DE102017115887A1

DE102017115887A1 - Endoskopieanordnung mit galvanischer Trennung und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102017115887A1
Application number: DE102017115887.1A
Authority: DE
Inventors: Mathias Hornbach; Alexander Köhler
Original assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Current assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17
Also published as: US20190020507A1; US10637689B2

Abstract

Zur Verbesserung der Qualität der Übertragung eines Signals, insbesondere Bild- oder Videosignals, mittels eines Kabels (4) von einem Bildsensor (3) an eine Kamerasteuerungseinheit (5) einer Endoskopieanordnung (1) unter Beibehaltung von elektrischen Sicherheitsstandards wird vorgeschlagen, dass ein erster zur Übertragung des Signals genutzter Schaltkreis innerhalb des Kabels (4) von einem zweiten zur Weiterverarbeitung des Signals genutzten Schaltkreis 19 innerhalb der Kamerasteuerungseinheit (5) galvanisch getrennt ausgebildet ist, wobei hierzu eine galvanische Trennung (6), vorzugsweise in Signalrichtung hinter einem proximalen Ende (7) des Kabels (4), ausgebildet ist, und dass der erste Schaltkreis eine, vorzugsweise passive, beispielsweise an dem proximalen Ende (7) des Kabels (4) oder in der Kamerasteuerungseinheit (5) angeordnete, Impedanzanpassungsschaltung (8) aufweist, die dazu eingerichtet ist, Signalverzerrungen, welche bei der Übertragung des vom Bildsensor (3) erzeugten Signals zur Kamerasteuerungseinheit (5) entstehen, zu kompensieren, vorzugsweise derart, dass ein vom Bildsensor (3) erzeugtes Frequenzspektrum des Signals reproduziert werden kann (Vgl. Fig.2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Endoskopieanordnung mit einem Endoskop, das einen Bildsensor aufweist, und mit einem Kabel, welches zur Übertragung eines Signals von dem Bildsensor zu einer Kamerasteuerungseinheit eingerichtet ist.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Endoskopieanordnung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Übertragung von Signalen.
Derartige Anordnungen sind bekannt, insbesondere zur Übertragung von mit endoskopischen Kameraköpfen erzeugten digitalen Videosignalen hoher Auflösung in medizinischen Anwendungen. Hierbei ist die Kamerasteuerungseinheit typischerweise mit dem 100-240V Netz verbunden.
Die Erfindung beschäftigt sich damit, eine hohe Übertragungsqualität von Bild- und/oder Videosignalen zu ermöglichen beziehungsweise diese zu verbessern. Gleichzeitig sollen medizinische Sicherheitsstandards eingehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einer Endoskopieanordnung die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einer Endoskopieanordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass eine galvanische Trennung zwischen dem Endoskop und einem signalverarbeitenden Schaltkreis der Kamerasteuerungseinheit ausgebildet ist und dass eine Impedanzanpassungsschaltung ausgebildet ist, die in Signalrichtung vor dem signalverarbeitenden Schaltkreis der Kamerasteuerungseinheit angeordnet ist. Dabei ist die Impedanzanpassungsschaltung zur Kompensation von Änderungen der Form des Signals eingerichtet, die sich aufgrund der Übertragung ergeben.
Die galvanische Trennung dient dazu, im Falle einer Fehlschaltung in der Kamerasteuerungseinheit, insbesondere eines elektrischen Kurzschlusses, oder beispielsweise bei Verwendung fehlerhafter Fremdgeräte, hohe Ableitströme über den Patienten zu vermeiden oder zumindest auf ein gesundheitlich unbedenkliches Maß zu reduzieren, wie dies von Normen für Medizinprodukte gefordert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsschaltung, die insbesondere als Equalizer-Schaltung ausgebildet werden kann, kann erreicht werden, dass die Signalform eines mittels des Übertragungskabels übertragenen Bild- und/oder Videosignals im Wesentlichen unverändert erhalten bleibt. Insbesondere kann mit der Impedanzanpassungsschaltung eine für eine weitere Signalverarbeitung ausreichende Flankensteilheit des Signals wiederherstellbar sein.
Im Ergebnis kann somit eine hohe Qualität der Bildgebung in Verbindung mit der Ausbildung einer galvanischen Trennung gewährleistet werden. Mit der Impedanzanpassungsschaltung kann in bestimmten Anwendungen ferner vermieden werden, dass es zu Reflektionen des Signals in dem Kabel kommt, die sich typischerweise negativ auf die Qualität der Bildübertragung auswirken.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen der Unteransprüche gelöst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die galvanische Trennung zwischen einem proximalen Ende des Kabels und der Kamerasteuerungseinheit ausgebildet ist.
Anders als bei herkömmlichen Systemen, die eine mechanisch ausgestaltete galvanische Trennung im Endoskop, insbesondere in einem Kamerakopf des Endoskops, vorsehen, kann durch die Ausbildung der galvanischen Trennung zwischen einem proximalen Ende des Kabels und der Kamerasteuerungseinheit, also insbesondere jenseits eines proximalen Endes des Kabels, erreicht werden, dass einerseits eine hohe elektrische Sicherheit für einen mit der endoskopischen Anordnung untersuchten Patienten gewährleistbar ist und andererseits, dass der Kamerakopf klein und kompakt ausgebildet werden kann. Denn, beispielsweise zur Erfüllung von gesetzlichen Normen für Medizinprodukte, muss mittels der galvanischen Trennung typischerweise eine relativ große elektrische Trennstrecke realisiert werden, die jedoch bei gewünschter kompakter Bauform des Kamerakopfs nur in der Kamerasteuerungseinheit realisiert werden kann.
