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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung eines
von einem Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop abzubildenden
Objekts, bei dem das Objekt mit primärem Licht einer ersten
spektralen Intensitätsverteilung sowie mit sekundärem
Licht einer zweiten spektralen Intensitätsverteilung beleuchtet
wird, wobei das sekundäre Licht aus Streuung des primären
Lichts hervorgeht, und ein Operationsmikroskop mit einer Beleuchtungseinrichtung
zur Erzeugung von primärem Licht zur Beleuchtung eines
abzubildenden Objektes.
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Ohne
Beschränkung der Allgemeinheit beziehen sich die nachfolgenden
Ausführungen zur vorliegenden Erfindung auf den Spezialfall
der sogenannten ”Red Reflex”-Beleuchtung bei Operationsmikroskopen
für die Ophthalmologie, bei der von der Netzhaut reflektiertes
Licht für Operationszwecke eingesetzt wird. Da das an der
Netzhaut (Retina) reflektierte Licht Intensitätsmaxima
im roten Spektralbereich aufweist, spricht man vom sogenannten Rotreflex
(englisch ”Red Reflex”). Bei dieser Anwendung wird
das zu untersuchende Objekt (vorderer Augenraum von Linse bis Hornhaut)
mit primärem Licht einer ersten spektralen Lichtintensitätsverteilung
beleuchtet. Von der Netzhaut des Auges reflektiertes Licht wird
auf das Objekt zurückgestreut bzw. reflektiert und beleuchtet
das Objekt somit von unten, gleichsam als Hintergrundbeleuchtung.
Physikalisch gesehen wird das primäre Licht im strengen
Sinne nicht an der Netzhaut reflek tiert, sondern dort mit einem
raumwinkelabhängigen Intensitätsprofil zurückgestreut.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sollen der Einfachheit halber
die Begriffe ”Streuung” und ”Reflexion”,
insbesondere bei dem besprochenen Anwendungsfall, gleichbedeutend
behandelt werden.
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Der ”Red
Reflex” wird insbesondere bei Kataraktoperationen, bei
denen die natürliche Linse des menschlichen Auges durch
eine künstliche Linse ersetzt wird, ausgenutzt, um nach
Entfernen der natürlichen Linse etwaige verbliebene Rückstände
unter der roten Hintergrundbeleuchtung leicht erkennen und leicht
entfernen zu können. Der ”Red Reflex” ist umso
ausgeprägter, je geringer die Beleuchtungswinkel sind,
wobei davon ausgegangen werden soll, dass der Beleuchtungsstrahlengang über
das Hauptobjektiv des Operationsmikroskops geführt wird
und die Achse des Hauptobjektivs als Bezugsachse gelten soll. Beleuchtungswinkel
im Bereich zwischen –2° und +2° versprechen
eine gute ”Red Reflex”-Beleuchtung.
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Außer
den geschilderten Anwendungsfällen kann die Erfindung aber
auch allgemein im Bereich der Mikroskopie eingesetzt werden, soweit
ein Objekt mit primärem und sekundärem Licht beleuchtet
wird, wobei das sekundäre Licht aus Streuung oder Reflexion
des primären Lichts hervorgeht.
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Aufgrund
der in der Ophthalmologie bei der ”Red Reflex”-Beleuchtung
eingesetzten geringen und bei neuesten Entwicklungen sich weiter
verkleinernden Beleuchtungswinkeln (bis hin zu einer echten 0°-Beleuchtung),
wird es immer wahrscheinlicher, dass durch eine Bewegung des Patientenauges
dessen Makula direkt und für längere Zeit in gefährlicher Weise
bestrahlt wird. Die Makula (auch als ”gelber Fleck” bezeichnet)
ist der Bereich der menschlichen Netzhaut mit der größten
Dichte von Sehzellen und enthält die Stelle des schärfsten
Sehens. Eine direkte Bestrahlung der Makula und eine hieraus resultierende
starke Gefährdung des Patientenauges muss dringend vermieden
werden. Selbstverständlich sollte auch eine lang dauernde
Bestrahlung der Netzhaut insgesamt, insbesondere aufgrund thermischer
und phototoxischer Effekte, vermieden werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist auf diesem Gebiet das Operationsmikroskop
OPMI Lumera T von Zeiss bekannt. Im entsprechenden Prospekt der Carl
Zeiss Surgical GmbH aus dem Jahre 2007 ist auf Seite 4 vom ”Red
Reflex” die Rede, der bei Positionierung des Mikroskops über
dem Patientenauge und Einschalten der Beleuchtungseinrichtung hell und
stabil erscheint. Tatsächlich ist in der entsprechenden
Abbildung jedoch ein gelber ”Red Reflex” zu sehen,
was darauf hinweisen könnte, dass unter Umständen
die Makula beleuchtet ist.
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Die
technischen Ausführungen zu dem genannten Produkt der Carl
Zeiss Surgical GmbH finden sich in der
US 2004/0227989 A1 .
