CN116113864A - 具有至少两个相机装置的手术显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术显微镜，包括用于检测和显示物体的反射图像的第一相机装置(1)，关于该目的，提出一种手术显微镜，该手术显微镜允许尽可能精确地检测和图像地显示组织结构，其特征在于，设有第二相机装置(2)，用于同时检测和显示物体的另一图像。

Description

具有至少两个相机装置的手术显微镜

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的手术显微镜。

背景技术

已经已知的是：检测有机组织的所谓的反射图像。在此，光被引导到待检查的组织上并且检测从组织反射的光以产生反射图像。还已知的是：检测有机组织的所谓的荧光图像。例如，荧光素能够作为指示剂分布在组织中，并且通过光被激发以发出荧光。荧光素是发出荧光的并且尤其在眼科学中用作为指示剂的染料。

在这种背景下，目前使用手术显微镜，利用该手术显微镜能够检查有机组织。手术显微镜由各种医学学科的医生使用，以便在手术期间检测器官或器官区域的图像，并根据这些图像进行医学诊断。

与医学学科无关，外科医生都反复批评基于相机的手术显微镜的景深。

发明内容

因此，本发明所基于的目的是：提出一种允许尽可能精确地检测和图像地显示组织结构的手术显微镜。

本发明通过权利要求1的特征实现上述目的。

通过使用两个同时工作的相机装置能够实现同时检测和显示反射图像和其他图像，即例如荧光图像。通过两个相机装置能够创建两个相机层面，其中，相机装置在图像检测和显示时能够补充进而在图像检测时能够补偿质量损失。如果相机装置中的至少一个相机装置由立体布置中的两个相机组成，则能够在用户中视觉上产生空间印象。能够非常全面地检查和观察组织。由于为此所需的闪烁照明以及与之相关的干扰效应，能够省去两种成像模式(例如反射模式和荧光模式)的时间交替的记录和显示。

根据本发明，第二相机层面被分配给手术显微镜。除了时间同时的荧光显示外，第二相机层面还提供光学显示改进的其他可行性，即例如所谓的焦点堆叠、通过中间采样提高分辨率、减少噪声(英文“Noise Reduction”)和通过不同相机单元或相机装置的不同曝光来扩展动态范围。

本领域技术人员将“焦点堆叠”(字面意思是“焦点叠加的”)理解为景深扩展的概念，通过光学摄影检测技术和数字图像加工或图像处理的结合来实现景深扩展。因此，能够生成具有非常高景深的图像。

在该背景下，每个相机装置能够具有至少两个单独的相机。两种优选的成像模式、即反射模式和荧光模式，每个模式都为用户产生三维印象。为了产生这种三维印象，每个相机装置分别使用两个检测通道。两个检测通道对优选地使用相同的变焦光学装置，以保持光学装置的结构尽可能简单。

至少一个相机装置或两个相机装置能够以视频模式执行图像记录。因此，也能够良好地检测组织的移动。两种优选的成像模式，即反射模式和荧光模式都能够基于视频记录来进行。但是，因此，组织的原位检查以及视频记录的时间较晚检查能够优选地在手术室外进行。

另一图像能够设计为物体的荧光图像。因此，能够同时记录、显示和评估相同物体的反射图像和荧光图像。

在此背景下，照明装置能够具有荧光激发光源。替代地，能够设有两个照明装置，照明装置分别具有荧光激发光源。

就此而言，首先对于手术显微镜仅存在一种基本构型，但是该基本构型能够补充其他的光源。

在手术显微镜的另一实施方式中，在检测到荧光时，能够切断用于产生反射图像的现有光源。由此，不需要其他的滤波器，以便排除发生荧光的波长范围。

能够设有阻挡滤波器或阻止滤波器，其光学上置于两个相机装置的上游，使得入射到两个相机装置上的光束分量必须穿过阻挡滤波器。对于荧光模式，在照明装置的激发光的波长下必须给出足够大的光谱功率密度。对于两个相机对能够通过阻挡滤波器同时排除激发光的或作为反射光反射的激发光的光谱范围。

