DE3435136C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Endabschnitt eines flexiblen Endoskops, das einen frei biegbaren Schlauch­ abschnitt aufweist.

Es stehen bereits weit verbreitet medizinische Endo­ skopvorrichtungen zur Verfügung, die Organe in Körperhöhlen untersuchen, indem in die Körperhöhlung ein längliches Ein­ führungsteil eingeführt wird, wobei wenn nötig, Gewebeproben durch Einführen einer Pinzette durch einen Pinzettenkanal entnommen werden, um so den erkrankten Teilbereich detail­ liert zu diagnostizieren. Im Industriebereich werden ebenso Endoskope z. B. zur Überprüfung des Zustands von Leitungen in Kesseln in chemischen Anlagen usw. und zur Feststellung von Ablagerungen auf der Innenfläche der Leitung bei In­ standhaltungsarbeiten verwendet.

Derartige Endoskopvorrichtungen benutzen sowohl weiche flexible Endoskope, die ein flexibles Einführungsteil auf­ weisen als auch harte Endoskope mit mehr oder weniger geraden und starren Einführungsteilen.

Endoskopvorrichtungen weisen ein optisches Beleuchtungs­ system auf, das zur Projektion von Beleuchtungslicht auf einen zu untersuchenden Gegenstand dient, sich im eingeführ­ ten Endoskopendabschnitt befindet und von einem Bedie­ nungsteil der Endoskopvorrichtung gehandhabt wird, an dem auch die Lichtquelle angeordnet ist. Ferner ist ein optisches Beobachtungssystem im Endabschnitt zur Erzeugung und Übertra­ gung eines Bildes des durch das Beleuchtungssystem beleuchte­ ten Gegenstands vorgesehen, der am rückwärtigen Ende des Okular­ teils am bedienbaren Ende des Endoskops beobachtet werden soll.

Das flexible Endoskop weist einen biegbaren, steuer­ baren Endabschnitt mit frei biegbarem Schlauchabschnitt auf, der vom bedienbaren Ende aus gesteuert wird, um so das im Endabschnitt vorgesehene optische System des durch die Mund­ öffnung oder eine andere Öffnung eingeführten Endoskops in eine geeignete Beobachtungsrichtung zu bringen. Eine gebräuchliche Vorrichtung für diese gesteuerte Biegung weist eine größere Anzahl von Verbindungsstücken, die über Zapfen­ verbindungen eine Biegung hervorrufen und eine Betätigungs­ leitung auf, die am äußersten Stück befestigt ist und durch Drehung eines Betätigungsknopfes am Bedienungsteil des Endoskops zur Bewegung des Abschnitts in horizontaler und vertikaler Richtung angezogen oder gelöst werden kann.

Die mechanische Betätigungsleitung muß durch das Endo­ skop von dessem vorderen bis zum hinteren Ende hindurchge­ führt werden, so daß das einführbare flexible Endoskop einen vergrößerten Durchmesser aufweist.

Auch der in der DE-PS 29 51 765 beschriebene steuerbare Endabschnitt weist diesen Nachteil auf. Hierbei sind zwei im Bedienungsteil des Endoskops über einer Scheibe zusammen­ laufende Drähte am unteren bzw. oberen Rand durch den flexib­ len Endoskopschlauch und dessen frei biegbaren vorderen Schlachabschnitt geführt. Die vorderen Enden der Drähte sind im rückwärtigen oberen bzw. unteren Ende des das optische System enthaltenden starren Endstücks befestigt. Durch Drehung der Scheibe in entgegengesetzte Richtungen ist es möglich, das Endstück in zwei entgegengesetzte Richtungen zu verkippen, wobei der biegbare Schlauchabschnitt entsprechend gebogen wird. Die Biegung erfolgt durch Steuerung mittels von Ultraschall­ aufnehmern gelieferten Signalen, um ein Anstoßen an Körper­ höhlenwandungen beim Einführen des Endoskops zu vermeiden. Selbst wenn zur Drehung der Scheibe ein Motor verwendet wird, ist die Biegung in beliebige Richtungen nicht völlig konti­ nuierlich und glatt ausführbar. Auch ist von Nachteil, daß die einführenden mechanischen Drähte am optischen System befestigt werden müssen.