Grundsätzlich kann die Impedanzanpassungsschaltung überall im Signalweg zwischen dem Bildsensor, als Ausgangspunkt, und der galvanischen Trennung, als Endpunkt, angeordnet sein. Die Impedanzanpassungsschaltung kann somit beispielsweise im Endoskop, insbesondere in einem Kamerakopf des Endoskops, oder im Kabel, insbesondere an einem distalen Ende des Kabels oder im Bereich eines proximalen Endes des Kabels, insbesondere in einem Stecker, oder aber in oder an der Kamerasteuerungseinheit angeordnet sein. In jedem dieser Fälle wird es aber als vorteilhaft angesehen, wenn die Impedanzanpassungsschaltung in Signalrichtung vor der galvanischen Trennung angeordnet ist. Es kann also vorgesehen sein, dass das Signal die Impedanzanpassungsschaltung vor der galvanischen Trennung passiert.
Die galvanische Trennung kann beispielsweise auf einer Leiterplatte innerhalb der Kamerasteuerungseinheit ausgebildet sein. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die Impedanzanpassungsschaltung auf derselben Leiterplatte ausgebildet ist. Somit kann also die Impedanzanpassungsschaltung und/oder die galvanische Trennung in Signalrichtung hinter einer Trennstelle des Kabels, insbesondere innerhalb der Kamerasteuerungseinheit, angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass Raum und Material effizient genutzt werden können.
Die Impedanzanpassungsschaltung kann jedoch auch in Signalrichtung vor einer Trennstelle des Kabels, beispielsweise in einem Stecker des Kabels, angeordnet sein. Von Vorteil ist dabei, dass die Impedanzanpassungsschaltung dann genau auf das jeweils verwendete Kabel abgestimmt werden kann. Denn in diesem Fall kann jedes Kabel eine eigene Impedanzanpassungsschaltung aufweisen. Allerdings muss die Schaltung hierfür entsprechend miniaturisiert sein.
Auch die galvanische Trennung kann prinzipiell in Signalrichtung vor einer Trennstelle des Kabels angeordnet sein; bei entsprechender Miniaturisierung beispielsweise auch in einem Stecker des Kabels.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Impedanzanpassungsschaltung derart eingerichtet ist, dass sie Signaländerungen überkompensiert. Denn insbesondere bei Anordnung der Impedanzanpassungsschaltung in einem vorderen Teil des Signalwegs zwischen Bildsensor und Kamerasteuerungseinheit, also beispielsweise im Kamerakopf oder an dem distalen Ende des Kabels, kann durch eine Überkompensation eine Signalverzerrung, die in einem hinter der Impedanzanpassungsschaltung liegenden Teil des Signalwegs auftritt, mit kompensiert werden. Dies ist möglich, obwohl die Impedanzanpassungsschaltung vor diesem hinteren Teil des Signalwegs angeordnet ist.
Die Erfindung hat ferner erkannt, dass mittels einer Überkompensation des Signals in der Impedanzanpassungsschaltung auch Signalverzerrungen kompensiert werden können, die bei der Übertragung über die galvanische Trennung hinweg entstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die galvanische Trennung als eine induktive Kopplung ausgestaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann daher vorgesehen sein, dass die Impedanzanpassungsschaltung Signaländerungen kompensiert, die bei der Übertragung über die galvanische Trennung hinweg entstehen. Hierzu kann insbesondere eine Übertragungsfunktion der Impedanzanpassungsschaltung so gewählt sein, dass eine Induktivität der galvanischen Trennung berücksichtigt ist.
Typische zur Übertragung genutzte Kabel zeigen ein Übertragungsverhalten bei dem hochfrequente Anteile des Signals stärker gedämpft werden als niederfrequente Anteile. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung schlägt daher vor, dass die Impedanzanpassungsschaltung Frequenzanteile des Signals unterhalb einer Schwellfrequenz stärker dämpft als Frequenzanteile des Signals oberhalb der Schwellfrequenz. Hierbei kann die Schwellwertfrequenz angepasst sein an ein Übertragungsverhalten des Kabels, nach welchem Frequenzanteile unterhalb der Schwellwertfrequenz im Kabel weniger stark gedämpft werden als oberhalb der Schwellwertfrequenz. Die Schwellfrequenz kann somit insbesondere eine Grenzfrequenz des Kabels sein.
Die Impedanzanpassungsschaltung kann somit in einem für die Übertragung des Signals erforderlichen Frequenzbereich eine Übertragungsfunktion zeigen, die einem Hochpass-Verhalten entspricht. Hierbei kann die Impedanzanpassungsschaltung in einem über diesen erforderlichen Frequenzbereich hinausgehenden Frequenzbereich eine Übertragungsfunktion zeigen, die einem Bandpass entspricht. Beispielsweise kann sich bei Ausgestaltung der Schaltung auf einer Leiterplatte ein Tiefpassverhalten der Leiterplatte dem Hochpassverhalten der Impedanzanpassungsschaltung überlagern, sodass insgesamt ein Bandpass-Übertragungsverhalten entsteht.
