Die vorliegende Erfindung betrifft ein kopfgetragenes Visualisierungssystem, ein chirurgisches Visualisierungssystem mit einem kopfgetragenen Visualisierungssystem sowie Verfahren zur Visualisierung in einem chirurgischen Umfeld.

In der Mikrochirurgie werden Operationsmikroskope für eine vergrößerte Visualisierung des OP-Situs eingesetzt. Neben der Vergrößerung ist der stereoskopische Eindruck von entscheidender Bedeutung für den Erfolg des Eingriffs. Diese Anforderungen erfüllen analoge Operationsmikroskope seit vielen Jahren mit einer Stereooptik und einem Okulareinblick. Manche modernen Operationsmikroskope bieten neben dem Einblick in die Okulare zusätzlich eine digitale 3 D - Vi suali si erung mithilfe von Stereo-Monitoren .

Für die Visualisierung der stereoskopischen Videobilddaten kommen neben Stereo-Monitoren sogenannte Boom-Systeme und Head-Mounted-Di spl ay s (HMDs) in Frage. Boom-Systeme sind kompakte digitale Okulare, die im Wesentlichen aus zwei Mikrodisplays und zwei Okularen bestehen und an einem Stativ befestigt sind. HMDs hingegen sind kopfgetragene Systeme und in zwei Varianten verfügbar: VR-HMDs blenden die reale Umgebung komplett aus und zeigen digitale 3D-Daten mittels Mikrodisplays an. AR-HMDs hingegen ermöglichen den Blick auf die reale Umgebung und erlauben das Augmentieren von digitalen Inhalten, die ortsfest der realen Welt überlagert dargeboten werden. Ein entsprechendes AR-HMD wird beispielsweise von der Firma Magic Leap angeb oten.

Es gibt jedoch aktuell zwei Gründe, warum HMDs für die Mikrochirurgie noch nicht oder kaum eingesetzt werden:

Die Anforderungen an die Bildqualität für den sogenannten „Surgical Use Case“, d.h. die Darstellung der Bilddaten des OP-Situs während des Eingriffs für den Chirurgen, sind sehr hoch und werden von den aktuellen HMDs nicht erreicht. Das liegt zum einen daran, dass HMDs sehr leicht und kompakt sein müssen und dadurch Kompromisse bei der Bildqualität eingegangen werden müssen. Zum anderen liegt es daran, dass die Anforderungen an eine hohe Bildqualität für typische Consumer- Anwendungen nicht notwendig sind.

Der genannte Surgical Use Case erfordert bei den heutigen HMDs einen Betrieb, der einem VR-Modus entspricht, weil der Chirurg den OP-Situs bestmöglich stereoskopisch wahmehmen können muss. Zahlreiche Anwendungen erfordern hingegen den Betrieb des HMDs in einem AR-Modus: Es ist z.B. zu Beginn des Eingriffs hilfreich, den Ort einer Kraniotomie direkt dem Patientenschädel zu überlagern. Ein HMD sollte auch den Blick des Chirurgen auf die reale Umgebung ermöglichen, z.B. den Blick auf den Steriltisch mit den Instrumenten. Die eben genannten Use Cases lassen daher ein HMD erforderlich erscheinen, das zwischen einem AR- und einem VR-Modus um schaltbar ist. Keines der aktuell verfügbaren HMDs verfügt über eine solche Technologie mit einer nur annähernd ausreichenden Bildqualität im VR-Modus. Dies ist der zweite Grund, warum bisher keine oder kaum HMDs in der Mikrochirurgie eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung soll ein kopfgetragenes Visualisierungssystem bereitstellen, das für einen Einsatz in der Mikrochirurgie grundsätzlich geeignet ist. Die vorliegende Erfindung soll weiterhin ein chirurgisches Visualisierungssystem mit einem kopfgetragenen Visualisierungssystem sowie Verfahren zur Visualisierung in einem chirurgischen Umfeld unter Ausnutzung eines kopfgetragenen Visualisierungssystems bereitstellen.

Die vorgenannten Aufgaben werden durch ein kopfgetragenes Visualisierungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein chirurgisches Visualisierungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Visuali si erungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Eine Ausführungsform eines kopfgetragenen Visualisierungssystems weist auf:

• ein Tragesystem,

• mindestens ein für Licht durchlässiges Optiksystem,

• eine Bilderzeugungseinrichtung, die ausgebildet ist zur Erzeugung von Bildinformation basierend auf der der Bilderzeugungseinrichtung zugeführten Bilddaten,

• wobei das Optiksystem ausgebildet ist, von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation einer das Vi suali si erungs sy stem tragenden Person zuzuführen, und

• eine Polarisationseinheit, die ausgebildet ist, das Optiksystem durchdringendes Licht in zwei räumlichen Bereichen unterschiedlich zu polarisieren.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, ein herkömmliches AR-HMD in Kombination mit einem Stereo-Monitor einzusetzen. Die Polarisationseinheit ist daher angepasst, dass der Benutzer das auf einem Stereo-Monitor dargestellte Bild mit dem HMD in Durchsicht durch das Optiksystem des HMD stereoskopisch richtig wahrnehmen kann. Dazu kann die Polarisationseinheit zum Zusammenwirken mit Polarisatoren des Stereo-Monitors ausgebildet sein.

Das für Licht durchlässige Optiksystem kann am Tragesystem aufgenommen oder aufnehmbar sein oder an diesem angeordnet sein oder im Tragesystem integriert sein.

Die Bilderzeugungseinrichtung kann im Tragesystem integriert oder am Tragesystem aufgenommen oder aufnehmbar sein oder am Tragesystem angeordnet sein.

Darüber hinaus kann das Optiksystem ausgebildet sein, im am Tragesystem aufgenommenen Zustand von der ebenfalls am Tragesystem aufgenommenen oder darin integrierten Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation einer das Visualisierungssystem tragenden Person zuzuführen.