在此背景下，阻挡滤波器例如能够阻止或至少抑制具有来自480nm到490nm波长范围中的波长的光通过。通过波长为485nm的激发光激发出荧光素以发出荧光。能够优选地针对每个波长单独地排除激发光。在能够通过激光器产生的窄带激发的情况下，阻挡滤波器也能够在其他模式下保留在光束路径中和/或如果白平衡也是可行的话，则静态地设计。优选地，在光学装置中在结构上设有切换滤波器的可行性。

如果手术显微镜在荧光模式下工作，则必须从照明装置的光谱中过滤出在相应荧光中检测到的波长范围，以便在第二相机装置上的或通过第二相机装置的荧光检测不与作为反射光反射的或射回的激发光叠加。这优选地通过优选不设置在相机装置中的光模式来实现。

在荧光模式下，射到第二相机装置上的光必须通过适配的带通滤波器或带宽滤波器针对待检测的波长进行过滤，以排除激发光的入射到第二相机装置上的反射光。带通滤波器能够针对不同的染料优选地进行切换，或者能够在其他模式活跃时关掉。

在这种背景下，能够设有带通滤波器，带通滤波器光学上设置在第二相机装置的上游，使得入射到第二相机装置上的光束分量必须在其射到第二相机装置之前穿过带通滤波器。

因此，带通滤波器能够使例如具有来自510nm到540nm波长范围中的波长的光通过并且阻止或至少抑制剩余的光谱范围通过。由此，荧光素的荧光的大部分通过第二相机装置上并且不重要的光被排除。

在此背景下，因此也能够考虑不存在阻挡滤波器的光学装置，即如果在第二相机装置上游的带通滤波器完全抑制作为反射光反射的激发光并且在激发光的波长下的高光谱功率密度在同时进行反射图像的显示期间能够经由或通过第一相机装置规定公差或校正。如果不存在阻挡滤波器，则带通滤波器还必须抑制激发光的高光谱功率密度。阻挡滤波器于是优选集成在带通滤波器中。

至少一个分束器、优选50:50分束器能够设置在样本上方的镜头与两个相机装置之间的光束路径中，第一光束分量能够被引导到分束器以分成第二光束分量和第三光束分量。通过该分束器使被样本反射或作为荧光发射的光，即反射光和荧光的至少一部分能够被同时输送到两个相机装置。

在此背景下，分束器能够将第二光束分量朝第一相机装置的方向引导并且将第三光束分量通过第二相机装置上游的带通滤波器引导到所述第二相机装置上。因此，用于反射图像的光能够以滤波的方式输送给第一相机装置并且用于荧光图像的光能够以滤波的方式输送给第二相机装置。

也能够附加地设有OCT设备，通过OCT设备的采样光能够检查样本。因此，除了反射图像和荧光图像之外，还能够以已知方式记录OCT图像。将术语光学相干断层扫描(英文为“Optical Coherence Tomography光学相干层析成像”，通常缩写为OCT)理解为成像方法。借助所述方法，能够从光散射有机组织中获得二维图像和三维图像。

与医学学科无关，外科医生总是批评基于相机的手术显微镜的景深。由于观察者缺乏调节可行性，景深减小到手术显微镜的镜头的通过几何光圈预设的数值孔径。

减小光圈直径以提高景深仅是受限可行的，因为这伴随着可能无法实施的亮度增加，这最终引起组织的热负荷，以及伴随有信号放大，由此噪声增加，并伴随着MTF的下降，由此形成较低的分辨率。

用缩写MTF表示所谓的调制传递函数、调制转移函数或对比度传递函数，它们在数学上描述了在物体边缘处的细节对比度和其图像表示的细节对比度之间的比较。

在此背景下，在此描述类型的手术显微镜能够具有图像处理装置，该图像处理装置将由第一相机装置记录的至少一个第一图像与借助第二相机装置记录的至少一个另外的图像连接，其中，基于图像的预限定的清晰度质量通过处理装置将图像选定并且将其组合成整体图像。