Gegenüber rein mechanischen Vorrichtungen zum Bewegen biegsamer Teile ist allgemein die Verwendung von piezo­ elektrischen Biegeanordnungen mit auf- und übereinander­ geklebten Folien aus elektrostriktivem Material bekannt. So zeigen PVF₂-Kunststoffolien (Transactions of the IECE of Japan, Vol. E 61, Nr. 7, Juli 1978, Seiten 507 bis 512) heute piezoelektrische Wirkung als elektrostriktive Schicht­ filme aus zwei Schichten entgegengesetzter Polarität mit Biegefunktion zur Justierung von diversen Elementen. In der US-PS 40 87 715 ist beispielsweise vorgeschlagen worden, diesen Effekt zur Positionierung optischer Elemente in elektromechanischen Mikropositioniervorrichtungen anzuwenden. Eine derartige Vorrichtung besteht aus einem rohrförmigen Piezoelement mit auf der Innen- und Außenseite befestigten elektrisch leitfähigen Überzugsfolien, an die über Potentio­ meterabgriffe Spannung angelegt wird. Ein am freien Ende des Piezorohres befestigtes optisches Element, beispielsweise ein Spiegel, kann über das mittels der Potentiometer einge­ stellte Piezorohr in feinem Winkelabstufungen gekippt werden. Eine solche Anordnung mit rohrförmigem Piezoelement ist jeoch relativ kompakt und eignet sich weniger für den Einsatz im vorderen Abschnitt eines Endoskops.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesser­ ten steuerbaren Endabschnitt eines flexiblen Endoskops, das einen frei biegbaren Schlauchabschnitt aufweist, anzugeben, der glatte und gleichmäßige Biegungen bei minimalem Durchmes­ ser des flexiblen Endoskops gestattet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den einzelnen elektrostriktiven Kunststoff­ filmstreifen unabhängig wirkende Biegungskraft wird eine glatte und gleichmäßige Übertragung der Biegungskräfte auf den frei biegbaren Schlauchabschnitt, um welchen die Streifen herumgebogen sind, in beliebigen Richtungen ermöglicht.

Auf diese Weise kann der steuerbare Endabschnitt eines flexiblen Endoskops, der Beleuchtungs- und Beobachtungsvorrichtungen aufweist, optimal, schnell und gleichmäßig eingestellt werden, so daß sich sehr gute Beleuchtungs- und auch Beobachtungsbedingungen ergeben. Beim Einführen des Endoskops kann ein Anstoßen an der Hohlraumwandung vermieden werden.

Die Anordnung der dünnen folienartigen Streifen unmittelbar auf dem Schlauchabschnitt mit den zugehörigen elektrischen Zuleitungen ist außerordentlich kompakt. Im Gegensatz zu den bekannten mechanischen Vorrichtungen zur Bewegung des steuerbaren Endoskopabschnitts durch Anziehen und Entspannen zumindest zweier mechanisch wirkender Leitungen und Drähte ist der erfindungsgemäße steuerbare Abschnitt nicht nur wesentlich kompakter, sondern auch einfacher und präziser bedienbar.

Vorzugsweise ist eine äußere Schutzhülle des Endoskops verschiebbar über der Streifenschicht vorgesehen, und die elektrischen Zuleitungen zu den Elektroden sind durch das innere flexible Schutzrohr des Endoskops geführt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Die Fig. 1 bis 5 betreffen den prinzipiellen Aufbau eines Schichtfilms, der in dem erfindungsgemäßen steuerbaren Abschnitt verwendet wird. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht, die die Struktur des Schichtfilms zeigt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Reaktion des Schichtfilms bei Anlegen einer Spannung an den Film,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, die die quantitativen Verhältnisse des Schichtfilms verdeutlichen,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines zusammengesetzten Schichtfilms,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Reaktion des Schichtfilms aus Fig. 4 bei Anlegen einer Spannung an den Film.

