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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich, insbesondere in einem Gehirngewebebereich. Daneben betrifft die Erfindung ein Operationsmikroskop.
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Bei Tumoroperationen im Gehirn mit Tumoren in der Nähe eloquenter Gehirnareale, d. h. funktionstragender Gehirnareale, beispielsweise in der Nähe des Motorkortex, in der Nähe von senso-motorischen Zentren, in der Nähe des Sprachzentrums, etc., steht der behandelnde Chirurg in Konflikt zwischen der Radikalität der Tumorentfernung und der Erhaltung von funktionstragendem Gehirngewebe und damit der Optimierung der postoperativen Lebensqualität für den Patienten. Ein möglichst genaues Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale ist dabei von großer Bedeutung.
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Typische Verfahren zum Auffinden funktionstragender Gehirnareale basieren heute auf der elektrophysiologischen Detektion dieser Areale, zum Beispiel mittels elektrischer Stimulation von bestimmten Skelettmuskeln (beispielsweise der Wade) und einer Potentialmessung auf der Hirnoberfläche durch aufgelegte Elektroden. Es handelt sich hierbei also um ein Kontaktverfahren. Derartige Kontaktverfahren bringen jedoch Beschränkungen mit sich, die die Anwendungsmöglichkeiten begrenzen. Beispielsweise bestimmen die minimal mögliche Größe der Elektroden und der minimal mögliche Elektrodenabstand die Auflösung beim Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale. Eine hochauflösende Darstellung funktionstragender Gewebeareale ist damit nicht möglich. Weiterhin sind mit einem Kontaktverfahren unweigerlich Risiken verbunden, die aus der Kontaktierung des Gewebes mit einem gewebefremden Gegenstand resultieren.
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Um die Nachteile der beschriebenen Kontaktverfahren zu überwinden, wird beispielsweise in
US 6,196,226 B1 oder in
US 5,215,095 A vorgeschlagen, funktionstragende Gehirnareale mittels einer optischen Abbildung darzustellen. In den in diesen Dokumenten beschriebenen Verfahren erfolgt eine Aufnahme des Gewebebereiches während einer Stimulation, welche zu einer Änderung der physiologischen Eigenschaften der funktionstragenden Areale führen. Die Änderung in den physiologischen Eigenschaften führt wiederum zu einer Änderung in den optischen Eigenschaften von reflektiertem Licht. Zum Darstellen der funktionstragenden Areale wird daher die Differenz eines während der Stimulation aufgenommenen Stimulationsbildes und eines ohne Stimulation aufgenommenen Vergleichsbildes gebildet und die funktionstragenden Areale anhand der Differenz aufgefunden. Außerdem ist bekannt, dass eine 3D-Rekonstruktion eines Gewebebereiches erfolgen kann, in der ein Differenzbild aus einer Aufnahme mit Stimulation und einer Aufnahme ohne Stimulation mit 3D-Daten überlagert wird, die aus einem zuvor aufgenommenen MRI-Datensatz gewonnen wurden. Diese Art der Darstellung soll dem Arzt das korrekte Lokalisieren eines funktionstragenden Bereiches erleichtern.
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Die in den genannten Dokumenten beschriebenen optischen Abbildungsverfahren sind jedoch äußerst schwierig durchzuführen, da die mit den funktionalen Stimulationen verbundenen Änderungen im reflektierten Licht intensitätsschwach sind. Um verwertbare Bilder zu erhalten, werden in den eingangs beschriebenen Verfahren daher in der Regel eine Vielzahl Bilder mit und ohne Stimulation aufgenommen und eine Mittelung aus allen Bildern mit Stimulation sowie eine Mittelung aus allen Bildern ohne Stimulation durchgeführt, bevor das Differenzbild gebildet wird. Außerdem finden in der Regel teure Monochrome (CCD-Kameras) mit hoher Graustufenauflösung (24 Bit) und relativ langen Integrationszeiten Verwendung. Das Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen ist damit relativ zeitaufwendig, was insbesondere dann von Nachteil ist, wenn damit eine Verlängerung der Operationsdauer erfolgt.
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Insgesamt ist es daher sehr schwierig mit den beschriebenen optischen Abbildungsverfahren kontraststarke Abbildungen funktionstragender Bereiche in kurzer Zeit zu erzeugen.
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Aus
DE 195 27 446 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Oberflächenprüfung von Werkstücken bekannt, in dem zusätzlich zum Intensitätsverlauf eines mit behafteten behalten zu prüfenden Werkstücks der Intensitätsverlauf eines fehlerfreien Werkstücks aufgenommen wird. Aus dem Intensitätsverlauf des fehlerfreien Werkstücks, der beim Prüfen ein Hintergrundsignal für den durch die Risse verursachten Intensitätsverlauf darstellt, kann dann das Hintergrundsignal in dem durch die Risse verursachten Intensitätsverlauf eliminiert werden.
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Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann es daher angesehen werden, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich zur Verfügung zu stellen.
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Außerdem kann es als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein vorteilhaftes Operationsmikroskop zur Verfügung zu stellen.
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Die erste Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 8 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Operationsmikroskop nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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In dem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommenden Verfahren zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich, insbesondere von eloquentem Gehirngewebe in einem Gehirngewebebereich, werden Bilder des Gewebebereiches mit und ohne Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale aufgenommen. Dabei umfasst die Beleuchtung des Gewebebereiches eine Messbeleuchtung mit wenigstens einer Wellenlänge, bei der die Stimulation in den funktionstragenden Gewebebereichen zu einer Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung gegenüber der ursprünglichen Messbeleuchtung führt. Anhand der Änderung der mindestens einen optischen Eigenschaft werden dann die funktionstragenden Gewebeareale aufgefunden, indem der Unterschied eines während der Stimulation gewonnen Stimulationsbildes des Gewebebereiches zu einem ohne Stimulation gewonnen Vergleichsbild des Gewebebereiches ermittelt wird. Als optische Eigenschaft, anhand deren Änderung die funktionstragenden Gewebeareale aufgefunden werden, können hierbei eine Vielzahl unterschiedlicher optischer Eigenschaften Verwendung finden. Beispielsweise kann eine Änderung in der Intensität (etwa aufgrund von Absorptionsänderungen) eine Änderung in der Wellenlänge des reflektierten Messlichtes, eine Änderung in der Intensitätsverteilung, (etwa aufgrund von Streuprozessen), eine Änderung der Polarisation, etc. gegenüber dem ursprünglichen Messlicht genutzt werden.
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Wenn im Rahmen dieser Beschreibung von einer Wellenlänge die Rede ist, soll darunter insbesondere auch eine schmale Linie, also ein sich um eine zentrale Wellenlänge erstreckender schmaler Wellenlängenbereich zu verstehen sein, wobei die Messbeleuchtung insbesondere wenigstens eine Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich und/oder wenigstens eine Wellenlänge aus dem infraroten Spektralbereich und/oder wenigstens eine Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich umfassen kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird mit Stimulation und/oder ohne Stimulation jeweils wenigstens ein Bild des Gewebebereichs mit Messbeleuchtung und wenigstens ein Bild des Gewebebereichs ohne Messbeleuchtung aufgenommen. Das während der Stimulation gewonnen Stimulationsbild des Gewebebereichs wird dann aus der Differenz aus wenigstens einem mit der Messbeleuchtung aufgenommenen Bild und wenigstens einem ohne die Messbeleuchtung aufgenommenen Bild gebildet und/oder das ohne Stimulation gewonnene Vergleichsbild wird aus der Differenz aus wenigstens einem mit der Messbeleuchtung aufgenommenem Bild und wenigstens einem ohne die Messbeleuchtung aufgenommenem Bild gebildet.