Die Polarisationseinheit kann am Tragesystem aufgenommen oder aufnehmbar sein oder an diesem angeordnet sein oder im Tragesystem integriert sein.

Bei einer Ausführungsform ist die Polarisationseinheit ab- und aufnehmbar am Tragesystem ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform kann der Benutzer das Visualisierungssystem ohne Polarisationseinheit verwenden, wenn ihn die durch die Polarisationseinheit resultierende Li chtab Schwächung stört.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Polarisationseinheit und das für Licht durchlässige Optiksystem gegeneinander austauschbar am Tragesystem aufgenommen. Bei dieser Ausführungsform kann der Benutzer wahlweise nur die Polarisationseinheit verwenden, wenn er keine Augmentierungsinformation benötigt, oder nur das Optiksystem verwenden, wenn er zwar eine Augmentierung wünscht, aber keine stereoskopische Wahrnehmung des auf einem Stereo-Monitor dargestellten Bilds benötigt. In der dritten Variante kann der Benutzer sowohl das Optiksystem als auch die Polarisationseinheit verwenden, wenn er sowohl das auf dem Stereo-Monitor dargestellte Bild stereoskopisch wahmehmen möchte als auch zusätzliche Augmentierungsinformation erhalten möchte. Eine weitere Ausführungsform weist ein erstes für Licht durchlässiges Optiksystem für ein linkes Auge und ein zweites für Licht durchlässiges Optiksystem für ein rechtes Auge auf. Bei dieser Ausführungsform kann die Polarisationseinheit einen ersten Polarisator vor dem ersten Optiksystem und einen zweiten Polarisator vor dem zweiten Optiksystem aufweisen.

Bei einer Ausführungsform ist die Polarisationseinheit ausgebildet, das Optiksystem durchdringendes Licht in zwei unterschiedlichen Fl ächenb ereichen in zu einander senkrechten Richtungen zu polarisieren. Die zu einander senkrechten Polarisationsrichtungen können dabei beispielsweise zueinander senkrechte lineare Pol ari sati onsrichtungen oder zu einander orthogonale zirkulare Polarisationsrichtungen, also rechtszirkular und linkszirkular, sein.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Polarisationseinheit einen linearen Polarisationsfilter und ein l/4 -Plättchen umfasst, wobei das l/4-Plättchen in Richtung eines ersten Auges eines Benutzers vor dem linearen Polarisationsfilter angeordnet ist, d.h. das l/4- Plättchen ist im am Kopf getragenen Zustand des Visualisierungssystems augenfemer angeordnet als der lineare Polarisationsfilter. Je nach Orientierung der schnellen Achse des l/4-Plättchens in Bezug auf die Ausrichtung des nachfolgenden linearen Polarisationsfilters kann die Polarisationseinheit dazu ausgebildet sein, Licht mit einer linkszirkularen Polarisation oder mit einer rechtszirkularen Polarisation durchzulassen, wobei nach Durchtritt durch den linearen Polarisationsfilter Licht mit einer linearen Polarisation vorliegt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtdurchlässigkeit des Optiksystems schaltbar bzw. gesteuert variierbar. Insbesondere kann die Lichtdurchlässigkeit des Optiksystems in verschiedenen Flächenbereichen unterschiedlich variierbar sein. Bei dieser Ausführungsform kann die Li chtdurchl äs sigkeit an die Umgebungsbedingungen angepasst werden, indem unterschiedliche Flächenbereiche des Optiksystems auf eine unterschiedliche Li chtdurchl ässigkeit geschaltet werden. Beispielsweise ist es möglich, die Li chtdurchl ässigkeit in Feldbereichen, in denen ein Benutzter die Augmentierungsinformation wahmimmt, zu reduzieren, damit die Augmentierungsinformation bei einem hellen Umgebungslicht gut wahrnehmbar ist. Andererseits ist es möglich, die Lichtdurchlässigkeit in Feldbereichen, in denen ein Benutzter das Stereo-Display wahmimmt, besonders hoch zu schalten. Entsprechende Schichten mit schaltbarer Lichtdurchlässigkeit können beispielsweise analog zu einem LCD-Display oder als pixel weise ansteuerbare elektrochrome Schicht realisiert sein.

Die Li chtdurchl äs sigkeit des Optiksystems kann mithilfe eines Li chtab schwächer s schaltbar bzw. gesteuert variierbar sein. Hierfür ist ein Polarisationsfilter in der Polarisationseinheit und ein Li chtab schwächer in dem Optiksystem angeordnet. Der Lichtabschwächer ist dabei in einer Lichtrichtung zum Auge hin hinter dem Polarisationsfilter angeordnet. Die Anordnung des Li chtab schwächer s hinter dem Polarisator ermöglicht es, Teilbereiche des natürlichen Sichtfelds auszublenden, ohne die Eigenschaft, das für die stereoskopische Wahrnehmung erforderliche Optiksystem durchdringende Licht in zwei räumlichen Bereichen unterschiedlich zu polarisieren, zu beeinflussen.

Der Li chtab schwächer kann eine ansteuerbare Flüssigkristallschicht aufweisen. Die Flüssigkristallschicht kann ein oder mehrere getrennt ansteuerbare Flüssigkristallpixel oder Flüssigkristallsegmente umfassen. Dabei kann es ermöglicht werden, unterschiedliche Stellen der Flüssigkristallschicht in ihrer Wirkung auf einfallendes Licht zu beeinflussen.

