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Christoph Hauger
Theo Lasser
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Carl Zeiss Surgical Gmbh
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the present invention relates to a method of capturing color images and LDI signals from an object, wherein a common CMOS sensor having a number of pixels is provided for capturing both the color images and the LDI signals.
  • the invention relates to devices for carrying out the method.
  • LPI laser Doppler imaging
  • the areas in which the perfusion is to be determined are irradiated with laser radiation, which is reflected on the one hand by the static skin and on the other by the flowing blood.
  • the flowing blood causes a Doppler effect, which leads to a shift in the wavelength of the laser light backscattered by him. Since the extent of the wavelength shift depends on the speed of the blood flow, the displacement of the wave position of the light backscattered from the blood can be used to deduce the flow rate of the blood.
  • the flow rate is an important factor in, for example, surgery, tissue transplantation, heart disease, and cancer treatment.
  • EP 1 332 718 A1 and WO 2006/111909 A1 describe devices for recording LDI data and images in which a common CMOS image sensor is used both to detect the image data and to detect the LDI data. This overcomes the difficulties in correlating or overlaying the LDI data and the images.
  • the LDI data are determined here from the image data by means of a signal processing processor. Determining the LDI data from the image data is computationally expensive.
  • Said object is achieved by a method for capturing color images and LDI signals from an object with a common CMOS sensor according to claim 1.
  • the object is achieved by a device for capturing color images and LDI signals from an object with a common CMOS sensor according to claim 9.
  • both the color images and the LDI signals are recorded with a common CMOS sensor having a number of sensor elements.
  • Sensor elements light at least a first wavelength, a second wavelength and a third wavelength is supplied separately.
  • sensor elements are supplied with radiation of a fourth wavelength separated from the light having the first wavelength, the light having the second wavelength, and the light having the third wavelength.
  • this is achieved by supplying light of at least a first wavelength, a second wavelength and a third wavelength spatially separated from one another to receive the color images.
  • the radiation of the fourth wavelength is supplied to sensor elements spatially separated from those sensor elements to which the first wavelength light, the second wavelength light, and the third wavelength light are supplied, in other words , a sensor element is supplied in each case only one of the four wavelengths.
  • a sensor element is supplied in each case only one of the four wavelengths.
  • four different types of sensor elements are used, each of which is sensitive to one of the wavelengths.
  • This can be achieved, for example, by a filter matrix arranged upstream of the CMOS sensor.
  • the sensor elements of a CMOS sensor basically little wavelength-sensitive.
  • By arranged in front of the sensor filter matrix is achieved that each sensor element only light or radiation of a certain wavelength is supplied.
  • filter matrices are known as so-called Bayer filters.
  • a modified Bayer filter can be used, in addition to filter elements for the light of the first wavelength, filter elements for the light of the second wavelength and filter elements for the light of the third wavelength and filter elements for the light the fourth wavelength.
  • Sensor elements read out which is preceded by a filter element for the first wavelength, a filter element for the second wavelength or a filter element for the third wavelength. Computational extraction of the LDI data from the color image data is thus not necessary.
  • those sensor elements to which the radiation at the fourth wavelength is supplied are read out more frequently than those sensor elements which receive the light of the first wavelength, the light of the second wavelength and the light of the third wavelength is supplied.
  • the sensor elements for color image representation only need to be read out at a frequency of approximately 40-60 Hz.
  • CMOS sensors can also be read much faster. This provides the ability to read more frequently those sensor elements that capture the LDI signal than the sensor elements that capture the color image. This allows a higher time resolution of the measurable flow velocities in the perfusion measurement.
  • the frequency with which the LDI data are recorded can be further increased by the fact that significantly fewer sensor elements of the CMOS sensor are used to record the LDI data than are sensor elements used to record the color images. Although this reduces the resolution, the temporal resolution of the flow velocities can be further increased due to the smaller number of sensor elements to be read out.
  • light of at least one first wavelength, one second wavelength and one third wavelength is supplied to the sensor elements in a time-separated manner for picking up the color images.
  • the fourth wavelength radiation is supplied to the sensor elements separated from the first wavelength light, the second wavelength light, and the third wavelength light by time.
  • the individual wavelengths are successively supplied in time to all sensor elements.
  • a monochromatic CMOS sensor can be used. The reading of the CMOS sensor then only needs to be synchronized with the supply of the respective wavelength. For example, to pick up the LDI signal, the CMOS sensor is read out when it is irradiated with the fourth wavelength light.
  • the CMOS sensor is read out three times, at least once while illuminated at the first wavelength, at least once while illuminated at the second wavelength and at least once while illuminated at the third wavelength. From this at least triple reading the color image is then constructed. Also in this embodiment of the method according to the invention, the LDI data need not be computationally extracted from the image data. All it takes is to properly clock the readout to separate the image data from the LDI data.
  • the radiation of the fourth wavelength can be supplied to the sensor elements more frequently than the light of the first wavelength, the light of the second wavelength and the light of the third wavelength.
  • This allows a frequent readout of the LDI signal and thus a higher readout rate for the LDI signal compared to the readout rate for the color image.
  • the light of the first wavelength, the light of the second wavelength and the light of the third wavelength may be supplied to the sensor elements each having a frequency between 40 Hz and 60 Hz, the cumulated duration of the supply of the first, second and second light the third wavelength is between one eightieth of a second and one hundred and twentyth of a second.
  • the frequency is 40 Hz and the duration of the supply of the light of the three waves is a total of one eightieth of a second
  • the radiation of the fourth wavelength can be supplied for a further eightieth of a second. Thereafter, light of the three other wavelengths would be supplied again before radiation of the fourth wavelength is again supplied.
  • the fourth wavelength may be a wavelength in the near infrared. Such wavelengths are particularly suitable for perfusion measurements.
  • the device according to the invention is equipped and suitable for carrying out the method according to the invention, so that the advantages described with reference to the method according to the invention are also achieved with the device according to the invention.
  • a first embodiment variant of the device according to the invention for taking color images and LDI signals from an object comprises a CMOS sensor, a white light source and an LDI radiation source.
  • the CMOS sensor has a number of sensor elements and a color filter matrix assigned to the sensor elements, the color filter matrix having at least one first type of color filter passing light of a first wavelength, a second type of color filter passing light of a second wavelength, and a third kind of color filters which allow light of a third wavelength to pass through.
  • the color filter types are spatially separated.
  • the color filter matrix has at least one fourth type of filter, which allows a fourth wavelength to pass. The fourth type of filter is spatially separated from the color filter types.
  • the LDI Radiation source designed so that it emits the radiation at the fourth wavelength.
  • the filter matrix represents the device for the separate supply of at least one light having a first wavelength, light having a second wavelength, light having a third wavelength and radiation having a fourth wavelength.
  • each type of filter can be arranged with its own screen ruling in a regular grid.
  • the raster width of the fourth type of filter can be greater than the raster width of the color filter types. Due to the larger screen width of the fourth filter type, the number of associated sensor elements, that is to be read sensor elements when recording the LDI signal can be reduced, which can increase the read-out frequency of the LDI signal.
  • the device according to the invention can therefore in particular also include a read-out device for reading out the sensor elements, which provides different readout rates for the color filters and the fourth type of filter. In this case, it is particularly advantageous if the read-out rate provided for the fourth type of filter is higher than the read-out rate provided for the color filters.
  • the read rate provided for the fourth type of filter may be at least a factor of 10 higher than the read rate provided for the color filters. This makes it possible to achieve a high temporal resolution of the LDI measurement and thus of the measured flow velocities. It should be noted at this point that during a period in which the CMOS sensor is irradiated with radiation of the fourth wavelength, the sensor elements equipped with the fourth type of filter can also be read out several times. In this way, a read-out frequency for the LDI signal can be realized, which can be in the range of kilohertz.
  • each type of color filter of the filter matrix may in particular each pass a wavelength representing one of three primary colors, for example red, blue and green.
  • the fourth type of filter can in particular pass a wavelength in the near infrared. Wavelengths in the near infrared are particularly suitable for perfusion measurements.
  • a second embodiment variant of the device according to the invention for capturing color images and LDI signals from an object comprises a monochromatic CMOS sensor which has a number of pixels, an illumination device which is capable of time-sequential emission of light of at least a first, a second and a third wavelength is configured, for example, by a first pulsed light source emitting light having a first wavelength, a second pulsed light source emitting light having a second wavelength, and at least one third pulsed light source emitting light having a third wavelength; can be realized.
  • the realization in the form of a pulsed operable broadband light source such as a white light source with a filter wheel is conceivable. Other combinations of broadband light sources and exchangeable filters are possible.
  • the second device according to the invention comprises a pulse-operable LDI radiation source which emits radiation having a fourth wavelength.
  • the apparatus further comprises a controller connected to the light sources and the LDI radiation source for pulsing the operation of the light sources and the LDI radiation source such that the object is time sequentially illuminated with the light or the radiation of the individual wavelengths ,
  • the illumination device configured for the time-sequential emission of light of at least a first, second and a third wavelength together with the pulsed LDI radiation source and the control device provides the device for the pulsed supply of light with a first Wavelength, light having a second wavelength, light having a third wavelength and radiation having a fourth wavelength.
  • control device for such pulsed operation of the illumination device or of the light sources and the LDI radiation source can be configured such that the sensor elements of the CMOS sensor are supplied with the radiation having the fourth wavelength more frequently than the light having the first wavelength, the light with the second Wavelength and the light at the third wavelength.
  • This allows a relatively more frequent measurement of the LDI signals compared to the color image signals.
  • the LDI signals can be measured with a high temporal resolution, resulting in a high maximum with the LDI signals flow rate.
  • the control device can be designed, for example, to operate the illumination device or the light sources and the LDI radiation source in such a pulsed manner that the object receives the light of the first wavelength, the light of the second wavelength and the light of the third wavelength with a frequency of 40. 60 Hz and the cumulative duration of the supply of the three wavelengths is between one eightieth of a second and one hundred and one-twentieth of a second. The rest of the time, the object can be irradiated with the radiation of the LDI light source.
  • an illumination with the at least three different wavelengths of the illumination device takes place at 50 Hz, ie the three different wavelengths are fed in succession 50 times per second, and the supply duration for the three wavelengths totals one hundredth of a second, the total occurs within one second half a second supply of the first, second and third wavelengths.
  • the second half of the second will be radiation of the fourth Wavelength supplied.
  • the CMOS sensor is therefore irradiated three times as long with the fourth wavelength as with the first wavelength, three times as long as with the second wavelength and three times as long as with the third wavelength.
  • a read-out device may be present, which is configured in such a way that the pixels are read out at a clock rate in the range of kilohertz.
  • a clock rate in the range of kilohertz.