Hier wird ein Operationsmikroskop für die Ophthalmologie
vorgestellt, bei der die Beleuchtung über das Hauptobjektiv des
Mikroskops geführt wird. Die Beleuchtungseinrichtung besteht
im Wesentlichen aus einem optischen Lichtleiter (Faserbeleuchtung),
einem nachgeschalteten Kollimator sowie einem Umlenkspiegel, der
das vom Kollimator gebündelte und parallel gerichtete Licht über
das Hauptobjektiv des Mikroskops in die Objektebene lenkt. Die Objektebene
verläuft durch den vorderen Augenteil. Ein zweiter, näher
an den Beobachtungskanälen des Stereomikroskops angeordneter
Umlenkspiegel leitet einen Teil des Beleuchtungslichtes unter einem
Winkel zwischen –2° und +2° bezogen auf
die Hauptbeobachtungsstrahlengänge über das Hauptobjektiv
auf die Objektebene, wobei dieses Licht zur Erzeugung des ”Red
Reflex” verwendet wird. Dieser Beleuchtungsstrahlengang
wird an der Netzhaut gestreut und mit einem raumwinkelabhängigen
Profil zurückreflektiert, sodass sich eine rote Hintergrundbeleuchtung
der Objektebene ergibt. Da bei dem genannten Aufbau der ”Red
Reflex” insbesondere bei einer Bewegung des Auges nicht
mit ausreichender Stärke aufrechterhalten werden kann,
wird in der genannten Schrift vorgeschlagen, um die durch die Zoomsysteme
des Operationsmikroskops definierten Beobachtungskanäle herum
einen aus LEDs (”Light Emitting Diodes”) bestehenden
Beleuchtungsring zu legen. Jede LED strahlt Licht im roten Spektralbereich
ab, das fastvollständig von der Netzhaut zurückreflektiert
bzw. zurückgestreut wird, so dass das Auge vor thermischer Belastung
geschützt wird. In einer anderen Ausführungsform
wird eine herkömmliche Beleuchtungseinrichtung verwendet,
bei der ein LCD (”Liquid Crystal Display”)-Array
dem Kollimator und einer weißen Lichtquelle nachgeschaltet
ist. Das LCD-Array lässt in einem Zentralbereich nur rotes
Licht transmittieren, während es in einem ringförmigen äußeren
Bereich weißes Licht transmittieren lässt. Auf
diese Weise entsteht ein innerer roter Beleuchtungskegel umgeben
von einem äußeren weißen Beleuchtungskegel.
Die Schutzmaßnahmen gemäß dieser Schrift
beschränken sich folglich auf eine Bestrahlung der Retina
mit einem passenden (roten) Spektralbereich, um diese vor thermischen
Schäden zu schützen.
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In
der
US 6,914,721 B2 der
Anmelderin, die dasselbe Gebiet betrifft, wird mittels einer Prismenkombination,
die den Beleuchtungsstrahlengang in zwei verschiedene Bereiche des
Hauptobjektivs des Mikroskops umlenkt, eine schräge und
eine 0°-Beleuchtung des zu untersuchenden Auges realisiert.
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Die
schräge Beleuchtung dient hierbei der eigentlichen Objektbeleuchtung,
während die 0°-Beleuchtung zum Erzeugen des ”Red
Reflex” dient. Es ist als Schutzmaßnahme ein Verschiebemechanismus
vorgesehen, der die Prismenkombination von der optischen Achse des
Hauptobjektivs in einer Richtung senkrecht zu dieser optischen Achse
entfernt. Im verschobenen Zustand werden zwei schräge Beleuchtungsstrahlengänge
erzeugt, so dass kein ”Red Reflex” auftreten kann.
Die Verschiebung der Prismenkombination von der zentrierten Lage
(mit ”Red Reflex”) in die verschobene Lage (ohne ”Red Reflex”)
wird in Abhängigkeit vom Arbeitsabstand und/oder in Abhängigkeit
von der Beleuchtungslichtstärke vorgenommen, um die Retina
des Patientenauges zu schützen.
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Wird
folglich bei der Lehre dieser Schrift ein vorbestimmter Arbeitsabstand
unterschritten oder eine vorbestimmte Beleuchtungslichtintensität überschritten,
so wird als Schutzmaßnahme der ”Red Reflex” durch
Verschieben der Prismenkombination vollständig unterbunden.
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Die
US 4,715,704 behandelt ebenfalls
ein ophthalmoskopisches Operationsmikroskop, bei dem zum Schutz
der Retina des Auges vor zu hoher Strahlenbelastung eine Retina-Schutzblende
vorgesehen ist, die in der Beleuchtungseinrichtung an eine Stelle
eingebracht werden kann, die konjugiert zur Objektebene ist, welche
wiederum im vorderen Augenteil (beispielsweise der Kornea) liegt.
Durch Einbringen der Retina-Schutzblende wird eine zentrale Abschattung
erzielt, wobei der Durchmesser des unbelichteten Abschnitts dem
Durchmesser der Augenpupille entspricht. Auf diese Weise wird die
Retina vor weiterer Bestrahlung geschützt.
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Keine
der genannten Schriften thematisiert das Problem der Vermeidung
einer Beleuchtung der Makula während einer Beleuchtung
der Netzhaut (Retina).
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In
einem anderen Zusammenhang ist aus der
DE 103 41 521 A1 ein Verfahren
zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt angepassten Objektbeleuchtung
bekannt, nämlich zu dem Zweck einer Kontrastverstärkung
zwischen gesundem und malignem Gewebe bei der Mikroskopuntersuchung.
Hierbei wird von der Tatsache ausgegangen, dass malignes Gewebe
im Vergleich zu gesundem Gewebe ein unterschiedliches Streuverhalten
im sichtbaren Spektralbereich zeigt. Gemäß Lehre
dieser Schrift wird mittels Spektralanalyse derjenige Wellenlängenbereich
ermittelt, in dem die Unterschiede im Streuverhalten am stärksten
sichtbar sind. Die nachfolgende Objektuntersuchung erfolgt dann
mit Beleuchtung im gefundenen Wellenlängenbereich.