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Dadurch, dass während der Stimulation (oder ohne Stimulation) sowohl wenigstens ein Bild mit Messbeleuchtung, als auch wenigstens ein Bild ohne Messbeleuchtung aufgenommen wird, erhält man zusätzlich zu der Information über die funktionstragenden Gewebeareale auch eine Information darüber, welchen Einfluss die sonstige Beleuchtung auf das mit der Messbeleuchtung aufgenommene Bild hat. So findet während der Aufnahme des Bildes mit dem Messlicht in der Regel auch eine Hintergrundbeleuchtung statt, die dem Arzt das Betrachten des Gewebebereichs ermöglicht. Außerdem trifft auch Streulicht aus nicht unmittelbar zum Beleuchten des Gewebebereichs vorgesehenen Lichtquellen auf den Gewebebereich auf und wird von diesem reflektiert. Durch die Bildung der Differenz aus während der Stimulation mit Messlicht aufgenommenem Bild und während der Stimulation ohne Messlicht aufgenommenem Bild können diese Umgebungseinflüsse aus dem mit Messlicht aufgenommenem Bild eliminiert oder zumindest verringert werden, was den Kontrast des zum Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale herangezogenen Stimulationsbildes erhöht. Das Eliminieren bzw. Vermindern der Umgebungseinflüsse funktioniert umso besser, je mehr sich das Messlicht in seiner spektralen Verteilung vom Umgebungslicht unterscheidet. Besonders geeignet ist eine monochrome Beleuchtung oder eine Beleuchtung mit nur wenigen Wellenlängenkomponenten.
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Insbesondere kann im Rahmen des ersten Aspekts die Messbeleuchtung gepulst erfolgen. Hierbei können die Pulse insbesondere mit einer Frequenz abgegeben werden, die das menschliche Auge nicht auflösen kann, so dass der Arzt durch die gepulste Messbeleuchtung nicht gestört wird. Zum Aufnehmen der Bilder des Gewebebereichs werden dann Bilder des Gewebebereichs während der Messbeleuchtungspulse und zwischen den Messbeleuchtungspulsen aufgenommen. Diese Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, die Umgebungseinflüsse immer unmittelbar vor oder nach dem Aufnehmen eines Bildes mit Messlicht bestimmen zu können, so dass auch schnell variierende Umgebungseinflüsse berücksichtigt werden können. In dieser Ausgestaltung kann zudem die Aufnahme der Bilder mit einer Aufnahmefrequenz erfolgen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz der Messbeleuchtung ist. Auf diese Weise wird eine derartige Synchronisierung von Kamera und Messbeleuchtung erleichtert, dass jeweils auf eine Aufnahme mit Messbeleuchtung eine Aufnahme ohne Messbeleuchtung erfolgt.
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Außerdem kann auch die Stimulation mit einer Stimulationspulsfrequenz gepulst erfolgen. Typischerweise wechseln sich Stimulationsphasen und Phasen ohne Stimulation mehrmals hintereinander ab und dauern ca. 30 Sekunden, mindestens aber so lange, dass sich der zu messende Effekt einstellen kann bzw. der zu messende Effekt abklingen kann. Die Dynamik des Einstellens und Abklingens liegt im Bereich zwischen einer Sekunde uns zehn Sekunden. Um hinreichende Integrationszeiten zu erreichen, wird typischerweise länger gemessen. Wenn die Stimulation gepulst erfolgt, ist die Pulsfrequenz der Messbeleuchtung vorteilhafterweise ein großes ganzzahliges Vielfaches der Stimulationspulsfrequenz. Die Steuerung erfolgt dabei mittels einer Steuervorrichtung vorzugsweise so, dass während einer Stimulationsphase und während einer Phase ohne Stimulation jeweils die gleiche Anzahl von Bildern aufgenommen wird.
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Im Rahmen des ersten Aspekts kann neben der Messbeleuchtung auch eine kontinuierliche Beleuchtung des Gewebebereichs mit breitbandigem Licht erfolgen, beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung für einen behandelnden Arzt. Die Bilder des Gewebebereichs ohne Messbeleuchtung werden dann mit der kontinuierlichen Beleuchtung des Gewebebereichs ausgenommen. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht es, zum Erzeugen der Messbeleuchtung, insbesondere zum Erzeugen von Messbeleuchtungspulsen einen Filter zu verwenden, der die wenigstens eine Wellenlänge der Messbeleuchtung aus dem breitbandigem Beleuchtungslicht herausfiltert. Der Filter ist dann in den Beleuchtungsstrahlengang eingeschoben, wenn keine Messbeleuchtung erfolgen soll. Mit anderen Worten, die als Messbeleuchtung verwendete Wellenlänge, bzw. die als Messbeleuchtung verwendeten Wellenlängen ist bzw. sind standardmäßig aus der breitbandigen Beleuchtung herausgefiltert. Erst dann, wenn eine Messbeleuchtung erfolgen soll, wird der Filter entfernt, so dass die breitbandige Beleuchtung nun auch die Messbeleuchtung mit der entsprechenden Wellenlänge bzw. den entsprechenden Wellenlängen umfasst. Auf Filter zum Herausfiltern der breitbandigen Beleuchtung im Beobachtungsstrahlengang (der zur Aufnahmeeinrichtung führt) kann dann verzichtet werden, da die Effekte der breitbandigen Beleuchtung durch Differenzbildung herausgerechnet werden können.
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Falls die Messbeleuchtung gepulst erfolgt, kann der Filter beispielsweise auf einem Filterrad oder einem auf einem oszillierenden Träger, welcher während einer Teilperiode der Oszillation in den beleuchteten Strahlengang eingebracht wird, angeordnet sein. Als Wege, entlang derer die Oszillation erfolgt, kommen insbesondere lineare Wege in Betracht, ohne dass eine Oszillation entlang eines gekrümmten Weges ausgeschlossen wäre.
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Eine alternative Möglichkeit, die Messbeleuchtung zu erzeugen, besteht darin, dass zusätzlich zu der kontinuierlichen Beleuchtung eine mit der wenigstens einen Wellenlänge der Messbeleuchtung emittierende Messlichtquelle Verwendung findet, die während des Messvorgangs zugeschaltet werden kann. Auch in dieser Ausgestaltung kann auf einen Filter im Beobachtungsstrahlengang verzichtet werden, da die Effekte der breitbandigen Beleuchtung durch die Differenzbildung herausgerechnet werden können.
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In einer Weiterbildung des ersten Aspekts umfasst die Messbeleuchtung eine erste Wellenlänge, bei der die Stimulation in den funktionstragenden Gewebearealen zu einer Änderung mindestens einer optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung führt und wenigstens eine zweite Wellenlänge, bei der die Stimulation in den funktionstragenden Gewebearealen zu einer Änderung mindestens einer optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung führt. Auf diese Weise können zum Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale Bilder in verschiedenen Wellenlängen herangezogen werden, was insbesondere im Hinblick auf die Charakterisierung der funktionstragenden Areale vorteilhaft sein kann. Die Messbeleuchtung mit der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kann hierbei entweder gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Eine nacheinander erfolgende Beleuchtung mit den beiden Wellenlängen ist insbesondere dann möglich, wenn die Messbeleuchtung mittels Messbeleuchtungspulsen erfolgt. Es ist dann beispielsweise eine Pulsfolge Messpuls 1, Messpuls 2, Pausenpuls, in dem keine Messbeleuchtung erfolgt, Messpuls 1, Messpuls 2, Pausenpuls... möglich.
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Gemäß einem zweiten Aspekt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommenden Verfahrens wird die Topographie des Gewebebereiches ermittelt. Auf der Basis der ermittelten Topographiedaten wird ein während der Stimulation gewonnenes Bild oder ein ohne Stimulation gewonnenes Bild hinsichtlich der Topographie des Gewebebereichs korrigiert, bevor der Unterschied des während der Stimulation gewonnenen Stimulationsbildes des Gewebebereichs zu einem ohne Stimulation gewonnenen Vergleichsbild des Gewebebereichs ermittelt wird.
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Der zweite Aspekt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommende Verfahrens beruht auf der Erkenntnis, dass eine spektroskopische Untersuchung, also beispielsweise das Ermitteln von Unterschieden von reflektiertem Messlicht zu ursprünglichem Messlicht, zwar auch grundsätzlich mit reflektiven Messungen vorgenommen werden kann, dabei allerdings immer dann Schwierigkeiten auftreten, wenn die zu untersuchende Probe keine definierte ebene Oberfläche hat. Je nach Auftreffwinkel des Beleuchtungslichtes treten nämlich bei der Reflexion undefinierte Abstrahl- und Streuwinkel auf, die eine Aussage über die tatsächliche Intensität des von einem Punkt des Gewebebereiches reflektierten Lichts drastisch erschwert. Bei Objekten ohne definierte ebene Oberfläche, wie sie Gewebebereiche, die nicht besonders präpariert worden sind, in der Regel darstellen, führen die genannten undefinierten Abstrahl- und Streuwinkel zu einer Kontrastminderung beim Detektieren von Änderungen im reflektierten Messlicht gegenüber dem ursprünglichen, unreflektierten Messlicht. Im Rahmen der Erfindung erfolgt nun eine Kontrasterhöhung dadurch, dass das mit Messlicht aufgenommene Bild hinsichtlich der Topographie des aufgenommenen Gewebebereiches korrigiert wird. Die Korrektur kann dabei im Vorfeld des Erstellens des Stimulationsbildes oder nach dem Erstellen des Stimulationsbildes am Stimulationsbild selbst vorgenommen werden.