  • the first wavelength, the second wavelength, and the third wavelength may each represent one of three primary colors. But it is also possible in principle to extend the lighting device by more colors.
  • the LDI radiation source advantageously emits near infrared radiation, since this radiation is particularly suitable for measuring perfusion.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Apparatus for capturing color images and LDI signals from an object Apparatus for capturing color images and LDI signals from an object.
  • Figure 2 shows a highly schematic of a CMOS sensor according to the state of
  • FIG. 3 shows a highly schematic diagram of a CMOS sensor as shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the invention
  • Apparatus for capturing color images and LDI signals from an object Apparatus for capturing color images and LDI signals from an object.
  • FIG. 5 shows a modification of the second embodiment shown in FIG.
  • a first embodiment of the device according to the invention for taking color images and LDI signals from an object and carrying out the method according to the invention with this device are described below with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the device shown in Figure 1 comprises an LDI radiation source 1, a white light source 3, a CMOS camera 5 with a CMOS sensor 7 and an evaluation unit 9 which is connected to the CMOS camera 5 and from those with the CMOS sensor recorded data generates the LDI signal and the color image of the object 17.
  • the LDI data provides information about flow velocities so that they can be used to determine the perfusion of the object 17, for example a section of the human body.
  • the perfusion data obtained can then be superimposed on the color image for presentation, for example for a doctor, so that the perfusion is visualized at different points of the object 17.
  • the regions of interest of the object region of interest, ROI
  • ROI regions of interest of the object
  • Both the LDI radiation source 1 and the white light source 3 are assigned suitable illumination optics for illuminating the object 17, which in the case of the LDI radiation source are indicated by a diverging lens 11 and in the case of the white light source 3 by a converging lens 13.
  • the diverging lens 11 and the converging lens 13 are merely symbolic of the illumination optics associated with the laser 1 and the halogen incandescent lamp 3.
  • the illumination optics, which is indicated by the converging lens 13 be designed as so-called Köhler illumination. Such would be as optical elements a collector, a Include field diaphragm, an aperture stop and a condenser.
  • the design of illumination optics suitable for the LDI radiation source and the white light source is known to the person skilled in the art and will therefore not be explained further here.
  • the LDI radiation source 1 used is a laser which emits at a wavelength in the near infrared.
  • a laser a conventional laser or a diode laser can be used here.
  • the white light source 3 is a halogen incandescent lamp in the present embodiment.
  • other broadband incandescent lamps as well as broadband light sources that are not based on thermal radiation for example white LEDs, can also be used.
  • the CCD camera 5 is associated with an observation optics, which is indicated in the present embodiment by the converging lens 15.
  • the observation optics comprises primarily the lens of the camera 5.
  • the design of a suitable observation optics, in particular of a suitable objective, is known to the person skilled in the art and will therefore not be explained further here.
  • FIG. 2 shows such a CMOS sensor 70 in a plan view of the sensor surface.
  • the actual sensor surface is not visible, but only an upstream filter matrix, the so-called Bayer filter.
  • the CMOS sensor 70 comprises a grid of photosensitive CMOS sensor elements, wherein each of these CMOS sensor elements is preceded by a filter element of the Bayer filter.
  • the Bayer filter represents a color filter matrix with color filter elements 72, 74 and 76.
  • the filter elements 72 allow only red light to pass, the color filter elements 74 only green light and the color filter elements 76 only blue light.
  • all the sensor elements of the CMOS sensor which can detect only brightness values per se due to their broad spectral sensitivity, respectively detect only light of a single wavelength, which is determined by the respective upstream filter element. By combining the detected primary colors red, green and blue, the color image can then be created.
  • FIG. 3 shows a modified version of the Bayer filter for the device according to the invention.
  • color filter elements 72, 74, and 76 are present, each passing red light, green light, and blue light, respectively.
  • filter elements 78 are also present which are permeable only to the fourth wavelength emitted by the LDI radiation source, that is to say the radiation in the near infrared.
  • the green color filter elements are replaced by a color filter element for the near infrared radiation in every other row. This results in a grid of filter elements for the near infrared, whose grid corresponds to the grid width of the other color filter elements.
  • the green light color filter elements 74 could only be replaced by near IR filter elements 78 on every fourth or every eighth line instead of every other line.
  • the green light color filter elements 74 could only be replaced by near IR filter elements 78 on every fourth or every eighth line instead of every other line.
  • only every other or every fourth green color filter element 74 could be replaced by a near infrared radiation filter element 78. This would allow the CMOS sensor to maintain a color sensitivity that largely corresponds to that of the human eye.
  • the readout rate for those CMOS sensor elements which are irradiated with the near infrared radiation can be increased compared to the readout rates of the other sensor elements.
  • filter elements of the same color can each be arranged in a diagonal line. It is also possible, in addition to the three existing color filter elements 72, 74 and 76 and the filter element for the near infrared 78 to use even more filter elements. For example, in addition to red, green and blue filter elements, emerald green filter elements could be present. Another alternative is to use cyan, yellow, green and magenta color filter elements instead of red, green and blue filter elements.
  • the object is simultaneously illuminated by the laser 1 with the near infrared radiation and by the white light source 3 with a broad radiation spectrum.
  • the near-infrared radiation reflected by the object 17, as well as the light of the white light source 3 reflected by the object 17, is imaged by the observation optics 15 onto the CMOS sensor 7 with the described modified Bayer filter.
  • the evaluation unit 9 connected to the CMOS camera 5 comprises a readout unit 19 which controls the readout of the CMOS sensor 7 of the camera 5.
  • the control of the readout is carried out in the present embodiment in a mode in which those sensor elements of the CMOS sensor 7, which are associated with the filter elements 78 for the near infrared radiation, high frequency, while the with the red, green and blue filter elements 72nd , 74, 76 only with a frequency in the range between 40 and 60 Hz, in particular 50 Hz, are read out.
  • the read-out unit 9 evaluates the data obtained in accordance with the read-out rate and generates the LDI signal or the color image in each case at the appropriate rate.
  • the readout rate for the sensor elements, to which the filters 78 for the near-infrared radiation are assigned is in the range of kilohertz, in particular in the range between 1 and 10 kHz. Due to the high readout rate of those CMOS sensor elements which receive the radiation in the near infrared, a high time resolution of the flow to be measured and thus a high maximum measurable flow velocity can be achieved in the determination of perfusion by means of the LDI signal.
  • the filter grid of the filter elements 78 for the near infrared can be significantly wider than the filter grid of the other filter elements 72, 74, 76. The resulting smaller number of radiation in the near infrared receiving CMOS sensor elements allows a high time resolution of Perfusionsbetician.
  • the recorded color images can be used, for example, to find the regions of interest that are of interest for perfusion determination.
  • the apparatus for capturing color images and LDI signals includes an LDI radiation source 101, a first light source 102, a second light source 103, and a third light source 104.
  • the first light source 102, the second light source 103, and the third light source 104 emit light having a first wavelength, a second wavelength, and a third wavelength, respectively.
  • the first light source 102 emits light in the red wavelength range
  • the second light source 103 emits light in the green wavelength range
  • the third light source 104 emits light in the blue Wavelength range.
  • the LDI radiation source 101 emits at a fourth wavelength, which in the present embodiment is a near-infrared wavelength. Such wavelengths are particularly suitable for receiving LDI data for perfusion measurement.
  • the fourth wavelength can also lie in a different wavelength range, in particular in the visible wavelength range. Of importance is only that the fourth wavelength differs from the other three wavelengths.
  • the wavelengths of the first light source 102, the second light source 103, and the third light source 104 need not be in the red, green, and blue wavelengths.
  • Other wavelength ranges for example, cyan, magenta and yellow are also suitable.
  • further light sources may also be present, for example a fourth light source which emits in a further wavelength range which differs from the first three wavelength ranges. For example, it would be possible to add a wavelength in the green wavelength range to the wavelengths in the ranges cyan, magenta and yellow. Another possibility would be to add a wavelength from the emerald-green wavelength range to the wavelengths from the red, the green and the blue wavelength range.
  • the light sources 102, 103, 104 and the LDI radiation source 101 are associated with illumination optics 112, 113, 114 and 111, which are indicated in the case of the light sources by converging lenses and in the case of the LDI radiation source by a diverging lens. It should be noted at this point that the lenses 111 to 114 are merely symbolic of the respective illumination optics and that what has been said about the illumination optics with reference to the first exemplary embodiment also applies to the illumination optics in the second exemplary embodiment.
  • the device comprises a CMOS camera 105 with a CMOS sensor 107.
  • the CMOS sensor 107 in the second embodiment is not equipped with a Bayer filter or a modified Bayer filter. He is therefore only able to take monochromatic images.
  • the camera 105 is also associated with an observation optics 115, which is designed as an objective as in the first embodiment and is indicated only symbolically in the figure by a converging lens 115. With regard to the observation optics of the first exemplary embodiment, this applies correspondingly to the observation optics 115 of the second exemplary embodiment.
  • the device further comprises an evaluation unit 109, which reads out the CMOS sensor 107 of the camera 105 and determines the LDI signal for the perfusion measurement as well as a color image of the object 117 from the read-out data.
  • an evaluation unit 109 which reads out the CMOS sensor 107 of the camera 105 and determines the LDI signal for the perfusion measurement as well as a color image of the object 117 from the read-out data.
  • a control unit 121 is connected to the LDI radiation source 101, the light sources 102 - 104 and the evaluation unit 109.
  • the control unit 121 outputs control signals to the LDI radiation source 101 or the light sources 102-104 for the pulsed operation of the LDI radiation source 101 and the light sources 102-104.
  • it outputs a control signal for determining the clock frequency with which the read-out device 119 of the evaluation unit 109 reads the CMOS sensor 107, and for synchronizing the readout with the pulse frequencies of the light source or the radiation source to the evaluation unit 109.
  • the LDI radiation source 101 and the light sources 102-104 are pulsed.
  • the pulse rates of the LDI radiation source and the individual light sources 102, 103, 104 are determined by the control signals of the control unit 121.
  • the colored light sources 102 to 104 are operated in the present embodiment with a pulse frequency of 50 Hz.
  • the illumination is effected with the light of the three light sources over a total of one hundredth of a second.
  • the object 117 is illuminated with the fourth wavelength, that is to say the wavelength of the LDI radiation source 101.
  • the object 117 is rotated during half the period, that is, over one hundredth of a second, with the light of the three light sources 102, 103, 104 illuminated and the remaining period of the period with the radiation of the LDI radiation source.
  • the illumination duration with the light in the green wavelength range may be about twice as long as the illumination duration with the light in the red or blue wavelength range in order to reproduce the color sensitivity of the human eye.