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Weiterhin
ist in ähnlicher Weise in der
DE 103 41 285 A1 ein Operationsmikroskop
vorgeschlagen, das ein Spektrometersystem aufweist, dem gestreutes
Beleuchtungslicht aus einem Operationsgebiet zugeführt
wird, um dieses Beleuchtungslicht spektral auszuwerten. Aus der
spektralen Zusammensetzung des gestreuten Beleuchtungslichts kann auf
die Art des im untersuchten Operationsgebiet vorhandenen Gewebes
(gesund oder maligne) geschlossen werden. Hierzu wird das Operationsgebiet mittels
verkippbarer Umlenkelemente gleichsam abgescannt.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es, insbesondere bei dem besprochenen
Anwendungsfall der Operationsmikroskope für die Ophthalmologie,
die Makula bei der ”Red Reflex”-Beleuchtung wirksam
zu schützen, allgemeiner gesprochen ausgewählte
Bereiche, von denen sekundäres Licht aus der Objektbeleuchtung
mit primärem Licht hervorgeht, zu schützen oder
abzuschatten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Zur Umsetzung
dieses Verfahrens in einer praktischen Anwendung dient ein erfindungsgemäßes
Operationsmikroskop gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird
die Intensität des sekundären Lichts, das aus
Streuung des primären zur direkten Objektbeleuchtung verwendeten
Lichts hervorgeht, bezüglich zumindest einer Wellenlänge (oder
eines Wellenlängenbereichs) gemessen und bei Überschreiten
(oder Unterschreiten) dieser gemessenen Intensität (oder
einer hieraus abgeleiteten Größe) über
(bzw. unter) einen vorbestimmten Schwellenwert wird ein Signal erzeugt,
das eine Änderung der spektralen Intensitätsverteilung
des sekundären Lichtes und somit eine Änderung
desjenigen Bereichs signalisiert, aus dem das sekundäre Licht
durch Streuung erzeugt wird. Ob ein Überschreiten oder
ein Unterschreiten der Intensität detektiert wird, hängt
von der Lage der gemessenen Wellenlänge (oder des Wellenlängenbereichs)
im Spektralbereich des aus einem erwünschten Bereich stammenden
sekundären Lichts ab. Liegt beispielsweise die gemessene
Wellenlänge im Hauptspektralbereich (also in einem Spektralbereich
hoher Intensität) des aus einem erwünschten (nicht
zu schützenden) Bereich stammenden sekundären
Lichts (also rote Wellenlänge wird detektiert bei erwünschtem ”Red
Reflex”), so kann ein Unterschreiten eines vorbestimmten
Schwellenwertes darauf hindeuten, dass sich der Hauptspektralbereich
sekundären Lichts und somit der beleuchtete Bereich, aus
dem dieses Licht stammt, verschoben hat. Wird andernfalls eine Wellenlänge
detektiert, die sekundärem Licht aus einem unerwünschten
(zu schützenden) Bereich zugeordnet werden kann (im vorliegenden
Fall beispielsweise gelbes Licht), so kann ein Überschreiten
eines vorbestimmten Schwellenwerts darauf hindeuten, dass nunmehr
eben dieser unerwünschte Bereich beleuchtet wird.
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Die
genannte Änderung des mit primärem Licht beleuchteten
Bereichs, aus dem sekundäres Licht durch Streuung hervorgeht,
kann einerseits durch Bewegung in diesem Bereich oder aber durch Richtungsänderung
der Beleuchtung verursacht werden. Im oben behandelten Fall der ”Red
Reflex”-Beleuchtung bei Operationsmikroskopen für
die Ophthalmonologie treten solche Änderungen insbesondere
bei Bewegungen des Auges auf. Ein Verrollen des Auges kann beispielsweise
zur Folge haben, dass die Makula getroffen wird. In diesem Fall
erscheint anstelle eines roten Reflexes (”Red Reflex”) ein
gelber Reflex (im Folgenden auch ”Yellow Reflex” genannt).
Hiermit verbunden ist eine Änderung der spektralen Zusammensetzung
des durch Streuung in die Objektebene zurückreflektierten
Lichts. Erfindungsgemäß wird diese Änderung
detektiert, indem die Intensität des sekundären
Lichts zumindest bei einer Wellenlänge gemessen wird, wozu
sich zwei Methoden eignen: Es kann zum einen diejenige Wellenlänge
betrachtet werden, bei der im Normalfall (zum Beispiel bei der Retina-Beleuchtung)
Intensitätsmaxima liegen (im roten Spektralbereich). Verursacht
eine Änderung des räumlichen Bereiches, aus dem
das sekundäre Licht hervorgeht, eine Änderung der
spektralen Zusammensetzung (beispielsweise bei Beleuchtung der Makula
anstelle des übrigen Bereichs der Retina), so kann diese
Tatsache dadurch detek tiert werden, dass die Intensität
bei der ausgewählten Wellenlänge (im roten Spektralbereich)
einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Andererseits ist
es auch möglich, die zu messende Wellenlänge in
einem Wellenlängenbereich zu setzen, bei dem der zu schützende
Bereich, aus dem sekundäres Licht hervorgeht, ein Intensitätsmaximum
besitzt (im vorliegenden Beispiel im gelben Spektralbereich). Bei
einem Übergang auf einen derartigen Bereich würde
dann die Intensität des Lichtes bei der ausgewählten
Wellenlänge (im gelben Spektralbereich) einen vorbestimmten
Schwellenwert überschreiten. In den beiden genannten Fällen
wird erfindungsgemäß ein Signal erzeugt, das eine Änderung
der spektralen Intensitätsverteilung des sekundären
Lichtes und somit einen unerwünschten Übergang
von einem nicht zu schützenden Bereich in einen zu schützenden
Bereich, aus dem sekundäres Licht hervorgeht, signalisiert.