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Der zweite Aspekt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommenden Verfahrens kann zur Kontrasterhöhung alleine, insbesondere aber auch in Verbindung mit dem ersten Aspekt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommenden Verfahrens, also zusammen mit einer Kontrasterhöhung durch Bildung der Differenz zwischen einen während der Stimulation mit Messbeleuchtung aufgenommenem Bild und einen während der Stimulation ohne Messbeleuchtung aufgenommenem Bild zur Anwendung kommen. Da beide Aspekte zu einer Kontrasterhöhung führen, ermöglicht die Kombination der beiden Aspekte ein besonders gutes Kontrastverhältnis im Stimulationsbild.
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Das Ermitteln der Topographie des Gewebebereiches kann erfolgen, indem eine in den aufgenommenen Bildern vorhandene Verzerrung eines von dem Gewebebereich reflektierten Musters ausgewertet wird. Das Muster braucht dabei kein reelles Muster zu sein, sondern kann beispielsweise ein Luftbild einer streifigen Beleuchtung in Objektraum sein. Mittels eines derartigen sogenannten Deflektometrieverfahrens kann die lokale Neigung des Gewebes an einem Messpunkt ermittelt werden und aus den ermittelten Neigungen der Abstrahl- und der Streuwinkel bestimmt werden. Mit dieser Kenntnis kann die von dem entsprechenden Punkt ausgehende Intensität derart korrigiert werden, dass Effekte der Oberflächentopographie aus dem mit dem reflektierten Messlicht gewonnenen Bild herausgerechnet werden können. Die zum Erzeugen des Musters zur Anwendung kommende Beleuchtung kann dabei grundsätzlich die Messbeleuchtung selber sein, aber auch Licht, das nicht aus der Messbeleuchtung stammt.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass, wenn im Rahmen der Erfindung vom Ermitteln der Topographie die Rede ist, darunter nicht notwendiger Weise zu verstehen sein soll, dass die globale Topographie des Gewebebereichs ermittelt wird. Es ist völlig ausreichend, die lokale Topographie eines Messpunktes, die im Wesentlichen durch seine Neigung gegenüber einer Referenzebene angegeben werden kann, zu ermitteln, ohne jemals eine topografische Karte des Gewebebereichs zu erstellen. Dennoch kann das Generieren einer topografischen Karte, bspw. zum Erzeugen einer dreidimensionalen Darstellung des Gewebebereichs, von Vorteil sein. Das Ermitteln der lokalen Neigungswinkel im Rahmen eines Deflektometrieverfahrens ist beispielsweise in
US 2008/0317334 A1 beschrieben. Auf die Offenbarung dieses Dokuments wird hinsichtlich der Ermittlung des Neigungswinkels an einem Messpunkt verwiesen.
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Typischerweise ist die Oberfläche des Gewebebereiches, bspw. die Gehirnoberfläche, überall mehr oder weniger gleichmäßig feucht und wird durch Aufträufeln von Kochsalzlösung feucht gehalten. An diesem Feuchtigkeitsfilm können durch Totalreflexion verursachte störende Reflexe auftreten, wobei das Auftreten von Totalreflexion von der lokalen Neigung des Gewebereichs abhängt. Gemäß einer Weiterbildung des zweiten Aspekts des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommenden Verfahrens können anhand der Topographiedaten diejenigen Regionen des Gewebebereichs ermittelt werden, in denen Totalreflexion zu erwarten ist. Eine Ausblendung total reflektierender Bereiche kann so zu einer weiteren Kontrastverstärkung führen. Beim Aufnehmen der Bilder kann hierzu beispielsweise die Empfindlichkeit der Aufnahme für diejenigen Zonen des Gewebebereiches, in denen die Feuchtigkeit zu Totalreflexion führt, herabgesetzt werden. An den Orten ohne Totalreflexion kann dann weiterhin eine erfindungsgemäße Bestimmung der funktionstragenden Gewebeareale mit noch brauchbaren Messergebnissen erfolgen. An den Orten mit Totalreflexion würde hingegen das gesamte einfallende Messlicht unmittelbar vom Flüssigkeitsfilm reflektiert werden, so dass das reflektierte Licht keine Information über das darunter liegende Gewebe trägt und daher ohne weiteres verworfen werden kann.
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Alternativ zum Ermitteln der Topographie des Gewebebereiches mittels deflektometrischer Verfahren kann die Topographie auch mittels Musterprojektionsverfahren, in denen ein Muster wie etwa ein Streifenmuster direkt auf den Gewebereich projiziert wird und die Topographie aus dem Bild des Musters ermittelt wird, ein Triangulationsverfahren, ein Photogrammetrieverfahren, ein sogenanntes Shape-Shading-Verfahren oder ein so genanntes Time-of-a-flight-Verfahren zur Anwendung kommen. Die Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
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Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens zur Verfügung gestellt. Eine derartige Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich umfasst:
- – eine Messbeleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen einer Messbeleuchtung, die wenigstens eine Wellenlänge umfasst, bei der eine Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale in diesen zu mindestens einer Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung führt,
- – einen elektrischen Bildsensor zum Aufnahmen von Bildern des Gewebebereiches,
- – eine Auswerteeinheit, die zum Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale durch Ermitteln eines Unterschiedes zwischen einem während der Stimulation gewonnenen Stimulationsbild des Gewebebereichs und einem ohne Stimulation gewonnenen Vergleichsbild des Gewebebereichs.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Steuereinrichtung mit dem elektronischen Bildsensor verbunden, die den elektronischen Bildsensor so steuert, dass er während der Stimulation und/oder ohne Stimulation Bilder des Gewebebereichs mit der Messbeleuchtung sowie Bilder ohne die Messbeleuchtung aufnimmt. Weiterhin ist mit dem elektronischen Bildsensor ein Differenzbildgenerator zum Empfang der Bilder verbunden. Der Differenzbildgenerator ermittelt ein Differenzbild aus wenigstens einem während der Stimulation mit der Messbeleuchtung aufgenommenen Bild und wenigstens einem während der Stimulation ohne die Messbeleuchtung aufgenommenen Bild und/oder ein Differenzbild aus wenigstens einem ohne Stimulation mit der Messbeleuchtung aufgenommenem Bild und wenigstens einem ohne Stimulation ohne die Messbeleuchtung aufgenommenem Bild und gibt das Differenzbild an die Auswerteeinheit aus. Diese ist zum Empfang eines mit Stimulation gewonnenen Differenzbildes als dem während der Stimulation gewonnenen Stimulationsbild und/oder eines ohne Stimulation gewonnenen Differenzbildes als dem Vergleichsbild mit dem Differenzbildgenerator verbunden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ermöglicht das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und weist daher die bereits mit Bezug auf den ersten Aspekt des Verfahrens beschriebenen Eigenschaften und Vorteile auf.
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Die Messbeleuchtungsvorrichtung kann insbesondere zum Erzeugen einer gepulsten Messbeleuchtung ausgebildet sein. Die mit dem elektronischen Bildsensor verbundene Steuereinrichtung steuert den Bildsensor dann so, dass er Bilder des Gewebebereichs während der Messbeleuchtungspulse sowie Bilder zwischen den Messbeleuchtungspulsen aufnimmt. In dieser Ausgestaltung kann insbesondere eine Synchronisation der Pulsrate der Messbeleuchtungsvorrichtung mit der Aufnahmerate des Bildsensors erfolgen, so dass bei zwei aufeinander folgenden Aufnahmen jeweils eine mit Messlicht und eine ohne Messlicht aufgenommen wird.