Die Grenzfrequenz des Kabels kann insbesondere eine Frequenz sein unterhalb derer Signalanteile bei Übertragung durch das Kabel um mindestens 3dB gedämpft werden. Da die Höhe dieser Dämpfung typischerweise abhängig von der Länge des verwendeten Kabels ist, ist es bevorzugt, wenn die Impedanzanpassungsschaltung auf eine vorgegebene Länge des Kabels ausgelegt ist. Diese Länge kann bevorzugt ca. 2.5 bis 4.5 m betragen. Es sind aber auch Anpassungen auf andere Kabellängen realisierbar, beispielsweise 5 m oder länger. Es kann somit sichergestellt werden, dass Kabel mit unterschiedlichen Längen bei gleichbleibend hoher Qualität der Bildübertragung mit der Endoskopieanordnung verwendet werden können, wobei die Impedanzanpassungsschaltung entsprechend anzupassen ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung sieht vor, dass mit der Impedanzanpassungsschaltung Gleichspannungsanteile des Signals übertragbar sind. Die Impedanzanpassungsschaltung kann also bevorzugt derart ausgestaltet sein, dass auch Frequenzen bis hinunter zu 0 Hz durchgelassen werden. Von Vorteil ist dabei, dass auch niederfrequente Anteile, insbesondere DC-Anteile, des Signals an die Kamerasteuerungseinheit übertragen werden können. Dies ist beispielsweise für die Übertragung von Videosignalen vorteilhaft, da bei diesen zwischen einzelnen Zeilen eines Videobildes Signalpausen vorhanden sein können, die für eine spätere fehlerfreie Darstellung übertragen werden müssen; zudem kann das Wiederauffinden von zugehörigen Synchronisations-Signalen erleichtert sein. In bestimmten Anwendungen kann die Übertragung von DC-Anteilen sogar zwingend erforderlich sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Impedanzanpassungsschaltung über einen zur Signalübertragung genutzten Frequenzbereich hinweg eine Übertragungsfunktion auf, die einem Hochpass-Filter, vorzugsweise von 1. Ordnung, entspricht. Hierbei kann eine Eckfrequenz der Übertragungsfunktion insbesondere gleich oder kleiner als eine oder die zuvor beschriebene Grenzfrequenz des Kabels sein. Damit ist eine konkrete Ausgestaltung benannt, mit der sich die zuvor beschriebene Kompensation von Änderungen der Signalform bei Übertragung über das Kabel realisieren lässt.
Gemäß einer Ausgestaltung, die für die Übertragung von Videosignalen geeignet ist, genügt es bereits, wenn die Impedanzanpassungsschaltung zur Übertragung von Frequenzanteilen des Signals unterhalb von 75 MHz eingerichtet ist.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen, die insbesondere für die Übertragung von Videosignalen mit hoher Bildqualität und hoher Auflösung vorteilhaft sind, kann die Impedanzanpassungsschaltung für eine Signalbandbreite von mindestens 1.5 GHz, vorzugsweise mindestens 2.0 GHz, besonders bevorzugt von mindestens 3.0 GHz, ausgelegt sein. Zu diesem Zweck kann insbesondere eine Resonanzbreite der Impedanzanpassungsschaltung gleich oder größer einer Bandbreite des Signals sein. Durch die Auslegung der Impedanzanpassungsschaltung für Signalbandbreiten von mehr als 1.5 GHz wird es insbesondere möglich sogenannte „Scrambling“ und „Descrambling“-Methoden anzuwenden. Mit diesen Methoden kann ein zu übertragendes Signal auf ein Frequenzband verteilt werden, um eine möglichst breitbandige und damit schnelle Übertragung großer Datenmengen zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kabel und die Impedanzanpassungsschaltung derart gewählt und/oder ausgestaltet sind, dass eine durch das Kabel und die Impedanzanpassungsschaltung festgelegte Signalübertragungsfunktion einen gleichbleibenden oder weitestgehend gleichbleibenden Übertragungsquotienten aufweist. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Übertragungsquotient über eine gesamte zur Übertragung ausgenutzte Signalbandbreite hinweg gleich oder weitestgehend gleich bleibt. Der Übertragungsquotient kann beispielsweise als Quotient einer Eingangs- und Ausgangssignalamplitude oder als Quotient einer Eingangs- und Ausgangsphase gegeben sein. Durch diese spezifische Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass das von dem Bildsensor erzeugte Signal möglichst unverfälscht an die Kamerasteuerungseinheit übertragen werden kann. Insbesondere können somit steile Kanten des Signals nahezu unverändert übertragen werden, was insbesondere bei Verwendung digitaler Signale vorteilhaft ist, um eine robuste Signalübertragung zu ermöglichen.
Beispielsweise bei Anwendung der Erfindung auf die Übertragung eines digitalen Videosignals mit einer Bandbreite von 1.5 GHz kann somit eine Übertragungsfunktion von einem Kamerakopf des Endoskops bis zu der galvanischen Trennung erreicht werden, die über den gesamten Frequenzbereich des Signals eine gleichbleibende Dämpfung oder weitestgehend gleichbleibende Dämpfung erreicht, sodass die Signalform im Wesentlichen unverändert erhalten bleibt.
Eine besonders kompakte Endoskopieanordnung lässt sich gemäß der Erfindung dann erreichen, wenn die Impedanzanpassungsschaltung im Kabel, insbesondere in einem Stecker am proximalen Ende des Kabels, oder in oder an der Kamerasteuerungseinheit angeordnet ist.
