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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abtastsystem für Sonden, die zur dreidimensionalen Abbildung von Geweben verwendet werden.
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Stand der Technik
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Die dreidimensionale Abtastung von Geweben erfolgt durch eine laterale Abtastung, bei der die Laserstrahlen auf eine Ebene gerichtet werden, die sich in etwa entlang der Gewebeoberfläche erstreckt, und eine vertikale Abtastung, die es ermöglicht, die laterale Abtastung für jede Tiefe zu wiederholen, indem die Tiefe der genannten Ebene eingestellt wird. Die laterale Abtastung erfolgt in der Regel durch oszillierende Bewegungen eines Glasfaserkabelendes oder eines Spiegels oder einer Linse, die die von diesem Kabel ausgehenden Strahlen lenkt, die vertikale Abtastung erfolgt durch Veränderung des Abstands des Glasfaserkabelendes, des Spiegels oder der Linse zur Gewebeoberfläche. Dazu werden mikroelektromechanische Systeme mit piezoelektrischen Elementen oder elektromagnetischen Elementen zur lateralen Abtastung und piezoelektrischen Elementen zur vertikalen Abtastung eingesetzt.
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In dem Dokument mit der Nummer
US6633212B1 werden Strukturen offenbart, die eine magnetische Betätigung eines freistehenden Arms ermöglichen, auf dem ein Spiegel gebildet werden kann.
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Beim dreidimensionalen Abtasten mit mikroelektromechanischen Systemen bleibt die vertikale Abtasttiefe begrenzt. Dies schränkt den effektiven Einsatz von Sonden ein, die auf mikroelektromechanischen Systemen basieren.
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In dem Dokument mit der Nummer
EP1142529A1 wird ein System beschrieben, bei dem die laterale Abtastung durch piezoelektrische Elemente erfolgt, während die vertikale Abtastung durch pneumatisches Bewegen einer Struktur erfolgen kann, die das Ende des Glasfaserkabels in der Sonde trägt.
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In dem Dokument mit der Nummer
US2005157981A1 wird ein Tastkopf offenbart, bei dem die Position einer Abdeckung, die die Linse trägt, hydraulisch oder pneumatisch verstellt werden kann, um den Brennpunkt zu ändern.
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In dem Dokument mit der Nummer
US4620769A wird ein System offenbart, bei dem eine optische Baugruppe in einer Sonde durch einen hydraulisch verstellbaren Balg betätigt wird. Durch den Druck im Innenvolumen des Balgs wird eine Kraft auf ein Bauteil des Systems ausgeübt, das in vertikaler Richtung gleitet, und die Bauteile lagern sich aneinander ab.
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Außerdem sind die Herstellungskosten für mikroelektromechanische Systeme hoch. Die Verwendung von Sonden, die auf mikroelektromechanischen Systemen basieren, erhöht die Kosten im Diagnoseprozess, da viele medizinische Geräte Einwegartikel sind.
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In dem Dokument mit Nummer
US 10791917B2 werden optische Sondenspitzen offenbart, die für die Herstellung mit dreidimensionalen Druckverfahren geeignet sind.
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Aus diesen Gründen sollten dreidimensionale Abtastsysteme entwickelt werden, die eine hohe vertikale Abtasttiefe vorsehen und für eine kostengünstige und schnelle Herstellung geeignet sind.
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Aufgaben und Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein dreidimensionales Abtastsystem zu entwickeln, das eine hohe vertikale Abtasttiefe ermöglicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Abtastsystem zu entwickeln, das für eine kostengünstige und schnelle Herstellung, insbesondere mit additiven Herstellungsverfahren, geeignet ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung wurde ein System entwickelt, das ein optisches Element, das sich am Ende eines Arms befindet, der an einem Ende gelagert ist, und mindestens ein Element für die laterale Abtastung, das die Oszillation des Arms zur Durchführung der lateralen Abtastung ermöglicht, sowie einen Balg umfasst, dessen Länge sich durch die Wirkung einer gepumpten Flüssigkeit ändern kann, um eine vertikale Abtastung durchzuführen. Der Faltenbalg bietet eine höhere Abtasttiefe als mikroelektromechanische Systeme.
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Das erfindungsgemäße System ist für die Herstellung mit additiven Herstellungsverfahren geeignet. Damit können die erfindungsgemäßen Abtastsysteme und die sie enthaltenden Sonden kostengünstig hergestellt werden.
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Figurenliste
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Das Abtastsystem, das zur Lösung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist in den beigefügten Figuren dargestellt.
- 1 ist eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Abtastsystems.