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Im
Falle der oben beschriebenen Intensitätsmessung im gelben
Spektralbereich kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch zur Feststellung einer (alterbedingten) Makuladegeneration
verwendet werden. Das ophthalmoskopisch als Makulagelb sichtbare
Xanthophyll ist ein im blauen Spektralbereich absorbierender Farbstoff,
der aus den Carotinoiden Lutein und Zeaxantin besteht und sich in
den Fotorezeptoren findet. Xantophyll schützt die Makula
einerseits durch die Absorption kurzwelliger energiereicher Strahlung
und andererseits durch seine Fähigkeit, freie Radikale
zu binden. Eine geringe Konzentration von Xantophyll in der Makula
kann deshalb als ein möglicher Risikofaktor für
die Erkrankung an altersbedingter Makuladegeneration (AMD) gelten
(vgl. hierzu auch M. Hammer, D. Schweitzer, L. Leistritz: "Bestimmung
der Konzentrationsverteilung des Makulapigmentes aus Reflexions-
und Fluoreszenzaufnahmen", Ophthalmologe 2003-100; 611-617).
In dem Moment, in dem beim erfindungsgemäßen Verfahren
folglich eine Intensitätsmessung im gelben Spektralbereich
des Makulagelbs stattfindet, kann der gemessene Intensitätswert
mit demjenigen einer gesunden Makula verglichen werden. Sollte der
gemessene Intensitätswert geringer sein als derjenige, der
einer gesunden Makula entspricht, kann hieraus auf eine Makuladegeneration
geschlossen werden. In diesem Fall würde folglich das Unterschreiten
der gemessenen Intensität im gelben Spektralbereich des
Makulagelbs unter einen vorbestimmten Schwellenwert ein Signal erzeugen,
das eine Änderung, in diesem Fall verursacht aufgrund einer
krankhaften Makuladegeneration, der spektralen Intensitätsverteilung
des sekundären Lichtes signalisiert. Des weiteren kann
aber auch in diesem Fall das erfindungsgemäße
Verfahren zum Schutz der (krankheitsbedingt veränderten)
Makula weiter eingesetzt werden, indem ein Überschreiben
eines weiteren Schwellenwerts, der nunmehr abhängig von
der geringeren Intensität des Makulareflexes vorbestimmt
wird, eine Beleuchtung der (degenerativ erkrankten) Makula anzeigt.
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Ein
erfindungsgemäßes Operationsmikroskop mit einer
Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von primärem Licht
zur Beleuchtung eines abzubildenden Objektes, das auch von aus Streuung des
primären Lichtes hervorgehendem sekundären Licht
beleuchtet wird, ist gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung zur
Messung der Lichtintensität bezüglich zumindest
einer Wellenlänge (oder eines Wellenlängenbereichs)
des aus Streuung des primären Lichtes hervorgehenden sekundären
Lichts, weiterhin durch eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung
der gemessenen Lichtintensität mittels eines Schwellenwertvergleichs,
wobei abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs ein Signal
erzeugt werden kann, das eine Ände rung der spektralen Intensitätsverteilung
des sekundären Lichts signalisiert.
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Ein
solches Operationsmikroskop kann als Vorrichtung zur Erkennung einer
Makuladegeneration verwendet werden. Zu näheren Erläuterungen hierzu
sei auf das oben, im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren Erläuterte verwiesen. Voraussetzung für
diese Verwendung ist, dass die genannte Messeinrichtung eine Lichtintensität
im gelben Spektrum des Makulagelbs misst, dass bezüglich
der gesunden Makula ein (erster) Schwellenwert festgelegt wird,
und dass bei Unterschreiten dieses (ersten) Schwellenwerts ein Signal
erzeugt wird, das auf eine mögliche (altersbedingte) Makuladegeneration
hinweist.
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Unabhängig
von oder zusätzlich zu dieser beschriebenen Anwendung kann
das erfindungsgemäße Operationsmikroskop auch
zum Schutz eines beleuchteten Bereichs eingesetzt werden. Hierzu weist
das erfindungsgemäße Operationsmikroskop eine
Schutzeinrichtung zur Auslösung eines Schutzmechanismus
für beleuchtete Bereiche in Abhängigkeit von dem
genannten Signal bzw. vom Vorhandensein eines solchen Signals auf.
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Soll
eine bereits degenerativ erkrankte Makula von Beleuchtung geschützt
werden, ist der zu wählende Schwellenwert selbstverständlich
entsprechend niedriger anzusetzen als bei einer gesunden Makula.
Ein Überschreiten des (niedrigeren) Schwellenwerts kann
dann als Indiz dafür verwendet werden, dass die (erkrankte)
Makula beleuchtet wird, was in Folge zur Auslösung des
besagten Schutzmechanismus führt.
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Mit
einem derartigen Operationsmikroskop kann ein erfindungsgemäßes
Verfahren besonders gut umgesetzt werden. Bei spielsweise kann bei
einer Erzeugung des genannten Signals durch die Auswerteeinrichtung
die Schutzeinrichtung zur Auslösung eines Schutzmechanismus
angesteuert werden. Durch Erzeugung des genannten Signals können
somit wirksame Maßnahmen ergriffen werden, um eine unerwünschte
Bestrahlung eines (zu schützenden) Bereichs zu verhindern,
aus dem sekundäre Strahlung durch Streuung von zur Objektbeleuchtung
verwendetem Licht erzeugt wird.
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Im
Folgenden seien Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Operationsmikroskops
gemeinsam erläutert. In den Unteransprüchen geschilderte
Ausgestaltungen des Verfahrens können sich also in entsprechenden
Ausgestaltungen des Operationsmikroskops niederschlagen und umgekehrt.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Erfindung
nicht nur in der hier und im Folgenden dargestellten Kombination,
sondern auch in anderen Kombinationen und – soweit sinnvoll – auch
in Alleinstellung eingesetzt werden können. In Kombination
miteinander beschriebene Merkmale können somit auch voneinander
getrennt für die Erfindung verwendet werden.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn als primäres Licht Weißlicht
verwendet wird, wenn also eine Weißlichtquelle zur Erzeugung
von primärem Licht in der Beleuchtungseinrichtung eingesetzt
wird. Eine Weißlichtbeleuchtung des mit einem Mikroskop
abzubildenden Objekts ist für die Farbneutralität
des Beobachtungsbildes sowie für die Detailerkennbarkeit
für den Anwender günstiger als die Beleuchtung eines
Objekts mit einer bestimmten Wellenlänge, wie etwa in der
in der Beschreibungseinleitung diskutierten
US 2004/0227989 A1 zum
Schutz der Retina vorgeschlagen.
