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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt angepassten Objektbeleuchtung
eines optischen Beobachtungsgeräts,
wie etwa eines Operationsmikroskops, sowie ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Anpassen der Objektbeleuchtung eines optischen Beobachtungsgeräts an ein
Beobachtungsobjekt. Insbesondere ist die angepasste Objektbeleuchtung
eine Beleuchtung, die zu einem hohen Kontrast im Bild des optischen
Beobachtungsgerätes
führt.
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Beim
Arbeiten mit optischen Beobachtungsgeräten ist es häufig wünschenswert,
den Kontrast im Bild zu steigern, um verschiedene Gebiete des mit dem
optischen Beobachtungsgerät
beobachteten Objektes, dem Beobachtungsobjekt, besser unterscheiden
zu können.
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Beispielsweise
unterscheidet sich malignes (krankes) Gewebe von gesundem Gewebe
häufig durch
unterschiedliches Streuverhalten im sichtbaren Spektralgebiet. Wenn
diese Unterschiede ausgeprägt
sind, erkennt man in einem Operationsmikroskop bei Beleuchtung mit
weißem
Licht unterschiedliche Farben. Die Farbunterschiede können jedoch sehr
gering und bei weißem
Licht fast nicht zu erkennen sein. Insbesondere kleine Tumore, die
unter dem Operationsmikroskop nur geringe farbliche Unterschiede
zum gesunden Gewebe aufweisen, sind daher schwer zu erkennen.
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Um
den Bildkontrast eines Mikroskops zu erhöhen, ist in der WO 95/29420
vorgeschlagen, eine als Raumfilter wirkende Blende in den Beleuchtungsstrahlengang
des Mikroskops einzubringen. Mit der Blende wird erreicht, dass
das Beobachtungsobjekt nicht mehr dem vollen Lichtkonus ausgesetzt
ist, sondern nur noch von einem spitz zulaufenden „Lichtschwert" schief beleuchtet
wird. Bei einer derartigen Beleuchtung entsteht im Vergleich zur
Beleuchtung mit dem vollen Lichtkonus weniger Streulicht, und das
Mikroskopbild erscheint kontrastreicher.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ermitteln einer angepassten Beleuchtung in einem optischen Beobachtungsgerät zur Verfügung zu
stellen, mit der sich auch bei Verwendung des vollen Lichtkonus
eine Erhöhung
des Bildkontrastes erzielen lässt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Anpassen der Beleuchtung in einem optischen
Beobachtungsgerät
zur Verfügung
zu stellen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches
Beobachtungsgerät zur
Verfügung
zu stellen, in dessen Bild sich malignes Gewebe besonders deutlich
von gesundem Gewebe unterscheidet.
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Die
erste Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach
Anspruch 1 bzw. Anspruch 12 gelöst,
die zweite Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach
Anspruch 9 bzw. Anspruch 18 und die dritte Aufgabe durch ein optisches
Beobachtungsgerät
nach Anspruch 24 Die abhängigen Ansprüche enthalten
weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt angepassten Objektbeleuchtung
eines optischen Beobachtungsgeräts,
insbesondere eines Operationsmikroskops, umfasst die Schritte:
- – Beleuchten
des Beobachtungsobjektes mit Beobachtungslicht. Unter Beobachtungslicht
soll hierbei eine Strahlung zu verstehen sein, wie sie in einem
optischen Beobachtungsgerät,
wie etwa einem Operationsmikroskop, üblicherweise Verwendung findet.
Das Beobachtungslicht ist typischerweise weißes Licht einer Glühlampe.
- – Aufnehmen
eines ersten Spektrums für
einen ersten Objektausschnitt des Beobachtungsobjektes. Das erste
Spektrum kann entweder ein Transmissionsspektrum sein, d.h. das
Aufnehmen des Spektrums erfolgt mit Durchlichtbeleuchtung oder ein
Reflektionsspektrum, d.h. das Aufnehmen des Spektrums erfolgt mit
Auflicht-Beleuchtung. Streng genommen findet im kranken Gewebe keine
Reflektion des Lichtes statt, sondern Streuung und Absorption. Unter
dem Ausdruck „reflektiertem
Licht" soll daher
im Folgenden Licht zu verstehen sein, das bei Auflicht-Beleuchtung
in die Optik des optischen Beobachtungsgerätes gestreut wird und unter „Reflektion" die Streuung von
Licht in die Optik des optischen Beobachtungsgerätes bei Auflicht-Beleuchtung.
- – Aufnehmen
eines zweiten Spektrums für
einen zweiten Objektausschnitt des Beobachtungsobjektes. Das zweite
Spektrum kann ebenso wie das erste Spektrum entweder ein Transmissionsspektrum
oder ein Reflektionsspektrum sein.
- – Ermitteln
des Unterschiedes zwischen dem ersten Spektrum und dem zweiten Spektrum.
