DE4109773C2 - Lichtquellenanordnung für Endoskop zum Erzeugen von sichtbarem und infrarotem Beleuchtungslicht - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Lichtquellenanordnung für ein Endoskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie aus der DE 37 40 318 C2 bekannt ist.

Es ist bekannt, daß Informationen über die Verteilung der Hämoglobinkonzentration oder der Sauerstoffsättigung im Blutstrom unter einer mukösen Membrane aus einem nahinfraroten Bild mit einer Wellenlänge im Bereich von beispielsweise 805 nm gewonnen werden können, und zwar unter Verwendung eines Endoskopsystems mit sequentiellem Farbwechsel des oben beschriebenen Typs.

Es wurde demnach zuerst ein spezielles Endoskopsystem ausschließlich zur Bearbeitung derartiger Infrarotbilder geschaffen.

Mit einem derartigen Spezialsystem ist jedoch das Bildbetrachtungs- Wellenlängenband festgelegt und eine normale Farbbildbetrachtung ist nicht möglich. Dem System fehlt es deshalb an allgemeinen Verwendungseigenschaften, so daß es unbequem und unpraktisch ist.

Aus der DE 37 40 318 C2 ist eine Lichtquellenanordnung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die verwendeten Farbfilter neben dem ihnen zugeordneten spezifischen Wellenlängenbereich im sichtbaren Bereich auch Infrarotstrahlung durchlassen. Von den beiden Sperrfiltern läßt der eine Infrarotstrahlung durch und sperrt im sichtbaren Bereich, während der andere sichtbares Licht durchläßt und im Infrarotbereich sperrt. Durch wahlweises Einschalten eines der beiden Sperrfilter in den Lichtweg zusätzlich zu den Farbfiltern wird entweder eine Aufnahme im sichtbaren Bereich oder eine Aufnahme im infraroten Bereich ermöglicht. Eine Mischform, das heißt eine gleichzeitige Abbildung eines zu betrachtenden Objektes mit sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE 37 40 318 C2 bekannte Lichtquellenanordnung so weiter zu bilden, daß mit ihr eine Beleuchtung für eine normale Farbbildbetrachtung sowie eine Beleuchtung für eine Bildverarbeitung durchführbar ist, die sowohl auf sichtbarem Licht als auch auf Infrarotlichtstrahlen eines spezifischen Wellenlängenbereichs basiert, wobei mit einem einfachen Aufbau eine ausgezeichnete Bildqualität erreichbar sein soll.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im fol­ genden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispieles der Er­ findung;

Fig. 2 eine Farbfilteranordnung für das erste Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine Sperrfilteranordnung für das erste Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 ein Diagramm der spektralen Transmis­ sionseigenschaften eines Farbfilters für das erste Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ein Diagramm der spektralen Transmis­ sionseigenschaften eines anderen Farbfilters für das erste Ausfüh­ rungsbeispiel;

Fig. 6 ein Diagramm mit den spektralen Transmissionseigenschaften eines wei­ teren Farbfilters für das erste Aus­ führungsbeispiel;

Fig. 7 ein Diagramm der spektralen Transmis­ sionseigenschaften eines ersten Sperrfilters für das erste Ausfüh­ rungsbeispiel;

Fig. 8 ein Diagramm der spektralen Transmis­ sionseigenschaften eines zweiten Sperrfilters für das erste Aus­ führungsbeispiel;

Fig. 9 schematisch ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine Sperrfilteranordnung für das zweite Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 eine andere Sperrfilteranord­ nung für das zweite Ausführungsbei­ spiel.

Fig. 1 zeigt ein Endoskopsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; ein Festkörper-Bild­ sensor 3 ist innerhalb des distalen Endabschnittes des Einführteils 1 eines Endoskopes in einer Position ange­ ordnet, in der durch eine Objektivlinse 2 das Bild eines Objektes gebildet wird. Als Festkörper-Bildsensor 3 kann beispielsweise ein CCD-Element (ladungsgekoppeltes Schaltelement) verwendet werden.

Ein Beleuchtungslichtleitfaserbündel 5 überträgt Licht zum Beleuchten des Beobachtungsbereiches. Die Einfalls­ endfläche 5a des Faserbündels 5 ist einer Lichtquelle 10 für das Endoskop ausgesetzt.

Die Lichtquellenanordnung 10 umfaßt eine als Lichtquel­ le dienende Lampe 11 und eine Sammellinse 12, welche das von der Lampe 11 ausgehende Licht auf die Einfalls­ endfläche 5a des Lichtleitfaserbündels 5 bündelt. Ein Videoprozessor 13 verarbeitet ein Bildsignal, welches vom Festkörper-Bildsensor 3 im Einführteil 1 des Endo­ skopes abgegeben wird und gibt ein Videosignal an einen Monitor 16.