Die Fig. 6 bis 8 betreffen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Achsenrichtung eines steuerbaren Abschnitts eines Endoskops,

Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Linie senkrecht zur Achse des steuerbaren Abschnitts aus Fig. 6 und

Fig. 8 einen vergrößerten Teilausschnitt eines Teilbereichs der Fig. 7, der dort durch einen gestrichelt gezeichneten Kreis begrenzt ist.

Im folgenden wird das Prinzip für das Biegen eines in der Erfindung verwendeten Schichtfilms an Hand der Fig. 1 bis 5 beschrieben. Ein allgemein bekanntes Material, das elektrostriktive Wirkung zeigt, ist Polyvinylidenfluorid. Es ist ein Polymer von Vinylidenfluorid (CH₂-CF₂) und besitzt eine hohe Polarität und Kristallisation aufgrund seiner Struktur und wirkt als typisches dielektrisches Polymer. Zum Beispiel zeigen Filme, die dieses Material aufweisen, eine hohe Piezoelektrizität. Derartige Materialien wurden bisher für Ultraschallschwingungserzeuger, Mikrophone, Lautsprecher usw. eingesetzt. Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Schichtfilm 1 einer Dicke t durch Übereinanderschichtung von zwei Schichten aus einem Polyvinylidenfluoridfilm 2 und 3 hergestellt, die eine Polarisation in Richtung der äußeren Schichtdicke aufweisen, so daß ihre Polarisationsrichtung zueinander entgegengesetzt sind, wobei auf diesen Schichten auf ihren Oberflächen zwei Elektroden 4, 5 befestigt sind.

Wenn zwischen den beiden Elektroden 4, 5 eine Potentialdifferenz erzeugt wird, wird der Schichtfilm, wie in der Fig. 2 gezeigt ist, gebogen. Bei Umkehrung der Spannungspolung wird der Schichtfilm entsprechend in die umgekehrte Richtung gebogen.

Eine derartige Umbiegung kann quantitativ aus einer in der Fig. 3 gezeigten Anordnung bestimmt werden, indem zwei Schichten aus einem Polyvinylidenfluoridfilm 2 und 3 übereinandergeschichtet werden, um so einen Schichtfilm 1 einer Dicke t herzustellen, indem zwei Elektroden 4 und 5, wie im Fall des Schichtfilms der Fig. 1, auf beiden Oberflächen der Schichten befestigt werden, und indem ein Ausleger einer Länge ℓ gebildet wird. Wird zwischen den Elektroden 4, 5 eine Potentialdifferenz E angelegt, wird das vordere Ende des Schichtfilms, das beweglich ist, um eine Verschiebung x verschoben. Bei einer derartigen Anordnung erfüllen die Verschiebung x des vorderen Endes und eine Biegungskraft F die folgenden Gleichungen:

x = 3 × ℓ² × d × E/t²

und

F = 3 × t × B × d × Y × E/4 × ℓ

wobei d eine piezoelektrische Konstante in einer senkrechten Richtung zur Dicke des Schichtfilms ist, B die Breite vom Schichtfilm und Y der Elastizitätsmodul des Schichtfilms 1. Aus diesen quantitativen Beziehungen wird geschlossen, daß ein Radius r der Krümmung infolge der Biegung proportional zur Dicke t des Schichtfilms anwächst und umgekehrt mit wachsender angelegter Potentialdifferenz E abnimmt. Die Biegungskraft F ist der angelegten Potentialdifferenz direkt proportional. Da die Biegungskraft von einem einzelnen Satz eines Schichtfilms 1, der aus zwei Schichten aus Polyvinylidenfluoridfilm 2 und 3 hergestellt ist, bewirkt ist, werden entsprechend mehrere Komponenten einer Biegungskraft durch eine Filmanordnung aus mehreren Schichten des Schichtfilms 1 bewirkt. Die Fig. 4 zeigt eine Filmschichtanordnung aus einer größeren Anzahl von Schichtfilmen, bei der die Richtungen der Biegungen der in der Fig. 1 gezeigten Richtung des Schichtfilms 1 entsprechen und jede Schicht nur in einem begrenzten Teilbereich in der Mitte fixiert ist. Wenn Elektroden so mit dieser Anordnung verbunden werden, daß eine Potentialdifferenz in derselben Richtung jeweils zwischen den Elektroden bezüglich jedes Schichtfilms 1 eingestellt wird, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist, werden die Schichtfilme 1 mit derselben Krümmung gebogen. Die Biegungskraft multipliziert sich dabei mit der Anzahl der Schichten aus den einzelnen Schichtfilmen 1.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das oben beschriebene Prinzip angewendet ist, an Hand der Zeichnungen erläutert.