此外，在此描述的第二相机装置、即第二相机层面能够用于将可接受清晰度的区域彼此拼凑在一起。在此，第二个相机层面的成像平面相对于第一相机平面位移例如景深区域的一半。然后，最终图像或整体图像将从两个层照片或图像中通过算法进行组合。

附加地，静态或时间去噪算法能够用于降噪，借助静态或时间去噪算法能够以参数化的方式抑制噪声。通过同步两个相机层面或相机装置的采样，也能够使用基于时间平均的方法。能够发生所谓的时间超采样。

能够在第一相机装置和/或第二相机装置中设有对红外光敏感的图像传感器，优选对于波长范围为1000nm至1500nm的红外光敏感的图像传感器。对于高光谱成像，例如在高直至1500nm的红外范围内的成像，能够使用在远红外线敏感的并用于光谱组织区分的图像传感器。优选在1000nm-1500nm的光谱范围内进行肿瘤识别。

分辨率提高能够通过超采样、所谓的过采样(Oversampling)来进行。通过将两个采样网格相对于彼此对角位移半个像素，分辨率能够提高约1.4倍，最终达到2的平方根倍。

在对图像的显示尺寸、例如HD或4K进行所谓的下采样的情况下，能够影响MTF的形状，从而影响图像的清晰度。

该技术的优势主要不导致分辨率的增加，而是导致更清晰的图像。这是由于低空间频率的提高。此外，能够将过采样图像用于无损数字放大和/或缩放。

能够通过两个相机层面或相机装置的不同放大或不同照明或不同曝光来增加动态范围。

特殊性在于计算两个图像对的特征曲线，即将过渡区域中的接缝处设计成，使得形成无伪影HDR图像。

附图说明

在附图中示出

图1示出基于相机的手术显微镜中的光学装置的示意图，

图2在上方示出阻挡滤波器的透射行为，该阻挡滤波器阻挡具有宽度约5nm的485nm附近的波长范围的透射，并使剩余波长范围的可见光通过，在中间示出带通滤波器的透射行为，带通滤波器对于510nm至540nm波长范围是透明的并且阻挡整体的剩余的光谱范围，对于该光谱范围第二相机是敏感的，在下方示出照明光谱，从照明光谱中排除510nm至540nm的光谱范围，和

图3示出三幅图像、即通过彼此拼合成整体图像来组合的层照片的组合的示意性实例。

具体实施方式

图1示出包括用于检测和显示物体的反射图像的第一相机装置1的手术显微镜，其中，手术显微镜具有用于同时检测和显示物体的另一图像的第二相机装置2。

图1还示出用于在手术显微镜中使用的装置，包括用于检测和显示反射图像的第一相机装置1。该装置的特征在于设有用于同时检测和显示荧光图像的第二照相机装置2。就此而言，另一图像是荧光图像。

每个相机装置1、2具有至少两个相机。就此而言，每个相机装置1、2是相机对。至少一个相机装置1、2或两个相机装置1、2以视频模式执行图像记录。第一相机装置1用于检测反射图像。第二相机装置2用于检测荧光图像。

设有至少一个具有荧光激发光源5的照明装置4a、4b，或者设有两个具有各一个荧光激发光源5的照明装置4a、4b。照明设备4a、4b包括环境照明光源6和/或SCI光源7。缩写SCI代表“立体共焦照明”。

在这方面，物体、即样本3、特别是有机组织的照明能够借助于两个替代方案进行。根据第一替代方案，第一照明装置4a包括环境照明光源6作为荧光激发光源5。荧光照明通过环境照明光源6产生。