  • illumination with the light in the red and in the blue wavelength range would then each take place over a four-hundredth of a second, while the illumination would be done with the light in the green wavelength range over a two-hundredth of a second, so that a total of one illumination time with red, blue and green light of one hundredth of a second. Over the second half of the period, illumination is with the radiation of the LDI light source.
  • the object 117 could be illuminated with red light for four hundredths of a second, then the illumination with the LDI radiation source also over four hundredths of a second, then the illumination with the green light over two-hundredths of a second, the illumination again The radiation of the LDI radiation source also over a two-hundredths of a second, then the illumination with the blue light over four hundredths of a second and finally the irradiation with the radiation of the LDI radiation source 101 over a four-hundredths of a second. Then the period would be over. It goes without saying that the division of the illumination or irradiation and the order in which the individual wavelengths are supplied to the object 11 may also be chosen differently.
  • the control signal output by the control unit 121 to the evaluation unit 109 causes a synchronization of the readout unit 109 with the pulsed light sources or the pulsed radiation source such that the evaluation unit 109, from the means of the readout unit 119 of the CMOS sensor 107 data each time a red, green or blue partial image of the color image or the LDI signal created when the illumination of the object 117 takes place with the appropriate wavelength. Furthermore, the output control signal causes the evaluation unit 109, whenever the irradiation of the object 117 with the radiation of the LDI radiation source takes place, to generate the LDI signal from the data read out by the CMOS sensor 107.
  • the read-out unit 119 reads the CMOS sensor high-frequency, i. with a clock rate in the range of kilohertz. As a result, a plurality of determinations of the LDI signal are performed during a period over which the object 117 is irradiated with the radiation of the LDI radiation source 101. Due to the high clock frequency, with which the determination of the LDI signal is made, the temporal resolution for the determination of flow rates can be increased because the maximum measurable flow rate increases with increasing clock frequency. For capturing the color images, however, it is sufficient to read out the CMOS sensor with a clock frequency which corresponds to the clock frequency of the colored illumination of the object 117. In other words, the readout rate for the LDI signal is at least a factor of 10, preferably at least a factor of 20, higher than the readout rate for the color image.
  • the device comprises, in addition to an LDI radiation source 201, a white light source 203, as has been described in relation to the first embodiment, and associated illumination optics 211, 213, which in principle correspond to those of the first two embodiments. It also comprises a CMOS camera 105 with a monochromatic CMOS sensor 107 and an observation optics 115. Both the camera 105 and the CMOS sensor 107 correspond to those described with reference to FIG. The same applies to the observation optics 115.
  • the device comprises an evaluation unit 109 with a readout unit 119, which both correspond to those which have been described with reference to FIG.
  • the LDI radiation source 201 and the white light source 203 are each followed by a rotatable filter or aperture wheel 202, 204 in the illumination beam path.
  • the filter wheel 204 comprises filter sectors for a first, a second and a third wavelength, for example for a wavelength in the red, a wavelength in the green and a wavelength in the blue spectral range.
  • the filter wheel 204 includes an aperture portion which is opaque to all wavelengths of the white light source 203.
  • the aperture sector accounts for 50% of the area of the filter wheel 204. The remaining 50% are distributed over the corresponding wavelength filters. The distribution does not have to be uniform.
  • the wavelength filter for the light in the green wavelength range may occupy a sector area twice as large as the sector area for the red wavelength range and the sector area for the blue wavelength range, respectively, to better reproduce the color sensitivity of the human eye.
  • filter sectors for further wavelengths can also be present.
  • the area of the filter sectors and the area of the aperture do not have to be 50:50.
  • the area of the bezel may also occupy more or less than 50% of the total area.
  • the aperture wheel 202 which is arranged between the LDI radiation source and the object 117, has only one diaphragm sector.
  • the proportion of the aperture sector area on the total area of the aperture wheel 202 corresponds to the filter area of the filter sectors in the filter wheel 204, ie the aperture area occupies 50% of the aperture wheel area in the present exemplary embodiment.
  • the remaining part of the aperture wheel is made of a permeable at least for the radiation of the LDI radiation source material. But it can also be realized by a material which is permeable to a wide wavelength range including the wavelength of the LDI radiation source. Furthermore, it is possible to execute this area only as an opening in the aperture wheel 202.
  • the first two variants have the advantage that they do not cause any imbalance in the aperture wheel 202, which would possibly be compensated.
  • the device shown in FIG. 5 also comprises a control unit 221, which is connected to both the aperture wheel 202 and the filter wheel 204 for outputting control signals.
  • control unit 221 which is connected to both the aperture wheel 202 and the filter wheel 204 for outputting control signals.
  • the control of the aperture wheel 202 and the filter wheel 204 takes place synchronously, so that the radiation of the LDI radiation source is masked out by the aperture wheel 202 as long as a color filter of the filter wheel 204 is located between the white light source 203 and the object 117.
  • the transmissive portion of the aperture wheel 202 is located between the LDI radiation source 201 and the object 117.
  • the embodiment of the device according to the invention shown in Figure 5 can also be further modified.
  • a large filter wheel which simultaneously extends through the beam path of the LDI radiation source and the white light source 203.
  • Such a filter wheel would then have filter sectors for the wavelengths used to capture the color image as well at least one wavelength-direction filter sensor used to acquire the LDI data.
  • An aperture sector would not be necessary in such a large filter wheel.
  • the invention provides a method and apparatus that allow to acquire color images and LDI signals with a single CMOS sensor without the need for computational extraction of the LDI signals from the color image. While in the first embodiment of the device according to the invention a modified Bayer filter is used to spatially separate the primary colors for capturing the color image and the radiation for receiving the LDI signal, in the second embodiment of the device according to the invention a time sequential recording is performed the color image and the LDI signal. During operation, the object is then time-sequentially illuminated with different light sources and images are recorded at different wavelengths or the LDI signal synchronously with the illumination or irradiation with the CMOS sensor.
  • the second embodiment offers the possibility to use a monochromatic CMOS sensor. In the first embodiment, however, a more complex CMOS sensor is necessary. However, the lighting device can be made simpler than in the second embodiment.
  • more than one wavelength can also be used to record the LDI signals, ie to carry out the perfusion measurement.
  • at least two lasers with different wavelengths are used as LDI radiation sources, which are operated time-sequentially.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen eines Objektes (117) mit einem gemeinsamen CMOS-Sensor (107) mit einer Anzahl von Sensorelementen zur Verfügung gestellt. Die Farbbilder werden dadurch erzeugt, dass zum Aufnehmen der Farbbilder Sensorelementen Licht wenigstens einer ersten Wellenlänge (102), einer zweiten Wellenlänge (103) und einer dritten Wellenlänge (104) getrennt zugeführt wird. Zum Aufnehmen der LDI-Signale wird den Sensorelementen Strahlung mit einer vierten Wellenlänge (101) getrennt vom Licht mit der ersten Wellenlänge (102), vom Licht mit der zweiten Wellenlänge (103) und vom Licht mit der dritten Wellenlänge (104) zugeführt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-
Signalen von einem Objekt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt, wobei zum Aufnehmen sowohl der Farbbilder als auch der LDI-Signale ein gemeinsamer CMOS- Sensor mit einer Anzahl von Bildpunkten vorhanden ist. Daneben betrifft die Erfindung Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens.
Zur optischen Messung der Durchblutung (Perfusion) beispielsweise subkutaner Blutgefäße ist die Laser-Doppler-Imaging (LDI) ein häufig verwendetes Verfahren. Dabei werden die Bereiche, in denen die Perfusion ermittelt werden soll, mit Laserstrahlung bestrahlt, die einerseits von der statischen Haut und andererseits vom fließenden Blut reflektiert wird. Das fließende Blut verursacht dabei einen Dopplereffekt, der zu einer Verschiebung in der Wellenlänge des von ihm zurückgestreuten Laserlichtes führt. Da das Ausmaß der Wellenlängenverschiebung von der Geschwindigkeit des Blutflusses abhängt, kann aus der Verschiebung der Wellenlage des vom Blut zurückgestreuten Lichts auf die Flussrate des Blutes zurückgeschlossen werden. Die Flussrate ist aber ein wichtiger Faktor, beispielsweise bei chirurgischen Eingriffen, bei Gewebetransplantationen, Herzkrankheiten sowie im Rahmen von Krebstherapien.
Bei zahlreichen medizinischen Anwendungen werden zusätzlich zur Perfusion auch Farbbilder des entsprechenden Gewebebereiches vermessen. Eine Vorrichtung, die Perfusionsmessungen mittels LDI- Messungen und das Aufnehmen von Bildern der entsprechenden Körperregionen ermöglicht, ist in US 6,263,227 B1 beschrieben. Diese Vorrichtung weist ein Detektorfeld zum Aufnehmen der LDI-Signale und eine CCD-Kamera zum Aufnehmen der Bilder auf. Die Verwendung zweier Detektoren, nämlich dem Detektorfeld für die LDI-Messung und der CCD- Kamera, macht das System aufwändig. Zudem sollen die LDI-Signale und die aufgenommenen Bilder häufig korreliert beziehungsweise überlagert werden. Dies ist jedoch bei der Verwendung zweier getrennter Detektorsysteme schwierig.
In EP 1 332 718 A1 und in WO 2006/111909 A1 sind daher Vorrichtungen zum Aufnehmen von LDI-Daten und Bildern beschrieben, in denen ein gemeinsamer CMOS-Bildsensor sowohl zum Detektieren der Bilddaten als auch zum Detektieren der LDI-Daten Verwendung findet. Dadurch werden die Schwierigkeiten beim Korrelieren beziehungsweise Überlagern der LDI- Daten und der Bilder überwunden. Die LDI-Daten werden hierbei aus den Bilddaten mittels eines signalverarbeitenden Prozessors ermittelt. Das Ermitteln der LDI-Daten aus den Bilddaten ist rechnerisch aufwändig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, in denen das Extrahieren der LDI- Daten bei Verwendung eines gemeinsamen CMOS-Detektors sowohl zum Detektieren der LDI-Daten als auch der Bilddaten vereinfacht ist.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt mit einem gemeinsamen CMOS-Sensor nach Anspruch 1 gelöst. Daneben wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt mit einem gemeinsamen CMOS-Sensor nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI- Signalen von einem Objekt werden sowohl die Farbbilder als auch die LDI- Signale mit einem gemeinsamen CMOS-Sensor mit einer Anzahl von Sensorelementen aufgenommen. Zum Aufnehmen der Farbbilder wird Sensorelementen Licht wenigstens einer ersten Wellenlänge, einer zweiten Wellenlänge und einer dritten Wellenlänge getrennt zugeführt wird. Zum Aufnehmen der LDI-Signale wird Sensorelementen Strahlung einer vierten Wellenlänge getrennt vom Licht mit der ersten Wellenlänge, vom Licht mit der zweiten Wellenlänge und vom Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt.