Wie in den Fig. 6 bis 8 dargestellt ist, umfaßt der steuerbare Endabschnitt eines flexiblen Endoskops 11 einen biegbaren Abschnitt oder ein biegbares Glied 12, das am vorderen Ende des Endoskops vorgesehen ist, und eine Einrichtung 13 zur Betätigung des biegbaren Glieds 12 d. h. zu dessen Steuerung. Das biegbare Glied 12 weist einen frei biegbaren Schlauchabschnitt in Form eines inneren Schutzrohres 14 auf, ferner einen Schichtfilm 15, der die äußere Oberfläche dieses Schutzrohres 14 umgibt und einen rohrförmigen Mantel oder ein äußeres Schutzrohr 16, das einen biegsamen Teilbereich aufweist und mit diesem die Oberfläche des Schichtfilms 15 bedeckt. Durch das innere Schutzrohr 14 werden in axialer Richtung ein Lichtleiter, eine Bildübertragungsvorrichtung usw. (nicht dargestellt) eingeführt. Der Schichtfilm 15 ist aus zwei Filmschichten 17, 18 hergestellt, die z. B. aus Polyvinylidenfluorid bestehen und jeweils eine Polarisationsrichtung in Richtung der äußeren Schichtdicke aufweisen und so angeordnet sind, daß ihre Polarisationsrichtungen entgegengesetzt sind und die gesamte Schichtdicke einen vorbestimmten Wert hat, wobei zwei Elektroden 19, 20 auf den äußeren Oberflächen dieser Schichten befestigt sind. Der Schichtfilm 15 weist eine große Anzahl von Streifen gleicher Breite in Querrichtung und gleicher Länge in Längsrichtung auf, die so angeordnet und gebogen sind, daß sie die gesamte äußere Oberfläche des inneren Schutzrohrs 14 bedecken. Die Länge des Schichtfilms 15 in Längsrichtung wird durch den erforderlichen Krümmungsradius, die Biegungskraft des Schichtfilms 15 usw. bestimmt. Das biegbare Glied 12 setzt sich aus solchen Streifen von Schichtfilmen 15, . . . zusammen, die eine vorbestimmte Länge haben. An den Elektroden 19, 20 für den oberen Teil der Schichtfilme 15, . . . sind Zuführungsleitungen 21, 22 befestigt, so daß eine größere Anzahl von Streifen aus Schichtfilmen 15, . . . , die in diesem oberen Bereich angeordnet sind, in dieselbe Richtung gebogen angebracht sind. Entsprechend sind an den Elektroden für den unteren Teil der Schichtfilme 15, . . . Zuführungsleitungen 23, 24 befestigt, so daß eine größere Anzahl von Streifen, die im unteren Teil angeordnet sind, in dieselbe Richtung wie der obere Teil gebogen sind. Entsprechend sind Zuführungsleitungen (nicht dargestellt) an weiteren Elektroden 19, 20 befestigt, so daß die Streifen der Schichtfilme 15, . . . im linken und rechten Teil dieser Streifenanordnung ebenfalls in dieselbe Richtung gebogen sind. In der Fig. 7 sind die Schichtfilme 15, . . . , die als Streifen in den oberen und unteren Teilbereichen angeordnet sind, und an denen Zuführungsleitungen 21, 22, 23 und 24 befestigt sind, durch Begrenzungslinien zwischen den Streifen dargestellt. Die Zuführungsleitungen 21, 22, 23 und 24 sind durch das innere Schutzrohr 14 hindurchgeführt und mit der Einrichtung 13 zum Betätigen des biegbaren Gliedes 12 verbunden. Die Einrichtung 13 zum Betätigen des biegbaren Gliedes 12 steuert dieses durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die Streifen des Schichtfilms 15, die in einem vorbestimmten Bereich angeordnet sind. Zusätzlich können weitere zahlreiche Sätze von Streifen aus einem Schichtfilm 15 entsprechend über Zuführungsleitungen mit der Einrichtung 13 zum Betätigen des biegbaren Gliedes verbunden werden. Der rohrförmige Mantel 16 bedeckt die Außenfläche der Streifen aus Schichtfilmen 15, . . . , die über die äußere Oberfläche des inneren Schutzrohrs 14 gebogen sind, derart, daß die Innenfläche des rohrförmigen Mantels 16 über die äußere Oberfläche der Streifen aus Schichtfilmen 15, . . . verschiebbar ist.

