DE4102614A1 - Endoskop - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Endoskop zur Inspektion
von Körperhöhlen insbesondere zur Tumor-Detektierung,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die z. B. aus der DE-36 23 114 A1 bekannten Endoskope
dieser Art, wie sie zur visuellen Inspektion von engen
Körperkanälen oder anderen, schwer zugänglichen Körper
höhlen Verwendung finden, besitzen am vorderen Endoskop
ende einen miniaturisierten Video-Sensor von dem die
seriell erzeugten Bildsignale über eine elektrische
Übertragungsleitung zuverlässsig und einfach zum proxi
malen Endoskopende und von dort zu einem Beobachtungsschirm
geleitet werden. Die Anwendung derartiger Endoskope
findet aber ihre Grenze z. B. in der Tumor-Detektion, weil
zum einen kleinere Tumore, etwa an der Mageninnenwand, oder
solche die noch nicht zur Gewebeoberfläche durchgewachsen
sind, übersehen werden können und zum anderen eine
genaue Lageabgrenzung des tumorbefallenen Gewebes
nicht möglich ist, so daß bei einer nachfolgenden Tumor
operation in der Regel zu viel und unnötigerweise gesundes
Gewebe entfernt wird. Hinzukommt daß diese Geräte, die
zusätzlich zu dem Beleuchtungs-Lichtleiter zumeist auch
einen Laser-Lichtleiter für die Tumorentfernung enthalten,
keine zufriedenstellende Sichtkontrolle der Schnittwirkung
des Laserstrahls an der Applikationsstelle bieten.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Endoskop der eingangs
genannten Art und einen dafür geeigneten Bildsensor so
auszubilden, daß eine lage- und größengenaue Abbildung
von signifikanten, äußerlich aber nicht oder nur unvoll
ständig sichtbaren Veränderung des zu untersuchenden
Objekts, insbesondere von Gewebeveränderungen biologischer
Körperorgange, auf baulich einfache und zuverlässige Weise
und mit hoher geometrischer Auflösung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patent
anspruch 1 gekennzeichnete Endoskop gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Endoskop wird im Wege der
Infrarot-Abtastung des zu untersuchenden Objekts z. B. in
einem Wellenlängenbereich von 10µm eine genaue Lage- und
Größeninformation über Tumore oder andere Gewebeverände
rungen erhalten, die sich aufgrund einer stoffwechselbe
dingten Temperaturerhöhung deutlich von den benachbarten,
gesunden Gewebeabschnitten unterscheiden und daher in der
visuellen Darstellung der Infrarot-Bildsignale rasch und
sicher erkennbar sind. Ein weiterer, vor allem für das
Gebiet der Tumorbekämpfung wesentlicher Effekt besteht in
der exakten Sichtkontroll-Möglichkeit einer zur Tumorent
fernung eingesetzten Laserstrahl-Applikation. Von beson
derer Bedeutung ist die Ausbildung des Bildwandlers als
ungekühltes, ferro- oder pyroelektrisches Detektormosaik,
welches sich mit einem hohen geometrischen und Temperatur-
Auflösungsvermögen ohne aufwendige thermische Schutz
maßnahmen in miniaturisierter Bauweise problemlos unter
den beengten Einbauverhältnissen am distalen Endoskopende
unterbringen läßt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die bean
spruchte Infrarot-Abtastung nach Anspruch 2 mit einem
ebenfalls am distalen Endoskopende angeordneten, im
sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitenden Bildsensor
kombiniert, wodurch noch detailliertere Information
über das zu untersuchende Objekt erhalten
werden. So läßt sich etwa unterscheiden ob eine Temperatur-
Erhöhung an der betrachteten Gewebeoberfläche durch einen
Tumor oder lediglich durch eine Entzündung hervorgerufen
wird, und es lassen sich auch solche Gewebeveränderungen
detektieren, die da sie mit keinen Temperaturunterschie
den verbunden sind, allein durch eine Infrarot-Abtastung
schlecht oder gar nicht erkennbar sind.