- – Ermitteln
mindestens eines Wellenlängenbereiches,
in dem der Unterschied zwischen dem ersten Spektrum und dem zweiten
Spektrum groß ist. Ein
großer
Unterschied kann bspw. vorliegen, wenn der Unterschied zwischen
der Intensität
des ersten Spektrums und der Intensität des zweiten Spektrums um
einen bestimmten Prozentsatz größer ist,
als ein mittlerer Unterscheid, wenn der Unterschied einen bestimmten
Schwellenwert überschreitet
oder wenn eine Unterschiedseigenschaft als Funktion der Wellenlänge lokale
Maxima aufweist, bspw. lokale Maxima in einem Differenzspektrum.
Für das
Erhöhen
des Bildkontrastes ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wellenlängenbereich
mit dem größten Unterschied
ermittelt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bspw.
krankes Gewebe dunkel erscheint, wenn in einer Auflicht-Beleuchtung
Filter verwendet werden, deren maximale Durchlass-Wellenlänge im Reflektionsminimum
des kranken Gewebes liegt. Mit anderen Worten, die maximale Durchlass-Wellenlänge liegt
in einem Wellenlängenbereich,
in dem die Intensität
des in die Optik des Beobachtungsgerätes gestreuten Lichtes minimal
ist. Die Verwendung derartiger Filter ist jedoch nur dann sinnvoll,
wenn das das kranke Gewebe umgebende gesunde Gewebe nicht bei derselben
Wellenlänge stark
absorbiert, da sonst nicht mehr genug Licht zum Beobachten des Beobachtungsobjektes,
im vorliegenden Beispiel des Gewebes, vorhanden ist.
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Bisher
war insbesondere in Medizinkreisen der Versuch üblich, durch den Einsatz von
Filtern im Beleuchtungsstrahlengang von Mikroskopen eine Erhöhung des
Kontrastes zu erreichen. Da jedoch, abhängig von der spektralen Empfindlichkeit
des Betrachters, ein sehr dunkles einfarbiges Bild trotz evtl. verbesserter
Kontraste nicht mehr im Detail aufgelöst werden kann, führt der
rein visuelle Versuch, mit Filtern verschiedener Durchlass-Wellenlängen die
Wellenlänge
des höchsten
Kontrastes zu finden, nicht immer zuverlässig zum Ziel.
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An
dieser Stelle setzt die vorliegende Erfindung ein. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, systematisch und ohne Beeinflussung durch die spektrale Empfindlichkeit
des Beobachters die Beleuchtung derart anzupassen, dass sich eine
Erhöhung
des Bildkontrastes erzielen lässt.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
wird das spektrale Streu- und Absorptionsverhalten verschiedener
Bereiche des Beobachtungsobjektes, typischerweise zweier Objektausschnitte,
ermittelt (bspw. in Transmission oder Reflektion, je nachdem, ob
eine Durchlicht- oder eine Auflicht-Beleuchtung vorliegt). Die verschiedenen
Bereiche des Beobachtungsobjektes können bspw. krankes und gesundes Gewebe
sein. Aus dem Unterschied der beiden Spektren, der bspw. anhand
eines Differenzspektrums zu ermitteln ist, lassen sich eine oder
mehrere Wellenlängen
ermitteln, bei der bzw. denen der Betrachter einen erhöhten Kontrast
zwischen den beiden Bereichen des Beobachtungsobjektes vorfindet. Dazu
wird der Wellenlängenbereich
ermittelt, bei dem ein großer
Unterschied zwischen den beiden Spektren vorhanden ist. Dieser Wellenlängenbereich kann
bspw. ein Wellenlängenbereich
sein, bei dem das Differenzspektrum ein Maximum aufweist. In dem
so ermittelten Wellenlängenbereich
absorbiert der eine Bereich des Beobachtungsobjektes (bspw. das
gesunde Gewebe) relativ wenig Licht, während der andere Bereich des
Beobachtungsobjektes (bspw. das kranke Gewebe) das Licht relativ
stark absorbiert, so dass sich bei einer Beleuchtung mit Licht dieses
Wellenlängenbereiches
die beiden Bereiche des Beobachtungsobjektes im Bild stark voneinander abheben.
Die Kontrastverstärkung
kann bspw. in der Anwendung mit Operationsmikroskopen dazu führen, dass
sich etwa Tumore deutlicher vom umgebenden gesunden Gewebe abheben
und deshalb schonender und quantitativer entfernt werden können.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Aufnehmen des ersten
und/oder zweiten Spektrums die Intensität von Licht, das vom jeweiligen
Objektausschnitt des Beobachtungsobjektes ausgeht, für eine Anzahl
verschiedener Wellenlängen,
im Folgenden spektrale Stützpunkte
genannt, gemessen. Das vom Beobachtungsobjekt ausgehende Licht kann
hierbei je nachdem, ob in Reflektion oder Transmission gemessen
wird, reflektiertes oder durch das Beobachtungsobjekt hindurchgetretenes
Licht sein. In vielen Fällen
lässt sich
das erste und/oder zweite Spektrum durch Messen relativ weniger
spektraler Stützpunkte
hinreichend genau messen. Da aus energetischen Gründen die
beleuchtende Strahlung relativ breitbandig sein muss, sollten ca.