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Um beispielsweise eine Hintergrundbeleuchtung während der Messung zu ermöglichen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung zur kontinuierlichen Beleuchtung des Gewebebereichs mit breitbandigem Beleuchtungslicht aufweisen. In einer derartigen Ausgestaltung kann die Messbeleuchtungsvorrichtung insbesondere auch in die Beleuchtungsvorrichtung zur kontinuierlichen Beleuchtung integriert werden, wenn ein in den Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungsvorrichtung einbringbarer und die wenigstens eine Wellenlänge der Messbeleuchtung aus dem breitbandigen Beleuchtungslicht herausfilternder Filter vorhanden ist. Wie bereits mit Bezug auf das Verfahren beschrieben, wäre ein solcher Filter dann nicht in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht, wenn die Beleuchtung mit Messlicht erfolgen soll. Wenn eine gepulste Beleuchtung mit Messlicht erfolgen soll, kann der Filter insbesondere auf einem Filterrad oder einem schwingenden Träger angeordnet sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, durch Einstellen einer konstanten Schwingungsfrequenz eine konstante Pulsfrequenz zu generieren. Außerdem kann in einer derartigen Ausgestaltung die Pulsfrequenz auch in einfacher Weise durch Einstellen der Schwingungsfrequenz bzw. der Rotationsfrequenz eingestellt werden.
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Die Messbeleuchtungsvorrichtung kann jedoch auch zusätzlich zur Beleuchtungsvorrichtung zur kontinuierlichen Beleuchtung vorhanden und zu dieser zuschaltbar sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, eine das Messlicht generierende Lichtquelle gezielt auf das Generieren der wenigstens einen Wellenlänge, bei der eine Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale in diesen zu mindestens einer Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung führt, abzustimmen. Außerdem kann ein Intensitätsverlust und/oder eine Farbbeeinflussung der breitbandigen Beleuchtung durch ein Filter vermieden werden.
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In einer Weiterbildung der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weist die Messbeleuchtungsvorrichtung eine erste Wellenlänge, bei der die Stimulation in den funktionstragenden Gewebearealen zu einer Änderung in der mindestens einen optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung führt und wenigstens eine zweite Wellenlänge, bei der die Stimulation in den funktionstragenden Gewebearealen zu einer Änderung in der mindestens einen optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung führt, auf. Hierbei kann die Messbeleuchtungseinrichtung insbesondere eine Messbeleuchtungssteuereinrichtung zugeordnet sein, die einen gepulsten Betrieb der Messbeleuchtungsvorrichtung derart ermöglicht, dass nacheinander Messbeleuchtungspulse mit der ersten Wellenlänge und Messbeleuchtungspulse mit der zweiten Wellenlänge abgegeben werden. Auf diese Weise kann die Änderung in jedem Wellenlängebereich unabhängig von der Änderung im anderen Wellenlängenbereich detektiert werden, was verhindert, dass sich die Wellenlängenbereiche bei der Messung gegenseitig negativ beeinflussen. Das Messen bei mehreren Wellenlängen kann ggf. eine präzisere Darstellung der funktionstragenden Gewebeareale im generierten Bild ermöglichen.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Topographieerfassungseinheit, welche Topographiedaten des Gewebereichs ermittelt. Weiterhin umfasst sie eine Korrektureinheit, die zum Empfang der Bilder mit dem elektronischen Bildsensor und zum Empfang der Topographiedaten mit der Topographieerfassungseinheit verbunden ist. Die Korrektureinheit ist dazu ausgestaltet, aus einem während der Stimulation aufgenommenen Bild ein auf der Basis der ermittelten Topographiedaten korrigiertes Bild zu ermitteln. Die Korrektureinheit ist zur Ausgabe des korrigierten Bildes als dem während der Stimulation gewonnen Stimulationsbild mit der Auswerteeinheit verbunden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann unabhängig vom ersten Aspekt der Erfindung zur Anwendung kommen oder mit einer gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung kombiniert sein. Insbesondere die Kombination von Vorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ermöglicht das Generieren von besonders kontrastreichen Stimulationsbildern. Dabei kann die Korrektur bereits an den mit dem Messlicht aufgenommenen Bildern vorgenommen werden. Alternativ ist es auch möglich, die Korrektur erst an einem Differenzbild, das aus einem mit Messlicht aufgenommenem Bild und einem ohne Messlicht aufgenommenem Bild gewonnen worden ist, vorzunehmen.
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Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erzielbaren Eigenschaften und Vorteile entsprechen denen, die bereits mit Bezug auf den zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Sie werden daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben.
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Die Topographieeinheit kann insbesondere eine Musterprojektionseinheit, eine Triangulationseinheit, eine Photogrammetrieeinheit, eine Shape-Shading-Einheit oder eine Time-of-flight-Einheit umfassen. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Topographieerfassungseinheit einen Mustergenerator zum Erzeugen eines vom Gewebebereich zu reflektierenden Musters und eine Deflektometrieeinheit zum Ermitteln der Topographiedaten aus dem reflektierten Muster umfassen.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann insbesondere auch eine mit der Topographieerfassungseinheit zum Empfang der Topographiedaten verbundene oder in diese integrierte Totalreflexionsbestimmungseinheit vorhanden sein. Diese ist dann dazu ausgestaltet, anhand der Topographiedaten diejenigen Zonen des Gewebebereiches zu ermitteln, in denen auf Grund eines auf dem Gewebebereich vorhandnen Feuchtigkeitsfilms Totalreflexion auftritt, und entsprechende Totalreflexionsdaten auszugeben.
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Weiterhin kann in dieser Ausgestaltung eine mit dem elektronischen Bildsensor zum Einwirken auf dessen Lichtempfindlichkeit und mit der Totalreflexionsbestimmungseinheit zum Empfang der Totalreflexionsdaten verbundene Einstelleinrichtung vorhanden sein. Diese ist dazu ausgestaltet, bei Aufnehmen der mit der Messbeleuchtung aufgenommenen Bilder die Lichtempfindlichkeit des elektronischen Bildsensors in Pixelarealen, auf denen Gewebebereichsabschnitte mit Totalreflexion abgebildet werden, herabzusetzen, insbesondere unter die Sättigungsgrenze. Auf diese Weise können Gewebebereichsabschnitte mit Totalreflexion aus der Aufnahme des Stimulationsbildes ausgeblendet werden. Für die übrigen, nicht ausgeblendeten Bereiche ist dann in der Regel noch ein brauchbares Messergebnis zu erzielen.
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Im Rahmen der Erfindung können die zur Kontrasterhöhung im Stimulationsbild herangezogenen Einheiten grundsätzlich auch zu einer Kontrasterhöhung im Vergleichsbild herangezogen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere in ein Operationsmikroskop integriert sein.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt ein Operationsmikroskop mit einem ersten Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in Form eines funktionellen Blockschaltbildes.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die 1 bis 4 der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich am Beispiel eines Operationsmikroskops, in das die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert ist, erläutert.
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Das in 1 gezeigte Operationsmikroskop 1 umfasst als wesentliche Bestandteile ein einem Beobachtungsobjekt 3 zuzuwendendes Objektiv 5, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine aus zwei miteinander verkitteten Teillinsen aufgebaute Achromatlinse dargestellt ist. Das Beobachtungsobjekt 3, nämlich der Gewebebereich, dessen funktionstragenden Gewebeareale aufgefunden werden sollen, wird in der Brennebene des Objektivs 5 angeordnet, so dass der Gewebebereich 3 nach Unendlich abgebildet wird, also ein vom Gewebebereich 3 ausgehendes divergentes Strahlenbündel 7A, 7B bei seinem Durchgang durch das Objektiv 5 in ein paralleles Strahlenbündel 9 umgewandelt wird.
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Statt lediglich einer Achromatlinse, wie sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Objektiv 5 Verwendung findet, kann auch ein Objektivlinsensystem aus mehreren Einzellinsen Verwendung finden, etwa ein so genanntes Vario-Objektiv, mit dem sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 1, d. h. der Abstand der Brennebene vom Objektiv 5, variieren lässt. Auch in einem solchen Vario-System wird der in der Brennebene angeordnete Gewebebereich 3 nach Unendlich abgebildet, so dass auch bei einem Vario-Objektiv beobachterseitig eine paralleles Strahlenbündel vorliegt.
