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Improving color perception of LED illumination considering the reflection properties of biological tissues for surgical lighting applications based on the human visual system
Gärtner, Alexander
The visual task of a surgeon is complex and repeatedly changes during surgery depending on the surgeon's actions. One important feature represents the differentiation of color contrast especially between red shades. Color difference models allow the quantification of color contrast based on reflectance data of the biological tissues to discriminate. However, they require accurate measured reflectance data as input that demonstrates significant differences between several literature references.
Therefore, a state-of-the-art analysis and an extensive literature review of fourteen measured biological tissues is firstly carried out. Secondly, a standard goniometer is enhanced with an add-on device to measure angular- and wavelength-dependent reflectance data of eight biological tissues. The measurement results indicate decreased spectral reflectance with increasing angle and wavelength for six of eight measured biological tissues. Furthermore, a variation between specimen of the same biological tissue type is obtained. Therefore, the reflectance of a certain tissue type should be considered rather as trend limited by the upper and lower boundaries of the standard deviation than a distinct function.
In addition, raytracing models are developed to calculate the reflectance perceived by a virtual surgeon. Both reference and angular-dependent measurement data are implemented into the models and compared. The output data of the raytracing models are quantified as perceived color differences according to color difference formula CIEDE2000. The calculated color differences ΔE00 turn out to be perceivable in one out of three test cases. Consequently, tissue reflectance must be individually considered to evaluate a surgeon's visual task.
Die Sehaufgabe eines Chirurgen ist vielfältig und verändert sich wiederholt während einer Operation in Abhängigkeit der Tätigkeiten. Ein besonderes Merkmal stellt dabei die Unterscheidung von Farbkontrasten, insbesondere zwischen Rottönen, dar. Mit Hilfe von Farbdifferenzmodellen können Farbkontraste quantifiziert werden, die auf den Reflexionsdaten der zu unterscheidenden Gewebe basieren. Diese benötigen genaue gemessene Reflexionsdaten als Eingabe, die jedoch signifikante Unterschiede zwischen verschiedenen Literaturreferenzen aufweisen.
Daher wird zunächst eine Analyse des aktuellen Stands der Technik sowie eine umfangreiche Literaturrecherche zu gemessenen Reflexionsdaten von 14 biologischen Geweben durchgeführt. Weiterhin wird ein Goniometer durch eine zusätzliche Vorrichtung erweitert, um die winkel- und wellenlängenabhängigen Reflexionsdaten von acht biologischen Geweben zu messen. Die Messergebnisse deuten darauf hin, dass die spektralen Reflexionsgrade bei sechs von acht gemessenen Geweben mit steigenden Winkeleinstellungen und zunehmenden Wellenlängen abnehmen. Außerdem zeigt sich eine Streuung zwischen verschiedenen Proben desselben Gewebetyps. Aus diesem Grund sollten die Reflexionsdaten eines Gewebetyps als Trend, der durch das obere und untere Limit der Standardabweichung begrenzt wird, betrachtet werden und nicht als spezifische Funktion.
Darüber hinaus werden die Reflexionsdaten, die von einem Chirurgen wahrgenommen werden können, mit Hilfe von Strahlverfolgungsmodellen berechnet. Sowohl Literaturdaten als auch winkel- und wellenlängenabhängige Messdaten werden in die Strahlverfolgungsmodelle implementiert und untersucht. Die Ausgabedaten aus diesen Modellen werden wiederum in Farbdifferenzmodelle implementiert, um die Farbdifferenzen anhand der Farbdifferenzformel CIEDE2000 zu berechnen. Die Ergebnisse weisen wahrnehmbare Farbdifferenzen ΔE00 in einem von drei diskreten Testfällen auf. Aus diesem Grund müssen die Reflexionsdaten zur Bewertung der Sehaufgabe von Chirurgen individuell berücksichtigt werden.