Durch die Vorrichtung zum Biegen eines Endoskops 11, die dem oben beschriebenen Aufbau entspricht, kann das Biegen des Endoskops ausgeführt werden, indem durch die Einrichtung 13 zum Betätigen des biegbaren Gliedes, die sich am bedienbaren Ende des Endoskops befindet, eine vorbestimmte Spannung zugeführt wird. Wenn das vordere Ende des Einführungsteils nach unten gebogen werden soll, wird den oberen und unteren Teilen der Schichtfilme 15, . . . durch Zuführungsleitungen 21, 22, 23 und 24 eine vorbestimmte Spannung zugeführt um von einander unabhängige Biegungskräfte hervorzurufen. Da die Streifen aus Schichtfilmen 15, . . . über die äußere Oberfläche des inneren Schutzrohrs 14 gebogen sind, werden die Biegungskräfte auf das innere Schutzrohr 14 übertragen, um so das vordere Ende des Einführungsteils sowohl am oberen als auch am unteren Teil des Schutzrohres 14 nach unten zu verschieben. Weiterhin entwickeln die aus Streifen derselben Breite bestehenden Schichtfilme 15, . . . , die die äußere Oberfläche des inneren Schutzrohres auf diese Weise aufteilen, jeweils unabhängig voneinander eine Biegungskraft, ohne benachbarte Streifen zu beeinflussen, und das vordere Ende wird so leicht gebogen. Um das vordere Ende des Einführungsteils nach oben zu biegen, wird eine vorbestimmte Spannung umgekehrter Polarität zugeführt. Um das vordere Ende entsprechend nach links oder nach rechts zu biegen, wird den Streifen aus Schichtfilmen 15, . . . des linken und rechten Teilbereichs eine Spannung zugeführt. Außerdem kann das vordere Ende des Einführungsteils in schräger Richtung gebogen werden, indem gleichzeitig eine Spannung an die Schichtfilme 15, . . . der Streifen aus dem oberen, unteren, linken und rechten Teilbereich angelegt wird. Da diese Bewegung durch eine Anzahl von mehreren Sätzen aus Streifen von Filmschichten 15, . . . durchgeführt werden kann, kann so die Biegung glatt und gleichmäßig durchgeführt werden, indem jeder angebrachte Satz von Streifen das biegbare Glied 12 in ähnlicher Weise zu biegen vermag.

Wie oben aufgeführt, kann das Einführungsteil demnach in jede gewünschte Richtung gebogen werden. Da der gesamte Schichtfilm 15 mit einer minimalen Dicke hergestellt werden kann und lediglich mit den Zuführungsleitungen verbunden werden muß, kann der steuerbare Endoskopendabschnitt bzw. das biegbare Glied auf einfache Weise und in kompakter Bauform ausgeführt werden.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen einzigen Schichtfilm 15, der aus zwei Schichten aus einem Polyvinylidenfluoridfilm besteht. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, das biegbare Glied 12 aus einer Vielzahl von derartigen Schichtfilmen 15 durch Aufeinanderschichten der einzelnen Schichtfilme herzustellen, wobei zentrale Längenbereiche von mehreren Schichten aus Schichtfilmen 15 wie in Fig. 4 fixiert werden. In einer derartigen Anordnung wird die Biegungskraft mit der Anzahl der Lagen erhöht, so daß die Biegung erleichtert wird.

In dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das biegbare Glied am vorderen Ende eines Einführungsteils eines Endoskops befestigt, die Verwendung eines solchen biegbaren Gliedes ist jedoch nicht hierauf beschränkt. derartige biegbare Glieder können darüber hinaus an biegsamen Röhren, an Stäben oder plattenartigen Teilen vorgesehen werden.

Zum Beispiel kann ein so geschichtetes Garn über eine einzelne Faser gebogen werden, um auf diese Weise die Faser in jede gewünschte Richtung zu biegen. Darüber hinaus ist eine komplizierte Zickzackbewegung möglich, wenn eine größere Anzahl biegsamer Streifensätze aus Schichtfilmen kontinuierlich oder auch getrennt in Längsrichtung angeordnet werden. Ein Endoskop aus einer Vielzahl von biegsamen Gliedern bzw. steuerbaren Endabschnitten kann so realisiert werden.

Neben der oben beschriebenen Anbringung des Schichtfilms 15 auf der gesamten Oberfläche eines inneren Schutzrohres 14 kann dieser auch auf jedem gewünschten oberen oder unteren Teilbereich oder linken und rechten Teilbereich und auch auf der inneren Fläche eines Schutzrohres entsprechend gebogen angebracht werden.

Weiterhin ist das Schichtfilmmaterial nicht auf Polyvinylidenfluorid beschränkt, sondern jedes Kunststoffmaterial, das piezoelektrische Eigenschaften zeigt, ist als Material hierfür geeignet.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden biegbare Glieder geschaffen, die durch Übereinanderschichten von Schichten aus piezoelektrischen Kunststoffilmen auf Teilen biegsamer Glieder, die gebogen werden sollen, hergestellt sind, und es wird eine Einrichtung angegeben zum Betätigen der biegsamen Glieder, indem eine Spannung an die übereinandergeschichteten Filmlagen, den Schichtfilm, gelegt wird, so daß die Teile der biegsamen Glieder frei in jede gewünschte Richtung gebogen werden können. Dabei ist die gesamte Vorrichtung aus den biegbaren Gliedern und der Einrichtung zum Betätigen auf einfache Weise und in kompakter Bauform herstellbar. Insbesondere kann ein Endoskop durch Verwendung derartiger biegbarer Glieder im Einführungsteil auf einfache Weise erstellt werden.

Claims (2)

1. Steuerbarer Endabschnitt eines flexiblen Endoskops, das einen frei biegbaren Schlauchabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der frei biegbare Schlauchabschnitt (14) mittels eines am Schlauchabschnitt angebrachten Schichtfilms (15) aus zwei Schichten eines elektrostriktiven Kunststoffilms biegbar ist, deren Polarisationsrichtungen zueinander entgegengesetzt sind und an deren äußeren Oberflächen Elektroden (19, 20) befestigt sind, an die zum Biegen des Schlauchabschnitts eine Spannung anlegbar ist, und daß der Schichtfilm (15) in eine größere Anzahl von gebogenen, auf dem Schlauchabschnitt angebrachten und dessen Umfangsfläche bedeckenden Streifen (17, 18) unterteilt ist.

2. Steuerbarer Endabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fein unterteilten Streifen (17, 18) in ihrer Breite um den Außenumfang dieses Schlauchabschnitts (14) herum angeordnet sind und in ihrer Länge in Längsrichtung des Schlauchabschnitts auf diesem angebracht sind, und daß ein äußeres Schutzrohr (16) diese Streifen derart umgibt, daß seine Innenfläche über die äußere Oberfläche der auf dem Schlauchabschnitt (14) befestigten Streifen verschiebbar ist, durch welchen Zuleitungen zu den Elektroden geführt sind.