Im Beleuchtungslichtweg zwischen der Lampe 11 und der Sammellinse 12 sind ein erster Filterhalter 21 und ein zweiter Filterhalter 22 vorgesehen.

Der erste Filterhalter 21 hat einen ersten Farbfilter 23R, einen zweiten Farbfilter 23G und einen dritten Farbfilter 23B, die an diesem konzentrisch und mit einem Winkelabstand von 120° angeordnet sind, so daß jeder der Farbfilter in den Beleuchtungslichtweg ein­ schwenkbar ist, wie Fig. 2 zeigt.

Der zweite Filterhalter 22 hat einen ersten Sperrfilter 24I und einen zweiten Sperrfilter 24J, die so an diesem angeordnet sind, daß jeder der Sperrfilter in den Beleuchtungslichtweg ein­ schwenkbar ist, wie Fig. 3 zeigt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die spektralen Transmis­ sionseigenschaften des ersten Farbfilters 23R, des zweiten Farbfilters 23G und des dritten Farbfilters 23B.

Der erste Farbfilter 23R überträgt Rotlicht in einem Wellenlängenbereich, der sich von etwa 600 nm bis 700 nm erstreckt; er überträgt jedoch kein sichtbares Licht in den anderen Wellenlängenbereichen sowie keine Infrarot­ strahlen mit kürzeren Wellenlängen als etwa 900 nm, wie Fig. 4 erkennen läßt.

Der zweite Farbfilter 23G überträgt grünes Licht im Wellenlängenbereich von etwa 500 nm bis 600 nm, über­ trägt jedoch kein sichtbares Licht in den anderen Wel­ lenlängenbereichen sowie keine Infrarotstrahlen mit kürzeren Wellenlängen als etwa 900 nm, wie Fig. 5 zeigt.

Der dritte Farbfilter 23B überträgt blaues Licht im Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis 500 nm, über­ trägt jedoch kein sichtbares Licht in den anderen Wel­ lenlängenbereichen, wie Fig. 6 zeigt. Der dritte Farb­ filter 23B überträgt jedoch Infrarotstrahlen mit län­ geren Wellenlängen als etwa 800 nm. Infolgedessen tre­ ten Infrarotstrahlen mit Wellenlängen im Bereich zwi­ schen etwa 800 nm und 900 nm nur durch den dritten Farbfilter 23B hindurch.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die spektralen Transmissi­ onseigenschaften des ersten Sperrfilters 24I und des zweiten Sperrfilters 24J.

Der erste Sperrfilter 24I sperrt alle Infra­ rotstrahlen, überträgt jedoch sichtbares Licht in der gleichen Weise wie konventionelle Infrarotsperrfilter, wie Fig. 7 erkennen läßt.

Der zweite Sperrfilter 24J sperrt blaues Licht im Wellenlängenbereich etwa zwischen 400 nm und 500 nm sowie Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich, der oberhalb 850 nm liegt; er überträgt jedoch sichtbares Licht sowie Infrarotstrahlen zwischen diesen beiden Be­ reichen, wie die Fig. 8 erkennen läßt.

Der in Fig. 1 dargestellte erste Filterhalter 21 wird durch einen ersten Motor 26 so drehangetrieben, daß er mit konstanter Drehzahl synchron zur Signalverarbeitung im Videoprozessor 13 umläuft. Der erste Motor 26 wird durch einen Treiberschaltkreis 27 in Abhängigkeit von einem Steuersignal betrieben, welches vom Videoprozes­ sor 13 ausgegeben wird.

Der zweite Filterhalter 22 kann jeweils in einer von zwei Positionen angehalten werden und wird durch einen zweiten Motor 28 um jeweils 180° weitergedreht, so daß der erste Sperrfilter 24I oder der zweite Sperrfilter 24J wahlweise in den Beleuchtungs­ lichtweg eingeschwenkt werden kann.

Ein Umschalter-Kreis 30 schaltet von einer Stopposition des zweiten Motors 28 zur anderen Stopposition in Ab­ hängigkeit von einem Steuersignal des Videoprozessors 13, so daß entweder der erste Sperrfilter 24I oder der zweite Sperrfilter 24J wahlweise in den Beleuchtungslichtweg eingeschwenkt werden können. Die Anordnung kann so sein, daß der zweite Filterhalter 22 durch eine manuelle Betätigung geschwenkt und daß so zwischen dem ersten bzw. zweiten Sperrfilter 24I bzw. J umgeschaltet wird.