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Da
das sekundäre Licht aus Streuung des primären
Lichts hervorgeht, ist das Spektrum des sekundären Lichts
in aller Regel (abgesehen von physikalischen Sonderfällen,
die bei Anwendungen in der Ophtalmologie keine Rolle spielen) im
Spektrum des primären Lichts enthalten. Es ist von Vorteil,
wenn die spektrale Intensitätsverteilung des primären
Lichts breitbandiger als diejenige des sekundären Lichts gewählt
wird, insbesondere um im sichtbaren Spektralbereich mehrere Farben
abzudecken. Besonders günstig ist die bereits erwähnte
Verwendung von Weißlicht.
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Wie
bereits erwähnt, ist die Anwendung der Erfindung in Fällen
günstig, in denen als abzubildendes Objekt der vordere
Augenteil, insbesondere der hintere Teil des Linsenkapselsacks,
verwendet wird. Als sekundäres Licht wird dann von der
Netzhaut (Retina) des Auges reflektiertes bzw. zurückgestreutes
Licht verwendet. Wie ebenfalls bereits erwähnt, ist es
vorteilhaft, eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich
entweder im roten oder im gelben Spektralbereich zur Intensitätsmessung
heranzuziehen. Erfindungsgemäß wird in diesem
Fall der Übergang von Retina zu Makula durch ein Überschreiten der
Intensität über einen vorbestimmten Schwellenwert
im gelben Spektralbereich oder durch ein Unterschreiten der gemessenen
Intensität unter einen vorbestimmten Schwellenwert im roten
Spektralbereich signalisiert.
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In
dem betrachten Anwendungsfall besteht die Lichtintensitätsmessung
darin, dass insbesondere das gelbe und/oder das rote reflektierte
Licht in seiner Intensität gemessen wird. Hierfür
reicht im einfachen Fall schon ein entsprechender Sensor mit einem
Filter mit entsprechender Bandbreite aus. Andererseits kann hierfür
auch ein Spektrometer oder ein Farbtemperaturmessgerät
eingesetzt werden. Mittels dieser Geräte kann eine Spektralanalyse
vorgenommen werden, die jedoch im Vergleich zum Einsatz eines Sensors
mit Filter technisch aufwendiger und teuerer ist.
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Prinzipiell
kann die Diskriminierung von Bereichen, aus denen sekundäres
Licht hervorgeht, auch dadurch erfolgen, dass – um beim
bereits beschriebenen Anwendungsfall zu bleiben – zunächst die
spektrale Intensitätsverteilung des ”Red Reflex” aufgenommen
und geeignet abgespeichert wird, woraufhin während der
mikroskopischen Untersuchung – vorzugsweise kontinuierlich – die
spektrale Intensitätsverteilung des sekundären
Lichts erfasst wird. Ein Differenzspektrum des abgespeicherten und
des (laufend) erfassten Spektrums wird erst dann deutliche Abweichungen
von Null (also Differenzmaxima) ergeben, wenn die Makula getroffen
ist, also anstelle eines ”Red Reflex” ein ”Yellow
Reflex” vorliegt. In diesem Fall würde also die
Intensität des sekundären Lichts über
einen Wellenlängenbereich, der den gelben Spektralbereich
enthält, (laufend) gemessen werden und bei Überschreiten
des hieraus abgeleiteten Differenzspektrums über einen
vorbestimmten Schwellenwert im gelben Spektralbereich das genannte
Signal erzeugt werden, das einen Wechsel in der Beschaffenheit des
beleuchteten Bereichs signalisiert und somit geeignete Schutzmechanismen
auslösen kann. Je nach Beschaffenheit der Intensitätsverteilungen
in den interessierenden Bereichen wird der Fachmann eine passende
Diskriminierung vornehmen. Sind die Unterschiede, wie im betrachteten Fall
der Retina und Makula, in den spektralen Intensitätsverteilungen
ausreichend groß, so kann der einfache Fall zur Anwendung
kommen, lediglich bei einer Wellenlänge (oder in einem
schmalen Wellenlängenbereich) die Intensität zu
messen und diese (direkt) mit einem Schwellenwert zu vergleichen.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt es, bestimmte Bereiche, die im oben
genannten Sinne ”Hintergrundstrahlung” produzieren,
von der Beleuchtung auszunehmen oder sie vor zu hoher Beleuchtungsintensität
zu schützen. Hierzu ist sinnvollerweise ein Schutzmechanismus
vorgesehen, der abhängig vom Ergebnis des oben beschriebenen
Schwellenwertvergleichs ausgelöst werden kann.
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Dementsprechend
lässt sich das vorliegende Verfahren, bei dem zur Erzeugung
von sekundärem Licht einer zweiten spektralen Intensitätsverteilung ein
erster Bereich mit primärem Licht einer ersten spektralen
Intensitätsverteilung beleuchtet wird, zum Schutz eines
zweiten Bereichs verwenden, der sekundäres Licht einer
dritten, von der zweiten spektralen Intensitätsverteilung
unterschiedlichen spektralen Intensitätsverteilung erzeugt.