Der Li chtab schwächer kann einen linearen Ausgangspolarisationsfilter und einen linearen Eingangspolarisationsfilter aufweisen. In Ausführungsbeispielen kann der Eingangspolarisationsfilter des Li chtab sch wächers mit dem linearen Polarisationsfilter der Polarisationseinheit identisch sein. Auf diese Weise können gegebenenfalls optische Elemente des Optiksystems eingespart werden. Dieses kann eine leichtere Ausgestaltung und gegebenenfalls kostengünstigere Herstellung des kopfgetragenen Visualisierungssystems ermöglichen.

Die Flüssigkristallschicht kann dazu eingerichtet sein, die von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation einer das Vi suali si erung ssy stem tragenden Person zuzuführen. Beispielsweise können Flüssigkristallpixel unterschiedlich angesteuert werden, um dem Verwender des kopfgetragenen Visualisierungssystems weitere Parameter anzuzeigen.

Das kopfgetragene Visualisierungssystem kann einen Spiegel umfassen, um die von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation einer das Visualisierungssystem tragenden Person zuzuführen, wobei der Spiegel in der Lichtrichtung zum ersten Auge des Verwenders hin hinter dem Li chtab schwächer angeordnet ist, d.h., in einem am Kopf der Person getragenen Zustand des Visualisierungssystems ist der Li chtab schwächer augenferner als der Spiegel angeordnet.

Ebenso ist es denkbar, einen Wellenleiter vorzusehen, um die von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation einer das Visualisierungssystem tragenden Person zuzuführen, wobei der Wellenleiter in der Lichtrichtung zum ersten Auge des Verwenders hin hinter dem Li chtab schwächer angeordnet ist, d.h., in einem am Kopf der Person getragenen Zustand des Visualisierungssystems ist der Lichtabschwächer augenfemer als der Wellenleiter angeordnet. Folglich kann der Lichtabschwächer gerade in einer sehr hellen Umgebung dazu führen, dass die angezeigten Bildinformationen besser wahrgenommen werden können.

Das kopfgetragene Visualisierungssystem kann insbesondere für die Verwendung während eines operativen Eingriffs geeignet sein. Das kopfgetragene Visualisierungssystem kann insbesondere so gestaltet sein, dass es sich nach einem operativen Eingriff einfach desinfizieren lässt. Weiter kann das vorgeschlagene kopfgetragene Visualisierungssystem aufgrund der fehlenden Notwendigkeit, die stereoskopischen Bilder in dem kopfgetragenen Visualisierungssystem selbst erzeugen zu müssen, leichter gestaltet werden. Das kopfgetragene Visualisierungssystem kann daher gegenüber bekannten kopfgetragenen Visualisierungssystemen einen geringeren Energieverbrauch aufweisen, so dass bei gleicher Batteriekapazität eine längere Verwendung während der Operation oder ein leichteres kopfgetragenes Visualisierungssystem bereitgestellt werden kann.

Eine Ausführungsform eines chirurgisches Vi suali si erungs sy stem s umfasst ein kopfgetragenes Visualisierungssystem wie in der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben, ein Operationsmikroskop oder Endoskop mit einer Bildaufnahmeeinrichtung und einen Stereo-Monitor, der zur stereoskopischen Wiedergabe von Bildinformation, die mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgezeichnet wird, ausgebildet ist.

Das chirurgisches Visualisierungssystem kann eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, der Bilderzeugungseinrichtung Bilddaten zuzuführen.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das kopfgetragene Visualisierungssystem einen Eye-Tracker auf und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die der Bilderzeugungseinrichtung zugeführten Bilddaten in Abhängigkeit von Ausgangsdaten des Eye-Trackers zu steuern.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das kopfgetragene Visualisierungssystem ein Mikrofon auf und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, das Operationsmikroskop in Abhängigkeit von mit dem Mikrofon aufgenommenen akustischen Informationen zu steuern.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das kopfgetragene Visualisierungssystem ein Mikrofon auf und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die der Bilderzeugungseinrichtung zugeführten Bilddaten in Abhängigkeit von mit dem Mikrofon aufgenommenen akustischen Informationen zu steuern.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das kopfgetragene Visualisierungssystem einen gyroskopi sehen Sensor zur Bestimmung von Ausrichtungsänderungen des kopfgetragenen Visualisierungssystems im Raum auf und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, das Operationsmikroskop in Abhängigkeit von Ausgangsdaten des gyroskopi sehen Sensors zu steuern.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das kopfgetragene Visualisierungssystem einen gyroskopi sehen Sensor zur Bestimmung von Ausrichtungsänderungen des kopfgetragenen Visualisierungssystems im Raum auf und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die der Bilderzeugungseinrichtung zugeführten Bilddaten in Abhängigkeit von Ausgangsdaten des gyroskopi sehen Sensors zu steuern.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtdurchlässigkeit des Optiksystems in verschiedenen Flächenbereichen unterschiedlich schaltbar und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die Lichtdurchlässigkeit des Optiksystems in Flächenbereichen zu reduzieren, in denen von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation einer das Visualisierungssystem tragenden Person zugeführt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das kopfgetragene Visualisierungssystem eine Kamera auf, und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, eine Position des Stereo-Monitors relativ zu einer Position des kopfgetragenen Vi suali si erungs sy stem s mittels Bildererkennung zu bestimmen. Bei dieser Ausführungsform kann die Li chtdurchl äs sigkeit des Optiksystems in verschiedenen Flächenbereichen unterschiedlich schaltbar sein und die Steuerungseinrichtung kann ausgebildet sein, die Lichtdurchlässigkeit des Optiksystems in Abhängigkeit von der Position des Stereo-Monitors relativ zu der Position des kopfgetragene Visualisierungssystems zu steuern.

Ein Verfahren zur Visualisierung in einem chirurgischen Umfeld umfasst die Schritte: Darstellen eines Bilds eines Operationsgebiets auf einem Stereo-Monitor,

Beobachten des auf dem Stereo-Monitor dargestellten Bilds durch ein kopfgetragenes Visualisierungssystem mit Polarisationsfiltern, und

Bereitstellen zusätzlicher Augmentierungsinformation mittels des kopfgetragenen Visualisi erungssy stem s .