10 spektrale Stützpunkte
ausreichen, um die Spektren der jeweiligen Objektausschnitte zu
messen. Selbstverständlich
kann die Zahl der Stützpunkte
auch größer und insbesondere
sehr viel größer sein
als 10. Das Messen der Intensitäten
für die
jeweiligen spektralen Stützpunkte,
kann sowohl nacheinander als auch gleichzeitig erfolgen. Alternativ
ist es auch möglich, statt
spektraler Stützpunkte
ein kontinuierliches Spektrum aufzunehmen.
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Um
eine Normierung der für
die jeweiligen Objektausschnitte aufgenommenen Spektren zu ermöglichen,
ist es vorteilhaft, wenn für
jeden spektralen Stützpunkt
eine Kalibrierungsmessung erfolgt. Das Ergebnis der Kalibrierungsmessung
kann dann zur Normierung herangezogen werden. Die Kalibrierungsmessung
kann bspw. vor dem Aufnehmen des ersten Spektrums z.B. anhand eines
weißen,
an Stelle des Beobachtungsobjekts angeordneten Standardelements
erfolgen.
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Insbesondere
geeignet zum raschen und unkomplizierten Ermitteln des Unterschiedes
zwischen dem ersten und dem zweiten Spektrum ist das Bilden eines
Differenzspektrums aus beiden Spektren, also desjenigen Spektrums,
das dadurch entsteht, dass für
jeden spektralen Stützpunkt
die Intensität
eines Spektrums von der des anderen Spektrums subtrahiert wird.
Für jede
Wellenlänge
des Differenzspektrums stellt dessen Intensität dann den Unterschied zwischen
den beiden Spektren dar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden das erste Spektrum
und/oder das zweite Spektrum jeweils bei Wellenlängen von 400–700 nm aufgenommen.
Diese Ausführungsform
eignet sich für
Anwendungen, bei denen das Betrachten des Beobachtungsobjektes bspw.
mit bloßem
Auge im sichtbaren Wellenlängenbereich
erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Anpassen der Objektbeleuchtung eines optischen Beobachtungsgeräts an ein
Beobachtungsobjekt umfasst zusätzlich
zum Ermitteln einer angepassten Beleuchtung einen Schritt, in dem
eine Beleuchtungsstrahlung erzeugt wird, die eine enge Wellen längenverteilung
in einem Wellenlängenbereich
aufweist, in dem ein großer
Unterschied zwischen dem ersten Spektrum und dem zweiten Spektrum
vorliegt. Unter einer engen Wellenlängenverteilung soll hierbei
insbesondere auch eine Spektrallinie zu verstehen sein. Bei Verwendung
einer einzigen engen Wellenlängenverteilung,
wie sie bspw. bei einer einzelnen Spektrallinie vorliegt, ergibt
sich ein kontrastreiches monochromatisches Bild.
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Falls
mehrere Wellenlängenbereiche
vorhanden sind, in denen ein großer Unterschied zwischen dem
ersten Spektrum und dem zweiten Spektrum vorliegt, kann die Beleuchtungsstrahlung
auch mehrere enge Wellenlängenverteilungen
aufweisen, die vorzugsweise in verschiedenen Wellenlängenbereichen
mit großem
Unterschied zwischen den Spektren liegen. Auf diese Weise lassen
sich Bilder mit erhöhtem
Kontrast erzeugen, die nichtmonochromatisch sind. Dabei ist jedoch
zu beachten, dass der Unterschied zwischen den Spektren in allen
verwendeten Wellenlängenbereichen
in derselben Weise wirkt. So muss, wenn der Unterschied z.B. von
einem Differenzspektrum repräsentiert
wird, die Differenz in allen Wellenlängenbereichen dasselbe Vorzeichen
besitzen, da die engen Wellenlängenverteilungen
sonst umgekehrte Kontrastverhältnisse
erzeugen würden, was
in der Summe zu einer Verringerung des Bildkontrastes statt zu einer
Erhöhung
führen
würde.
Alternativ kann die Beleuchtungsstrahlung auch eine Wellenlängenverteilung
mit mehreren Wellenlängenbereichen
aufweisen, die nicht alle einen großen Unterschied zwischen den
Spektren aufweisen, oder die Differenz besitzt nicht überall dasselbe
Vorzeichen. Bspw. kann auf diese Weise ein Farbstich des kranken
oder des gesunden Gewebes herbeigeführt werden.
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Wenn
es die spektrale Verteilung der Unterschiede zwischen dem ersten
und dem zweiten Spektrum erlaubt, können die engen Wellenlängenverteilungen
insbesondere derart gewählt
werden, dass ihre Überlagerung
zumindest näherungsweise weißes Licht
ergibt.