Wenn beim ersten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der erste Sperrfilter 24I in den Beleuchtungs­ lichtweg geschwenkt wird, werden alle Infrarotstrahlen gesperrt und es wird eine Abbildung mit sequentiellem Farbwechsel mittels des Beleuchtungslichtes erzeugt, welches drei Primärfarben enthält, nämlich rot, grün und blau, indem der erste, zweite und dritte Farbfilter 23R, 23G und 23B nacheinander in den Beleuchtungslichtweg geschwenkt werden. Als Folge davon erhält man ein normales Farbbild mit normaler Helligkeit und einer normalen Bildzahl; dieses Bild wird auf dem Monitor 16 dargestellt.

Wenn der zweite Sperrfilter 24J in den Be­ leuchtungslichtweg eingeschwenkt wird, wird sichtbares blaues Licht gesperrt, während anstelle dessen Infra­ rotstrahlen im Bereich von etwa 800 nm bis 850 nm für eine Beleuchtung übertragen wird. Bei der Beleuchtung mit rotem und grünem Licht gibt es keine Änderung.

Wenn demnach das Bildsignal eines Bildes, welches durch eine Beleuchtung durch den dritten Farbfilter 23B al­ leine erzeugt wird, für sich ausgegeben wird, kann man ein Videosignal erhalten, welches auf der Beleuchtung mit Infrarotstrahlen im Bereich von etwa 800 nm bis 850 nm basiert. Über die Bildsignale der Bilder, die durch den ersten Farbfilter 23R und den zweiten Farbfilter 23G erzeugt werden, erhält man Bilder, die auf einer Beleuchtung mit rotem Licht bzw. grünem Licht basieren. Infolgedessen kann man Informationen über verschiedene Fakten des Blutstromes unter einer mukösen Membrane über diese Videosignale (R-, G-, und Infrarotbilder) erhalten.

Es sei bemerkt, daß die Verwendung von Infrarotstrahlen im Bereich von 805 nm als Infrarotbeleuchtung zur Ge­ winnung von Informationen über den Blutstrom am gün­ stigsten eingeschätzt wird; wenn die vorliegende Erfin­ dung für andere Zwecke eingesetzt werden soll, sollten Infrarotwellenlängen gewählt werden, die für diese spe­ zielle Aufgabe am geeignetsten sind.

Fig. 9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Er­ findung, bei welchem ein Bildsignal, das vom Festkör­ per-Bildsensor 3 im Einführteil 1 des Endoskopes ausge­ geben wird, in einem Signaltrennungsschaltkreis 15 in zwei Signale getrennt wird. Die beiden Signale werden dann einem ersten Videoprozessor 13 bzw. einem zweiten Videoprozessor 14 übermittelt, die Videosignale an einen ersten Monitor 16 bzw. einen zweiten Monitor 17 geben.

Der zweite Filterhalter 22 hat einen ersten Sperrfilter 24I und einen zweiten Sperrfilter 24J, die konzentrisch an diesem angeordnet sind, wobei sich jeder Filter über 180° erstreckt, so daß jeder Sperrfilter in den Beleuchtungslichtweg ein­ schwenkbar ist, wie Fig. 10 zeigt. Der erste Sperrfilter 24I und der zweite Sperrfilter 24J haben die gleichen Eigenschaften wie die anhand des ersten Ausführungsbeispieles beschriebenen Sperrfilter.

Der erste Filterhalter 21 bzw. der zweite Filterhalter 22 werden durch einen ersten Motor 26 bzw. einen zwei­ ten Motor 28 so angetrieben, daß sie jeweils mit kon­ stanter Drehzahl und synchron mit der Signalverarbei­ tung im ersten Videoprozessor 13 bzw. zweiten Videopro­ zessor 14 umlaufen. Der erste Filterhalter 21 hat eine Drehzahl, die beispielsweise das Zweifache der Drehzahl des zweiten Filterhalters 22 ist.

Treiberschaltkreise 27 bzw. 29 für den ersten Motor 26 bzw. den zweiten Motor 28 erhalten Steuersignale von einem Synchronisierschaltkreis 18, welcher den Betrieb der Treiberschaltkreise 27 bzw. 29 mit dem Zeittakt der Signaltrennung synchronisiert, die im Signaltrennungs­ schaltkreis 15 durchgeführt wird.

Infolgedessen wird ein Bild, welches man erhält, wenn der erste Sperrfilter 24I in den Beleuchtungs­ lichtweg eingeschwenkt ist, auf dem ersten Monitor 16 dargestellt, während ein Bild, welches man erhält, wenn der zweite Sperrfilter 24J in den Beleuch­ tungslichtweg eingeschwenkt ist, auf dem zweiten Moni­ tor 17 dargestellt wird.

Die Anordnung des restlichen Teils des vorliegenden Ausführungsbeispieles ist der des ersten Ausführungs­ beispieles gleich, so daß eine eingehende Beschreibung nicht mehr erforderlich ist.