Hierbei wird das durch Schwellenwertvergleich erzeugte Signal zur
Ansteuerung eines Schutzmechanismus verwendet, der besagten zweiten
Bereich vor weiterer Beleuchtung schützt. Vorzugsweise
sind bei der zweiten und der dritten spektralen Intensitätsverteilung
des sekundären Lichts unterschiedliche Intensitätsmaximavorhanden
und (zumindest) ein solches Intensitätsmaximum (bzw. die
zugeordnete Wellenlänge) wird zur Intensitätsmessung
im Sinne des oben geschilderten Verfahrens verwendet.
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Wie
bereits oben ausgeführt, ist es vorteilhaft, ein Intensitätsmaximum
der dritten spektralen Intensitätsverteilung des sekundären
Lichts aus dem zweiten, zu schützenden Bereich zur Intensitätsmessung
zu verwenden (Beispiel der gelbe Wellenlänge der Makula),
wobei ein Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts
das Signal zur Ansteuerung eines Schutzmechanismus erzeugt. Umgekehrt kann
es vorteilhaft sein, ein Intensitätsmaximum der zweiten
spektralen Intensitätsverteilung des sekundären
Lichts aus dem ersten Bereich zur Intensitätsmessung zu
verwenden (Beispiel der roten Wellenlänge aus der übrigen
Retina), wobei dann ein Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts
das Signal zur Ansteuerung eines Schutzmechanismus erzeugt.
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Als
Schutzmechanismen können ein oder mehrere der im folgenden
genannten Ereignisse dienen: Betätigen einer Schutzblende
oder eines Schutzfilters, Verstellen von Linsen und/oder Prismen
oder Umlenkelementen, wobei die genannten optischen Elemente in
Ausbreitungsrichtung des primären Lichtes angeordnet sind
oder bei entsprechender Betätigung des optischen Elements
in Ausbreitungsrichtung des primären Lichts angeordnet werden
können. Im Einzelnen: Eine Schutzblende kann an einem zur
Objektebene konjugierten Ort in der Beleuchtungseinrichtung in den
primären Beleuchtungsstrahlengang eingeschwenkt werden,
wie beispielsweise in der in der Beschreibungseinleitung diskutierten
US 4,715,704 vorgeschlagen
ist. Anstelle einer Schutzblende kann ein Schutzfilter vorgesehen
sein, der dasjenige Licht aus dem primären Licht ausfiltert,
das im unerwünschten Bereich (z. B. Makula) absorbiert
wird und dort thermische und/oder phototoxische Schäden
anrichten kann. Zum Schutz der Makula würde also ein Schutzfilter
eingesetzt werden, der für Licht außerhalb des
gelben Wellenlängenbereichs opak (undurchlässig)
ist. Auch elektrooptische Beleuchtungsänderungen können
hierzu eingesetzt werden. Durch Verstellen von Linsen oder Prismen,
insbesondere Umlenkprismen oder allgemeiner Umlenkelementen, innerhalb
der Beleuch tungseinrichtung, die in Ausbreitungsrichtung des primären
Lichtes angeordnet sind, kann der primäre Beleuchtungsstrahlengang
in seiner Richtung verändert werden, so dass der für
einen ”Red Reflex” notwendige Beleuchtungswinkel
nicht mehr eingehalten wird. Auf diese Weise kann insgesamt die
Streuung des primären Lichts verhindert werden, so dass gleichzeitig
eine Beleuchtung des unerwünschten Bereichs (Makula) unterbunden
ist.
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Andererseits
kann der genannte Schutzmechanismus ein oder mehrere Maßnahmen
aus einer Gruppe umfassen, die gebildet ist durch Verringerung der
Intensität des primären Lichtes und durch Erzeugung
eines hörbaren und/oder sichtbaren Signals, insbesondere
zur Dateneinspiegelung. Durch Verringerung der Intensität
des primären Lichtes kann die Beleuchtung des unerwünschten
Bereichs (beispielsweise Makula) auf ein unbedenkliches Maß zurückgefahren
werden. Hörbare und/oder sichtbare Signale zeigen dem Anwender
(beispielsweise Chirurg) an, dass er den unerwünschten
Bereich (Makula) beleuchtet, so dass der Anwender selbst geeignete
Maßnahmen zur Abhilfe treffen kann. Bei Operationsmikroskopen
ist eine Dateneinspiegelung, etwa ein sichtbares Warnsignal im Gesichtsfeld
des Chirurgen, sinnvoll.
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Die
Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnungen zusammen
mit ihren Vorteilen und Ausgestaltungen im folgenden näher
erläutert werden.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines für die Erfindung geeigneten
Operationsmikroskops und
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2 Transmissions-,
Absorptions- und Reflexionskurven für den ”Red
Reflex” der Netzhaut eines menschlichen Auges.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Stereomikroskop, wie es insbesondere
für die Ophthalmologie geeignet ist. Aufbau und Funktionsweise eines
solchen Stereomikroskops sind ausführlich in der
DE 102 55 960 A1 und
der hierzu korrespondierenden
US 7 206 127 B2 geschildert. Auf diese Schilderungen
sei hier ausdrücklich vollumfänglich verwiesen.
Um Wiederholungen zu vermeiden und um das Verständnis zu
erleichtern, werden im folgenden nur die wesentlichen Gesichtspunkte
des dargestellten Stereomikroskops sowie für vorliegende
Erfindung relevante Punkte im einzelnen dargelegt.
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Das
Stereomikroskop 1 weist als wesentliche optische Komponenten
ein Hauptobjektiv 2, ein liegendes oder horizontales Zoomsystem 7 und
ein (nicht dargestelltes) Okularsystem auf. Zwischen dem Hauptobjektiv 2 und
dem Zoomsystem 7 ist ein erstes Umlenkelement 5 vorhanden.
Hinter dem Zoomsystem 7 sind weitere Umlenkelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 9, 10 sowie
optische Zusatzkomponenten 8a, 8b, 8c vorgesehen.