根据第二替代方案，第二照明装置4b包括SCI光源7作为荧光激发光源5。

在该装置的第一实施方式中，缺少SCI光源7。手术显微镜为基本设计。在进一步的构型中，物理存在的SCI光源7能够在检测荧光时被切断。

激发光从照明装置4a、4b穿过镜头8射到样本3上并且激发样本以发射荧光，因为样本3中存在荧光素。同时，入射到样本3上的激发光至少部分地由样本3作为反射光反射。

此外，根据该装置的一个特殊的实施方式，来自OCT设备10的采样光9落到样本3上，以便能够对其进行大范围地检查。

从样本3朝照明装置4a、4b的入射的激发光反射的反射光和在图1中通过返回光束11代表的荧光首先穿过或绕过第一分束器12，并且然后穿过第二分束器13。从样本3朝OCT设备10的采样光9向回投射的光9a通过第一分束器12输送给OCT设备10用于进一步处理。

从第二分束器13，将第一光束分量14通过变焦光学装置15、例如具有可变焦距的镜头经过阻挡滤波器16偏转到第三分束器17、即50:50分束器。第一光束分量14被分成第二光束分量18和第三光束分量19。在另一实施方式中，第三分束器17能够二向色地构成。

第二光束分量18射到第一相机装置1上以产生反射图像。第三光束分量19在通过镜20偏转之后并通过带通滤波器21后射到第二相机装置2上以产生荧光图像。

在该装置的一个实施方式中，阻挡滤波器16安置在两个相机装置1、2的上游，使得入射到相机装置1、2上的第一光束分量14必须经过阻挡滤波器16。阻挡滤波器16不允许具有来自480nm到490nm波长范围中的波长的光通过。

带通滤波器21安置在第二相机装置2的上游，使得入射到第二相机装置2上的第三光束分量19必须通过带通滤波器21。带通滤波器21使具有出自510nm至540nm波长范围中的波长的光通过并且不允许其余光谱范围的光通过。

在所有实施方式中，第三分束器17设置在镜头8与两个相机装置1、2之间的光束路径中，第一光束分量14能够被引导到第三分束器上分成第二光束分量和第三光束分量18、19。第三分束器17将第二光束分量18朝第一相机装置1的方向引导，并且第三光束分量19通过第二相机装置2前的带通滤波器21引导到第二相机装置上。

可选地设置的阻挡滤波器16和带通滤波器21应当滤除激发光，激发光尤其能够作为反射光射到第二相机装置2上并且干扰原本荧光的检测。

通过照明装置4a、4b的激发光对已知指示剂荧光素的激发优选在485nm的波长中进行。具有该波长的光是蓝色的。超过80％的通过所述光激发的荧光在510nm至540nm范围内出现。因此，根据激发光的光谱的宽度，阻挡滤波器16必须因此阻挡具有大约5nm的宽度的485nm附近的波长，但使剩余的可见范围通过。所述光学行为示意性地在图2的最上方示出。阻挡滤波器16不是绝对需要的，使得在该装置的一个实施方式中能够缺少阻挡滤波器16。

带通滤波器21对于具有在510nm至540nm范围内的波长的待检测的荧光是透明的，并且阻挡整个剩余光谱范围，第二相机装置2能够对剩余光谱范围敏感。带通滤波器21的这种光学行为在图2的中间示出。特别地，必须阻挡激发光的高光谱功率密度。

能够将510nm到540nm的光谱范围从照明装置4a、4b的激发光的光谱中排除。但是，在485nm的波长中，必须提供所需的功率密度。这在图2的最下方示出。照明装置4a、4b因此能够配备优选可调节的滤波器，所述滤波器能够阻挡任意的荧光波长，以便不应作为干扰性的反射光落到第二相机装置2上。该滤波器的每个设定位置都代表可实现的荧光波长并且基本状态代表中性状态。

为了实现阻挡滤波器16，能够在相关光束路径中设有具有x个位置的滤板。然后，每个设定位置代表所实现的荧光波长并且基本位置代表中性状态。为了实现带通滤波器21，同样能够在第二相机装置2上游在相关光束路径中设有具有x个位置的滤板。每个设定位置代表所实现的荧光波长，并且基本位置代表中性状态。