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zur Visualisierung erzeugt das kopfgetragene Visualisierungssystem Steuerungsdaten und die Augmentierungsinformation und/oder auf dem Stereo-Monitor dargestellte Bildinformation und/oder Bewegungen eines motorischen Stativs und/oder Funktionen eines Operationsmikroskops werden in Abhängigkeit von den vom Vi suali si erungs sy stem erzeugten Steuerungsdaten gesteuert.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Zuordnung zwischen den Sensoren des kopfgetragenen Visualisierungssystems oder den Ausgangssignalen der Sensoren einerseits und der über das kopfgetragene Visualisierungssystem bereitzustellenden Augmentierungsinformation vom Benutzer konfigurierbar sein.

Nachfolgend wird ein Vi suali si erungssy stem und ein chirurgischer Arbeitsplatz mit einem Visualisierungssystem anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine Prinzip-Skizze einer Ausführungsform eines kopfgetragenen Visualisierungssystems;

Figur 2: eine Prinzip-Skizze für eine Ausführungsform einer Polarisationseinheit mit einem Li chtab schwächer für ein Optiksystem in einem Vi suali sierungssy stem;

Figur 3: eine Prinzip-Skizze für eine zweite Ausführungsform einer Polarisationseinheit mit einem Li chtab schwächer für ein Optiksystem in einem Visualisierungssystem; Figur 4: eine Prinzip-Skizze für eine drite Ausführungsform einer Polarisationseinheit mit einem Li chtab schwächer für ein Optiksystem in einem Visualisierungssystem;

Figur 5: eine Prinzip-Skizze für eine vierte Ausführungsform einer Polarisationseinheit mit einem Li chtab schwächer für ein Optiksystem in einem Visualisierungssystem;

Figur 6: eine Prinzip-Skizze für eine fünfte Ausführungsform einer Polarisationseinheit mit einem Li chtab schwächer für ein Optiksystem in einem Visualisierungssystem; und

Figur 7: eine Prinzip-Skizze eines chirurgischen Arbeitsplatzes mit einem Visualisierungssystem.

Das Visualisierungssystem in Figur 1 basiert im Wesentlichen auf einer sogenannten Augmented Reality Brille (AR-Brille) oder einem sogenannten Augmented Reality Head Mounted Display (AR-HMD). Das System hat ein Tragesystem 1, in der Figur 1 dargestellt als Brillengestell mit einem linken und einem rechten Ohrbügel la, lb. Am Trage System 1 ist ein Modul 11 mit einem Optiksystem 6, 7 aufgenommen. Das Optiksystem 6, 7 ist mindestens teilweise transparent für Licht im sichtbaren Spektralbereich.

Im Tragesystem 1 ist eine Bilderzeugungseinrichtung 2 beispielsweise in Form eines Mikrodisplays integriert oder an diesem angeordnet. Die Bilderzeugungseinrichtung 2 kann über eine kabellose Schnittstelle 15, beispielsweise eine B luetooth- S chnittstell e oder eine WLAN-Schnitstelle, von einem Steuerungs-Computer 16 angesteuert und mit darzustellenden Bilddaten versorgt werden. Die mit der Bilderzeugungseinrichtung 2 wiedergegebene Bildinformation wird über eine Linse 3 und einen Umlenkspiegel 4 in Richtung einer Seitenfläche des Optiksystems 6, 7 gelenkt. Das Optiksystem 6, 7 weist interne diffraktive Strukturen und sogenannte W avegui de-El emente (nicht dargestellt) auf, die die von der Bilderzeugungseinrichtung 2 erzeugte und in das Optiksystem 6, 7 eingekoppelte Bildinformation in Richtung (Blickrichtungsachse 5) auf ein Auge R eines das Visualisierungssystems tragenden Kopfes umlenkt und aus dem Optiksystem 6, 7 auskoppelt.

Das Optiksystem 6, 7 weist eine schaltbare Beschichtung 6a, 7a auf, mit deren Hilfe die Li chtdurchl ässigkeit des Optiksystems 6, 7 schaltbar ist. Dabei ist die Beschichtung so ausgebildet, dass die Lichtdurchlässigkeit des Optiksystems in unterschiedlichen Flächenbereichen des Optiksystems quer zur Blickrichtungsachse 5 unterschiedlich einstellbar ist. Beispielsweise kann dadurch die Transmission des Optiksystems 6, 7 in Fl ächenb er eichen, in denen einem Benutzer die von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation dem durch das Optiksystem hindurchtretenden Umgebungslicht überlagert erscheint, reduziert sein. Dadurch kann die von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugte Bildinformation auch in einer hellen Umgebung gut wahrgenommen werden.

Weiterhin weist das Visualisierungssystem ein weiteres Modul 10, eine Polarisationseinheit, mit zwei Polarisationsfiltern 8, 9 auf. Die Polarisationsrichtung des Umgebungslichts, das eines der Polarisationsfilter 8 transmittiert, ist dabei senkrecht zu der Polarisationsrichtung des Umgebungslichts polarisiert, das das andere Pol ari sati onsfilter passiert. Dieses ist in der Figur 1 durch die beiden Pfeile 18, 19 angedeutet. Die Polarisationsrichtungen der 18, 19 der Polarisationsfilter sind dabei auf die Polarisationsrichtungen eines in der Figur 1 nicht dargestellten Stereo-Monitors abgestimmt, so dass das vor dem linken Auge L eines das Visualisierungssystem tragenden Benutzers angeordnete erste Polarisationsfilter 8 nur oder im Wesentlichen nur das Licht des Stereo-Monitors durchlässt, das für das linke Auge L bestimmt ist, und dass das vor dem rechten Auge R des das Visualisierungssystem tragenden Benutzers angeordnete zweite Polarisationsfilter 9 nur oder im Wesentlichen nur das Licht des Stereo-Monitors durchlässt, das für das rechte Auge R bestimmt ist.