Dieser Aufbau mit liegendem Zoomsystem 7 erlaubt eine niedrige
Bauhöhe, wie sie insbesondere für Operationsmikroskope
(etwa in der Ophthalmologie) von entscheidendem Vorteil ist.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 3 leitet über ein Faserkabel 4 bereitgestelltes
Licht über ein Umlenkelement 3a auf das zu beobachtende
Objekt 16, wobei der Beleuchtungsstrahlengang in diesem
Fall über das Hauptobjektiv 2 geleitet wird. Die Hauptachse
der Beleuchtungseinrichtung 3 ist mit 12 bezeichnet.
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Im
dargestellten Fall weist das Zoomsystem 7 jeweils zwei
Beobachtungskanäle für den Hauptbeobachter sowie
für den Assistenten auf. Entsprechend wird das Hauptobjektiv 2 in
vertikaler Richtung von zwei Haupt-Beobachtungsstrahlenbüscheln 20a, 20b sowie
von zwei Assistenten-Beobachtungsstrahlenbüscheln 20c, 20d durchsetzt,
welche nach Umlenkung durch das Umlenkelement 5 in die
entsprechenden Beobachtungskanäle des Zoomsystems 7 eintreten. 27 bezeichnet
die Mittelachse des Zoomsystems 7.
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Die
genannten Beobachtungsstrahlenbüschel werden durch die
genannten weiteren Umlenkelemente 6a bis 6e weiter
vertikal oder horizontal abgelenkt, wobei ein Teil der genannten
Umlenkelemente als Strahlenteiler ausgebildet sein können, wodurch
die mit 15, 18 und 17 bezeichneten Beobachtungsachsen
realisierbar sind. Die wesentlichen Beobachtungsachsen sind in 1 mit 14 und 23 bezeichnet
und werden für den Hauptbeobachter 21 bzw. den
Assistentenbeobachter 22 genutzt. Die für die
Beobachtung notwendigen Binokulartuben einschließlich Okulare
sind der Übersicht halber nicht in 1 eingezeichnet.
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Die
mittels Umlenkelement 6b in die horizontale umgelenkten
Strahlenbüschel 20a bis 20d treffen auf
das Umlenkelement 9, das derart ausgebildet ist, dass es
lediglich die Strahlenbüschel 20c, 20d auf die
Assistenten-Beobachtungsachse 23 umlenkt, während
die Strahlenbüschel 20a, 20b das Umlenkelement 9 passieren
und auf das weitere Umlenkelement 6d treffen. Von dort
gelangen die Strahlenbüschel 20a, 20b über
das Umlenkelement 6e auf die Beobachtungsachse 14 für den
Hauptbeobachter 21. Die Beobachtungsachse 14 zeichnet
sich durch einen besonders geringen vertikalen Abstand zu dem zu
beobachtenden Objekt 16 aus.
-
In
einer besonderen Ausführungsform ist das Umlenkelement 10 um
die Achse 31 verdrehbar und kann zusätzlich oder
alternativ um die Achse 13 drehbar sein. Zu dieser und
zu weiteren Ausgestaltungen des dargestellten Stereomikroskops sei
nochmals ausdrücklich auf die eingangs erwähnten
Druckschriften verwiesen.
-
11 bezeichnet
in 1 die Symmetrieachse des Hauptobjektivs 2,
bei den genannten optischen Zusatzkomponenten 8a bis 8c kann
es sich um Filter, Laser-Shutter, optische Teiler, Dateneinspiegelungen oder ähnliches
handeln. Weiterhin kommen Blenden, Displays und Ähnliches
in Frage. Dem Fachmann sind geeignete und gängige Zusatzkomponenten
bekannt.
-
Das
in 1 gezeigte, insbesondere für die Ophthalmologie
geeignete Operationsmikroskop 1 kann zu Operationszwecken
am Auge mit der so genannten ”Red Reflex” Beleuchtung,
wie in der Beschreibungseinleitung ausführlich dargelegt,
verwendet werden. Um die Makula des Auges vor schädlicher
Beleuchtung zu schützen oder auch um degenerative Makulaerkrankungen
feststellen zu können, werden vorteilhafterweise an dem
Operationsmikroskop 1 folgende Ausgestaltungen und Modifikationen vorgenommen:
Als
Messeinrichtung zur Messung der Lichtintensität bezüglich
zumindest einer Wellenlänge dient ein hier in der Peripherie
des Umlenkelements 5 angeordneter Sensor 100 mit
für die zu messende Wellenlänge geeignetem Filter
mit einer nachgeschalteten Einrichtung 101 zur Signalanalyse.
Bei dem abzubildenden und beleuchteten Objekt 16 handelt
es sich insbesondere um den hinteren Teil des Linsenkapselsacks
des Auges. Das von der Beleuchtungseinrichtung 3 abgegebene
primäre Licht wird von der Netzhaut (Retina) des Auges
als sekundäres Licht reflektiert bzw. zurückgestreut.
Dieses sekundäre Licht erzeugt gleichsam eine zusätzliche
Beleuchtung des Objekts 16 von unten. Gewollt ist eine
zusätzliche Beleuchtung im roten Wellenlängenbereich,
während eine Beleuchtung im gelben Wellenlängenbereich darauf
hinweist, dass die Makula des Auges getroffen ist, die vor Beleuchtung
zu schützen ist.
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Wie
bereits mehrfach ausgeführt, kann im vorliegenden Anwendungsfall
eine Wellenlänge (oder ein Wellenlängenbereich)
im gelben oder im roten Spektralbereich gemessen werden. Das von
der Signalanalyseeinheit 101 aufbereitete Sensorsignal wird
einer nachgeschalteten Einheit zur Signalverarbeitung, der Auswerteeinrichtung 102,
zugeführt. Die gemessene spektrale Lichtintensität
wird hier mittels eines Schwellenwertvergleichs ausgewertet, wobei abhängig
vom Ergebnis dieses Vergleichs ein Signal erzeugt werden kann.