因此，能够从激发光中或者从照明装置4a、4b的作为反射光被反射的激发光中滤除任意的波长范围，在其中探测到荧光。

荧光的激发也能够通过具有约为488nm的波长的激光来实现。能够记录荧光或通过激光产生反射图像。在这两种情况下，都接收到返回的大约1/10,000的入射光，即蓝色图像具有与荧光图像相同的灰度级。

图3示出，手术显微镜的另一实施方式具有图像处理装置，该图像处理装置将由第一照相机装置1记录的至少一个第一图像22与借助第二照相机装置1记录的至少一个另外的图像23连接，其中，通过图像处理装置基于图像22、23的预限定的清晰度质量将图像22、23选定并且将其组合成整体图像24。整体图像24还具有第三图像25，根据其清晰度选择第三图像，用于以组合的方式合并整体图像24。

附图标记列表

1第一相机装置

2第二相机装置

3样本

4a第一照明装置

4b第二照明装置

5荧光激发光源

6 4a的环境照明光源

7 4b的SCI光源

8镜头

9采样灯

9a从3向回投射的光

10OCT设备/OCT干涉仪

11返回光束

12 第一分束器

13 第二分束器

14 第一光束分量

15 变焦光学装置

16 阻挡滤波器

17 第三分束器

18 第二光束分量

19 第三光束分量

20 镜

21 带通滤波器

22 第一图像

23 第二图像或其他图像

24 整体图像

25 第三图像。

Claims (17)

1.一种手术显微镜，包括用于检测和显示物体的反射图像的第一相机装置(1)，其特征在于，设有第二相机装置(2)，所述第二相机装置用于同时检测和显示所述物体的另一图像。

2.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于，至少一个相机装置(1，2)具有至少两个相机。

3.根据权利要求1或2所述的手术显微镜，其特征在于，至少一个相机装置(1，2)或两个相机装置(1，2)以视频模式执行图像记录。

4.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，实时地、优选几乎无延迟地进行图像显示。

5.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，至少一个相机装置(1，2)或两个相机装置(1，2)执行三维的图像记录。

6.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，两个相机装置(1，2)记录不同的光强度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，两个相机单元或相机装置(1，2)以不同的曝光时间工作。

8.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，所述另一图像被设计为所述物体的荧光图像。

9.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，设有至少一个具有荧光激发光源(5)的照明装置(4a，4b)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，设有阻挡滤波器(16)，所述阻挡滤波器安置在两个相机装置(1，2)的上游，使得入射到相机装置(1，2)上的光束分量(14)必须穿过所述阻挡滤波器(16)。

11.根据权利要求10所述的手术显微镜，其特征在于，所述阻挡滤波器(16)阻止或至少抑制具有优选在480nm至490nm的波长范围中的波长的光通过。

12.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，照明光源或照明装置(4a，4b)构造用于排除照明光谱中的荧光的波长范围。

13.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，设有带通滤波器(21)，所述带通滤波器安置在所述第二相机装置(2)的上游，使得入射到所述第二相机装置(2)上的光束分量(19)必须穿过所述带通滤波器(21)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，设有图像处理装置，所述图像处理装置将由所述第一相机装置(1)记录的至少一个第一图像(22)与由所述第二相机装置(2)记录的至少一个另外的图像(23)连接，其中，通过所述图像处理装置将图像(22，23)选定并且组合成整体图像(24)。

15.根据权利要求14所述的手术显微镜，其特征在于，选择标准是图像(22，23)的预限定的清晰度质量。

16.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，设有OCT设备(10)，通过所述OCT设备的采样光(9)能够对样本(3)进行检查。

17.根据前述权利要求中任一项所述的手术显微镜，其特征在于，在所述第一相机装置和/或所述第二相机装置(1，2)中设有图像传感器，所述图像传感器对红外光敏感，优选地对在1000nm至1500nm的波长范围内的红外光敏感。

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