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Ein
besonders hoher Kontrast lässt
sich erzielen, wenn die enge Wellenlängenverteilung in einem Wellenlängenbereich
erzeugt wird, in dem das Differenzspektrum von erstem und zweitem
Spektrum ein Maximum aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt angepassten Objektbeleuchtung
eines optischen Beobachtungsgeräts
umfasst:
- – Eine
Beleuchtungseinheit mit einer breitbandigen Lichtquelle zum Beleuchten
des Beobachtungsobjektes. Unter einer breitbandigen Lichtquelle
soll hierbei insbesondere eine weiße Lichtquelle zu verstehen
sein, wie sie in einem optischen Beobachtungsgerät, etwa einem Operationsmikroskop, üblicherweise
verwendet wird. Die weiße
Lichtquelle kann bspw. eine Glühlampe sein.
Andere breitbandige Lichtquellen sind jedoch grundsätzlich auch
geeignet.
- – Eine
Messvorrichtung zum Aufnehmen mindestens eines ersten Spektrums
und eines zweiten Spektrums vom Beobachtungsobjekt.
- – Eine
Auswerteeinheit zum Ermitteln des Unterschiedes zwischen den beiden
Spektren und zum Auffinden mindestens eines Wellenlängenbereiches
mit einem großen
Unterschied zwischen den beiden Spektren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
das erfindungsgemäße Verfahren
durchzuführen.
Insbesondere ist es möglich,
diejenigen Wellenlängen
zu ermitteln, bei denen sich im Bild des optischen Beobachtungsgerätes ein
hoher Kontrast zeigt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit derart ausgestaltet
ist, dass sie den Wellenlängenbereich
mit dem größten Unterschied
zwischen den beiden Spektren ermittelt. Eine Beleuchtung des Beobachtungsobjekts
mit einer Wellenlängenverteilung
aus dem Wellenlängenbereich
mit dem größten Unterschied
führt dann
zu einem monochromatischen Bild mit einem besonders starken Kontrast zwischen
den Objektausschnitten, für
die das erste und das zweite Spektrum aufgenommen worden sind.
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In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Messvorrichtung
eine Monochromatisierungseinheit zugeordnet. Diese kann insbesondere
durch ein Verlauffilter oder eine Anzahl Filter, die zum Aufnehmen
eines Spektrums in den Strahlengang einzubringen sind, realisiert
sein. Die Filter können
im letzteren Fall bspw. auf einem Filterrevolver angeordnet sein.
Die Ausgestaltung mit einer Anzahl Filter lässt sich mit relativ einfachen
Mitteln realisieren und eignet sich insbesondere, wenn zum Aufnehmen
der Spektren lediglich Intensitäten bei
einer relativ geringen Anzahl spektraler Stützpunkte gemessen werden sollen.
Anstatt der Filter können
zum Monochromatisieren auch Prisen oder Beugungsgitter Verwendung
finden
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In
einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst die Messvorrichtung ein Simultanspektrometer. Mittels des
Simultanspektrometers lassen sich die Intensitäten aller spektralen Stützpunkte
des Spektrums in einem einzigen Messschritt messen, wodurch sich
die Messzeit verkürzt.
Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn Intensitäten für eine hohe
Anzahl spektraler Stützpunkte
zu messen sind.
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Die
Auswerteeinheit kann in einer einfachen Ausgestaltung einen Subtrahierer
zum Bilden eines Differenzspektrums aus dem ersten Spektrum und dem
zweiten Spektrum umfassen. Anhand des Differenzspektrums lassen
sich die großen
Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Spektrum in besonders
einfacher Weise bestimmen, indem die Maxima des Differenzspektrums
ermittelt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Anpassen der Objektbeleuchtung eines optischen Beobachtungsgeräts an ein
Beobachtungsobjekt umfasst zusätzlich
zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Ermitteln einer angepassten Beleuchtung eine Einstelleinrichtung
zum Einstellen der Beleuchtungseinheit derart, dass die Beleuchtung
des Beobachtungsobjekts in einem Wellenlängenbereich oder mehreren Wellenlängenbereichen
erfolgt, in dem bzw. in denen ein großer Unterschied zwischen dem ersten Spektrum
und dem zweiten Spektrum vorliegt. Auf diese Weise lässt sich
mit dem optischen Beobachtungsgerät ein kontrastreiches Bild
erzeugen.
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In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anpassen
der Beleuchtung in einem optischen Beobachtungsgerät umfasst
die Beleuchtungseinheit eine mit der Einstelleinrichtung zum Empfang
eines Einstellsignals verbundene Monochromatisierungseinheit. Die
Monochromatisierungseinheit kann insbesondere als Filtervorrat mit
in den Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungseinheit einbringbaren
Filtern ausgestaltet sein. Das Transmissionsverhalten der Filter
ist derart, dass sie nur einen engen Wellenlängenbereich passieren lassen.
Die Transmissionseigenschaften dieser Filter entsprechen vorzugsweise
denen der Filter, die beim Aufnehmen der Spektren Verwendung finden.
Insbesondere können
die Filter mit den Filtern zum Aufnehmen der Spektren identisch
sein, so dass nur ein Filtervorrat vorhanden zu sein braucht. Dies
setzt jedoch voraus, dass die Filter beim Aufnehmen der Spektren
nicht in den Beobachtungsstrahlengang sondern in den Beleuchtungsstrahlengang
eingebracht werden. Insbesondere kann der Filtervorrat derart ausgestaltet
sein, dass die Filter sowohl in den Beleuchtungs- als auch in den
Beobachtungsstrahlengang eingebracht werden können. Als Filter können bspw.