Das Modul 11 mit dem Optiksystem 6, 7 und das Modul 10 mit den Polarisationsfiltern können wahlweise alternativ oder in Kombination an dem Tragesystem 1 aufgenommen werden, so dass der Benutzer die Wahl hat, ob er nur mit dem Polarisationsfilter-Modul 10, nur mit dem das Optiksystem 6, 7 aufweisenden Modul 11 oder mit beiden Modulen 10, 11 gleichzeitig und seriell hintereinander angeordnet arbeiten möchte.

Das Trage System 1 weist noch einige weitere Sensoren auf, insbesondere eine nach vorne gerichtete Kamera 12, ein am Tragesystem gehaltenes oder in das Tragesystem 1 integriertes Mikrofon 13, einen Eye-Tracker 17 und einen gyroskopi sehen Sensor 14. Mit dem gyroskopi sehen Sensor 14 können Dreh- und Kippbewegungen des Tragesystems 1 im Raum bestimmt und solche Dreh- und Kippbewegungen charakteri si er ende Ausgangsdaten erzeugt werden. Mit dem Eye-Tracker 17 kann eine Bewegung der Augen eines das Visualisierungssystem tragenden Benutzers erfasst und Ausgangsdaten erzeugt werden, die diese Augenb ewegung charakterisieren. Die von der Kamera 12, dem Mikrofon 13, dem Eye- Tracker 17 und dem gyroskopi sehen Sensor 14 erzeugten Ausgangsdaten können über die kabellose Schnittstelle 15 an den Steuerungsrechner übermittelt werden.

Die in der Figur 1 dargestellte Ausführungsform weist zwei Optiksysteme 6, 7 auf, von denen ein erstes einem linken Auge und ein zweites einem rechten Auge eines das Visualisierungssystem tragenden Benutzers zugeordnet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann dagegen nur ein einziges Optiksystem vorhanden sein, das die Sehfelder beider Augen des das Visualisierungssystem tragenden Benutzers überdeckt.

Die in der Figur 1 dargestellte Ausführungsform weist nur eine einzige Bilderzeugungseinrichtung 2 auf, und die mit der Bilderzeugungseinrichtung 2 wiedergegebene Bildinformation wird nur einem einzigen Auge R dargeboten. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die mit der Bilderzeugungseinrichtung 2 wiedergegebene Bildinformation auch beiden Augen gleichzeitig dargeboten werden. In diesem Fall kann ein Teil des von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugten Lichts in das eine Optiksysteme 6, und ein anderer Teil des von der Bilderzeugungseinrichtung 2 erzeugten Lichts in das andere Optiksysteme 7 eingekoppelt werden. In diesem Fall müssen beide Optiksysteme integrierte diffraktive Strukturen und W avegui de-El emente aufweisen, um in das Optiksystem eingekoppeltes Licht zu dem diesem Optiksystem zugeordneten Auge zu lenken.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können auch zwei

Bilderzeugungseinrichtungen vorgesehen sein, von denen eine von ihr erzeugtes Licht in ein erstes der beiden Optiksysteme einkoppelt und die andere das von ihr erzeugte Licht in das andere, zweite Optiksystem einkoppelt.

Figur 2 zeigt Elemente eines kopfgetragenen Visualisierungssystems in einem höheren Detailgrad. Das kopfgetragene Visualisierungssystem weist dabei einen ersten optischen Kanal 3100, welcher einem ersten Auge eines Verwenders 1002 zugeordnet ist, und einen zweiten optischen Kanal 3200, welcher einem zweiten Auge des Verwenders 1002 zugeordnet ist, auf. Von dem Bildschirm 1003 können Bilder mit einer ersten Polarisation und einer zweiten Polarisation gleichzeitig dargestellt werden. Bei der ersten Polarisation kann es sich beispielsweise um eine vertikale Polarisation, wie es in der Figur 2 mit einem nach oben gerichtetem Pfeil angedeutet ist, und um eine horizontale Polarisation, wie es in der Figur 2 mit Kreisen angedeutet ist, handeln. Das kopfgetragene Vi suali si erungssy stem weist im ersten optischen Kanal 3100 einen ersten Polarisator 3110 und zwischen dem ersten Polarisator 3110 und dem Auge des Verwenders 1002 einen ersten Lichtabschwächer 3120 auf. Der erste Polarisator 3110 umfasst einen ersten linearen Polarisationsfilter 3111, welcher nur vertikal polarisiertes Licht passieren lässt. Der erste Li chtab schwächer 3120 weist einen ersten Eingangspolarisationsfilter 3121 und einen ersten Ausgangspolarisationsfilter 3123 auf. Zwischen dem ersten Eingangspolarisationsfilter 3121 und dem ersten Ausgangspolarisationsfilter 3123 ist eine erste Flüssigkristallschicht 3122 angeordnet, die mehrere einzeln ansteuerbare Flüssigkeitskri stallpixel oder Flüssigkeitskri stall Segmente (nicht gezeigt) aufweist. Die erste Flüssigkristallschicht 3122 bewirkt eine Drehung der vertikalen Polarisation, so dass das durch die Flüssigkristallschicht hindurchtretende Licht hinter der ersten Flüssigkristallschicht eine Linearkombination einer vertikalen und einer horizontalen Polarisation aufweist. Der Grad der Drehung kann dabei durch eine entsprechende Ansteuerung der Pixel oder Segmente der ersten Flüssigkristallschicht 3122 geändert werden. Der erste Ausgangspolarisationsfilter 3123 sorgt dafür, dass nur Licht mit vertikaler Polarisation durchgelassen wird. Dementsprechend bewirkt die erste Flüssigkristallschicht 3122 in Kombination mit dem ersten Eingangspolarisationsfilter 3121 und dem ersten Ausgangspolarisationsfilter 3123 eine Li chtab Schwächung .