In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dies dadurch erreicht, dass zum Aufnehmen der Farbbilder Licht wenigstens einer ersten Wellenlänge, einer zweiten Wellenlänge und einer dritten Wellenlänge räumlich von einander getrennten Sensorelementen zugeführt wird. Außerdem wird zum Aufnehmen der LDI-Signale die Strahlung der vierten Wellenlänge Sensorelementen zugeführt, die räumlich von denjenigen Sensorelementen getrennt sind, denen das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird Mit anderen Worten, einem Sensorelement wird jeweils nur eine der vier Wellenlängen zugeführt. Es werden also vier verschiedene Sorten von Sensorelementen verwendet, wobei jede Sorte jeweils auf eine der Wellenlängen empfindlich ist. Dies kann beispielsweise durch eine dem CMOS-Sensor vorgeschaltete Filtermatrix erreicht werden. Die Sensorelemente eines CMOS-Sensor grundsätzlich wenig wellenlängensensitiv. Durch die vor dem Sensor angeordnete Filtermatrix wird erreicht, dass jedem Sensorelement nur Licht bzw. Strahlung einer bestimmten Wellenlänge zugeführt wird. Für das Aufnehmen von Farbbildern sind derartige Filtermatrizen als sogenannte Bayer-Filter bekannt.
Zur Durchführung der beschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein modifizierter Bayer-Filter Verwendung finden, der neben Filterelementen für das Licht mit der ersten Wellenlänge, Filterelementen für das Licht mit der zweiten Wellenlänge und Filterelementen für das Licht mit der dritten Wellenlänge auch Filterelemente für das Licht mit der vierten Wellenlänge umfasst. Um die LDI-Signale unabhängig von den Farbbildsignalen zu ermitteln, brauchen dann lediglich diejenigen Sensorelemente ausgelesen zu werden, denen ein Filterelement für die vierte Wellenlänge vorgeschaltet ist. Um das Farbbild auszulesen, werden dagegen all diejenigen Sensorelemente ausgelesen, denen ein Filterelement für die erste Wellenlänge, ein Filterelement für die zweite Wellenlänge oder ein Filterelement für die dritte Wellenlänge vorgeschaltet ist. Ein rechnerisches Extrahieren der LDI-Daten aus den Farbbilddaten ist somit nicht nötig.
In einer besonderen Ausgestaltung dieser Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diejenigen Sensorelemente, denen die Strahlung mit der vierten Wellenlänge zugeführt wird, häufiger ausgelesen als diejenigen Sensorelemente, denen das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird. Die Sensorelemente für die Farbbilddarstellung brauchen lediglich mit einer Frequenz von circa 40 - 60 Hz ausgelesen zu werden. CMOS-Sensoren können jedoch auch erheblich schneller ausgelesen werden. Dies bietet die Möglichkeit, diejenigen Sensorelemente, mit denen das LDI-Signal aufgenommen wird, häufiger auszulesen als die Sensorelemente, mit denen das Farbbild aufgenommen wird. Dadurch wird eine höhere Zeitauflösung der messbaren Flussgeschwindigkeiten bei der Perfusionsmessung möglich. Die Frequenz, mit der die LDI-Daten aufgenommen werden, kann noch dadurch erhöht werden, dass erheblich weniger Sensorelemente des CMOS-Sensors zum Aufnehmen der LDI-Daten Verwendung finden, als Sensorelemente zum Aufnehmen der Farbbilder Verwendung finden. Dadurch verringert sich zwar die Auflösung, jedoch lässt sich die zeitliche Auflösung der Flussgeschwindigkeiten aufgrund der geringeren Zahl an auszulesenden Sensorelementen weiter erhöhen.
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Aufnehmen der Farbbilder Licht wenigstens einer ersten Wellenlänge, einer zweiten Wellenlänge und einer dritten Wellenlänge den Sensorelementen zeitlich getrennt zugeführt. Weiterhin wird zum Aufnehmen der LDI-Signale die Strahlung mit der vierten Wellenlänge den Sensorelementen zeitlich getrennt von dem Licht mit der ersten Wellenlänge, dem Licht mit der zweiten Wellenlänge und dem Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt. Mit anderen Worten, die einzelnen Wellenlängen werden zeitlich nacheinander jeweils allen Sensorelementen zugeführt. In dieser Ausgestaltung kann ein monochromatischer CMOS-Sensor zur Anwendung kommen. Das Auslesen des CMOS-Sensors braucht dann lediglich mit dem Zuführen der jeweiligen Wellenlänge synchronisiert zu werden. Um beispielsweise das LDI-Signal aufzunehmen, wird der CMOS- Sensor dann ausgelesen, wenn er mit dem Licht der vierten Wellenlänge bestrahlt wird. Um das Farbbild aufzunehmen, wird der CMOS-Sensor dreimal ausgelesen, nämlich wenigstens einmal während er mit der ersten Wellenlänge beleuchtet wird, wenigstens einmal während er mit der zweiten Wellenlänge beleuchtet wird und wenigstens einmal während er mit der dritten Wellenlänge beleuchtet wird. Aus diesem wenigstens dreifachen Auslesen wird dann das Farbbild konstruiert. Auch in dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens brauchen die LDI-Daten nicht rechnerisch aus den Bilddaten extrahiert zu werden. Es genügt lediglich das geeignete Takten des Auslesens, um die Bilddaten von den LDI-Daten zu trennen.
Insbesondere kann in der zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens den Sensorelementen häufiger die Strahlung mit der vierten Wellenlänge zugeführt werden, als das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge. Dies ermöglicht ein häufiges Auslesen des LDI-Signals und damit eine höhere Ausleserate für das LDI-Signal im Vergleich zur Ausleserate für das Farbbild. Beispielsweise kann das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge den Sensorelementen jeweils mit einer Frequenz zwischen 40 Hz und 60 Hz zugeführt werden, wobei die kummulierte Dauer der Zufuhr des Lichtes der ersten, zweiten und der dritten Wellenlänge zwischen einer achtzigstel Sekunde und einer einhundertzwanzigstel Sekunde beträgt. Wenn bspw. die Frequenz 40 Hz beträgt und die Dauer der Zufuhr des Lichtes der drei Wellen insgesamt eine achtzigstel Sekunde beträgt, so kann über eine weitere achtzigstel Sekunde die Strahlung der vierten Wellenlänge zugeführt werden. Danach würde wieder Licht der drei anderen Wellenlängen zugeführt, bevor wieder Strahlung der vierten Wellenlänge zugeführt wird. Durch geeignetes Einstellen der Frequenz, mit der die jeweiligen Daten aufgenommen werden, und der zugehörigen Beleuchtungsdauer kann somit das Verhältnis der Frequenzen, mit denen die LDI-Daten beziehungsweise die Bilddaten aufgenommen werden, geeignet eingestellt werden.
Unabhängig von der gewählten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die vierte Wellenlänge eine Wellenlänge im nahen Infrarot sein. Derartige Wellenlängen sind für Perfusionsmessungen besonders geeignet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt umfasst wenigstens eine Lichtquelle, wenigstens eine LDI-Strahlungsquelle, wenigstens einen CMOS-Sensor mit einer Anzahl von Sensorelementen. Außerdem umfasst sie eine Einrichtung zum getrennten Zuführen wenigstens von Licht mit einer ersten Wellenlänge, Licht mit einer zweiten Wellenlänge, Licht mit einer dritten Wellenlänge, sowie Strahlung mit einer vierten Wellenlänge zu den Sensorelementen des CMOS-Sensors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet und geeignet, so dass die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden.
Eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt umfasst einen CMOS-Sensor, eine Weißlichtquelle und eine LDI-Strahlungsquelle. Der CMOS-Sensor weist hierbei eine Anzahl von Sensorelementen und eine den Sensorelementen zugeordnete Farbfiltermatrix auf, wobei die Farbfiltermatrix mit wenigstens einer ersten Sorte Farbfilter, welche Licht einer ersten Wellenlänge passieren lassen, einer zweiten Sorte Farbfilter, welche Licht einer zweiten Wellenlänge passieren lassen, und einer dritten Sorte Farbfilter, welche Licht einer dritten Wellenlänge passieren lassen, ausgestattet. Die Farbfiltersorten sind dabei räumlich voneinander getrennt angeordnet. Daneben weist die Farbfiltermatrix wenigstens eine vierte Sorte Filter auf, welche eine vierte Wellenlänge passieren lassen. Die vierte Sorte Filter ist von den Farbfiltersorten räumlich getrennt. Dabei ist die LDI- Strahlungsquelle so ausgestaltet, dass sie die Strahlung mit der vierten Wellenlänge emittiert. In dieser Ausführungsvariante stellt die Filtermatrix die Einrichtung zum getrennten Zuführen wenigstens von Licht mit einer ersten Wellenlänge, Licht mit einer zweiten Wellenlänge, Licht mit einer dritten Wellenlänge und Strahlung mit einer vierten Wellenlänge dar. Die beschriebene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die Ausführung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und Eigenschaften lassen sich daher mit der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren.
In der Filtermatrix kann insbesondere jede Filtersorte mit einer eigenen Rasterweite in einem regelmäßigen Raster angeordnet sein. Hierbei kann insbesondere die Rasterweite der vierten Sorte Filter größer sein als die Rasterweite der Farbfiltersorten. Durch die größere Rasterweite der vierten Sorte Filter kann die Anzahl an zugehörigen Sensorelementen, also an auszulesenden Sensorelementen beim Aufnehmen des LDI-Signals, verringert werden, wodurch sich die Auslesefrequenz des LDI-Signals erhöhen lässt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher insbesondere auch eine Auslesevorrichtung zum Auslesen der Sensorelemente umfassen, die unterschiedliche Ausleseraten für die Farbfilter und die vierte Sorte Filter zur Verfügung stellt. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die für die vierte Sorte Filter zur Verfügung gestellte Ausleserate höher ist als die für die Farbfilter zur Verfügung gestellte Ausleserate. Insbesondere kann die für die vierte Sorte Filter zur Verfügung gestellte Ausleserate mindestens einen Faktor 10 höher sein, als die für die Farbfilter zur Verfügung gestellte Ausleserate. Dadurch lässt sich eine hohe zeitliche Auflösung der LDI- Messung und damit der gemessenen Flussgeschwindigkeiten erreichen. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass während einer Periode, in der der CMOS- Sensor mit Strahlung der vierten Wellenlänge bestrahlt wird, die mit der vierten Sorte Filter ausgestatteten Sensorelemente auch mehrmals ausgelesen werden können. Auf diese Weise kann eine Auslesefrequenz für das LDI-Signal realisiert werden, die im Bereich von Kilohertz liegen kann. In der ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jede Sorte Farbfilter der Filtermatrix insbesondere jeweils eine Wellenlänge passieren lassen, die eine von drei Grundfarben repräsentiert, beispielsweise Rot, Blau und Grün. Weiterhin kann die vierte Sorte Filter insbesondere eine Wellenlänge im nahen Infrarot passieren lassen. Wellenlängen im nahen Infrarot sind für Perfusionsmessungen besonders geeignet.
Eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt umfasst einen monochromatischen CMOS-Sensor, welcher eine Anzahl von Bildpunkten aufweist, eine Beleuchtungseinrichtung, die zum zeitsequentiellen Emittieren von Licht wenigstens einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wellenlänge ausgestaltet ist und die beispielsweise durch eine erste gepulst betreibbare Lichtquelle, welche Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert, eine zweite gepulst betreibbare Lichtquelle, welche Licht mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, und wenigstens eine dritte gepulst betreibbare Lichtquelle, welche Licht mit einer dritten Wellenlänge emittiert, realisiert sein kann. Alternativ ist auch die Realisierung in Form einer gepulst betreibbaren breitbandigen Lichtquelle wie etwa eine Weißlichtquelle mit einem Filterrad denkbar. Auch andere Kombinationen aus breitbandigen Lichtquellen und wechselbaren Filtern sind möglich. Daneben umfasst die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung eine gepulst betreibbare LDI-Strahlungsquelle, welche eine Strahlung mit einer vierten Wellenlänge emittiert.
Falls mehrere gepulst betreibbare Lichtquellen Verwendung finden, umfasst die Vorrichtung weiterhin eine mit den Lichtquellen und der LDI- Strahlungsquelle verbundene Steuereinrichtung zum gepulsten Betreiben der Lichtquellen und der LDI-Strahlungsquelle derart, dass das Objekt zeitsequentiell mit dem Licht beziehungsweise der Strahlung der einzelnen Wellenlängen beleuchtet wird. In dieser Ausführungsvariante stellt die zum zeitsequentiellen Emittieren von Licht wenigstens einer ersten, zweiten und einer dritten Wellenlänge ausgestaltete Beleuchtungseinrichtung zusammen mit der gepulst betreibbaren LDI-Strahlungsquelle und der Steuereinrichtung die Einrichtung zum gepulsten Zuführen von Licht mit einer ersten Wellenlänge, Licht mit einer zweiten Wellenlänge, Licht mit einer dritten Wellenlänge und Strahlung mit einer vierten Wellenlänge dar. Mit der zweiten Ausführungsvariante der Vorrichtung lässt sich die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisieren. Somit weist die zweite Ausführungsvariante die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren angesprochenen Eigenschaften und Vorteile auf. Eine nochmalige Nennung dieser Eigenschaften und Vorteile erfolgt nicht, um Wiederholungen zu vermeiden.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung zum derart gepulsten Betreiben der Beleuchtungseinrichtung beziehungsweise der Lichtquellen und der LDI- Strahlungsquelle ausgestaltet sein, dass den Sensorelementen des CMOS- Sensors häufiger die Strahlung mit der vierten Wellenlänge zugeführt wird als das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge. Dies ermöglicht eine relativ häufigere Messung der LDI-Signale im Vergleich zu den Farbbildsignalen. Dadurch lassen sich die LDI-Signale mit einer hohen zeitlichen Auflösung messen, was zu einer hohen mit den LDI-Signalen maximal messbaren Flussgeschwindigkeit führt.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise zum derart gepulsten Betreiben der Beleuchtungseinrichtung beziehungsweise der Lichtquellen und der LDI- Strahlungsquelle ausgestaltet sein, dass dem Objekt das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge mit einer Frequenz von 40 - 60 Hz zugeführt wird und die kummulierte Dauer der Zufuhr der drei Wellenlängen zwischen einer achtzigstel Sekunde und einer einhundertzwanzigstel Sekunde beträgt. Den Rest der Zeit kann das Objekt mit der Strahlung der LDI-Lichtquelle bestrahlt werden. Wenn also etwa eine Beleuchtung mit den wenigstens drei verschiedenen Wellenlängen der Beleuchtungseinrichtung mit 50 Hz erfolgt, also 50 mal pro Sekunde nacheinander die drei verschiedenen Wellenlängen zugeführt werden, und die Zufuhrdauer für die drei Wellenlängen insgesamt eine hundertstel Sekunde beträgt, so erfolgt innerhalb einer Sekunde insgesamt eine halbe Sekunde Zufuhr der ersten, der zweiten und der dritten Wellenlänge. Die zweite Hälfte der Sekunde wird Strahlung der vierten Wellenlänge zugeführt. Der CMOS-Sensor wird also dreimal so lange mit der vierten Wellenlänge bestrahlt wie mit der ersten Wellenlänge, dreimal so lange wie mit der zweiten Wellenlänge und dreimal so lange wie mit der dritten Wellenlänge.
Zudem kann eine Auslesevorrichtung vorhanden sein, die derart ausgestaltet ist, dass ein Auslesen der Bildpunkte mit einer Taktrate im Bereich von Kilohertz erfolgt. Eine derart hohe Taktrate ermöglicht eine hohe Zeitauflösung des LDI-Signals, was eine hohe maximal messbare Flussgeschwindigkeit ermöglicht.
Um das Aufnehmen von Farbbildern zu erleichtern, können die erste Wellenlänge, die zweite Wellenlänge und die dritte Wellenlänge jeweils eine von drei Grundfarben repräsentieren. Es besteht aber auch grundsätzlich die Möglichkeit, die Beleuchtungseinrichtung um weitere Farben zu erweitern. Die LDI-Strahlungsquelle emittiert vorteilhafterweise Strahlung im nahen Infrarot, da diese Strahlung zum Vermessen der Perfusion besonders geeignet ist.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Die dabei erwähnten Merkmale können einzeln oder in Kombination - auch mit Merkmalen der anderen Ausführungsbeispiele - vorteilhaft sein.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform für die erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt.
Figur 2 zeigt stark schematisiert einen CMOS-Sensor nach Stand der
Technik.
Figur 3 zeigt stark schematisiert einen CMOS-Sensor, wie er in der
Vorrichtung nach Figur 1 zum Einsatz kommt. Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt.
Figur 5 zeigt eine Abwandlung der in Figur 4 dargestellten zweiten Ausführungsform.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt sowie das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dieser Vorrichtung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung umfasst eine LDI-Strahlungsquelle 1 , eine Weißlichtquelle 3, eine CMOS-Kamera 5 mit einem CMOS-Sensor 7 sowie eine Auswerteeinheit 9, die mit der CMOS-Kamera 5 verbunden ist und aus den mit den CMOS-Sensor aufgenommenen Daten das LDI-Signal sowie das Farbbild des Objekts 17 erzeugt. Die LDI-Daten geben hierbei Aufschluss über Flussgeschwindigkeiten, sodass sie zur Bestimmung der Perfusion des Objekts 17, beispielsweise eines Abschnitts des menschlichen Körpers, Verwendung finden können. Die gewonnenen Perfusionsdaten können dann zur Präsentation, beispielsweise für einen Arzt, mit dem Farbbild überlagert werden, sodass die Perfusion an unterschiedlichen Stellen des Objekts 17 visualisiert wird. Anhand des Farbbildes können zudem die interessierenden Regionen des Objektes (Region of Interest, ROI) festgelegt werden.
Sowohl der LDI-Strahlungsquelle 1 als auch der Weißlichtquelle 3 sind geeignete Beleuchtungsoptiken zur Beleuchtung des Objekts 17 zugeordnet, die im Falle der LDI-Strahlungsquelle durch eine Zerstreuungslinse 11 und im Falle der Weißlichtquelle 3 durch eine Sammellinse 13 angedeutet sind. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Zerstreuungslinse 11 und die Sammellinse 13 lediglich symbolisch für die dem Laser 1 und der Halogenglühlampe 3 zugeordneten Beleuchtungsoptiken stehen. So kann beispielsweise die Beleuchtungsoptik, die durch die Sammellinse 13 angedeutet ist, als sogenannte Köhlersche Beleuchtung ausgeführt sein. Eine solche würde als optische Elemente einen Kollektor, eine Leuchtfeldblende, eine Aperturblende und einen Kondensor umfassen. Die Ausgestaltung von für die LDI-Strahlungsquelle und die Weißlichtquelle geeigneten Beleuchtungsoptiken ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Im vorliegenden Beispiel findet als LDI-Strahlungsquelle 1 ein Laser Verwendung, der mit einer Wellenlänge im nahen Infrarot emittiert. Als Laser kann hierbei ein konventioneller Laser oder aber ein Diodenlaser zur Anwendung kommen. Die Weißlichtquelle 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Halogenglühlampe. Es können aber auch andere breitbandige Glühlampen sowie breitbandige Lichtquellen, die nicht auf thermischer Strahlung beruhen, beispielsweise weiße LEDs, zur Anwendung kommen.
Der CCD-Kamera 5 ist eine Beobachtungsoptik zugeordnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Sammellinse 15 angedeutet ist. Die Beobachtungsoptik umfasst in erster Linie das Objektiv der Kamera 5. Die Ausgestaltung einer geeigneten Beobachtungsoptik, insbesondere eines geeigneten Objektivs, ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Nachfolgend wird mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 die Ausgestaltung des in der Kamera 5 verwendeten CMOS-Sensors 7 näher beschrieben. Um den Aufbau des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung findenden CMOS-Sensors besser nachvollziehen zu können, wird zuerst ein CMOS- Sensor beschrieben, wie er im Stand der Technik zum Aufnehmen von Farbbildern Verwendung findet. Figur 2 zeigt einen solchen CMOS-Sensor 70 in einer Aufsicht auf die Sensorfläche. Hierbei ist die eigentliche Sensorfläche nicht zu sehen, sondern lediglich eine vorgelagerte Filtermatrix, der sogenannte Bayer-Filter. Der CMOS-Sensor 70 umfasst ein Raster von lichtempfindlichen CMOS-Sensorelementen, wobei jedem dieser CMOS- Sensorelemente ein Filterelement des Bayer-Filters vorgelagert ist.
Der Bayer-Filter stellt eine Farbfiltermatrix mit Farbfilterelementen 72, 74 und 76 dar. Dabei lassen die Filterelemente 72 nur rotes Licht passieren, die Farbfilterelemente 74 nur grünes Licht und die Farbfilterelemente 76 nur blaues Licht. Auf diese Weise detektieren alle Sensorelemente des CMOS- Sensors, die an sich aufgrund ihrer breiten spektralen Empfindlichkeit nur Helligkeitswerte detektieren können, jeweils nur Licht einer einzelnen Wellenlänge, die durch das jeweilige vorgelagerte Filterelement festgelegt ist. Durch die Kombination der detektierten Grundfarben Rot, Grün und Blau kann dann das Farbbild erstellt werden.