Absorptionsfilter zum Einsatz kommen. Wenn eine besonders schmale
Bandbreite der Filter gewünscht
ist, erweisen sich Interferenzfilter als besonders geeignet. Diese
bringen jedoch einen hohen Intensitätsverlust mit sich, so dass
bei der Wahl geeigneter Filter zwischen der Bandbreite der Filter
und dem mit den Filtern verbundenen Intensitätsverlust abzuwägen ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anpassen
der Beleuchtung in einem optischen Beobachtungsgerät umfasst
die Beleuchtungseinheit neben der weißen Lichtquelle eine polychromatische
Lichtquelle, etwa eine Spektrallampe wie bspw. eine Xenonlampe.
Die polychromatische Lichtquelle eignet sich besonders zum Erzeugen
monochromatischer Strahlung hoher Strahlungsdichte, und damit zum
Erzeugen der kontraststarken Beleuchtung. Vorzugsweise findet als polychromatische
Lichtquelle eine stark polychromatische Lichtquelle Verwendung.
Die weiße Lichtquelle und
die polychromatische Lichtquelle können insbesondere auch durch
dieselbe Lampe realisiert sein, bspw. in Form einer Xenonlampe.
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In
noch einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Anpassen der Beleuchtung in einem optischen Beobachtungsgerät umfasst
die Beleuchtungseinheit eine Umschalteinrichtung zum Umschalten
zwischen der weißen
Lichtquelle und der polychromatischen Lichtquelle. In dieser Ausgestaltung
kann der Betrachter durch gezieltes Abschwächen der Beleuchtung mit der
weißen Lichtquelle
auf empfindungsgemäß gleiche
Helligkeit, wie bei Beleuchtung in dem Wellenlängenbereich, in dem ein großer Unterschied
zwischen dem ersten und dem zweiten Spektrum vorliegt, zwischen den
beiden Beleuchtungsarten wechseln. So kann er seinen kontraststarken
aber ggf. monochromen oder falschfarbigen Seheindruck mit Farbinformationen aus
dem kontrastschwachen farbigen Seheindruck ergänzen.
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Ein
erfindungsgemäßes optisches
Beobachtungsgerät
zum Beobachten von Gewebe umfasst eine Beleuchtungseinheit, deren
Beleuchtungsstrahlung derart an das zu beobachtende Gewebe angepasst
ist, dass entweder ein verstärkter
Kontrast zwischen gesundem und malignem Gewebe auftritt oder das
gesunde und/oder das maligne Gewebe einen Farbstich aufweisen bzw.
aufweist. Wenn sowohl das maligne Gewebe als auch des gesunde Gewebe
einen Farbstich aufweisen sollen, so ist die Beleuchtungsstrahlung
derart gewählt,
dass diese Farbstiche verschieden sind. Der erhöhte Kontrast bzw. der Farbstich
ermöglicht
ein besonders einfaches Unterscheiden von malignem und gesundem
Gewebe im Bild des optischen Beobachtungsgerätes.
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Dem
optischen Beobachtungsgerät
kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt angepassten Objektbeleuchtung
zugeordnet sein, wobei das Gewebe das Beobachtungsobjekt darstellt.
Die Vorrichtung kann entweder in das optische Beobachtungsgerät integriert
sein oder als eigenständige
Einheit ausgestaltet sein.
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Wenn
die Anwendung, d.h. das Streu- und Absorptionsverhalten des zu beobachtenden
kranken und gesunden Gewebes gut bekannt ist, genügt es, wenn
das optische Beobachtungsgerät
mit einer oder mehreren monochromatischen Lichtquellen, deren Wellenlängen an
das Streu- und Absorptionsverhalten angepasst sind, ausgestattet
ist. Insbesondere können
drei monochromatische Lichtquellen Verwendung finden, deren Wellenlängen derart
aufeinander abgestimmt sind, dass die Beleuchtungsstrahlung im Wesentlichen
weiß erscheint.
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Soll
das optische Beobachtungsgerät
flexibel eingesetzt werden, d.h. zum Beobachten unterschiedlicher
Kombinationen von krankem und gesundem Gewebe oder von Gewebe, dessen
Streu- und Absorptionsverhalten nicht bekannt ist, so ist es vorzugsweise
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Anpassen der Objektbeleuchtung ausgestattet.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf
die beiliegende Figur Bezug genommen wird.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Anpassen der Beleuchtung in einem optischen Beobachtungsgerät.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Anpassen der Beleuchtung in einem optischen Beobachtungsgerät an ein
Beobachtungsobjekt schematisch dargestellt. Sie umfasst eine Beleuchtungseinheit 1 zum
Beleuchten des Beobachtungsobjektes und eine Messvorrichtung 10,
mit der sich Spektren des Beobachtungsobjektes aufnehmen lassen.