In besonders bevor
zugter Weise wird gemäß Anspruch 3 durch die simultane
Abtastung und deckungsgleiche Abbildung der in den unter
schiedlichen Spektralbereichen beobachteten Bildfelder
die Lage- und Größenbestimmung von veränderten Gewebe
stellen ganz wesentlich vereinfacht. Eine unter dem Ge
sichtspunkt deckungsgleicher Bildfelder sowie einer
geringen Baugröße des zweiteiligen Sensorsystems besonders
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß
Anspruch 4 darin, daß den beiden Detektormosaiken ein
gemeinsames, sowohl im sichtbaren wie auch im Infrarot-
Wellenlängenbereich wirksames optisches System mit einem
Strahlteiler zur wellenlängenabhängigen Aufspaltung der
Lichtstrahlen in einen visuellen und einen Infrarot-Bild
anteil zugeordnet ist. Wiederum vor allem aus Platzgründen
ist das optische System gemäß Anspruch 5 vorzugsweise zur
Strahlteilung biprismatisch ausgebildet, und die beiden
Detektormosaike sind in einer gemeinsamen, der Bildebene
des biprismatischen optischen Systems entsprechenden
Ebene angeordnet.
Gemäß Anspruch 6 ist die optische Achse des Infrarot- und
gegebenenfalls auch des Videosensors vorzugsweise bezüglich
der Längsachse des Endoskops geneigt so daß sich das
Beobachtungsfeld durch Drehung des Endoskops in einfacher
Weise vergrößern läßt.
Im Hinblick auf die bereits erwähnte Laser-Sichtkontrolle
mit Hilfe des Infrarot-Sensors die eine bezüglich Auf
treffpunkt und Koagulations- und Schnittwirkung exakte
Steuerung eines auf die Applikationsstelle gerichteten
Laserstrahls hoher Intensität ermöglicht, empfiehlt es
sich gemäß Anspruch 7, den Laserlichtleiter gleichfalls
im Endoskop anzuordnen, derart, daß seine Applikations
stelle im Bildfeld des Infrarot-Sensors liegt. Trotz
Einhaltung eines sehr geringen Außendurchmessers, der
sogar bei dem in zwei Spektralbereichen arbeitenden
Sensorsystem in der Größenordnung von 15 mm liegen kann,
lassen sich wie gemäß Anspruch 8 bevorzugt, im Endoskop
noch weitere Arbeitskanäle etwa zu Spül-, Absaug- oder
Beleuchtungszwecken unterbringen.
Ebenfalls von erfinderischer Bedeutung ist die im Anspruch
9 gekennzeichnete Ausbildung eines Infrarot-Bildsensors,
der wegen des Dipolcharakters seines ferro- oder pyro
elektrischen Detektormosaiks einen im Infrarot-Strahlengang
angeordneten, das Detektormosaik im Takte der Bildfrequenz
abdunkelnden Lichtunterbrecher (sogenannten Chopper)
besitzt. Ein solcher Chopper, und insbesondere der dafür
benötigte mechanische, z. B. elektromotorische Antrieb
führt bei Bildsensoren dieser Art zu einer höchst uner
wünschten Erhöhung des Bau- und Steueraufwands. Aufgrund
der Anordnung eines infrarotspezifischen, nach Art eines
LCD ausgebildeten Chopperelements ist es erfindungsgemäß
nun gelungen die periodische Abdunkelung des ferro- oder
pyroelektrischen Detektormosaiks auf baulich und steue
rungsmäßig äußerst einfache Weise völlig frei von mecha
nisch bewegten Teilen zu halten.
Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbei
spiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
Fig. 1 ein Infrarot-Endoskop, dessen distales Endoskop
ende der Deutlichkeit halber in stark übertrie
benem Maßstab dargestellt ist;
Fig. 2a u. b einen Längs- bzw. Querschnitt eines
Endoskops mit einem kombinierten Infrarot- und
Videosensor im Bereich des vorderen Endoskop
endes ebenfalls wieder in stark vergrößertem
Maßstab.
Das in Fig. 1 gezeigte Endoskop, welches z. B. zur Tumor
detektion an oder in der Magenwand 2 verwendbar ist,
enthält am distalen Endoskopende einen Infrarot-Bildsensor
4 mit einem pyroelektrischen Detektormosaik 6 und einem
die Magenwand 2 auf dem Detektormosaik 6 abbildenden,
optischen System in Form eines Infrarot-Objektivs 8 mit
einem objektseitig angebrachten Umlenkspiegel 10, durch den
die optische Achse des Sensors 4 gegenüber der Längsachse
des Endoskops schräg, nämlich etwa senkrecht, geneigt und
das Absuchen der Magenwandung 2 mittels Drehung des
Endoskops um die Längsachse erleichtert wird. Ein Abschluß
fenster 12 aus infrarot-durchlässigem
Material schützt den Sensor 4 vor dem ätzenden Magen
sekret.