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Beobachterseitig des Objektivs 5 ist ein Vergrößerungswechsler 11 angeordnet, der entweder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel als Zoom-System zur stufenlosen Änderung des Vergrößerungsfaktors oder als so genannter Galilei-Wechsler zur stufenweisen Änderung des Vergrößerungsfaktors ausgebildet sein kann. In einem Zoom-System, das in der Regel aus einer Linsenkombination mit drei Linsen aufgebaut ist, können die beiden objektseitigen Linsen verschoben werden, um den Vergrößerungsfaktor zu variieren. In einem Galilei-Wechsler existieren dagegen mehrere feste Linsenkombinationen, die unterschiedliche Vergrößerungsfaktoren repräsentieren und im Wechsel in den Strahlengang eingebracht werden können. Sowohl ein Zoom-System, als auch ein Galilei-Wechsler wandeln ein objektseitiges paralleles Strahlenbündel in ein beobachterseitiges paralleles Strahlenbündel mit einem anderen Bündeldurchmesser um. Der Vergrößerungswechsler 11 ist dabei bereits Teil des binokularen Strahlengangs des Operationsmikroskops 1, d. h. er weist eine eigene Linsenkombination für jeden stereoskopischen Teilstrahlengang 9A, 9B des Operationsmikroskops 1 auf.
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An den Vergrößerungswechsler 11 schließt sich beobachterseitig eine Schnittstellenanordnung 13A, 13B an, über die externe Geräte an das Operationsmikroskop 1 angeschlossen werden können und die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Strahlteilerprismen 15A, 15B umfasst. Grundsätzlich können aber auch andere Arten von Strahlteilern Verwendung finden, bspw. teildurchlässige Spiegel. Die Schnittstellen 13A, 13B dienen im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Auskoppeln eines Strahlenbündels aus dem Operationsmikroskop 1 (Strahlteilerprisma 15B) sowie zum Einkoppeln eines Strahlenbündels in einen der Teilstrahlengänge des Operationsmikroskops 1 (Strahlteilerprisma 15A).
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Das Strahlteilerprisma 15A in dem Teilstrahlengang 9A dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu, mit Hilfe eines steuerbaren Displays 37, bspw. eines Digital Mirror Device (DMD) oder eines LCD-Displays, über das Strahlteilerprisma 15A ein Streifenmuster in Richtung auf den Gewebebereich 3 in den Teilstrahlengang 9A des Operationsmikroskops 1 einzuspiegeln. Das Display 37 kann insbesondere mit einer monochromen Displaybeleuchtung ausgestattet sein. Zwischen dem Display 37 und dem Strahlteilerprisma 15B ist außerdem eine Beleuchtungsoptik 39 angeordnet, die in Verbindung mit dem Vergrößerungswechsler 11 und dem Objektiv 5 das Streifenmuster in eine vom Gewebebereich um die Strecke „d” beabstandete Ebene projiziert, so dass in dieser Ebene ein Luftbild 41 des mittels des Displays 37 dargestellten Gitters erzeugt wird, also ein frei in der Luft entworfenes Bild des Gitters.
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Im anderen Teilstrahlengang 9B ist an der Schnittstelle 13B ein Kameraadapter 19 mit einer daran befestigten Kamera 21 angeordnet, die mit einem elektronischen Bildsensor 23, bspw. mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, ausgestattet ist. Mittels der Kamera 21 kann ein elektronisches und insbesondere ein digitales Bild des Gewebebereichs 3 aufgenommen werden. Wenn über die Schnittstelle 13A ein Streifenmuster in Richtung auf den Gewebebereich 3 in den ersten Teilstrahlengang 9A eingespiegelt wird, kann mit der Kamera auch das am Gewebebereich 3 gespiegelte Bild des Luftbildes 41 aufgenommen werden.
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Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich eine Kamera 21 vorhanden ist, der ein aus einem der beiden Teilstrahlengänge 9B ausgekoppeltes Strahlenbündel 25 zugeführt wird, kann auch eine weitere Kamera an der Schnittstelle 13A angeordnet sein, der ein aus dem anderen der beiden Teilstrahlengänge 9A ausgekoppeltes Strahlenbündel zugeführt wird, um ein elektronisches und insbesondere ein digitales Bild des Gewebebereichs 3 aufzunehmen. Die zweite Kamera würde das Aufnehmen stereoskopischer Bilder des Gewebebereiches ermöglichen. Das Auskoppeln des Strahlenbündels würde in dem in 1 dargestellten Operationsmikroskop 1 dann vorzugsweise über den Strahlteiler 15A im Teilstrahlengang 9A erfolgen. Falls an dieser Schnittstelle bereits ein Display zum Einspiegeln eines Streifenmusters in den Teilstrahlegang 9A in Richtung auf den Gewebebereich 3 angeordnet ist, wäre zwischen der Beleuchtungsoptik 39 und dem im Teilstrahlengang 9A angeordneten Strahlteilerprisma 15A ein weiterer Strahlteiler (nicht dargestellt), etwa ein teildurchlässiger Spiegel oder ein Strahlteilerprisma, angeordnet.
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An die Schnittstelle 13 schließt sich beobachterseitig ein Binokulartubus 27 an. Dieser weist zwei Tubusobjektive 29A, 29B auf, welche das jeweilige parallele Strahlenbündel 9A, 9B auf eine Zwischenbildebene 31A, 31B fokussieren, also das Beobachtungsobjekt 3 auf die jeweilige Zwischenbildebene 31A, 31B abbilden. Die in den Zwischenbildebenen 31A, 31B befindlichen Zwischenbilder werden schließlich von Okularlinsen 35A, 35B wiederum nach Unendlich abgebildet, so dass ein Betrachter, etwa ein behandelnder Arzt oder sein Assistent, das Zwischenbild mit entspanntem Auge betrachten kann. Außerdem erfolgt im Binokulartubus mittels eines Spiegelsystems oder mittels Prismen 33A, 33B eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln 9A, 9B, um diesen an den Augenabstand des Betrachters anzupassen.
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Das Operationsmikroskop 1 ist außerdem mit einer Beleuchtungsvorrichtung 43 ausgestattet, mit der der Gewebereich 3 mit breitbandigem Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Hierzu weist die Beleuchtungsvorrichtung 43 eine Weißlichtquelle, etwa eine Halogenglühlampe oder eine Gasentladungslampe, auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Weißlichtquelle 45 als Xenonlampe ausgestaltet. Das von der Xenonlampe 45 ausgehende Licht wird über einen Umlenkspiegel 53 in Richtung auf die Oberfläche des Gewebebereiches 3 gelenkt, um diese auszuleuchten. In der Beleuchtungsvorrichtung ist weiterhin eine Beleuchtungsoptik 55 vorhanden, die für eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten Gewebereiches 3 sorgt.
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Außerdem umfasst die Beleuchtungsvorrichtung 43 ein Filterrad 47 mit einem schmalbandigen Spektralfilter 49, der eine oder mehrere Wellenlängen aus dem Beleuchtungslicht der Xenonlampe 45 herausfiltert. Hierbei kann der Spektralfilter 49 grundsätzlich als Farbfilter oder als Interferenzfilter (dichroitischer Filter) ausgeführt sein. Neben dem Spektralfilter 49 weist das Filterrad 47 außerdem einen zweiten Filterabschnitt 51 auf, der das von der Xenonlampe 45 emittierte Licht vollständig passieren lässt, d. h. ohne dass eine Wellenlängenkomponente herausgefiltert wird. Das Filterrad dient 47 dazu, eine gepulste Beleuchtung des Gewebereiches 3 mit Messlicht zu ermöglichen, wenn während einer Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale Bilder des Gewebebereiches 3 aufgenommen werden, mit deren Hilfe die funktionstragenden Gewebeareale aufgefunden werden können. Die Eigenschaften des ersten Spektralfilterabschnitts 49 sind dabei so gewählt, dass dieser wenigstens eine Wellenlänge des Lichtes der Xenonlampe herausgefiltert, bei der eine Stimulation in den funktionstragenden Gewebeareale zu einer Änderung in mindestens einer optischen Eigenschaft des reflektierten Messlichtes führt. Das Verfahren zum Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale im Gewebebereich 3 wird später mit Bezug auf 5 näher erläutert werden.