Im Bayer-Filter nach Stand der Technik sind doppelt so viele Filterelemente vorhanden, die grünes Licht passieren lassen, wie Filterelemente, die blaues oder rotes Licht passieren lassen. Der Hintergrund ist der, dass die Farbempfindlichkeit des mit dem Bayer-Filter versehenen CMOS-Sensors möglichst gut die des menschlichen Auges widerspiegeln soll. Das menschliche Auge weist jedoch eine höhere Empfindlichkeit auf Grün als auf Blau und Rot auf.
Figur 3 zeigt eine für die erfindungsgemäße Vorrichtung modifizierte Version des Bayer-Filters. Wie im Bayer-Filter nach Stand der Technik sind Farbfilterelemente 72, 74 und 76 vorhanden, die jeweils rotes Licht, grünes Licht beziehungsweise blaues Licht passieren lassen. Daneben sind aber auch Filterelemente 78 vorhanden, die nur für die von der LDI- Strahlungsquelle abgegebene vierte Wellenlänge, das heißt die Strahlung im nahen Infrarot, durchlässig sind. In der vorliegenden Ausführungsvariante des modifizierten Bayer-Filters sind in jeder zweiten Zeile die grünen Farbfilterelemente durch ein Farbfilterelement für die Strahlung im nahen Infrarot ersetzt. Dadurch entsteht ein Raster aus Filterelementen für das nahe Infrarot, dessen Rasterweite der Rasterweite der übrigen Farbfilterelemente entspricht. Es ist jedoch auch möglich, die Rasterweite der Filterelemente 78 für die Strahlung im nahen Infrarot gegenüber der Rasterweite der Farbfilterelemente 72, 74, 76 zu vergrößern. So könnten beispielsweise die Farbfilterelemente 74 für das grüne Licht lediglich in jeder vierten oder jeder achten Zeile statt in jeder zweiten Zeile durch Filterelemente 78 für das nahe Infrarot ersetzt sein. In den jeweiligen Zeilen könnte zudem nur jedes zweite oder jedes vierte grüne Farbfilterelement 74 durch ein Filterelement 78 für Strahlung im nahen Infrarot ersetzt sein. Dadurch könnte der CMOS-Sensor eine Farbempfindlichkeit beibehalten, die weitgehend derjenigen des menschlichen Auges entspricht. Außerdem kann aufgrund ihrer geringen Anzahl die Ausleserate für diejenigen CMOS- Sensorelemente, die mit der Strahlung im nahen Infrarot bestrahlt werden, im Vergleich zu den Ausleseraten der übrigen Sensorelemente erhöht werden.
Es versteht sich von selbst, dass Abweichungen von dem in Figur 3 dargestellten Raster möglich sind. So können beispielsweise Filterelemente derselben Farbe jeweils in einer diagonalen Linie angeordnet sein. Auch besteht die Möglichkeit, zusätzlich zu den drei vorhandenen Farbfilterelementen 72, 74 und 76 und dem Filterelement für das nahe Infrarot 78 noch weitere Filterelemente zu verwenden. So könnten beispielsweise zusätzlich zu roten, grünen und blauen Filterelementen smaragdgrüne Filterelemente vorhanden sein. Eine weitere Alternative besteht darin, statt roten, grünen und blauen Filterelementen cyanblaue, gelbe, grüne und magentarote Farbfilterelemente zu verwenden.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Objekt gleichzeitig von dem Laser 1 mit der Strahlung im nahen Infrarot und von der Weißlichtquelle 3 mit einem breiten Strahlungsspektrum beleuchtet. Die vom Objekt 17 reflektierte Strahlung im nahen Infrarot wird ebenso wie das vom Objekt 17 reflektierte Licht der Weißlichtquelle 3 von der Beobachtungsoptik 15 auf den CMOS-Sensor 7 mit dem beschriebenen modifizierten Bayer- Filter abgebildet.
Die mit der CMOS-Kamera 5 verbundene Auswerteeinheit 9 umfasst eine Ausleseeinheit 19, die das Auslesen des CMOS-Sensors 7 der Kamera 5 steuert. Die Steuerung des Auslesens erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Modus, in dem diejenigen Sensorelemente des CMOS-Sensors 7, denen die Filterelemente 78 für die Strahlung im nahen Infrarot zugeordnet sind, hochfrequent ausgelesen werden, während die mit den roten, grünen und blauen Filterelementen 72, 74, 76 lediglich mit einer Frequenz im Bereich zwischen 40 und 60 Hz, insbesondere mit 50 Hz, ausgelesen werden. Entsprechend der Ausleserate wertet die Ausleseeinheit 9 dann die gewonnenen Daten aus und erstellt jeweils mit der entsprechenden Rate das LDI-Signal beziehungsweise das Farbbild. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Ausleserate für die Sensorelemente, denen die Filter 78 für die Strahlung im nahen Infrarot zugeordnet sind, im Bereich von Kilohertz, insbesondere im Bereich zwischen 1 und 10 kHz. Durch die hohe Ausleserate derjenigen CMOS- Sensorelemente, die die Strahlung im nahen Infrarot empfangen, kann eine hohe Zeitauflösung des zu messenden Flusses und damit eine hohe maximal messbare Flussgeschwindigkeit bei der Bestimmung der Perfussion mittels des LDI-Signals erreicht werden. Insbesondere kann, wie bereits erwähnt, das Filterraster der Filterelemente 78 für das nahe Infrarot erheblich weiter sein als das Filterraster der übrigen Filterelemente 72, 74, 76. Auch die dadurch geringere Zahl an Strahlung im nahen Infrarot empfangenden CMOS-Sensorelementen ermöglicht eine hohe Zeitauflösung der Perfusionsbestimmung.
Die mithilfe der Filterelemente 72, 74, 76, welche rotes, grünes und blaues Licht passieren lassen, gewonnenen Farbbilder sind in der Regel weitgehend statisch, sodass lediglich eine Ausleserate erzielt zu werden braucht, die das
Auge nicht auflösen kann. Eine höhere Ausleserate ist in der Regel im sichtbaren Spektralbereich nicht notwendig. Die aufgenommenen Farbbilder können beispielsweise dazu Verwendung finden, die für die Perfusionsbestimmung interessanten Objektbereiche (Regions of Interest,
ROI) ausfindig zu machen.
Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen von einem Objekt sowie deren Arbeitsweise wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 4 beschrieben.
Die Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst eine LDI-Strahlungsquelle 101 , eine erste Lichtquelle 102, eine zweite Lichtquelle 103 und eine dritte Lichtquelle 104. Die erste Lichtquelle 102, die zweite Lichtquelle 103 und die dritte Lichtquelle 104 emittieren Licht mit einer ersten Wellenlänge, mit einer zweiten Wellenlänge beziehungsweise mit einer dritten Wellenlänge. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel emittiert die erste Lichtquelle 102 Licht im roten Wellenlängenbereich, die zweite Lichtquelle 103 Licht im grünen Wellenlängenbereich und die dritte Lichtquelle 104 Licht im blauen Wellenlängenbereich. Die LDI-Strahlungsquelle 101 emittiert mit einer vierten Wellenlänge, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wellenlänge im nahen Infrarot ist. Derartige Wellenlängen sind zur Aufnahme von LDI-Daten für die Perfusionsmessung besonders geeignet. Die vierte Wellenlänge kann aber auch in einem anderen Wellenlängenbereich liegen, insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich. Von Bedeutung ist lediglich, dass sich die vierte Wellenlänge von den drei anderen Wellenlängen unterscheidet. Ebenso brauchen die Wellenlängen der ersten Lichtquelle 102, der zweiten Lichtquelle 103 und der dritten Lichtquelle 104 nicht im roten, grünen und blauen Wellenbereich zu liegen. Andere Wellenlängenbereiche, beispielsweise Cyan, Magenta und Gelb sind ebenso geeignet. Auch können neben den drei in Figur 4 dargestellten Lichtquellen auch weitere Lichtquellen vorhanden sein, beispielsweise eine vierte Lichtquelle, die in einem weiteren, von den ersten drei Wellenlängenbereichen verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert. So bestünde beispielsweise die Möglichkeit, zu den Wellenlängen in den Bereichen Cyan, Magenta und Gelb eine Wellenlänge im grünen Wellenlängenbereich hinzuzufügen. Eine weitere Möglichkeit wäre, zu den Wellenlängen aus dem roten, dem grünen und dem blauen Wellenlängenbereich eine Wellenlänge aus dem smaragdgrünen Wellenlängenbereich hinzuzufügen.
Den Lichtquellen 102, 103, 104 sowie der LDI-Strahlungsquelle 101 sind Beleuchtungsoptiken 112, 113, 114 beziehungsweise 111 zugeordnet, die im Falle der Lichtquellen durch Sammellinsen und im Falle der LDI- Strahlungsquelle durch eine Zerstreuungslinse angedeutet sind. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Linsen 111 bis 114 lediglich symbolisch für die jeweiligen Beleuchtungsoptiken stehen und dass das mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel zu den Beleuchtungsoptiken Gesagte auch für die Beleuchtungsoptiken im zweiten Ausführungsbeispiel gilt.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine CMOS-Kamera 105 mit einem CMOS-Sensor 107. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der CMOS-Sensor 107 im zweiten Ausführungsbeispiel nicht mit einem Bayer- Filter beziehungsweise einem modifizierten Bayer-Filter ausgestattet. Er ist daher lediglich in der Lage, monochromatische Bilder aufzunehmen. Der Kamera 105 ist zudem eine Beobachtungsoptik 115 zugeordnet, die wie im ersten Ausführungsbeispiel als Objektiv ausgestaltet ist und in der Figur lediglich symbolisch durch eine Sammellinse 115 angedeutet ist. Das hinsichtlich der Beobachtungsoptik des ersten Ausführungsbeispiels Ausgeführte gilt für die Beobachtungsoptik 115 des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechend.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit 109, welche den CMOS-Sensor 107 der Kamera 105 ausliest und aus den ausgelesenen Daten das LDI-Signal für die Perfusionsmessung sowie ein Farbbild des Objekts 117 ermittelt.
Eine Steuereinheit 121 ist mit der LDI-Strahlungsquelle 101 , den Lichtquellen 102 - 104 sowie der Auswerteeinheit 109 verbunden. Die Steuereinheit 121 gibt Steuersignale an die LDI-Strahlungsquelle 101 beziehungsweise die Lichtquellen 102 - 104 zum gepulsten Betrieb der LDI-Strahlungsquelle 101 und der Lichtquellen 102 - 104 aus. Außerdem gibt sie ein Steuersignal zum Festlegen der Taktfrequenz, mit der die Ausleseeinrichtung 119 der Auswerteeinheit 109 den CMOS-Sensor 107 ausliest, und zum Synchronisieren des Auslesens mit den Pulsfrequenzen der Lichtquelle bzw. der Strahlungsquelle an die Auswerteeinheit 109 aus.