Generell sieht es die Erfindung als vorteilhaft an, wenn die Impedanzanpassungsschaltung der galvanischen Trennung vorgeschaltet ist, sodass das Signal die Impedanzanpassungsschaltung vor der galvanischen Trennung passiert. Denn bei einer solchen Ausgestaltung kann beispielsweise die Impedanzanpassungsschaltung insbesondere wie zuvor beschrieben im Kabel selbst ausgebildet werden. Sollen unterschiedlich lange Kabel verwendet werden, so kann jedes der Kabel eine eigene, eigens auf die spezifische Kabellänge angepasste, Impedanzanpassungsschaltung aufweisen, sodass stets eine bestmögliche Signalqualität nach der Übertragung durch das jeweilige Kabel gewährleistbar ist.
Insbesondere für den Fall, dass die Impedanzanpassungsschaltung der galvanischen Trennung vorgeschalten ist, kann vorgesehen sein, dass die Impedanzanpassungsschaltung ausschließlich aus passiven Bauteilen realisiert ist. Die Impedanzanpassungsschaltung kann also als passive Equalizer-Schaltung realisiert sein. Aufgrund des Verzichts auf aktive elektronisehe Bauelement, wie sie aktive Impedanzanpassungsschaltungen aufweisen, wird keine zusätzliche Spannungsversorgung für die Impedanzanpassungsschaltung benötigt. Dies vereinfacht den Aufbau der Endoskopieanordnung insgesamt. Gegenüber sonst bekannten aktiven Anpassungsschaltungen hat eine passive Schaltung weiter den Vorteil, dass ihr Übertragungsverhalten genau bekannt ist, während aktive Schaltungen, die typischerweise zugekauft werden müssen, in der Regel in ihrem Steuerungsverhalten nicht genau einsehbar sind.
Zudem hat die Erfindung erkannt, dass die Ausbildung der Impedanzanpassungsschaltung mittels passiver Bauteile bzw. als passive Equalizer-Schaltung im Vergleich zur Verwendung aktiver Schaltungen, wie beispielsweise Signalverarbeitungs-ICs, zu besseren Ergebnissen in der Qualität der Signalübertragung führen kann, da passive Bauteile bzw. Schaltungen typischerweise weniger störanfällig für reflektierte Signale sind. Die Verwendung einer passiven Impedanzanpassungsschaltung insbesondere am distalen Ende des Kabels hat somit den Vorteil, dass unerwünschte Reflexionen, die von proximal nach distal über die galvanische Trennung und das Kabel hinweg übertragen beziehungsweise eingekoppelt werden, besser kontrollierbar beziehungsweise unterdrückbar sind.
Aufgrund der mittels der Impedanzanpassungsschaltung auf bestimmte Frequenzanteile des Signals ausgeübten Dämpfung kann es besonders bei langer Kabellänge vorteilhaft sein, wenn eine aktive Signalverstärkung ausgebildet ist. Diese kann insbesondere der galvanischen Trennung nachgeschaltet sein. Mittels der Signalverstärkung kann somit ein Signal mit ausreichender Amplitude für eine Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Um die Signalverstärkung zu implementieren kann ein Verstärker vorgesehen sein. Dieser kann beispielsweise in der CCU angeordnet und/oder von dieser mit elektrischer Spannung versorgt sein.
Alternativ oder ergänzend kann ferner vorgesehen sein, dass ein Verstärker, insbesondere ein weiterer Verstärker, vorgesehen ist, der das Signal noch vor Passieren der galvanischen Trennung verstärkt. Von Vorteil ist dabei, dass die Integrität als auch die Störfestigkeit des Signals bei Übertragung über die galvanische Trennung hinweg verbessert werden kann.
Insbesondere bei Chip-in-Tip-Endoskopen, also Endoskopen bei denen ein Bildsensor in einem distalen Endbereich eines Endoskopschafts angeordnet ist, kann innerhalb des Endoskops bereits eine beträchtliche Signalstrecke, beispielsweise von dem Bildsensor bis zu einem proximal angeordneten Kopf oder Handgriff des Endoskops, bestehen. Entlang einer solchen Signalstrecke können bereits innerhalb des Endoskops Signalverzerrungen entstehen, also noch vor Übertragung durch das Kabel zur Kamerasteuerungseinheit.
Um derartige Änderungen der Signalform vorab bereits weitgehend kompensieren zu können schlägt eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass eine weitere Impedanzanpassungsschaltung ausgebildet ist. Diese kann beispielsweise im Endoskop, insbesondere in einem Kamerakopf des Endoskops, oder im Kabel ausgebildet sein. Hierbei kann diese weitere Impedanzanpassungsschaltung insbesondere zur Kompensation von Änderungen der Form des Signals eingerichtet sein, die sich bereits vor dessen Übertragung durch das Kabel ergeben.
Auch für die weitere Impedanzanpassungsschaltung kann ferner vorgesehen sein, dass diese Signaländerungen überkompensiert. Damit können die eingangs beschriebenen Vorteile erzielt werden. Beispielsweise kann damit auch eine abweichende Kabellänge ausgeglichen werden, auf die eine erste Impedanzanpassungsschaltung in der Kamerasteuerungseinheit alleine nur unzureichend abgestimmt ist.
Gemäß einer spezifischen Ausgestaltung kann somit vorgesehen sein, dass eine erste Impedanzanpassungsschaltung, insbesondere durch das Kabel, räumlich getrennt von einer zweiten Impedanzanpassungsschaltung angeordnet ist. Beispielsweise kann die erste Impedanzanpassungsschaltung in der Kamerasteuerungseinheit und die zweite Impedanzanpassungsschaltung im Kamerakopf angeordnet sein.