In vergleichbarer Weise umfasst der zweite optische Kanal 3200 einen zweiten Polarisator 3210 mit einem zweiten linearen Polarisationsfilter 3211 sowie einen zweiten Li chtab schwächer 3210 mit einem zweiten Eingangspolarisationsfilter 3221, einer zweiten Flüssigkristallschicht 3222 und einem zweiten Ausgangspolarisationsfilter 3223. Im Unterschied zum ersten Kanal 3100 ist der zweite Kanal 3200 nur für Licht der horizontalen Polarisation durchlässig. Somit findet eine Kanaltrennung statt, die es dem Verwender des kopfgetragenen Visualisierungssystems erlaubt, die vom Bildschirm 1003 angezeigten Bilder stereoskopisch wahrzunehmen.

Figur 3 zeigt ein weiteres teilweise lichtdurchlässiges Optiksystem mit einem ersten Kanal 4100 und einem zweiten Kanal 4200. Der erste Kanal weist einen ersten Polarisator 4110 und einen nachfolgend angeordneten ersten Li chtab schwächer 4120 auf. Der lineare Polarisationsfilter 4111 des ersten Polarisators 4110 ist damit mit einem Eingangspolarisationsfilter des ersten Li chtab schwächers 4120 identisch, d.h. der lineare Polarisationsfilter 4111 des ersten Polarisators 4110 bildet gleichzeitig den Eingangspolarisationsfilter des ersten Li chtab schwächers 4120. Der erste Lichtabschwächer 4120 weist weiter eine erste Flüssigkristallschicht 4122 und einen ersten Ausgangspolarisationsfilter 4123 auf.

Der erste Kanal 4100 ist wiederum für Licht mit vertikaler Polarisation im Wesentlichen durchlässig. Weiter weist das Optiksystem einen zweiten Kanal 4200 mit einem zweiten Polarisator 4210 und einem zweiten Li chtab schwächer 4220 auf. Der lineare Polarisationsfilter 4211 des zweiten Polarisators 4210 ist wiederum mit dem Eingangspolarisationsfilter des zweiten Li chtab schwächer s 4220 identisch, d.h. auch im zweiten Kanal bildet der lineare Polarisationsfilter 4211 des zweiten Polarisators 4210 gleichzeitig den Eingangspolarisationsfilter des zweiten Lichtabschwächers 4220. Der zweite Li chtab schwächer 4220 weist zudem eine zweite Flüssigkeitskristallschicht 4222 und einen zweiten Ausgangspolarisationsfilter 4223 auf. Im Unterschied zum ersten Kanal 4100 ist der zweite Kanal 4200 im Wesentlichen nur für Licht mit horizontaler Polarisation durchlässig.

Das Optiksystem der Figur 3 erlaubt es gegenüber dem Optiksystem der Figur 2 sowohl im ersten als auch im zweiten Kanal einen linearen Polarisationsfilter einzusparen.

Figur 4 zeigt ein weiteres Optiksystem, welches sich für 3D-Monitore eignet, die Bilder mit linkszirkularer Polarisation und rechtszirkularer Polarisation erzeugen. Die Verwendung von zirkularen Polarisationen bietet für den Verwender des kopfgetragenen Visualisierungssystems den Vorteil, dass auch bei gekipptem Kopf eine saubere Trennung der jeweils dem linken und rechten Kanal zugeordneten Bilder möglich bleibt.

Das Optiksystem nach Figur 4 weist einen ersten Kanal 5100 und einen zweiten Kanal 5200 auf. Im ersten Kanal 5100 sind ein erster Polarisator 5110 und ein erster Li chtab schwächer 5120 angeordnet. Der erste Polarisator umfasst einen ersten linearen Polarisationsfilter 5111 und ein erstes l/4-Plättchen 5112. Der erste lineare Polarisationsfilter 5111 ist dabei zwischen dem ersten l/4-Plättchen 5112 und dem Auge des Verwenders 1002 des kopfgetragenen Visualisierungssystems angeordnet. Der erste Polarisator 5110 lässt nur Licht mit rechtszirkularer Polarisation durch, so dass hinter dem Polarisator 5110 vertikal polarisiertes Licht vorliegt. Mithilfe des ersten Eingangspolarisators 5121, der ersten Flüssigkristallschicht 5122 und dem ersten Ausgangspolarisationsfilter 5123 wird das durch den ersten Lichtabschwächer 5120 hindurchtretende Licht abgeschwächt. In vergleichbarer Weise weist der zweite Kanal 5200 einen zweiten Polarisator 5210 und einen zweiten Li chtab schwächer 5220 auf. Der zweite Polarisator 5210 umfasst ein zweites l/4-Plättchen 5212 und weist einen zwischen dem zweiten l/4-Plättchen 5212 und dem Auge das Verwenders 1002 des kopfgetragenen Visualisierungssystems angeordneten zweiten linearen Polarisationsfilter 5211 auf. Der zweite Polarisator 5210 bewirkt, dass nur linkszirkulares Licht den zweiten Polarisator 5210 passieren kann und hinter dem zweiten Polarisator 5210 als horizontal polarisiertes Licht vorliegt. Das horizontal polarisierte Licht wird anschließend mittels des zweiten Eingangspolarisationsfilters 5221, der zweiten Flüssigkristallschicht 5222 und des zweiten Ausgangspolarisationsfilters 5223 abgeschwächt.

Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines kopfgetragenen Visualisierungssystems, welche mit zirkularer Polarisation verwendet werden kann. Das optische System des kopfgetragenen Visualisierungssystems weist wiederum einen ersten Kanal 6100 und einen zweiten Kanal 6200 auf.

Der erste Polarisator 6110 des ersten Kanals 6100 und der zweite Polarisator 6210 des zweiten Kanals 6200 teilen sich dabei ein gemeinsames einziges l/4-Plättchen 6112/6122. Weiter ist der Eingangspolarisationsfilter des ersten Li chtab schwächers 6120 identisch zum linearen Polarisationsfilter 6111 des ersten Polarisators 6110 und der

Eingangspolarisationsfilter 6211 des zweiten Li chtab schwächer s 6220 identisch zum linearen Polarisationsfilter 6211 des zweiten Polarisators 6210. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der beiden Li chtab schwächer 6120 und 6220 in Bezug auf die schnelle Achse des l/4-Plättchens 6112/6212 wird im ersten Kanal 6100 nur rechtszirkulares Licht durchgelassen und im zweiten Kanal 6200 nur linkszirkulares Licht.

Figur 6 zeigt weitere Details eines kopfgetragenen Vi suali si erungs sy stem s .

Ähnlich wie in der Figur 3 ist der Eingangspolarisationsfilter des Li chtab schwächers 4120 identisch zum linearen Polarisationsfilter 4111 des Polarisators 4110 ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 weist einen einzigen, für beide Kanäle gemeinsamen Eingangspolarisationsfilter 7111 des Li chtab schwächers 7120 auf, der gleichzeitig auch einen für beide Kanäle gemeinsamen einzigen linearen Polarisationsfilter des Polarisators 7110 bildet. Der Li chtab schwächer 7120 des ersten Kanals 7100 ist somit identisch zum Li chtab schwächer 7220 des zweiten Kanals, d.h, das Visualisierungssystem gemäß dieser Ausführungsform weist nur einen einzigen, für beide Kanäle gemeinsamen Lichtabschwächer auf. Aufgrund einer unterschiedlichen Ausrichtung des ersten l/4-Plättchens 7112 des ersten Kanals und des zweiten l/4-Plättchens 7212 des zweiten Kanals in Bezug auf den linearen Eingangspolarisationsfilter 7111/7211 wird im ersten Kanal 7100 Licht, welches mit einer rechtszirkularen Polarisation auf das erste l/4-Plättchen 7112 fällt im rechten Kanal 7100 durchgelassen und Licht, welches mit einer linkszirkularen Polarisation auf das zweite l/4- Plättchen 7212 trifft, im zweiten Kanal 7200 durchgelassen. Dementsprechend erlaubt auch das optische System gemäß Figur 6 eine Kanaltrennung, so dass der Verwender des kopfgetragenen Visualisierungssystems die von einem Bildschirm angezeigten dreidimensionalen Bilddaten stereoskopisch wahrnehmen kann.

In der Figur 7 ist ein chirurgisches Visulisierungssystem dargestellt. Es weist eine vorstehend beschriebene kopfgetragene Vi suali sierungseinri chtung 20 auf. Des Weiteren weist sie ein Stativ 21 für ein Operationsmikroskop 22 oder ein Endoskop (nicht dargestellt) auf. Das Stativ hat für die gelenkigen Verbindungen 21a, 21b motorische Antriebe. Zur Vereinfachung sind in der Figur 2 nur zwei gelenkige Verbindungen dargestellt, in der Regel weist ein solches Stativ mindestes sechs gelenkige Verbindungen mit zugeordneten Antriebsmotoren auf, so dass ein am Stativ 21 aufgenommenes Operationsmikroskop 22 oder Endoskop in seinen sechs Freiheitsgraden frei bewegbar ist und an jede Stelle und in jede Orientierung fahrbar ist.

Das Operationsmikroskop 22 oder das Endoskop weist eine Bildaufnahmeeinrichtung 23, beispielsweise in Form von einer Stereokamera oder zwei Einzelkameras auf, mit denen stereoskopische Bildinformation von einem Operationsfeld aufgenommen werden kann. Die mit der Bildaufnahmeeinheit 23 aufgezeichnete stereoskopische Bildinformation wird von dem Steuerungscomputer 16 ausgelesen und von diesem an einen Stereo-Monitor 24 weitergegeben. Auf dem Stereo-Monitor 24 wird dementsprechend ein stereoskopisches Bild des Operationsfelds dargestellt. Der Stereo-Monitor 24 erzeugt dabei zwei stereoskopische Teilbilder. Das Licht der beiden Teilbilder weist dabei eine unterschiedliche Polarisation auf, so dass die Polarisation eines rechten Teilbilds senkrecht oder orthogonal zu der Polarisation eines linken Teilbilds ist. Alternativ zur Trennung der beiden stereoskopischen Teilbilder mit linearer Polarisation kann auch zirkulare Polarisation verwendet werden. Ein das kopfgetragene Vi suali si erungs sy stem 20 tragender Benutzer kann das auf dem Stereomonitor 24 wiedergegebene stereoskopische Bild seitenrichtig und stereoskopisch wahmehmen, weil die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisationsfilter 8, 9 des kopfgetragenen Visualisierungssystems 20 an die Polarisationsrichtungen des Stereo- Monitors 24 angepasst sind. Gleichzeitig kann der Benutzer durch das Optiksystem und die Polarisationsfilter des kopfgetragene Visualisierungssystem 20 auch direkt das Operationsfeld oder andere Gegenstände in der Umgebung, wie den Steril-Tisch mit den Instrumenten, beobachten.