Außerdem
umfasst die in 1 dargestellte
Vorrichtung eine Auswerteeinheit 20 zum Auswerten der mit
der Messvorrichtung 10 aufgenommenen Spektren. Die Auswerteeinheit 20 ist
zum Empfang der Spektren mit der Messvorrichtung 10 und zum
Ausgeben von Auswertedaten mit einer Einstelleinrichtung 30 verbunden.
Die Einstelleinrichtung 30 steht zum Einstellen der Beleuchtung
anhand der von der Auswerteeinheit 20 erhaltenen Auswertedaten mit
der Beleuchtungseinheit 1, insbesondere mit einem Filtervorrat 3 der
Beleuchtungseinheit, in Verbindung. Der Filtervorrat 3 stellt
eine Monochromatisierungseinheit der Beleuchtungseinheit 1 dar.
Statt des Filtervorrats 3 kann als alternative Ausgestaltung auch
ein breitbandiger Monochromator, bspw. ein Verlauffilter, zur Anwendung
kommen.
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Die
Beleuchtungseinheit 1 umfasst zwei Lichtquellen, eine Halogenlampe 5 als
weiße
Lichtquelle und eine Xenonlampe 7 (auch Xenon-Hochdrucklampe
genannt) als stark polychromatische Lichtquelle. Zum Aufnehmen der
Spektren findet die Halogenlampe 5 und zum Erzeugen der
kontraststarken Beleuchtung die Xenonlampe 7 Verwendung. Der
Xenonlampe 7 vorgeschaltet umfasst die Beleuchtungseinheit 1 darüber hinaus
einen Filtervorrat 3, dessen Filter sich in den Beleuchtungsstrahlengang
der Xenonlampe 7 einbringen lassen und der zum Empfang
eines Einstellsignals mit der Einstelleinrichtung 30 in
Verbindung steht. Als Filter für
den Filtervorrat 3 eignen sich wegen ihres hohen Transmissionsgrades
insbesondere Interferenzfilter.
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Die
Messvorrichtung 10 umfasst ein Spektrometer 12 mit
einem Filterrevolver 14 als Monochromatisierungseinrichtung
zum näherungsweisen
Monochromatisieren des vom Beobachtungsobjekt kommenden Lichtes
und einem Detektor 15 (Empfänger) zum Detektieren der Intensität des gefilterten Lichtes.
Der Filterrevolver 14 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel
10 Filter von 400–700
nm mit je 30 nm Bandbreite. Er kann jedoch auch eine höhere oder
eine niedrigere Anzahl Filter umfassen. Ebenso kann die Bandbreite
der Filter größer oder kleiner
als 30 nm sein. Zur Aufnahme der Spektren werden die 10 Filter nacheinander
in den Beobachtungsstrahlengang eingeführt und die Intensität des vom
Beobachtungsobjekt kommenden gefilterten Lichtes für jede der
10 Filterpositionen gemessen. Statt des Filterrevolvers 14 kann
die Messvorrichtung 10 auch einen anderen Monochromator
umfassen.
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Zum
Zuführen
von vom Beobachtungsobjekt kommendem Licht zum Detektor 15 umfasst
das beschriebene Ausführungsbeispiel
einen Strahlteiler (nicht dargestellt), der einen Ausschnitt des
Beobachtungsobjektes, bspw. eine Kreisfläche, ausspiegelt und dem Detektor 15 zuführt. Dieses
Ausspiegeln ermöglicht
die gezielte Aufnahme von Spektren für Ausschnitte des Beobachtungsobjektes,
so dass sich Spektren von verschiednen Objektbereichen aufnehmen
lassen. Ein kleinerer Ausschnitt führt dabei zu einer hohen Ortsauflösung beim
Aufnehmen der Spektren. Je kleiner der Ausschnitt ist, desto kleiner
können
die Strukturen des Beobachtungsobjektes sein, für die ein Spektrum unabhängig vom
restlichen Beobachtungsobjekt aufgenommen werden kann. Der Strahlteiler
kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die Größe des ausgespiegelten Ausschnittes
variieren lässt.
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Außerdem umfasst
die Messvorrichtung 10 einen mit dem Spektrometer 12 verbundenen
Speicher 16 zum Speichern der aufgenommenen Spektren und
ggf. zum Speichern von Kalibrierungsdaten. Der Speicher 16 steht
außerdem
zum Ausgeben der gespeicherten Spektren mit der Auswerteeinheit 20 in
Verbindung.
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Als
Alternative zum beschriebenen Spektrometer 12 kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung auch
ein Simultanspektrometer aufweisen. Die Ausgestaltung als Simultanspektrometer
bietet die Möglichkeit,
alle 10 (oder ggf. mehr) Intensitäten in einem Messschritt zu
messen und damit die Aufnahmezeit für das Spektrum zu verkürzen. Die
Filter sind in diesem Fall gleichzeitig im Beobachtungsstrahlengang angeordnet,
bspw. nebeneinander.