Die Erfindung hat ferner erkannt, dass es vorteilhaft ist, wenn das vom Endoskop zur Kamerasteuerungseinheit zu übertragende Signal ein digitales Signal, insbesondere mit an sich bekannter Signalform, ist. Denn in diesem Fall gelingt beispielsweise die Rekonstruktion eines Videosignals am proximalen Ende des Kabels mit Hilfe von passiven Bauelementen der Impedanzanpassungsschaltung besonders gut, da die Anforderungen an die Treue der Signalform, im Vergleich zur Verwendung analoger Signale, geringer sind. Beispielsweise genügt es bei einem digitalen Signal in der Regel, wenn die Pegelwechsel sicher detektiert werden, wozu im Wesentlichen eine gute Flankensteilheit erforderlich ist, die mit einer erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsschaltung wiederhergestellt werden kann.
Gerade für medizinische Anwendungen aber auch für andere Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn das Kabel und/oder die Impedanzanpassungsschaltung eine erdpotentialfreie Schirmung aufweist. Eine solche Schirmung wird gelegentlich auch als „floating ground“ bezeichnet; sie kann dazu dienen, die Aussendung und/oder Einkopplung von HF-Signalen zu unterdrücken. Hierbei sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Schirmung mittels einer, vorzugsweise hochspannungsfesten, Koppelkapazität mit einer elektrischen Erdpotentialleitung, vorzugsweise der Kamerasteuerungseinheit, gekoppelt ist. Mittels der Koppelkapazität lässt sich insbesondere hochfrequentes Rauschen im Signal unterdrücken.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, kann die galvanische Trennung als induktive Kopplung ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung der galvanischen Trennung als induktive Kopplung kann insbesondere im Vergleich zu kapazitiv ausgestalteten galvanischen Trennungen eine höhere Störfestigkeit erreicht werden, da insbesondere hochfrequente Störquellen, anders als bei kapazitiver Kopplung, stärker unterdrückt werden können.
Hierbei ist es bevorzugt, wenn die induktive Kopplung eine geringe Windungsanzahl aufweist. Eine geringe Windungszahl kann hier insbesondere bedeuten, dass weniger als 5 Windungen, vorzugsweise weniger als 3 Windungen, insbesondere 1.25 Windungen zur induktiven Signalübertragung ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn Windungszahlen der induktiven Kopplungen primär- und sekundärseitig gleich ausgestaltet sind. Hierbei bezeichnet „sekundärseitig“ die Windungen, welche proximal angeordnet sind in Bezug auf die galvanische Trennung. Mit derartigen Ausgestaltungen kann insbesondere sichergestellt werden, dass eine sich aufgrund der galvanischen Trennung ergebende parasitäre Kapazität klein ist gegenüber einer Kapazität eines oder des zuvor beschriebenen Koppel-Kondensators, mit dem eine oder die zuvor beschriebene Schirmung des Kabels und/oder der Impedanzanpassungsschaltung mit einer elektrischen Erdpotentialleitung gekoppelt ist.
In medizinischen Anwendungen kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die induktive Kopplung so ausgelegt ist, dass die soeben beschriebene parasitäre Kapazität weniger als 15 pF beträgt. Denn bei einer solch geringen Kapazität sind die über die über die parasitäre Kapazität abfließenden Ableitströme vernachlässigbar klein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Kabel als Koaxialkabel oder als Leitung mit mindestens zwei Adern, vorzugsweise mit Schirmung, ausgebildet ist. Bei zweiadriger Ausbildung des Kabels, beispielsweise in Form einer Twinaxial-Leitung, ist es vorteilhaft, wenn für jede der mindestens zwei Adern eine separate Impedanzanpassungsschaltung vorgesehen ist. Es kann aber auch ein kombiniertes, differentielles Schaltungselement vorgesehen sein, welches die mindestens zwei Adern gemeinsam beziehungsweise kombiniert kompensiert. Durch derartige Ausgestaltungen kann insbesondere erreicht werden, dass digitale Videosignale hoher Auflösung mit standardisierten Videoübertragungsprotokollen übertragen werden können.
Das zur Signalübertragung genutzte Kabel kann ferner Leitungen für niederfrequente Signale aufweisen. Beispielsweise kann das Kabel eine Spannungsversorgung für den Kamerakopf oder eine RS-232-Leitung zur Übertragung von Befehlen von der Kamerasteuerungseinheit an den Kamerakopf bereitstellen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des nebengeordneten, auf eine Verwendung gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit vorgeschlagen, dass eine erfindungsgemäße Endoskopieanordnung, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine Endoskopieanordnung gerichteten Ansprüche, zur Übertragung eines, vorzugsweise digitalen, Bild- oder Videosignals verwendet wird.