Im Betrieb der Vorrichtung werden die LDI-Strahlungsquelle 101 und die Lichtquellen 102 - 104 gepulst betrieben. Die Pulsraten der LDI- Strahlungsquelle sowie der einzelnen Lichtquellen 102, 103, 104 werden dabei durch die Steuersignale der Steuereinheit 121 festgelegt. So werden die farbigen Lichtquellen 102 bis 104 im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Pulsfrequenz von 50 Hz betrieben. Je Beleuchtungsperiode erfolgt dabei die Beleuchtung mit dem Licht der drei Lichtquellen über insgesamt eine hundertstel Sekunde. Eine weitere hundertstel Sekunde erfolgt die Beleuchtung des Objekts 117 mit der vierten Wellenlänge, also der Wellenlänge der LDI-Strahlungsquelle 101. Insgesamt wird also während einer Periode der Taktfrequenz von 50 Hz (eine solche Periode dauert eine fünfzigstel Sekunde) das Objekt 117 während der Hälfte der Periode, also über eine hundertstel Sekunde, mit dem Licht der drei Lichtquellen 102, 103, 104 beleuchtet und die übrige Zeitdauer der Periode mit der Strahlung der LDI-Strahlungsquelle. Hierbei ist es insbesondere nicht notwendig, das Objekt 117 jeweils gleich lang mit dem Licht der ersten, der zweiten und der dritten Lichtquelle zu beleuchten. So kann beispielsweise die Beleuchtungsdauer mit dem Licht im grünen Wellenlängenbereich etwa doppelt so lang sein wie die Beleuchtungsdauer mit dem Licht im roten oder blauen Wellenlängenbereich, um die Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges nachzubilden. Die Beleuchtung mit dem Licht im roten und im blauen Wellenlängenbereich würde dann jeweils über eine vierhundertstel Sekunde erfolgen, während die Beleuchtung mit dem Licht im grünen Wellenlängenbereich über eine zweihundertstel Sekunde erfolgen würde, so dass sich insgesamt eine Beleuchtungsdauer mit roten, blauen und grünen Licht von einer hundertstel Sekunde ergibt. Über die zweite Hälfte der Periode erfolgt die Beleuchtung mit der Strahlung der LDI-Lichtquelle.
Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass die Bestrahlung des Objektes 117 mit der Strahlung der LDI-Lichtquelle 101 über die halbe Periode nicht an einem Stück erfolgen muss. Im bereits zuvor erwähnten Beispiel könnte eine Beleuchtung des Objekts 117 mit rotem Licht über eine vierhundertstel Sekunde erfolgen, dann die Bestrahlung mit der LDI-Strahlungsquelle ebenfalls über eine vierhundertstel Sekunde, danach die Beleuchtung mit dem grünen Licht über eine zweihundertstel Sekunde, erneut die Beleuchtung mit der Strahlung der LDI-Strahlungsquelle ebenfalls über eine zweihundertstel Sekunde, dann die Beleuchtung mit dem blauen Licht über eine vierhundertstel Sekunde und schließlich wieder die Bestrahlung mit der Strahlung der LDI-Strahlungsquelle 101 über eine vierhundertstel Sekunde. Dann wäre die Periode zuende. Es versteht sich von selbst, dass die Aufteilung der Beleuchtung beziehungsweise Bestrahlung und die Reihenfolge, mit der die einzelnen Wellenlängen dem Objekt 1 17 zugeführt werden, auch anders gewählt sein können.
Das von der Steuereinheit 121 an die Auswerteeinheit 109 ausgegebene Steuersignal veranlasst eine Synchronisation der Ausleseeinheit 109 mit den gepulsten Lichtquellen bzw. der gepulsten Strahlungsquelle derart, dass die Auswerteeinheit 109, aus den mittels der Ausleseeinheit 119 aus dem CMOS-Sensor 107 ausgelesenen Daten immer dann ein rotes, grünes oder blaues Teilbild des Farbbildes oder das LDI-Signal erstellt, wenn die Beleuchtung des Objektes 117 mit der entsprechenden Wellenlänge erfolgt. Weiterhin veranlasst das ausgegebene Steuersignal die Auswerteeinheit 109 dazu, immer dann, wenn die Bestrahlung des Objekts 117 mit der Strahlung der LDI-Strahlungsquelle erfolgt, das LDI-Signal aus den vom CMOS-Sensor 107 ausgelesenen Daten zu erstellen.
Für das Erstellen eines LDI-Signals liest die Ausleseeinheit 119 den CMOS- Sensor hochfrequent aus, d.h. mit einer Taktrate im Bereich von Kilohertz. Dadurch werden während einer Dauer über die das Objekt 117 mit der Strahlung der LDI-Strahlungsquelle 101 bestrahlt wird, eine Vielzahl von Ermittlungen des LDI-Signals durchgeführt. Durch die hohe Taktfrequenz, mit der das Ermitteln des LDI-Signals vorgenommen wird, kann die zeitliche Auflösung für das Ermitteln von Flussgeschwindigkeiten erhöht werden, da die maximal messbare Flussgeschwindigkeit mit zunehmender Taktfrequenz steigt. Für das Aufnehmen der Farbbilder genügt es dagegen, den CMOS- Sensor mit einer Taktfrequeήz auszulesen, die der Taktfrequenz der farbigen Beleuchtung des Objekts 117 entspricht. Mit anderen Worten, die Ausleserate für das LDI-Signal ist mindestens um einen Faktor 10, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 20, höher als die Ausleserate für das Farbbild.
Obwohl im zweiten Ausführungsbeispiel unterschiedliche Lichtquellen 102 - 104 für die einzelnen Wellenlängen vorhanden sind, die zeitsequentiell betrieben werden, besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, in der zweiten Ausführungsform eine einzige breitbandige Lichtquelle zusammen mit einer LDI-Strahlungsquelle zu betreiben. Eine entsprechende Abwandlung der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform ist in Figur 5 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst neben einer LDI-Strahlungsquelle 201 eine Weißlichtquelle 203, wie sie in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, sowie zugeordnete Beleuchtungsoptiken 211 , 213, die grundsätzlich denen der ersten beiden Ausführungsformen entsprechen. Sie umfasst weiterhin eine CMOS-Kamera 105 mit einem monochromatischen CMOS-Sensor 107 und einer Beobachtungsoptik 115. Sowohl die Kamera 105 als auch der CMOS-Sensor 107 entsprechen denen, die mit Bezug auf Figur 4 beschrieben worden sind. Entsprechendes gilt auch für die Beobachtungsoptik 115.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit 109 mit einer Ausleseeinheit 119, die beide denen entsprechen, die mit Bezug auf Figur 4 beschrieben worden sind.
Gemäß der in Figur 5 dargestellten Abwandlung, sind der LDI- Strahlungsquelle 201 und der Weißlichtquelle 203 jeweils ein drehbares Filter- beziehungsweise Blendenrad 202, 204 im Beleuchtungsstrahlengang nachgeschaltet. Das Filterrad 204 umfasst Filtersektoren für eine erste, eine zweite und eine dritte Wellenlänge, beispielsweise für eine Wellenlänge im roten, eine Wellenlänge im grünen und eine Wellenlänge im blauen Spektralbereich. Daneben umfasst das Filterrad 204 einen Blendenabschnitt, der für alle Wellenlängen der Weißlichtquelle 203 undurchlässig ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel macht der Blendensektor 50% der Fläche des Filterrades 204 aus. Die übrigen 50% sind auf die entsprechenden Wellenlängenfilter verteilt. Dabei muss die Verteilung nicht gleichmäßig sein. So kann beispielsweise der Wellenlängenfilter für das Licht im grünen Wellenlängenbereich eine Sektorfläche einnehmen, die doppelt so groß ist wie die Sektorfläche für den roten Wellenlängenbereich beziehungsweise die Sektorfläche für den blauen Wellenlängenbereich, um die Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges besser nachbilden zu können. Es versteht sich von selbst, dass auch Filtersektoren für weitere Wellenlängen vorhanden sein können. Ebenso müssen die Fläche der Filtersektoren und die Fläche der Blende nicht im Verhältnis 50:50 stehen. Bspw. kann die Fläche der Blende auch mehr oder weniger als 50 % der Gesamtfläche beanspruchen.
Im Gegensatz zum Filterrad 204 weist das Blendenrad 202, das zwischen der LDI-Strahlungsquelle und dem Objekt 117 angeordnet ist, lediglich einen Blendensektor auf. Der Anteil der Blendensektorfläche an der Gesamtfläche des Blendenrades 202 entspricht der Filterfläche der Filtersektoren im Filterrad 204, d.h. dass die Blendenfläche im vorliegenden Ausführungsbeispiel 50% der Blendenradfläche einnimmt. Der übrige Teil des Blendenrades ist aus einem zumindest für die Strahlung der LDI- Strahlungsquelle durchlässigen Material hergestellt. Er kann aber auch durch ein Material realisiert sein, das für einen breiten Wellenlängenbereich einschließlich der Wellenlänge der LDI-Strahlungsquelle durchlässig ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, diesen Bereich lediglich als Öffnung im Blendenrad 202 auszuführen. Die beiden erstgenannten Varianten haben jedoch den Vorteil, dass sie keine Unwucht im Blendenrad 202 verursachen, die ggf. auszugleichen wäre.
Die in Figur 5 gezeigte Vorrichtung umfasst außerdem eine Steuereinheit 221 , die zum Abgeben von Steuersignalen sowohl mit dem Blendenrad 202 als auch mit dem Filterrad 204 verbunden ist. Daneben ist die Steuereinheit
221 zum Ausgeben von Steuersignalen mit der Auswerteeinheit 109 verbunden.
Die Steuerung des Blendenrades 202 und des Filterrades 204 erfolgt synchron, so dass die Strahlung der LDI-Strahlungsquelle durch das Blendenrad 202 ausgeblendet ist, solange sich ein Farbfilter des Filterrades 204 zwischen der Weißlichtquelle 203 und dem Objekt 117 befindet. Wenn hingegen der Blendenabschnitt des Filterrades 204 zwischen der Weißlichtquelle 203 und dem Objekt 117 angeordnet ist, so befindet sich der durchlässige Bereich des Blendenrades 202 zwischen der LDI- Strahlungsquelle 201 und dem Objekt 117. Durch das synchrone Drehen des Filterrades 204 und des Blendenrades 202 wird eine zeitsequentielle Beleuchtung beziehungsweise Bestrahlung des Objekts 117 mit den verschiedenen Wellenlängen erreicht. Das Aufnehmen der Farbbilder beziehungsweise der LDI-Signale erfolgt dann synchron mit der jeweiligen Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungswellenlänge.