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Die
Auswerteeinheit 20 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen einen Subtrahierer 22 sowie einen Diskriminator 24.
Der Subtrahierer 22 steht mit dem Speicher 16 der
Messvorrichtung 10 in Verbindung und ist dazu ausgelegt, aus
den beiden mit der Messvorrichtung 10 aufgenommenen Spektren
ein Differenzspektrum zu bilden, indem er bspw. für jeden
spektralen Stützpunkt die
gemessenen Intensitäten
des ersten Spektrums von denen des zweiten Spektrums subtrahiert.
Mit dem Subtrahierer 22 steht der Diskriminator 24 zum Empfang
des Differenz spektrums in Verbindung. Er ist derart ausgestaltet,
dass er aus dem Differenzspektrum diejenige Wellenlänge ermittelt,
bei welcher die Differenz zwischen den Intensitäten des ersten und des zweiten
Spektrums am größten ist.
Der Diskriminator 24 steht zur Ausgabe der ermittelten
Wellenlänge
mit der Einstelleinrichtung 30 in Verbindung.
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Die
Einstelleinrichtung 30 ist derart ausgestaltet, dass sie
auf der Grundlage des vom Diskriminator 24 empfangenen
Signals einen Filter aus dem Filtervorrat 3 der Beleuchtungseinheit 1 auswählt und an
den Filtervorrat 3 ein Einstellsignal ausgibt, das dazu
führt,
dass das entsprechende Filter in den Beleuchtungsstrahlengang der
Xenonlampe 7 eingeführt
wird.
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Nachfolgend
wird das Ermitteln und Einstellen einer angepassten Beleuchtung
unter Zuhilfenahme der beschriebenen Vorrichtung am Beispiel eines Operationsmikroskops
erläutert.
Das Beobachtungsobjekt stellt dabei einen Gewebebereich dar, welcher krankes
und gesundes Gewebe umfasst. Die Beleuchtung des Operationsfeldes
soll derart angepasst werden, dass sich gesundes und krankes Gewebe
deutlich voneinander abheben.
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Zum
Ermitteln der angepassten Beleuchtung wird das Operationsfeld zunächst mit
dem weißen Licht
der Halogenlampe 5 beleuchtet. Mittels des Strahlteilers
wird der zentrale Bereich des Operationsfeldes ausgespiegelt und
das von dort reflektierte Licht durch ein im Beobachtungsstrahlengang
angeordnetes Filter des Filterrevolvers 14 hindurch dem Detektor 15 des
Spektrometers 12 zugeführt.
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Vorzugsweise
erfolgt als erster Messschritt eine Kalibrierung des Detektors 15 anhand
der Abbildung eines weißen
Standardelements. Dazu wird ein weißes Standardelement anstelle
des Gewebes mit dem Operationsmikroskop betrachtet. Nacheinander werden
dann die verschiedenen Filter in den Beobachtungsstrahlengang eingebracht
und die Intensität des
weißen
Standardelementes für
jede Filterposition gemessen. Anhand der Messung wird für jede Filterposition
ein Verstärkungsfaktor
ermittelt und im Speicher 16 abgespeichert. Die Verstärkungsfaktoren
sind dabei so gewählt,
dass die anhand des Standardelementes gemessenen Intensitäten nach
der Multiplikation mit ihrem jeweiligen Verstärkungsfaktor alle denselben
Einheitswert aufweisen.
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Anschließend erfolgt
die Aufnahme der Spektren für
das Gewebe. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird zuerst das Spektrum für
das gesunde Gewebe aufgenommen, jedoch kann auch mit dem kranken
Gewebe begonnen werden. Zum Aufnehmen des Spektrums für das gesunde
Gewebe wird dieses so anfokussiert, dass es sich im zentralen Bereich
des Operationsmikroskops befindet. Das vom gesunden Gewebe reflektierte
Licht wird dann über
den Strahlteiler dem Detektor 15 des Spektrometers 12 zugeführt. Nacheinander
werden alle 10 Filter des Filterrevolvers 14 in den Beobachtungsstrahlengang
eingebracht und mittels des Detektors 15 die jeweiligen
Intensitäten
des vom gesunden Gewebe reflektierten Lichtes gemessenen. Außerdem erfolgt
eine Normierung der Intensitäten,
d.h. die Intensitäten
werden mit demjenigen Verstärkungsfaktor
multipliziert, der dem jeweiligen Filter zugeordnet ist. Das normierte
Spektrum des gesunden Gewebes wird im Speicher 16 gespeichert.
Falls als Spektrometer ein Simultanspektrometer Verwendung findet, werden
die Intensitätswerte
nicht nacheinander sondern alle Intensitätswerte simultan gemessen.