Zur Modulation der auffallenden Strahlungsleistung ist dem
Detektormosaik 6 ein im Strahlengang des Infrarot-Objektivs
8 angeordneter Chopper zugeordnet, der als infrarotspezi
fischer, nach Art eines LCD arbeitender Flüssigkristall 14
ausgebildet ist, welcher ein hinsichtlich der Infrarot-
Transmission elektrisch steuerbares, zwischen Polarisatoren
und Germanium-Kristallscheiben eingeschlossenes
Fluid, z. B. auf der Basis der Cyclohexanone, enthält.
Zusätzlich zu der elektrischen Übertragungsleitung 16,
über die der Bildsensor 4 zur Ansteuerung des Flüssig
kristalls 14 und des Detektormosaiks 6 sowie zur Über
tragung der erzeugten seriellen Bildsignale mit einem am
proximalen Endoskopende angeordneten Steuergerät 18 verbun
den ist, ist zur selektiven chirurgischen Laserlicht-Appli
kation ein vom Steuergerät 18 zum distalen Endoskopende
verlaufender Laserlichtleiter 20 mit einer am vorderen
Lichtleiterende angeordneten Sammellinse 22 implementiert,
durch die das Laserlichtbündel auf eine im Bildfeld des
Bildsensors 4 liegende Applikationsstelle 24 fokussiert wird.
Die vom Bildsensor 4 gelieferten Bildsignale werden auf
einem dem Steuergerät 18 zugeordneten Bildschirm 26 darge
stellt, auf dem sich die stoffwechselbedingt temperatur
erhöhten Gewebestellen 28 deutlich abzeichnen. Neben einer
Detektion und Lageabgrenzung des tumorbefallenen Gewebes ist
auf diese Weise während einer nachfolgenden laserchirur
gischen Tumorentfernung auch eine exakte Sichtkontrolle des
Auftreffpunktes 30 und der Koagulations- bzw. Schnittwir
kung der Laser-Applikation möglich. Da die Strahldichte an
den im Bildfeld des Sensors 4 liegenden Gewebestellen bei
einer Laserbestrahlung um etwa eine Größenordnung zunimmt,
kann es vorteilhaft sein, den dabei auf das Detektormosaik 6
auffallenden Anteil der Strahlungsleistung durch entspre
chende elektrische Ansteuerung des Flüssigkristalls 14 zu
verringern.
Innerhalb des Endoskops-Querschnitts befinden sich weiter
hin in der Nähe des Abschlußfensters 12 mündende Flüssig
keitskanäle 32 (von denen nur einer gezeigt ist), über die
Spül- oder Absaugflüssigkeit vom Steuergerät 18 aus zum
distalen Endoskopende zu bzw. von diesem abführbar ist.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei dem der
Infrarot-Bildsensor 4 im Wellenlängenbereich von 10µm
arbeitet, besitzt das Detektormosaik 6 eine strahlungs
empfindliche Fläche von 5×5 mm2 mit 50×50 Einzel
detektoren (Bildpixeln) und eine Temperaturauflösung von
ca. 0,2°K. Bei einem Objektiv 8 mit einer Brennweite f:
10 mm und einem Öffnungsverhältnis von 1 : 1 kann das Bild
feld etwa 10×10 mm2 betragen und sich eine geometrische
Auflösung von 0,2 mm ergeben; der Arbeitsabstand beträgt
dann ca. 30 mm.
Das beschriebene Endoskop ist nicht nur für die Beobachtung
der Magenregion verwendbar, sondern kann aufgrund seines
geringen Außendurchmessers von ca. 12 mm und aufgrund
seiner flexiblen Ausbildung in analoger Weise auch für die
Behandlung anderer Organe z. B. der Blase oder der Niere,
oder Körperhöhlen eingesetzt werden.
Das Endoskop gemäß Fig. 2, in der die dem ersten Ausführungs
beispiel entsprechenden Baulemente durch ein um 100 erhöhtes
Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von
diesem in erster Linie dadurch daß der Bildsensor 104 als
kombinierter Infrarot- und Videosensor ausgebildet ist,
dessen Infrarot-Bildwandler wiederum aus einem pyroelektri
schen Detektormosaik 106 mit vorgeschaltetem Chopper 114
besteht, während der für den sichtbaren Wellenlängenbereich
empfindliche Bildwandler 32 z. B. als Vis.-CCD mit einer
Größe von 4,5×6 mm und einer Pixelanzahl von 200×200
ausgebildet ist. Beide Bildwandler 32 und 106 sind neben
einander in der gleichen Ebene angeordnet, und aus Platz
gründen und im Hinblick auf eine Deckungsgleichheit der in
beiden Spektralbereichen beobachteten Bildfelder erfolgt
die Abbildung durch ein den beiden Detektormosaiken 32 und
106 gemeinsam zugeordnetes Linsensystem 108 mit objektsei
tig identischen Strahlengängen. Zur Strahlteilung in den
Infrarot- und den visuellen Bildanteil ist das Linsensystem
108 biprismatisch ausgebildet, wie dies durch das Biprisma
34 angedeutet ist. Die Brennweite und Öffnung des Linsen
systems 108 kann wiederum f: 10 mm/1 : 1 betragen, der
objektseitige Arbeitsabstand ca. 30 mm und die geometri
sche Auflösung im Sichtbaren etwa 0,05 mm und im Infrarot
etwa 0,2 mm.