Über die Bilderzeugungseinrichtung im kopfgetragenen Visualisierungssystem kann dem Benutzer zusätzliche virtuelle Information überlagert dargeboten werden, die für den Benutzer sonst nicht visuell zugänglich wäre. Solche Zusatzinformation kann Information sein, die von anderen, nicht im Sichtfeld des Benutzers befindlichen Geräten im Operationssaal stammen oder die vor der Operation gewonnen wurde, beispielsweise Bildinformation aus Computer oder Kernspin-Tomogrammen, die in einem Speicher 26 gespeichert sind. Die Zusatzinformation kann aber auch Information sein, die während der Operation von anderen Personen bereitgestellt wird, beispielsweise von einem weiteren Experten oder Pathologen, der per Videoübertragung von einem anderen Ort zugeschaltet ist und dem die mit dem Operationsmikroskop aufgezeichneten Videobilder per Videoüb ertragung zur Verfügung gestellt werden. Dieser Experte oder Pathologe kann auf seinem Videomonitor Augmentierungsinformation eingeben, die dann per Video-Rückübertragung an den Steuerungscomputer 16 übermittelt wird. Die entsprechende Information wird vom Steuerungscomputer über die kabellose Schnittstelle 15 an das kopfgetragene Visualisierungssystem 20 übermittelt.

Die Sensoren in dem kopfgetragenen Visualisierungssystem dienen dazu, die Antriebe 21a, 21b des Stativs 21, oder andere Funktionen des Operationsmikroskops 22, oder die Art der von der Bilderzeugungseinrichtung bereitgestellten Information definiert und freihändig zu steuern.

Beispielsweise ist eine Sprachsteuerung bestimmter Einstellungen am Operationsmikroskop möglich. Da sich das Mikrofon des kopfgetragenen Visualisierungssystems immer in derselben Entfernung vom Mund des Benutzers befindet, ergibt sich hier keine Abhängigkeit der mit dem Mikrofon aufgezeichneten akustischen Signale von der Position oder Orientiemng des Benutzers. Deshalb kann eine sehr stabile und zuverlässige Sprachsteuerung gewährleistet werden. Alternativ ist es möglich, die von der Bilderzeugungseinrichtung bereitgestellten Information mittels Sprachsteuerung auszuwählen. Die mit dem Mikrofon aufgezeichneten akustischen Signale werden dazu über die Schnittstelle 15 an den Steuerungscomputer 16 übermittelt und von diesem mittels eines auf dem Steuerungscomputer 16 ablaufenden Spracherkennungsprogramms analysiert. Entsprechend der Ergebnisse der Sprachanalyse wird dann vom Steuerungscomputer 16 die zugehörige Information ausgewählt und über die Schnittstelle 15 an die Bilderzeugungseinrichtung gesendet oder es werden die motorischen Antriebe des Stativs 21 oder motorische Antriebe des Operationsmikrokops 22 entsprechend angesteuert.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Sprachsteuerung können Bewegungen des Stativs 21, motorische Funktionen des Operationsmikroskops 22 oder Endoskops oder andere Funktionen über die anderen Sensoren, insbesondere dem gyroskopi sehen Sensor und/oder dem Eye- Tracker, des kopfgetragenen Vi suali si erungs sy stem s 20 gesteuert werden. Dazu werden die Ausgangssignale des Eye-Trackers und des gyroskopi sehen Sensors über die Schnittstelle 15 an den Steuerungscomputer 16 übermittelt und von diesem mittels eines C omputerprogramm s ausgewertet. Je nach Ergebnis der Auswertung werden dann vom Computer 16 die den Ausgangssignalen zugeordneten Funktionen des Stativs oder des Operationsmikroskops angesteuert, oder die der Auswertung entsprechende Zusatzinformation ausgewählt und über die Schnittstelle 15 an die Bilderzeugungseinrichtung gesendet.

Die Zuordnung zwischen den jeweiligen Sensorsignalen und der Sprachsteuerung einerseits und die darüber gesteuerte Funktion des Stativs, des Operationsmikroskops und/oder der jeweils der Bilderzeugungseinrichtung zur Verfügung gestellten Daten kann vom Benutzer weitgehend frei konfigurierbar sein und vorab vom Benutzer so zugeordnet werden, wie es ihm individuell am besten zusagt. Entsprechende Benutzerprofile bezüglich dieser Zuordnung können auch für mehrere Benutzer abgespeichert werden und zu Beginn einer Operation aus einem Speicher aufgerufen werden. Alternativ oder zusätzlich können entsprechende Benutzerprofile auch für unterschiedliche Arten von chirurgischen Eingriffen angelegt, abgespeichert und zu Beginn eines entsprechenden Eingriffs aufgerufen werden.

Wie bereits oben beschrieben, weist das kopfgetragene Vi suali sierungssy stem eine nach vorne gerichtete Kamera 12 auf. Mittels dieser Kamera 12 wird permanent ein Video- Stream der Umgebung oder in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen Einzelbilder von der Umgebung aufgezeichnet und über die Schnittstelle 15 an den Steuerungscomputer übermittelt. Auf dem Steuerungscomputer läuft ein Bildanalyseprogramm ab, das so ausgebildet ist, dass in dem Video- Stream oder der Serie an Einzelbil dem j eweil s die Position des Stereo-Monitors 24 relativ zu dem kopfgetragene Visualisierungssystem bestimmt wird. Basierend auf dieser Bildanalyse erzeugt der Steuerungscomputer Steuerdaten für die schaltbare Beschichtung 6a, 7a, die bewirken, dass die schaltbare Beschichtung in den Flächenbereichen der Optiksysteme, in denen der Benutzer den Stereo-Monitor wahrnimmt, auf maximale Li chtdurchl ässigkeit geschaltet wird, während die Lichtdurchlässigkeit in anderen Fl ächenb er ei chen, beispielsweise in denen der Benutzer das vom Bilderzeugungssystem bereitgestellte Bild wahrnimmt, reduziert ist.