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Im
nächsten
Schritt wird das kranke Gewebe derart anfokussiert, dass es sich
im Zentrum des Operationsfeldes befindet. Nacheinander werden dann
alle 10 Filter des Filterrevolvers 14 in den Beobachtungsstrahlengang
eingebracht und mittels des Detektors 15 die jeweiligen
Intensitäten
des vom kranken Gewebe reflektierten Lichtes gemessenen. Außerdem erfolgt
wiederum eine Normierung der Intensitäten. Das normierte Spektrum
des kranken Gewebes wird ebenfalls im Speicher 16 gespeichert. Falls
als Spektrometer ein Simultanspektrometer Verwendung findet, werden
auch in diesem Schritt die Intensitätswerte nicht nacheinander
sondern alle Intensitätswerte
simultan gemessen.
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Der
Subtrahierer 22 bildet anschließend die Differenz aus dem
Spektrum des gesunden und dem Spektrum des kranken Gewebes. Der
Diskriminator ermittelt nun diejenige Wellenlänge, bei der die Differenz
zwischen den Intensitäten
der beiden Spektren am größten ist
und gibt ein die entsprechende Wellenlänge repräsentierendes Signal an die
Einstelleinrichtung 30 weiter.
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Zum
Einstellen der kontrastverstärkenden Beleuchtung
schaltet die Einstelleinrichtung von der Halogenlampe 5 auf
die Xenonlampe 7 um und gibt ein Einstellsignal an den
Filtervorrat 3 der Beleuchtungseinheit 1 aus,
dass dazu führt,
dass dasjenige Filter in den Beleuchtungsstrahlengang der Xenonlampe 7 eingeführt wird,
das im Wesentlichen nur die Wellenlänge passieren lässt, die
der vom Diskriminator ermittelten Wellenlänge der größten Intensitätsdifferenz
entspricht. Das Ergebnis ist ein einfarbiges Bild des Operationsfeldes
mit höchstem
Kontrast zwischen gesundem und krankem Gewebe.
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Der
Beleuchtungseinrichtung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung außerdem eine
Umschalteinheit zugeordnet sein, mit der sich manuell zwischen der
Halogenlampe und der Xenonlampe, d.h. zwischen dem weißen Licht
und dem stark polychromatischen Licht umschalten lässt. Das gezielte
Abschwächen
des weißen
Lichtes derart, dass das vom Beobachtungsobjekt reflektierte Licht der
weißen
Lichtquelle dieselbe Helligkeit aufweist wie das reflektierte Licht
der stark polychromatischen Lichtquelle, ermöglicht dann dem Betrachter
zwischen den beiden Beleuchtungsvarianten hin und her zu schalten.
So kann er seinen gewohnten kontrastschwachen bunten Seheindruck
mit zusätzlichen
Informationen aus dem kontraststarken einfarbigen Seheindruck ergänzen.
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Statt
wie beschrieben nur eine Wellenlänge zur
kontrastverstärkenden
Beleuchtung zu verwenden, können
auch zwei oder mehr Wellenlängen
Verwendung finden, sofern das Differenzspektrum mindestens zwei
Maxima aufweist. Außerdem
kann die Beleuchtung auch bei Wellenlängen erfolgen, bei denen zwar
kein Maximum in der Differenz vorliegt, die Differenz jedoch groß genug
ist, um bei Beleuchtung mit der entsprechenden Wellenlänge den
gewünschten
Grad an Kontrastverstärkung
ermöglicht.
Die geeignete Differenz kann dabei bspw. durch einen Schwellenwert,
den die Intensitätsdifferenz
mindestens erreichen muss, um die gewünschte Kontrastverstärkung zu
erzielen, definiert werden.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurde das Verfahren anhand eines Operationsmikroskops mit Auflicht-Beleuchtung
beschrieben. Es sei daher darauf hingewiesen, dass sowohl die erfindungsgemäße Vorrichtung
als auch das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei Durchlicht-Beleuchtung zur Anwendung kommen können.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist das erfindungsgemäße Verfahren
zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt (welches im Ausführungsbeispiel
ein bestimmtes Krankheitsbild beinhaltet) angepassten Objektbeleuchtung
am Beispiel eines Operationsmikroskops beschrieben. Es wird je ein
Spektrum vom gesunden Gewebe und vom kranken Gewebe aufgenommen.
Dies setzt voraus, dass sich für
das spezifische Krankheitsbild das kranke Gewebe (oder ggf. das
gesunde Gewebe) in irgendeiner Form identifizieren lässt.
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Um
für ein
Krankheitsbild Informationen darüber
zu erhalten, welcher Gewebebereich krank und welcher gesund ist,
kann ggf. eine Vergleichsmessung durchgeführt werden. Als Vergleichsmessung kommt
z.B. eine Fluoreszenzmessung in Frage, bei der ein Marker gespritzt
wird, welcher sich im kranken Gewebe ablagert und eine Fluoreszenz
des kranken Gewebes verursacht. Nachdem das kranke und/oder das
gesunde Gewebe für
das entsprechende Krankheitsbild identifiziert worden sind, kann
das Verfahren zum Ermitteln einer an ein Beobachtungsobjekt angepassten
Objektbeleuchtung durchgeführt werden.
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Die
Vergleichsmessung ist selbstverständlich nicht nötig, wenn
bereits anderweitig bekannt ist, welcher Gewebebereich krank und
welcher gesund ist.