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Geeignete Wellenlängen für die Messbeleuchtung können je nach dem zu messenden Effekt unterschiedlich sein. Beispielsweise führt eine Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale im Gehirn dazu, dass der Blutfluss in diesen Arealen erhöht wird, um einen aufgrund der Stimulation gesteigerten Bedarf an Sauerstoff und Glucose zu befriedigen. Weiterhin führt eine erhöhte Konzentration an Hämoglobin zu einem erhöhten Anteil an oxigeniertem Hämoglobin (Oxyhämoglobin) in den durch die funktionstragenden Areale verlaufenden Venen. Um funktionstragende Areale anhand aufgenommener Bilder auffinden zu können, ist es daher bspw. vorteilhaft, wenn die Messstrahlung wenigstens eine Wellenlänge umfasst, bei der sich Hämoglobin und Oxyhämoglobin in ihrer Absorption maximal unterscheiden. Solche Wellenlängen liegen insbesondere im Bereich zwischen 400 und 500 nm, speziell bei 415 nm, 436 nm und 473 nm. Es ist aber auch möglich, Wellenlängen zu verwenden, bei denen Hämoglobin und Oxyhämoglobin gleich stark absorbieren (sogenannte isosbestische Punkte). Solche Wellenlängen liegen im Bereich zwischen 400 und 600 nm, speziell bei 422 nm, 452 nm, 500 nm, 530 nm, 546 nm, 579 nm und 584 nm. Insbesondere können auch Kombinationen von Wellenlängen, bei denen sich die Absorption maximal unterscheidet und/oder von Wellenlängen, bei denen eine gleichstarke Absorption vorliegt, Verwendung finden. Hierzu weist der erste Filterabschnitt 49 die entsprechende Transmissionscharakteristik auf oder es sind mehrere Filterräder hintereinander geschaltet, in denen ein Filterabschnitt mit der entsprechenden Transmissionscharakteristik für jeweils wenigstens eine der Wellenlängen vorhanden ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der in 1 dargestellte Beleuchtungsstrahlengang stark schematisiert ist und nicht notwendigerweise den tatsächlichen Verlauf des Beleuchtungsstrahlengangs wiedergibt. Grundsätzlich kann der Beleuchtungsstrahlengang als sogenannte Schrägbeleuchtung ausgeführt sein, die der schematischen Darstellung in 1 am nächsten kommt. In einer solchen Schrägbeleuchtung verläuft der Strahlengang in einem relativ großen Winkel zur optischen Achse des Objektivs 5 und kann, wie in 1 dargestellt, vollständig außerhalb des Objektivs verlaufen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang der Schrägbeleuchtung durch einen Randbereich des Objektivs 5 hindurch verlaufen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Beleuchtungsstrahlengangs ist die sogenannte 0°-Beleuchtung, bei der der Beleuchtungsstrahlengang durch das Objektiv 5 hindurch verläuft und zwischen den beiden Teilstrahlengängen 9A, 9B, entlang der optischen Achse des Objektivs 5 in Richtung auf den Gewebebereich 3 in das Objektiv eingekoppelt wird. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang als sogenannte koaxiale Beleuchtung auszuführen, in der ein erster und ein zweiter Beleuchtungsteilstrahlengang vorhanden sind. Die Teilstrahlengänge werden über einen oder mehrere Strahlteiler parallel zu den Strahlengängen 9A, 9B in das Mikroskop eingekoppelt, so dass die Beleuchtung koaxial zu den beiden Beobachtungsteilstrahlengängen verläuft.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 dargestellt. Elemente dieses Ausführungsbeispiels, die Elementen des mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich durch seine Beleuchtungsvorrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung 43 des zweiten Ausführungsbeispiels weist kein Filterrad auf. Statt dessen ist zusätzlich zu der Weißlichtquelle 45, die wieder als Xenonlampe ausgeführt ist, eine schmalbandige Lichtquelle 147 vorhanden, deren Licht über einen Strahlteiler 149 dem Strahlengang des von der Xenonlampe 45 ausgehenden breitbandigen Beleuchtungslichts überlagert werden kann. Die schmalbandige Lichtquelle 147 kann insbesondere als Leuchtdiode oder als Elektrolumineszenzstrahler, etwa als organische Diode (OLED) oder als Elektrolumineszenzfolie, ausgebildet sein. Sie emittiert Licht mit wenigstens einer Wellenlänge, bei der die Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale in diesen zu einer Änderung mindestens einer optischen Eigenschaft der reflektierten Messbeleuchtung gegenüber der ursprünglichen Messbeleuchtung führt. Insbesondere kann die von der Leuchtdiode 147 emittierte Messstrahlung wenigstens eine der mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel diskutierten Wellenlängen aufweisen.
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Zwischen der Leuchtdiode 147 und dem Stahlteiler 149 ist außerdem eine Beleuchtungsoptik 155 angeordnet, die dafür sorgt, dass der Gewebebereich 3 bei Beleuchtung mit dem Messlicht vollständig und gleichmäßig ausgeleuchtet ist.
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Obwohl im zweiten Ausführungsbeispiel eine Xenonlampe als breitbandige Lichtquelle vorhanden ist, können auch andere Gasentladelampen oder Halogenglühlampen Verwendung finden. Außerdem kann zusätzlich zu der Leuchtdiode 147 wenigstens eine weitere Leuchtdiode mit einer anderen Emissionswellenlänge als Messbeleuchtung vorhanden sein.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 dargestellt. Elemente, die sich nicht von Elementen des ersten Ausführungsbeispiels unterscheiden, sind mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert.
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Das in 3 dargestellte Operationsmikroskop unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Operationsmikroskop dadurch, dass kein Display mit Beleuchtungsoptik an der Schnittstelle 13A angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel findet daher das Generieren eines Luftbildes mit einem Abstand „d” zum Gewebebereich 3 nicht statt. Anstelle des Displays ist an der Schnittstelle 13A eine Kamera 21A mit einem elektronischen Bildsensor 23A mittels eines Kameraadapters 19A angeordnet. Dem elektronischen Bildsensor 23A wird ein Teilstrahlenbündel 25A zugeführt, dass mittels des Strahlteilerprismas 15A aus dem stereoskopischen Teilstrahlenbündel 9A ausgekoppelt wird. Mittels der beiden Kameras 21A, 21B kann ein stereoskopisches Bild des Gewebebereiches 3 generiert werden, aus dem die Topographie des Gewebebereichs 3 mittels Photogrametrie bestimmt werden kann.
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Obwohl das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel mit einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, kann es stattdessen auch mit einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgestattet sein.
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In einem weiteren, in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Luftbild eines Streifenmusters über den Beleuchtungsstrahlengang statt über einen Beobachtungsstrahlengang erzeugt. Im Unterschied zu den 1 bis 3 zeigt 4 lediglich die Beleuchtungsvorrichtung 243 und das Objektiv 5 des Operationsmikroskops. Die nicht dargestellten Elemente können dabei grundsätzlich denen in einem der. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen.
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Die Beleuchtungsvorrichtung entspricht im Hinblick auf die Leuchtdiode 147 und die Weißlichtquelle 45 sowie die zugehörigen Beleuchtungsoptiken 55, 155 und den Strahlteiler 149 den entsprechenden Elementen in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur Beleuchtungsvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst die Beleuchtungsvorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels jedoch ein Display 237, das insbesondere als monochromes LCD-Display ausgebildet sein kann, und eine Beleuchtungsoptik 239, mit deren Hilfe ein Luftbild 241 des auf dem Display 237 dargestellten Streifenmusters im Abstand „d” vom Gewebereich 3 erzeugt wird. Das von der Beleuchtungsoptik 239 ausgehende Strahlenbündel wird über einen Strahlteiler 245, beispielsweise einen teildurchlässigen Spiegel oder ein Strahlteilerprisma, in den Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt. Diese Ausgestaltung der Beleuchtungsoptik kann insbesondere in Verbindung mit einer Schrägbeleuchtung oder einer 0°-Beleuchtung zur Anwendung kommen. Die mit Bezug auf 5 beschriebene Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Schnittstelle 13 anderweitig genutzt werden soll, beispielsweise um stereoskopische Bilder mit Hilfe zweier Kameras aufzunehmen oder um Daten für den behandelnden Arzt einzuspielen.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebereich wird nachfolgend mit Bezug auf 5 erläutert. Diese zeigt ein funktionales Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, anhand dessen ein möglicher Ablauf des Verfahrens zum Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in einem Gewebebereich erläutert wird.