- 2 ist eine schematische Ansicht des Abtastsystems aus 1 von vorne, d. h. von der Oberfläche des abzutastenden Bereichs.
- 3 ist eine schematische Seitenansicht des Balgs und des Arms aus 1.
- 4 ist eine schematische Ansicht einer Sonde, die ein erfindungsgemäßes Abtastsystem enthält.
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Die Teile in den Figuren sind einzeln nummeriert, die Entsprechungen dieser Nummern sind unten angegeben.
- 1.
- Abtastsystem
- 2.
- Stützpunkt
- 3.
- Arm
- 4.
- Spiegel
- 5.
- Flügel
- 6.
- erster Magnet
- 7.
- Elektromagnet
- 8.
- Balg
- 9.
- Eintrittspunkt
- 10.
- Schlauch
- 11.
- Spritze
- 12.
- Magnetgehäuse
- 13.
- Kern
- 14.
- Wickelung
- 15.
- Brett
- 16.
- Schritt
- 17.
- Sonde
- 18.
- Laser
- 19.
- Glasfaserkabel
- 20.
- Strahlteiler
- 21.
- Linse
- 22.
- Detektor
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Das erfindungsgemäße Abtastsystem 1 umfasst im Wesentlichen einen Arm 3, der an einem Ende mit einem Stützpunkt 2 für die laterale Abtastung verbunden ist und sich parallel zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs erstreckt, ein erstes optisches Element am freien Ende dieses Arms 3 und mindestens ein Element für die laterale Abtastung, das den Arm 3 in eine oszillierende Bewegung um mindestens eine Achse parallel zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs versetzt, und einen Balg 8, der den Stützpunkt 2 zur vertikalen Abtastung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs bewegt.
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Der Balg 8 erstreckt sich entlang der genannten Richtung. Der Stützpunkt 2 ist mit einem Ende des Balgs 8 verbunden. Der Stützpunkt 2 kann direkt oder indirekt mit dem entsprechenden Ende des Balgs 8 verbunden werden. Am anderen Ende des Balgs 8 befindet sich ein Eintrittspunkt 9, durch den eine Flüssigkeit fließen kann. Der Balg 8 bildet ein geschlossenes Volumen, das die Flüssigkeit aufnimmt. Die Länge zwischen den beiden Enden des Balgs 8 variiert je nach dem Druck der Flüssigkeit in dem genannten Volumen. Der Flüssigkeitsdruck kann durch eine an den Einlass 9 angeschlossene Pumpe reguliert werden.
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Die Pumpe ist über einen Schlauch 10 mit dem Eintrittspunkt 9 verbunden, damit das Abtastsystem 1 in den Bereich gebracht werden kann, in dem die Abtastung durchgeführt werden soll. Die Pumpe kann eine Spritze 11 sein, die von einem elektronisch gesteuerten Motor angetrieben wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht mindestens ein laterales Abtastelement aus einem ersten Magneten 6, der sich am freien Ende des Arms 3 befindet, und einem Elektromagneten 7, der sich an einer Position außerhalb des Arms 3 befindet. Die Kräfte, die auf den ersten Magneten 6 wirken, können durch die Steuerung des Elektromagneten 7 reguliert werden, so dass der Arm 3 und das erste optische Element ausgerichtet werden können, um die laterale Abtastung durchzuführen. Durch Anwendung von Wechselstrom auf den Elektromagneten 7 kann eine oszillierende Bewegung des Arms 3 ermöglicht werden.
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Am freien Ende des Arms 3 befinden sich außerdem Flügel 5, die parallel zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs und symmetrisch zum Arm 3 angeordnet sind. Der erste Magnet 6 erstreckt sich ebenfalls zumindest teilweise entlang dieser Flügel 5. Damit kann der Arm 3 um zwei Achsen parallel zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs bewegt werden.
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Vorzugsweise befindet sich am freien Ende des Balgs 8, d. h. an dem Ende, das die angetriebenen Elemente trägt, auch ein Magnetgehäuse 12, in dem der Elektromagnet 7 sitzt. Deshalb wird auch der Elektromagnet 7 zusammen mit dem Arm 3 geführt und der Abstand zwischen dem ersten Magneten 6 und dem Elektromagneten 7 wird unabhängig vom vertikalen Abtastvorgang gehalten. Der Elektromagnet 7 kann aus einem Kern 13 im Magnetgehäuse 12 und einer oder mehreren Wickelungen 14 bestehen, die den Kern 14 umgeben.