Selbstverständlich kann die in Figur 5 dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch weiter abgewandelt werden. So besteht die bspw. Möglichkeit, statt eines Blendenrades 202 und eines Filterrades 204 ein großes Filterrad zu verwenden, das sich gleichzeitig durch den Strahlengang der LDI-Strahlungsquelle und der Weißlichtquelle 203 erstreckt. Ein derartiges Filterrad hätte dann Filtersektoren für die zum Aufnehmen des Farbbilds Verwendung findenden Wellenlängen sowie wenigstens einen Filtersensor für die Wellenlänge, die zum Aufnehmen der LDI-Daten Verwendung findet. Ein Blendensektor wäre in einem derartigen großen Filterrad nicht notwendig.
Die Erfindung stellt ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung, mit denen es möglich ist, Farbbilder und LDI-Signale mit einem einzigen CMOS- Sensor aufzunehmen, ohne dass hierfür ein rechnerisches Extrahieren der LDI-Signale aus dem Farbbild nötig wäre. Während in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein modifizierter Bayer-Filter dazu verwendet wird, die Grundfarben für das Aufnehmen des Farbbildes und die Strahlung für das Aufnehmen des LDI-Signals räumlich voneinander zu trennen, erfolgt in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine zeitsequentielle Aufnahme des Farbbildes und des LDI-Signals. Im Betrieb wird dann das Objekt mit unterschiedlichen Lichtquellen zeitsequentiell beleuchtet und mit dem CMOS-Sensor synchron mit der Beleuchtung bzw. Bestrahlung Bilder bei unterschiedlichen Wellenlängen beziehungsweise das LDI-Signal aufgenommen. Die zweite Ausführungsform bietet die Möglichkeit, einen monochromatischen CMOS-Sensor zu verwenden. In der ersten Ausführungsform ist dagegen ein aufwändigerer CMOS-Sensor notwendig. Dafür kann die Beleuchtungseinrichtung jedoch einfacher ausgestaltet werden als in der zweiten Ausführungsform.
Schließlich sei noch erwähnt, dass auch zum Aufnehmen der LDI-Signale, also zum Durchführen der Perfusionsmessung, mehr als eine Wellenlänge Verwendung finden kann. In diesem Fall finden wenigstens zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen als LDI-Strahlungsquellen Verwendung, die zeitsequentiell betrieben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen eines Objektes (17, 117) mit einem gemeinsamen CMOS-Sensor (7, 107) mit einer Anzahl von Sensorelementen, wobei die Farbbilder dadurch erzeugt werden, dass zum Aufnehmen der Farbbilder Sensorelementen wenigstens Licht mit einer ersten Wellenlänge, Licht mit einer zweiten
Wellenlänge und Licht mit einer dritten Wellenlänge getrennt zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen der LDI-Signale den Sensorelementen Strahlung mit einer vierten Wellenlänge getrennt vom Licht mit der ersten Wellenlänge, vom Licht mit der zweiten
Wellenlänge und vom Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen der Farbbilder wenigstens Licht mit einer ersten Wellenlänge, Licht mit einer zweiten Wellenlänge und Licht mit einer dritten Wellenlänge räumlich voneinander getrennten Sensorelementen zugeführt wird und zum Aufnehmen der LDI-Signale die Strahlung der vierten Wellenlänge Sensorelementen zugeführt wird, die räumlich von denjenigen Sensorelementen getrennt sind, denen das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Sensorelemente, denen die Strahlung mit der vierten Wellenlänge zugeführt wird, häufiger ausgelesen werden als diejenigen Sensorelemente, denen das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente, denen das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird, jeweils mit einer Frequenz von 40 Hz bis 60 Hz ausgelesen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen der Farbbilder das Licht mit der ersten Wellenlänge, das
Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge den Sensorelementen zeitlich voneinander getrennt zugeführt wird und zum Aufnehmen der LDI-Signale die Strahlung mit der vierten Wellenlänge den Sensorelementen zeitlich getrennt von dem Licht mit der ersten Wellenlänge, dem Licht mit der zweiten Wellenlänge und dem Licht mit der dritten Wellenlänge zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Sensorelementen häufiger die Strahlung mit der vierten Wellenlänge zugeführt wird als das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Sensorelementen das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge jeweils mit einer Frequenz von 40 Hz bis 60 Hz zugeführt wird und die Dauer der Zufuhr des entsprechenden Lichtes zwischen 1/80 Sekunde und 1/120 Sekunde beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Wellenlänge eine Wellenlänge im nahen Infrarot ist.
9. Vorrichtung zum Aufnehmen von Farbbildern und LDI-Signalen eines Objekts (17, 117) mit:
- wenigstens einer Lichtquelle (3, 102, 103, 104, 203),
- wenigstens einer LDI-Strahlungsquelle (1 , 101 , 201) und
- einem CMOS-Sensor (7, 107), welcher eine Anzahl von Sensorelementen aufweist; gekennzeichnet durch
- eine Einrichtung (72, 74, 76, 78, 121 , 202, 204, 221) zum getrennten Zuführen wenigstens von Licht mit einer ersten Wellenlänge, von Licht mit wenigstens einer zweiten Wellenlänge, von Licht mit einer dritten Wellenlänge und Strahlung mit einer vierten Wellenlänge zu
Sensorelementen des CMOS-Sensors (7, 107).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass:
- der CMOS-Sensor eine Farbfiltermatrix mit wenigstens einer erste Sorte Farbfilter (72), welche Licht einer ersten Wellenlänge passieren lassen, einer zweite Sorte Farbfilter (74), welche Licht einer zweiten Wellenlänge passieren lassen, und einer dritte Sorte Farbfilter (76), welche Licht einer dritten Wellenlänge passieren lassen, umfasst, wobei die Farbfiltersorten (72, 74, 76) räumlich voneinander getrennt sind; - die Lichtquelle eine Weißlichtquelle (3) ist
- die LDI-Strahlungsquelle (1) eine Strahlung mit einer vierten Wellenlänge emittiert;
- die Farbfiltermatrix wenigstens eine vierte Sorte Filter (78) umfasst, welche die Strahlung der LDI-Lichtquelle (1) mit der vierten Wellenlänge passieren lassen, und
- die vierte Sorte Filter (78) von den Farbfiltersorten (72, 74, 76) räumlich getrennt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbfilter (72, 74, 76) und die vierte Sorte Filter (78) jeweils mit einer eigenen Rasterweite in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind und die Rasterweite der vierten Sorte Filter (78) größer ist als die Rasterweite der Farbfilter (72, 74, 76).
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslesevorrichtung (19) zum Auslesen der Sensorelemente vorhanden ist, die unterschiedliche Ausleseraten für diejenigen Sensorelemente, denen Farbfilter (72, 74, 76) zugeordnet sind, und diejenigen Sensorelemente, welchen Filter der vierte Sorte Filter (78) zugeordnet sind, zur Verfügung stellt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleserate für die Sensorelemente, denen die vierte Sorte Filter (78) zugeordnet ist, höher ist, als die Ausleserate für die Sensorelemente, denen Farbfilter (72, 74, 76) zugeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleserate für die Sensorelemente, denen die vierte Sorte Filter (78) zugeordnet ist, mindestens einen Faktor 10 höher ist als die Ausleserate für die Sensorelemente, denen Farbfilter (72, 74, 76) zugeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sorte Farbfilter (72, 74, 76) der Farbfiltermatrix jeweils eine Wellenlänge passieren lässt, die eine von drei Grundfarben repräsentiert.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Sorte Filter (78) eine Wellenlänge im nahen Infrarot passieren lässt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass - der CMOS-Sensor (107) ein monochromatischer CMOS-Sensor ist,
- eine Beleuchtungseinrichtung (102, 103, 104, 203) vorhanden ist, die zum zeitsequentiellen Emittieren von Licht mit einer ersten Wellenlänge, Licht mit einer zweiten Wellenlänge, und Licht mit einer dritten Wellenlänge ausgestaltet ist, - die LDI-DStrahlungsquelle (102, 201) gepulst betreibbar ist und eine
Strahlung mit einer vierten Wellenlänge emittiert,
- eine mit der Beleuchtungseinrichtung (102, 103, 104, 203) und mit der LDI-Strahlungsquelle (101 , 201) verbundene Steuereinrichtung (121 , 221 ) vorhanden ist, die derart ausgestaltet ist, dass sie Steuersignale ausgibt, die ein zeitsequentielles Beleuchten bzw. Bestrahlen des Objektes mit den einzelnen Wellenlängen veranlassen,
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung ausgestattet ist mit:
- der ersten gepulst betreibbaren Lichtquelle (102), welche das Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert,
- der zweiten gepulst betreibbaren Lichtquelle (103), welche das Licht mit der zweiten Wellenlänge emittiert, - wenigstens einer dritten gepulst betreibbaren Lichtquelle (104), welche das Licht mit einer dritten Wellenlänge emittiert,
- und dass die Steuereinrichtung (121 ) zum gepulsten Betreiben der Lichtquellen (102, 103, 104) und der LDI-Strahlungsquelle derart, dass das Objekt (117) zeitsequentiell mit dem Licht bzw. der Strahlung der einzelnen Wellenlängen beleuchtet wird, ausgestattet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, in der die Steuereinrichtung (121 ) zum derart gepulsten Betreiben der Lichtquellen (102, 103, 104) und der LDI-Strahlungsquelle (101 ) ausgestaltet ist, dass den Sensorelementen häufiger die Strahlung mit der vierten Wellenlänge zugeführt wird als das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, in der die Steuereinrichtung (121) zum derart gepulsten Betreiben der
Lichtquellen (102, 103, 104) und der LDI-Strahlungsquelle (101) ausgestaltet ist, dass dem Objekt das Licht mit der ersten Wellenlänge, das Licht mit der zweiten Wellenlänge und das Licht mit der dritten Wellenlänge jeweils mit einer Frequenz von 40 Hz bis 60 Hz zugeführt wird und die Dauer der Zufuhr des entsprechenden Lichtes zwischen
1/80 Sekunde und 1/120 Sekunde beträgt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, in der eine Auslesevorrichtung (119) vorhanden ist, die derart ausgestaltet ist, dass ein Auslesen der Sensorelemente mit einer Taktrate im Bereich kHz erfolgt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , in der die erste Wellenlänge, die zweite Wellenlänge und die dritte Wellenlänge jeweils eine von drei Grundfarben repräsentiert.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, in der die LDI- Strahlungsquelle (101 , 201 ) Strahlung im nahen Infrarot emittiert.
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