Hierbei kann es zur Erhöhung der Qualität der Bildübertragung von Vorteil sein, wenn das Bild- oder Videosignal vor der Übertragung durch das Kabel mittels „Scrambling“ an eine zur Übertragung nutzbare Bandbreite angepasst wird. Mittels eines an sich bekannten „Scrambling“-Verfahrens können insbesondere Bitfolgen des Signals vor der Übertragung durch das Kabel verändert und/oder ausgetauscht werden. Damit lässt sich beispielsweise eine zur Signalübertragung zur Verfügung stehende Bandbreite besser ausnutzen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe sind ferner erfindungsgemäß die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren zur Übertragung von Signalen, insbesondere Bild- oder Videosignalen, mittels eines Kabels von einem Bildsensor zu einer Kamerasteuerungseinheit, insbesondere einer Endoskopieanordnung wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine Endoskopieanordnung gerichteten Ansprüche, vorgeschlagen, dass das Signal nach Übertragung durch das Kabel mittels einer Impedanzanpassungsschaltung, insbesondere wie zuvor beschrieben, aufbereitet wird. Von Vorteil ist bei diesem Verfahren, dass eine ursprüngliche Flankensteilheit des Signals zumindest teilweise wiederhergestellt werden kann. Damit kann eine besonders robuste Übertragung, insbesondere von hochauflösenden Videobildern, sichergestellt werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels. Insbesondere können somit Ausbildungen der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.
Es zeigt:

1 eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Endoskopieanordnung,
2 eine stark schematisierte Darstellung der Endoskopieanordnung aus 1, in Verbindung mit einem zugehörigen elektrischen Schaltplan der Endoskopieanordnung (untere Hälfte der 2).

Die 1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Endoskopieanordnung. Diese besteht aus einem Endoskop 2, das einen Kamerakopf 16 mit einem Bildsensor 3 aufweist und mittels eines Koaxialkabels 4 mit einer Kamerasteuerungseinheit 5 verbunden ist. Über das Kabel 4 kann ein von dem Bildsensor 3 generiertes digitales Videosignal von dem Endoskop 2 an die Kamerasteuerungseinheit 5 übertragen werden, um anschließend auf einem Monitor 14 dargestellt zu werden.
Wie die 2 zeigt, ist das Kabel 4 mittels eines Steckers 15 am proximalen Ende 7 des Kabels 4 mit der Kamerasteuerungseinheit 5 über eine Trennstelle 18 hinweg verbunden. In Signalrichtung hinter dem Stecker 15 beziehungsweise der Trennstelle 18 ist eine galvanische Trennung 6 zwischen dem proximalen Ende 7 des Kabels 4 und der Kamerasteuerungseinheit 5 als eine induktive Kopplung 17 ausgebildet. Aufgrund dieser induktiven Kopplung 17 besteht eine parasitäre Kapazität 11 von ca. 11 pF zwischen einem Schaltkreis des Kabels 4 beziehungsweise einer in Signalrichtung hinter dem Stecker 15 ausgebildeten ersten Impedanzanpassungsschaltung 8 auf der Primärseite und einem signalverarbeitendem Schaltkreis 19 der Kamerasteuerungseinheit 5 auf der Sekundärseite.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Impedanzanpassungsschaltung 8 zusammen mit der induktiven Kopplung 17 auf einer Leiterplatte innerhalb der Kamerasteuerungseinheit 5 angeordnet. Wie das elektrische Schaltbild in der unteren Hälfte der 2 zeigt, ist eine Koppelkapazität 10 ausgebildet, die eine Schirmung 9 des Kabels 4 mit einer elektrischen Erdpotentialleitung 12 der Kamerasteuerungseinheit 5 koppelt.
Die Koppelkapazität 10 ist hochspannungsfest ausgebildet und besitzt mit ca. 233 pF eine wesentlich größere Kapazität als die parasitäre Kapazität 11. Durch diese Ausgestaltung kann einerseits hochfrequentes Rauschen, das in die Schirmung 9 des Kabels 4 einkoppelt, durch Ableitung nach Masse (Erdpotential 12) effizient unterdrückt werden. Andererseits ist durch die Begrenzung der parasitären Kapazität 11 ein möglicherweise auftretender Ableitstrom im Wesentlichen durch die bekannte Koppelkapazität 10 bestimmt und damit sicher kontrollierbar.
Dem elektrischen Schaltbild der 2 von links nach rechts folgend passiert das vom Bildsensor 3 generierte Videosignal zunächst eine elektrische Leitung innerhalb des Kamerakopfs 16 des Endoskops 2. Die dabei auftretenden Signalverzerrungen werden durch eine zweite Impedanzanpassungsschaltung 8 innerhalb des Kamerakopfs 16 des Endoskops 2 kompensiert. Anschließend durchläuft das wiederhergestellte Signal das Kabel 4 bis zu dem Stecker 15 am proximalen Ende 7 des Kabels 4. Aufgrund des Übertragungsverhaltens des Kabels treten auf diesem Übertragungsweg entlang des Kabels 4 weitere Änderungen der Signalform auf. Diese Änderungen werden durch die erste, bereits zuvor beschriebene, Impedanzanpassungsschaltung 8 kompensiert, die innerhalb der Kamerasteuerungseinheit 5 ausgebildet und der galvanischen Trennung 6 schaltungstechnisch vorgeschalten ist.
Damit liegt ein weitgehend wiederhergestelltes Signal an der Primärseite der induktiven Kopplung 17 vor. Dieses wiederhergestellte Signal wird über die galvanische Trennung 6 hinweg übertragen. Nach Passieren der galvanischen Trennung 6 kann das Signal dann mithilfe des nachgeschaltenen Verstärkers 13 aktiv verstärkt werden, wie in 2 illustriert, bevor es einem signalverarbeitenden Schaltkreis 19 der Kamerasteuerungseinheit zugeführt wird. Bei dem in 2 illustrierten Beispiel ist daher die Impedanzanpassungsschaltung 8 in Signalrichtung noch vor diesem signalverarbeitenden Schaltkreis der Kamerasteuerungseinheit (5) angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen sein, dass das Signal bereits vor dem Passieren der galvanischen Trennung, also auf der Primärseite der induktiven Kopplung 17, aktiv verstärkt wird, beispielsweise mit Hilfe eines zweiten Verstärkers (nicht gezeigt in 2).