In der nicht vom Sensor 104 und den Übertragungsleitungen 116
belegten Endoskop-Querschnittsfläche sind wiederum der
Laserlichtleiter 120 und die Flüssigkeitskanäle 132 sowie
eine Beleuchtungs-Lichtleitfaser 36 zur Ausleuchtung des
Sensor-Bildfeldes untergebracht. Mit Hilfe des Steuergeräts
werden der visuelle und der Infrarot-Bildanteil in zueinan
der deckungsgleichen Abbildungen auf zwei verschiedenen
Bildschirmen dargestellt. Im übrigen ist die Bau- und
Funktionsweise des Endoskops gemäß Fig. 2 die gleiche wie
die des ersten Ausführungsbeispiels.
Claims (9)
1. Endoskop zur Inspektion von Körperhöhlen insbesondere
zur Tumor-Detektierung,
mit einem am distalen Endoskopende angeordneten Bild
sensor, bestehend aus einem bilderzeugenden optischen
System und einem opto-elektrischen Bildwandler mit
einer zum proximalen Endoskopende verlaufenden elektri
schen Bildsignal-Übertragungsleitung,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bildsensor als Infrarot-Sensor (4) ausgebildet ist
und einen Bildwandler in Form eines ferro- oder pyro
elektrischen Detektormosaiks (6) enthält.
2. Endoskop zur Inspektion von Körperhöhlen, insbesondere
zur Tumordetektierung,
mit einem am distalen Endeskopende angeordneten Bild
sensor, bestehend aus einem bilderzeugenden optischen
System und einem opto-elektrischen Bildwandler mit
einer zum proximalen Endoskopende verlaufenden, elektri
schen Bildsignal-Übertragungsleitung
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bildsensor (104) aus einem Infrarot-Sensorteil mit
einem ferro- oder pyroelektrischen Detektormosaik (106)
als Bildwandler sowie einem Video-Sensorteil einschließ
lich eines Detektormosaiks (32) für den sichtbaren
Wellenlängenbereich besteht.
3. Endoskop nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Sensorteile simultan abgetastete, deckungs
gleiche Bildfelder aufweisen.
4. Endoskop nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
den beiden Detektormosaiken (32 und 106) ein gemeinsames,
sowohl im Sichtbaren wie auch im Infrarot-Wellenlängen
bereich wirksames optisches System (108) mit einem
Strahlteiler zur wellenlängenabhängigen Aufspaltung der
Lichtstrahlen in einen visuellen und einen Infrarot-
Bildanteil zugeordnet ist.
5. Endoskop nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das optische System (108) zur Strahlteilung biprismatisch
(Biprisma 34) ausgebildet ist und beide Detektormosaike
(32, 106) in einer gemeinsamen der Bildebene des bi
prismatischen Systems entsprechenden Ebene angeordnet
sind.
6. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die optische Achse des Infrarot-Sensors (4) bezüglich der
Längsachse des Endoskops geneigt ist.
7. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen vom proximalen zum distalen Endoskopende ver
laufenden Laserlichtleiter (20; 120) mit einer im
Bildfeld des Infrarot-Sensors liegenden Applikations
stelle.
8. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
zusätzlich vom proximalen zum distalen Endoskopende
verlaufende Arbeitskanäle (32; 36; 132) zu Spül-,
Absaug- und/oder Beleuchtungszwecken.
9. Infrarot-Bildsensor insbesondere für ein Endoskop,
bestehend aus einem bilderzeugenden optischen System
und einem Bildwandler in Form eines ungekühlten, ferro-
oder pyroelektrischen Detektormosaiks mit einem im
Strahlengang des optischen Sytems angeordneten, das
Detektormosaik periodisch abdunkelnden Lichtunter
brecher,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Lichtunterbrecher ein hinsichtlich der Infrarot-
Transmission elektrisch steuerbares Flüssig-Kristall
element (14; 114) vorgesehen ist.
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