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Das Blockschaltbild basiert auf dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und zeigt u. a. das Display 37, die Leuchtdiode 147 und den Kamerachip 23. Mit dem Display ist ein Mustergenerator 301 verbunden, der ein auf dem Display 37 darzustellendes Streifenmuster generiert, die Leuchtdiode 147 ist mit einem Modulator 303 verbunden, der eine gepulste Emission des Messlichtes herbeiführt, und der elektronische Bildsensor 23 ist mit einer Kameraelektronik 305 verbunden, die den elektronischen Bildsensor 23 ausliest und außerdem ermöglicht, die Empfindlichkeit der Bildpunkte im elektronischen Bildsensor 23 einzustellen.
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Der Mustergenerator 301, der Modulator 303 und die Kameraelektronik 305 sind mit einem Trigger 307 verbunden. Dieser dient dazu, das Generieren des Streifenmusters, das Aussenden von Messlichtpulsen und das Auslesen des elektronischen Bildsensors 23 zu synchronisieren. So besteht die Möglichkeit, die Auslesefrequenz des elektronischen Bildsensors als ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz auszugestalten. Wenn die Ausleserate beispielsweise dem Doppelten der Grundfrequenz entspricht, besteht die Möglichkeit, die Pulsfrequenz der gepulsten Messbeleuchtung auf die Grundfrequenz einzustellen, so dass der elektronische Bildsensor 23 im Wechsel jeweils ein Bild des Gewebebereichs mit Messbeleuchtung und ein Bild des Gewebebereichs ohne Messbeleuchtung aufnimmt. Falls die Ausleserate des elektronischen Bildsensors 23 dem Dreifachen der Grundfrequenz entspricht, und das Display ebenfalls mit der Grundfrequenz gepulst betrieben wird, wobei zwischen dem gepulsten betrieb des Displays 37 und dem gepulsten Betrieb der Leuchtdiode 147 eine Phasenverschiebung von einer Periode der Grundfrequenz vorhanden ist, besteht die Möglichkeit, mit dem elektronischen Bildsensor Bildfolgen aufzunehmen, in denen auf ein Bild des reflektierten Streifenmusters ein Bild mit Messlicht und darauf ein Bild ohne Messlicht folgt. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Frequenzen die Aufnahmefolge den jeweiligen Anforderungen oder Bedürfnissen gezielt anzupassen. So muss nicht zwingend in jeder Periode ein Bild des reflektierten Streifenmusters aufgenommen werden, um daraus die Topographie des Gewebebereiches zu ermitteln. Zur Ermittlung der Topographie ist es grundsätzlich ausreichend, wenn zu Beginn der Messung Bilder des Streifenmusters mit sich in einer ersten Richtung erstreckenden Streifen, sowie Bilder des Streifenmusters mit sich in einer zweiten Richtung erstreckenden Streifen gemessen werden. Es kann aber auch vorkommen, dass sich der Gewebebereich während der Stimulation bewegt oder sich die Topographie während der Stimulation ändert, beispielsweise weil Gewebebereiche oder Blutgefäße an- oder abschwellen. Es kann daher vorteilhaft sein, wenn das Ermitteln der Topographie, d. h. auch das Aufnehmen von reflektierten Streifenmustern, wiederholt durchgeführt wird. Auf diese Weise können Lageänderungen und/oder Topographieänderungen Beim Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale berücksichtigt werden.
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Zum Auffinden der funktionstragenden Gewebeareale aus einem Bild mit Messbeleuchtung und einem Bild ohne Messbeleuchtung weist die in 5 dargestellte Vorrichtung eine Topographieermittlungseinheit 309, eine Korrektureinheit 311, eine Differenzbildungseinheit 313, einen Speicher 315 eine Auswerteeinheit 317 und einen Puffer 319 auf.
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Die Topographieerfassungseinheit
309 ist mit der Kameraelektronik
305 zum Empfang elektronischer Bilder verbunden. Sie ist dazu ausgestaltet, aus Bildern des Streifenmusters die Topographie des Gewebereichs
3 zu ermitteln. Hierzu kann ein so genanntes Phasenschiebe-Verfahren, wie es aus
US 2008/0317334 A1 bekannt ist, zur Anwendung kommen. In einem solchen Verfahren findet beispielsweise eine erste Serie von vier Streifenmustern Verwendung, wobei alle Streifenmuster dieselbe räumliche Modulation, aber eine jeweils um 90° gegeneinander verschobene Phase aufweisen. Bei der Reflexion an einem unebenen Gegenstand wie dem Gewebereich
3 werden die Phasen des räumlichen Streifenmusters durch die Topographie des Gegenstandes lokal beeinflusst. In der Topographieerfassungseinheit
309 werden dann die Phasen der reflektierten Streifenmuster lokal ausgewertet und die Differenz zur ursprünglichen Phase des unreflektierten Streifenmusters ortsaufgelöst ermittelt. Dieses Verfahren wird mit einer zweiten Sequenz von Streifenmustern in denen die Ausdehnungsrichtung der Streifen gegenüber der ersten Sequenz gedreht ist (vorteilhafterweise um 90° gedreht ist) wiederholt. Aus den so ermittelten lokalen Neigungen setzt die Topographieermittlungseinheit
309 dann die Topographie des Gewebereichs zusammen. Für Einzelheiten des Verfahrens wird auf die
US 2008/0317334 A1 verwiesen.
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Wenn, wie zuvor beschrieben, eine Aufnahmefolge der Art „Aufnehmen einer reflektierten Streifenprojektion, Aufnehmen eines Bildes mit Messlicht, Aufnehmen eines Bildes ohne Messlicht” erfolgt, kann in jeder Sequenz ein Bild von einem Streifenmuster einer Streifenmustersequenz aufgenommen werden. Nach acht Perioden der Grundfrequenz kann dann die Topographie ermittelt werden.
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Die Differenzbildungseinheit 313 ist wie die Topographieermittlungseinheit 309 zum Empfang elektronischer Bilder mit der Kameraelektronik 305 verbunden. Darüber hinaus ist die Differenzbildungseinheit 313 mit einem Puffer 319 verbunden, der ebenfalls mit der Kameraelektronik 305 zum Empfang elektronischer Bilder verbunden ist. Der Puffer 319 dient dazu, ein Bild mit Messbeleuchtung solange zwischenzuspeichern bis das nachfolgende Bild ohne Messbeleuchtung aufgenommen ist.
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Selbstverständlich kann alternativ auch ein Bild ohne Messbeleuchtung zwischengespeichert werden, bis ein Bild mit Messbeleuchtung aufgenommen ist. Die Differenzbildungseinheit 313 bildet aus dem von der Kameraelektronik 305 empfangenen Bild und dem im Puffer 319 zwischengespeicherten Bild ein Differenzbild, um die in beiden Bildern in gleicher Weise enthaltenen Umgebungslichteffekte soweit wie möglich zu eliminieren.
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Die Korrektureinheit 311 ist zum Empfang der ermittelten Topographiedaten mit der Topographieermittlungseinheit 309 und zum Empfang des Differenzbildes mit der Differenzbildungseinheit 311 verbunden. Sie dient dazu, eine Korrektur des Differenzbildes anhand der ermittelten Topographiedaten vorzunehmen, so dass undefinierte Abstrahl- und Streuwinkel weitgehend definiert werden. Mit der Korrektureinheit 311 ist zum Empfang eines korrigierten Differenzbildes außerdem der Speicher 315 verbunden. Der Speicher 315 dient dazu, ein korrigiertes Differenzbild des Gewebebereiches 3, das ohne Stimulation der funktionstragenden Gewebeareale aufgenommen worden ist, zu speichern.
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Die Auswerteeinheit 317 ist sowohl mit der Korrektureinheit 311 zum Empfang eines korrigierten Differenzbildes, das während der Stimulation aufgenommen worden ist, sowie mit dem Speicher 315 zum Empfang des Differenzbildes, das ohne die Stimulation gewonnen worden ist, verbunden. In der Auswerteeinheit 317 erfolgt ein Vergleich des während der Stimulation gewonnen korrigierten Differenzbildes mit dem ohne Stimulation gewonnen korrigierten Differenzbild, um anhand des Vergleichs die funktionstragenden Gewebeareale aufzufinden. Im einfachsten Fall kann der Vergleich durch eine Differenzbildung realisiert sein. Das Ergebnis des Vergleichs wird dann als Datensatz oder als Bild der funktionstragenden Gewebeareale ausgegeben.