Die von der ersten, innerhalb der Kamerasteuerungseinheit 5 angeordneten, Impedanzanpassungsschaltung 8 bereitgestellte Kompensation wird dadurch erreicht, dass Frequenzanteile des Signals unterhalb einer Schwellfrequenz stärker gedämpft werden als Frequenzanteile des Signals oberhalb der Schwellfrequenz. Als Schwellfrequenz ist hierbei die Grenzfrequenz des Kabels 4 gewählt, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Länge von 3.5 m aufweist. Zur Erzielung der durch die Impedanzanpassungsschaltung bewirkten frequenzabhängigen Dämpfung des Signals werden dabei ausschließlich passive Bauteile eingesetzt.
Mit einer wie in 2 gezeigten Endoskopieanordnung 1 können digitale Videosignale mit Bandbreiten von mehr als 3.0 GHz ohne Informationsverlust über das Koaxialkabel 4 von dem Kamerakopf 16 an die Kamerasteuerungseinheit 5 sicher übertragen werden, während gleichzeitig das Endoskop 2 von der Kamerasteuerungseinheit 5 galvanisch getrennt bleibt, sodass Normen zur elektrischen Sicherheit der Endoskopieanordnung 1 eingehalten werden können.
Zusammenfassend wird zur Verbesserung der Qualität der Übertragung eines Signals, insbesondere Bild- oder Videosignals, mittels eines Kabels 4 von einem Bildsensor 3 an eine Kamerasteuerungseinheit 5 einer Endoskopieanordnung 1 unter Beibehaltung von elektrischen Sicherheitsstandards vorgeschlagen, dass ein erster zur Übertragung des Signals genutzter Schaltkreis innerhalb des Kabels 4 von einem zweiten zur Weiterverarbeitung des Signals genutzten Schaltkreis 19 innerhalb der Kamerasteuerungseinheit 5 galvanisch getrennt ausgebildet ist. Hierzu kann insbesondere eine galvanische Trennung 6, vorzugsweise in Signalrichtung hinter einem proximalen Ende 7 des Kabels 4, besonders bevorzugt als induktive Kopplung 17, ausgebildet sein.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass der erste Schaltkreis eine, vorzugsweise passive, beispielsweise an dem proximalen Ende 7 des Kabels 4 oder in der Kamerasteuerungseinheit 5 angeordnete, Impedanzanpassungsschaltung 8 aufweist, die dazu eingerichtet ist, Signalverzerrungen, welche bei der Übertragung des vom Bildsensor 3 erzeugten Signals zur Kamerasteuerungseinheit 5 entstehen, zu kompensieren, vorzugsweise derart, dass ein vom Bildsensor 3 erzeugtes Frequenzspektrum des Signals reproduziert werden kann (Vgl. 2).
Bezugszeichenliste

1: Endoskopieanordnung
2: Endoskop
3: Bildsensor
4: Kabel
5: Kamerasteuerungseinheit
6: galvanische Trennung
7: proximales Ende (des Kabels)
8: Impedanzanpassungsschaltung9 Schirmung
10: Koppelkapazität
11: parasitäre Kapazität
12: Erdpotentialleitung
13: Verstärker
14: Monitor
15: Stecker
16: Kamerakopf
17: induktive Kopplung
18: Trennstelle (des Kabels)
19: signalverarbeitender Schaltkreis

Claims

Endoskopieanordnung (1) mit einem Endoskop (2), das einen Bildsensor (3) aufweist, und mit einem Kabel (4), welches zur Übertragung eines Signals von dem Bildsensor (3) zu einer Kamerasteuerungseinheit (5) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine galvanische Trennung (6) zwischen dem Endoskop (2) und einem signalverarbeitenden Schaltkreis (19) der Kamerasteuerungseinheit (5) ausgebildet ist und dass eine Impedanzanpassungsschaltung (8) ausgebildet ist, die zur Kompensation von Änderungen der Form des Signals eingerichtet ist, welche sich aufgrund der Übertragung ergeben, wobei die Impedanzanpassungsschaltung (8) in Signalrichtung vor dem signalverarbeitenden Schaltkreis (19) der Kamerasteuerungseinheit (5) angeordnet ist.
Endoskopieanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Trennung (6) zwischen einem proximalen Ende (7) des Kabels (4) und der Kamerasteuerungseinheit (5) ausgebildet ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) in Signalrichtung vor der galvanischen Trennung (6) angeordnet ist, vorzugsweise in der Kamerasteuerungseinheit (5), insbesondere sodass das Signal die Impedanzanpassungsschaltung (8) vor der galvanischen Trennung (6) passiert.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) Signaländerungen überkompensiert und/oder dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) Signaländerungen kompensiert, die bei Übertragung über die galvanische Trennung (6) hinweg entstehen, insbesondere wobei hierzu eine Übertragungsfunktion der Impedanzanpassungsschaltung (8) so gewählt ist, dass eine Induktivität der galvanischen Trennung (6) berücksichtigt ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) Frequenzanteile des Signals unterhalb einer Schwellfrequenz stärker dämpft als Frequenzanteile des Signals oberhalb der Schwellfrequenz, insbesondere wobei die Schwellfrequenz eine Grenzfrequenz des Kabels (4) ist, vorzugsweise wobei die Impedanzanpassungsschaltung (8) auf eine vorgegebene Länge des Kabels (4), vorzugsweise von 2 bis 4 m, ausgelegt ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Impedanzanpassungsschaltung (8) Gleichspannungsanteile des Signals übertragbar sind.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) über einen zur Signalübertragung genutzten Frequenzbereich hinweg, eine Übertragungsfunktion aufweist, die einem Hochpass-Filter entspricht, insbesondere wobei eine Eckfrequenz der Übertragungsfunktion gleich oder kleiner ist als eine oder die Grenzfrequenz des Kabels (4).