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Der Stützpunkt 2 ist über ein Brett 15 mit dem Balg 8 verbunden. Das Brett 15 kann auch über das Magnetgehäuse 12 mit dem Balg 8 verbunden werden. Da der Balg 8 und das Brett 15 aus einem Stück bestehen können, können der Balg 8 und das Brett 15 durch Elemente verbunden werden, die einander gegenüberliegen und an ihren einander zugewandten Teilen ineinander greifen. Bei diesen Elementen kann es sich um Gewindeelemente wie eine Schraube und einen Schraubenschlitz handeln. In diesem Rahmen können der Balg 8 und die seitlichen Raupenteile der Struktur, d. h. der Stützpunkt 2, der Arm 3 und die Flügel 5, in einem Stück hergestellt und durch Verschrauben zusammengefügt werden, oder die gesamte Struktur kann in einem Stück hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Abtastsystem 1 eignet sich vor allem für die Herstellung mit additiven Herstellungsverfahren. Damit ist es möglich, Sonden 17, insbesondere Einwegsonden 17, kostengünstig und schnell herzustellen. Die einfach aufgebaute Sonde 17 kann leicht und zuverlässig montiert werden. Weiterhin kann eine begrenzte Anzahl von Sonden 17 hergestellt werden, die für spezielle Anforderungen geeignet sind. Aus diesem Grund ist der Balg 8 einheitlich aufgebaut und arbeitet einteilig und unabhängig. Das bedeutet, dass der Balg 8 eine Steifigkeit aufweist, die auch ohne externe Stützen nicht aus der Richtung senkrecht zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs unter seinem eigenen Gewicht oder unter dem Gewicht der Flüssigkeit zusammen mit seinem eigenen Gewicht abweicht. Während der Einstellung der Länge des Balgs 8 können die Elemente, die in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs getragen werden, nur von dem Balg 8 getragen werden, ohne von dieser Richtung abzuweichen.
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Der Balg 8 besteht aus einem Harz oder Polymermaterial mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von 1 MPa bis 10 GPa, wenn er ausgehärtet oder verfestigt ist. Dieses Material kann z. B. Polyamid sein. Vorzugsweise ist der Arm 3 auch aus dem gleichen Material wie der Balg 8 gefertigt.
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Der Balg 8 hat eine Form, die eine durchgehende oder getrennte axiale Symmetrie in Bezug auf die Richtung senkrecht zur Oberfläche des abzutastenden Bereichs aufweist. Vorzugsweise enthält der Balg 8 Schritte 16, die aus abwechselnd breiten und schmalen Abschnitten entlang der genannten Richtung bestehen.
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Das Abtastsystem 1 wird durch selektives Laserschmelzen selective laser melting, Schmelzschichtung fused deposition modeling, Stereolithographie oder ein alternatives 3D-Druckverfahren hergestellt.
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Ein Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungsgemäße Abtastsystem 1 in einer Sonde 17 verwendet wird, ist in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das erste optische Element vorzugsweise ein Spiegel 4. Die Sonde 17 umfasst im Wesentlichen einen Laser 18, einen Strahlteiler 20 mit einem Glasfaserkabel 19 zum Spiegel 4 erzeugenden Laser 18, eine Linse 21, die den vom Spiegel 4 reflektierten Strahl fokussiert, und einen Detektor 22, der Messungen an dem Strahl durchführt, nachdem er von der Oberfläche des abzutastenden Bereichs reflektiert wurde und erneut die Linse 21, den Strahlteiler 20 und das Glasfaserkabel 19 passiert hat.
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Bei einer solchen Sonde 17 kann ein Abtastsystem mit einem Balg 8 von 40 mm freier Länge und 50 mm freier Länge und weniger als 10 mm Durchmesser verwendet werden. In diesem Beispiel kann ein Balg 8 mit einer Wandstärke von 0,3 bis 1 mm verwendet werden. Bei Versuchen mit einem solchen Abtastsystem 8 wurde eine vertikale Abtastung von 3 mm durchgeführt. Auf der anderen Seite können erfindungsgemäß unterschiedliche vertikale Abtasttiefen durch Veränderung der Merkmale des Balgs 8, wie z.B. des Materials, der Wandstärke und der Ausgestaltung des Schritts 16, erreicht werden.
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Durch die Verwendung der bei der lateralen und vertikalen Abtastung gewonnenen Daten des Detektors 22 können dreidimensionale Daten des abgetasteten Bereichs und entsprechende Bilder hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6633212 B1 [0003]
- EP 1142529 A1 [0005]
- US 2005157981 A1 [0006]
- US 4620769 A [0007]
- US 10791917 B2 [0009]