-
Wird
beispielsweise im gelben Wellenlängenbereich, d. h. im
Bereich von etwa 560 bis 590 nm, gemessen, so sollte sich ein relativ
geringer Reflexionsgrad ergeben, solange die Retina des Auges beleuchtet
wird. Im Falle einer (unbeabsichtigten) Beleuchtung der Makula würde
die Intensität des reflektierten Lichts im gelben Spektralbereich
abrupt ansteigen. Durch geeignete Festlegung eines Schwellenwerts
kann also ein Wechsel der Beleuchtung von Retina zu Makula detektiert
werden, wenn die gemessene Lichtintensität den Schwellenwert übersteigt.
Durch Abgabe eines Signals von der Auswerteinrichtung 102 an
eine Steuereinheit 103 können Maßnahmen
zum Schutz der beleuchteten Makula getroffen werden.
-
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Schutzeinrichtung
die genannte Steuereinheit 103 sowie eine Steuereinheit 104 und
eine Lichtquellenregelung/-steuerung 105 als Schutzmechanismen.
Die Steuereinheit 104 kann beispielsweise Prismen und/oder
Linsen in der Beleuchtungseinrichtung 3 verstellen und/oder
Filter und/oder Shutter betätigen, um die Intensität
des primären Lichts herabzusetzen bzw. die Frequenz des
primären Lichts so zu ändern, dass die Beleuchtung
der Makula keine schädigende Wirkung hat. Zusätzlich
oder alternativ kann als Schutzmechanismus eine Lichtquellensteuerung 105 vorgesehen
sein, die ebenfalls von der Steuereinheit 103 angesteuert
wird. Die Lichtquellensteuerung 105 wirkt auf die Lichtquelle 110 und
senkt beispielsweise die Versorgungsspannung der Lichtquelle 110 so
ab, dass die Intensität des primären Lichts auf
einen für die Makula unschädlichen Wert herabgesenkt
wird.
-
Es
ist zweckmäßig, parallel eine externe Schutzsignaleinrichtung 106 vorzusehen,
die zusätzlich zu den erwähnten Schutzmechanismen
visuelle und/oder akustische Signale abgibt, um zu signalisieren,
dass der zu schützende Bereich der Makula getroffen wurde.
-
2 zeigt
in schematischer Ansicht eine Transmissionskurve des Augenkörpers
bis zur Retina und eine Absorptionskurve für die Retina,
aufgetragen in Prozentwerten (”percent”) über
einen Wellenlängenbereich (”Wavelength”)
von 0,2 bis 1,5 μm. Es ist hieraus ersichtlich, dass die
maximale Absorption im blauen bis grünen Spektralbereich
er folgt. Im orangen bis roten Wellenlängenbereich und darüber hinaus
besteht ein hoher Transmissionsgrad. Die Darstellung ist dem Buch "Safety
with Lasers and Other Optical Sources von David Sliney und Myron Wolbarsht,
Plenum Press, 1980, S. 89, entnommen. In diese Darstellung
eingezeichnet ist eine Reflexionskurve. Die Reflexion steigt vom
blauen über den grünen, gelben und
orangen
Spektralbereich bis hin zum roten Spektralbereich kontinuierlich
an. Hieraus erklärt sich der so genannte ”Red
Reflex”. Die Makula besitzt hingegen ihr Reflexionsmaximum
im gelben Wellenlängenbereich zwischen 560 und 590 nm.
-
- 1
- Stereomikroskop,
Operationsmikroskop
- 2
- Hauptobjektiv
- 3
- Beleuchtungseinrichtung
- 3a
- Umlenkelement
- 4
- Faserkabel
- 5
- Umlenkelement
- 6a–6e
- Umlenkelement
- 7
- Zoomsystem
- 8a–8c
- optische
Zusatzkomponente
- 9
- Umlenkelement
- 10
- Umlenkelement
- 11
- Symmetrieachse
des Hauptobjektivs
- 12
- Hauptachse
- 13
- Drehachse
- 14,
15, 18, 17, 23
- Beobachtungsachsen
- 16
- Objekt
- 20a,
20b
- Haupt-Beobachtungsstrahlenbüschel
- 20c,
20d
- Assistenten-Beobachtungsbüschel
- 21
- Hauptbeobachter
- 22
- Assistentenbeobachter
- 27
- Mittelachse
des Zoomsystems
- 31
- Drehachse
- 100
- Sensor
- 101
- Einheit
für Signalanalyse
- 102
- Einheit
für Signalverarbeitung, Auswerteeinrichtung
- 103
- Steuereinheit
- 104
- Steuereinheit
für Prismen-/Linsenverstellung oder Filter-/Shutterbetätigung
- 105
- Lichtquellenregelung/-steuerung
- 106
- externe
Schutzsignaleinrichtung
- 110
- Lichtquelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2004/0227989
A1 [0007, 0026]
- - US 6914721 B2 [0008]
- - US 4715704 [0011, 0034]
- - DE 10341521 A1 [0013]
- - DE 10341285 A1 [0014]
- - DE 10255960 A1 [0040]
- - US 7206127 B2 [0040]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. Hammer,
D. Schweitzer, L. Leistritz: ”Bestimmung der Konzentrationsverteilung
des Makulapigmentes aus Reflexions- und Fluoreszenzaufnahmen”,
Ophthalmologe 2003-100; 611-617 [0019]
- - ”Safety with Lasers and Other Optical Sources von
David Sliney und Myron Wolbarsht, Plenum Press, 1980, S. 89 [0053]