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) zur Übertragung von Frequenzanteilen des Signals unterhalb von 75 MHz und/oder für eine Signalbandbreite von mindestens 1.5 GHz, vorzugsweise von mindestens 2.0 GHz, besonders bevorzugt von mindestens 3.0 GHz, ausgelegt ist, insbesondere wobei hierzu eine Resonanzbreite der Impedanzanpassungsschaltung (8) gleich oder größer einer Bandbreite des Signals ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (4) und die Impedanzanpassungsschaltung (8) derart gewählt und/oder ausgestaltet sind, dass eine durch das Kabel (4) und die Impedanzanpassungsschaltung (8) festgelegte Signalübertragungsfunktion einen gleichbleibenden oder weitestgehend gleichbleibenden Übertragungsquotienten, vorzugsweise über eine gesamte zur Übertragung ausgenutzte Signalbandbreite hinweg, aufweist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) im Endoskop (2), insbesondere in einem Kamerakopf (16), oder im Kabel (4), insbesondere in einem Stecker (15) am proximalen Ende (7) des Kabels (4), oder in oder an der Kamerasteuerungseinheit (5) angeordnet ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassungsschaltung (8) ausschließlich aus passiven Bauteilen und/oder als passive Equalizer-Schaltung realisiert ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Signalverstärkung ausgebildet ist, insbesondere die der galvanischen Trennung (6) nachgeschaltet ist, vorzugsweise wobei hierzu ein Verstärker (13) vorgesehen ist und/oder dass ein Verstärker (13), insbesondere ein weiterer Verstärker (13), vorgesehen ist, der das Signal noch vor Passieren der galvanischen Trennung verstärkt.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Impedanzanpassungsschaltung (8) im Endoskop (1), insbesondere in einem Kamerakopf (16) des Endoskops (1), oder im Kabel (4) ausgebildet ist, insbesondere die zur Kompensation von Änderungen der Form des Signals eingerichtet ist, die sich bereits vor dessen Übertragung durch das Kabel (4) ergeben und/oder dass eine erste Impedanzanpassungsschaltung (8), insbesondere durch das Kabel (4), räumlich getrennt von einer zweiten Impedanzanpassungsschaltung (8) angeordnet ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal ein digitales Signal, insbesondere mit an sich bekannter Signalform, ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (4) und/oder die Impedanzanpassungsschaltung (8) eine erdpotentialfreie Schirmung (9) aufweist, vorzugsweise wobei die Schirmung (9) mittels einer, vorzugsweise hochspannungsfesten, Koppelkapazität (10) mit einer elektrischen Erdpotentialleitung (12), vorzugsweise der Kamerasteuerungseinheit (5), gekoppelt ist, insbesondere sodass hochfrequentes Rauschen im Signal mittels der Koppelkapazität (10) unterdrückbar ist.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Trennung (6) als induktive Kopplung (17) ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer geringen Windungsanzahl, besonders bevorzugt wobei Windungszahlen der induktiven Kopplungen primär- und sekundärseitig gleich ausgestaltet sind, insbesondere sodass eine sich aufgrund der galvanischen Trennung (6) ergebende parasitäre Kapazität (11) klein gegenüber einer Kapazität eines oder des Koppel-Kondensators (10) ist, mit dem eine oder die Schirmung (9) des Kabels (4) mit der Kamerasteuerungseinheit (5) elektrisch gekoppelt ist, vorzugsweise wobei die parasitäre Kapazität (11) weniger als 15 pF beträgt.
Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (4) als Koaxialkabel oder als Leitung mit mindestens zwei Adern ausgebildet ist, vorzugsweise wobei für jede der mindestens zwei Adern eine separate Impedanzanpassungsschaltung (8) vorgesehen ist.
Verwendung einer Endoskopieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Übertragung eines, vorzugsweise digitalen, Bild- oder Videosignals, vorzugsweise wobei das Bild- oder Videosignal vor der Übertragung durch das Kabel (4) mittels „Scrambling“ an eine zur Übertragung nutzbare Bandbreite angepasst wird, insbesondere wobei Bitfolgen des Signals vor der Übertragung durch das Kabel (4) verändert und/oder ausgetauscht werden.
Verfahren zur Übertragung von Signalen mittels eines Kabels (4) von einem Bildsensor (3) zu einer Kamerasteuerungseinheit (5), insbesondere einer Endoskopieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal nach Übertragung durch das Kabel (4) mittels einer Impedanzanpassungsschaltung (8), insbesondere mit Merkmalen wie in einem der Ansprüche 1 bis 17 beschrieben, aufbereitet wird, vorzugsweise sodass eine ursprüngliche Flankensteilheit des Signals zumindest teilweise wiederhergestellt wird.