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Die gesamte in 5 dargestellte Vorrichtung wird von einer Steuereinheit 321, die mit allen anderen Einheiten zur Ausgabe von Steuersignalen verbunden ist, gesteuert. Von der Steuereinheit 321 erhält der Mustergenerator die Informationen über das zu generierende Muster, der Modulator die Informationen über die einzustellende Pulsfrequenz der Beleuchtung und die Kameraelektronik 305 die Information über die Auslesefrequenz. Die Topographieermittlungseinheit 309 wird dahingehend gesteuert, dass sie die Topographieermittlung nur anhand von Bildern von reflektierten Streifenmustern ermittelt. Hinsichtlich des Puffers 319 und der Differenzbildungseinheit 313 steuert die Steuereinrichtung 321 das Überschreiben des Puffers 319 sowie das Auslesen des Puffers 319 und der Kameraelektronik 305 durch die Differenzbildungseinheit 313. Ebenso steuert sie das Auslesen der Topographiedaten aus der Topographiemittlungseinheit 309, das Auslesen der Differenzbilder aus der Differenzbildungseinheit 313 durch die Korrektureinheit 311, das Auslesen des korrigierten Differenzbildes ohne Stimulation aus dem Speicher 315 sowie das Auslesen des korrigierten Differenzbildes mit Stimulation aus der Korrektureinheit 311.
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Außerdem kann die Steuereinheit 321 auch die Stimulation steuern, insbesondere derart, dass diese mit einer Stimulationspulsfrequenz gepulst erfolgt. Beispielsweise können sich Stimulationsphasen und Phasen ohne Stimulation mehrmals hintereinander abwechseln und ca. 30 Sekunden dauern, mindestens aber so lange, dass sich der zu messende Effekt einstellen kann bzw. der zu messende Effekt abklingen kann. Da die Dynamik des Einstellens und Abklingens etwa im Bereich zwischen einer Sekunde uns zehn Sekunden liegt, dauern die Stimulationsphasen und die Phasen ohne Stimulation jeweils länger als eine Sekunde, vorzugsweise länger als zehn Sekunden. Um hinreichende Integrationszeiten zu erreichen, wird typischerweise länger gemessen. Die Pulsfrequenz der Messbeleuchtung kann dann so gesteuert werden, dass sie ein großes ganzzahliges Vielfaches der Stimulationspulsfrequenz ist und dass während einer Stimulationsphase und während einer Phase ohne Stimulation jeweils die gleiche Anzahl von Bildern aufgenommen wird.
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Obwohl mit Bezug auf das in 5 dargestellte Blockdiagramm das Ermitteln der Topographie auf der Basis eines deflektometrischen Verfahrens beschrieben worden ist, kann die Topographie alternativ anhand einer Vielzahl anderer Verfahren ermittelt werden. Insbesondere ist dabei an photogrammetrische Verfahren zu denken, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgestaltet ist. In diesem Fall wäre die Topographieerfassungseinheit außer mit der Kameraelektronik 305 der Kamera 23 auch mit einer entsprechenden Kameraelektronik der zweiten Kamera verbunden, so dass sie zwei stereoskopische Teilbilder empfangen kann. Grundsätzlich kann die Topographieermittlungseinheit aber auch etwa auf dem sogenannten Shape-Shading, in dem Bilder vom Gewebebereich 3 aufgenommen werden, bei denen die Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen erfolgt, beruhen. Aus den Schattenwürfen der Beleuchtung kann dann auf die Topographie geschlossen werden. Auch so genannte Time-of-Flight-Verfahren, Triangulationsverfahren und Musterprojektionsverfahren, in denen ein Streifenmuster direkt auf die Oberfläche des Gewebeareals projiziert wird anstatt ein Luftbild zu erzeugen, sind zur Ermittlung der Topographie des Gewebereichs 3 grundsätzlich möglich.
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In einer Weiterbildung der in 5 dargestellten Vorrichtung ist die Topographieerfassungseinheit 309 außerdem dazu ausgestaltet, anhand der reflektierten Streifenmuster diejenigen Zonen im Gewebereich 3, in denen Totalreflexion auftritt, räumlich aufgelöst zu ermitteln. In dieser Ausgestaltung werden die Informationen über diejenigen Orte, an denen Totalreflexionen ermittelt werden, an die Steuereinheit 321 ausgegeben, die auf der Basis der empfangenen Daten dann die Kameraelektronik 305 so steuert, dass Bildpunktbereiche des Bildsensors 23, auf denen Zonen mit Totalreflexion abgebildet werden, in ihrer Empfindlichkeit herabgeregelt werden, insbesondere unter die Sättigungsgrenze. Auf diese Weise werden Zonen des Gewebebereichs 3, die aufgrund von Totalrefelxion lediglich vom Feuchtigkeitsfilm reflektiertes Licht enthalten, also kein Nutzsignal beinhalten, in den aufgenommenen Bildern ausgeblendet, um störende Reflexe zu vermeiden. Auf diese Weise kann dann wenigstens das Auffinden von funktionstragenden Gewebearealen in denjenigen Zonen, in denen ein Nutzsignal gemessen werden kann, ermöglicht werden.
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Obwohl in 5 eine Leuchtdiode 147 zum Generieren des Messlichtes Verwendung findet, kann auch eine breitbandige Lichtquelle zum Generieren des Messlichtes Verwendung finden, wie dies in 1 dargestellt ist. In 5 sind dann die Leuchtdiode 147 durch einen periodisch in den Strahlengang einbringbaren Filter 49 und der Modulator 303 durch einen Frequenzgeber zu ersetzen. Insbesondere kann der in 1 dargestellte, auf einem Filterrad 47 angeordnete Filter zur Anwendung kommen. Statt auf einem Filterrad 47 kann ein solcher Filter 49 aber auch auf einem schwingenden Träger angeordnet sein, um die Messlichtpulse zu erzeugen. Wenn ein Filter 49 Verwendung findet, wie dies mit Bezug auf 1 beschrieben worden ist, so wird der Filter 49 in den Strahlengang eingeführt, wenn das Messlicht aus der Beleuchtung ausgeblendet werden soll. Um die Messlichtpulse zu generieren wird der Filter 49 dann aus dem Strahlengang entfernt, so dass der Gewebebereich sowohl mit dem breitbandigen Licht, als auch mit dem Messlicht beleuchtet wird. Die Pulsfrequenz kann dabei über die Drehfrequenz des Filterrades 47 oder, bei Verwendung eines schwingenden Filters, mittels der Schwingungsfrequenz eingestellt werden.
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Neben den beschriebenen Abweichungen von den Ausführungsbeispielen sind weitere Abweichungen von den Ausführungsbeispielen möglich. So kann beispielsweise zum Durchführen des deflektometrischen Verfahrens entweder monochromatisches Licht oder Weißlicht zur Beleuchtung des Gewebereiches zur Anwendung kommen, wobei im Falle von Weißlicht vor der Kamera 21 ein schmalbandiger Filter angeordnet ist, der lediglich eine Komponente des Weißlichtes passieren lässt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die deflektometrische Messung simultan in mehreren Wellenlängenbereichen durchzuführen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Streifenprojektion mit mehreren voneinander getrennten Wellenlängen erfolgt oder eine Filtervorrichtung vor der Kamera 21 angeordnet ist, die mehrere Wellenlängen passieren lässt. Außerdem können, falls eine Korrektur der Differenzbilder auf der Basis von Topographiedaten nicht erfolgen soll, die Topographieermittlungseinheit 309 und die Korrektureinheit 311 weggelassen und die Differenzbildungseinheit 313 direkt mit der Ausleseeinheit 317 und dem Speicher 315 verbunden werden. Wenn andererseits lediglich eine Korrektur auf der Basis der Topographiedaten, nicht aber eine Eliminierung von Umgebungslichteinflüssen erfolgen soll, können der Puffer 319 und die Differenzbildungseinheit 313 weggelassen werden. Die Korrektureinheit 311 wäre dann direkt mit den elektronischen Bildsensor 23 verbunden.