Wenn beim zweiten, oben beschriebenen Ausführungsbei­ spiel der erste Sperrfilter 24I in den Be­ leuchtungslichtweg eingeschwenkt ist, werden alle In­ frarotstrahlen gesperrt; durch eine Ansteuerung des er­ sten Videoprozessors 13 wird eine Abbildung mit sequen­ tiellem Farbwechsel mittels des Beleuchtungslichtes erzeugt, welches drei Primärfarben enthält, nämlich rot, grün und blau, wobei der erste, zweite und dritte Farbfilter 23R, 23G und 23B nacheinander in den Beleuchtungslichtweg eingeschwenkt werden. Infolgedessen erhält man ein normales Farbbild, welches auf dem Monitor 16 dargestellt wird.

Wenn andererseits der zweite Sperrfilter 24J in den Beleuchtungslichtweg eingeschwenkt ist, wird sichtbares blaues Licht gesperrt, während Infrarot­ strahlen im Bereich von etwa 800 nm bis etwa 850 nm statt dessen für die Beleuchtung übertragen werden. Be­ züglich der Beleuchtung mit rotem und grünem Licht gibt es keine Änderungen.

Dementsprechend erhält man von einem Bild, welches durch das durch den dritten Farbfilter 23B hindurch­ tretende Licht erzeugt wird, ein Videosignal, welches auf der Beleuchtung durch Infrarotstrahlen im Bereich von etwa 800 nm bis 850 nm basiert. Von den Bildern, die durch das durch den ersten Farbfilter 23R bzw. den zweiten Farbfilter 23G hindurchtretende Licht erzeugt werden, erhält man Videosignale, die auf der Be­ leuchtung mit rotem, bzw. grünem Licht basieren.

Dementsprechend wird durch die Ansteuerung des zweiten Videoprozessors 14 durch diese Videosignale (R-, G-, und Infrarotbilder) ein Infrarot-Falschfarbenbild auf dem zweiten Monitor 17 dargestellt und man kann Infor­ mationen über verschiedene Fakten des Blutstroms unter einer mukösen Membrane mittels einer Bildverarbeitung erhalten.

Die Drehzahl des ersten Filterhalters 21 muß nur ein ganzzahliges Vielfaches der Drehzahl des zweiten Fil­ terhalters 22 sein. Für den Fall, daß beispielsweise die Bildverarbeitungsgeschwindigkeit niedrig ist, kann die Fläche des zweiten Sperrfilters 24J ver­ kleinert werden, um das Sampling-Verhältnis zu verrin­ gern, wie Fig. 11 zeigt.

Es ist auch möglich, zwei oder mehr der Farbfilter 23R, 23G, 23B so anzuordnen, daß Infrarotstrahlen in einem spezifischen Wellenlängenbereich (beispielsweise von 800 nm bis 900 nm) übertragen werden.

Es sei bemerkt, daß die Verwendung von Infrarotstrahlen im Bereich von 805 nm für eine Infrarotbeleuchtung zur Gewinnung von Informationen über den Blutstrom als am günstigsten angesehen werden; wenn die vorliegende Er­ findung für andere Zwecke verwendet werden soll, soll­ ten Infrarotwellenlängen gewählt werden, die für diese speziellen Aufgaben geeignet sind, wie beim ersten Aus­ führungsbeispiel.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, nicht nur eine normale Farbbildbetrachtung durchzuführen, sondern auch Infrarotinformationen zu gewinnen, und zwar mit einem extrem einfachen Aufbau, bei welchem ein zweiter Sperrfilter zusätzlich zu einem ersten Sperrfilter vorgesehen ist, wie er herkömm­ licherweise im Beleuchtungslichtweg angeordnet ist, derart, daß die beiden Infrarotsperrfilter wahlweise in den Beleuchtungslichtweg geschwenkt werden können, wodurch die Eigenschaften der Farbfilter lediglich verändert werden.

Dementsprechend kann die Anordnung gemäß der vorliegen­ den Erfindung vom Gesichtspunkt der Kosten sowie der Funktion in einfacher Weise in ein normales Endoskop mit sequentiellem Farbwechsel eingebaut werden und kann durch jedermann überall verwendet werden, wie die je­ weilige Gelegenheit es verlangt.

Zusätzlich können ein gewöhnliches Farbbild und ein In­ frarot-Informationsbild gleichzeitig in Echtzeit mit­ tels einer extrem einfachen Anordnung erhalten werden, die in einfacher Weise durch Verändern der Eigenschaf­ ten der Farbfilter erreicht wird. Infolgedessen können die medizinischen Untersuchungsmöglichkeiten durch einen Echtzeitvergleich zwischen dem normalen Farbbild und dem Infrarot-Informationsbild erheblich verbessert werden. Auch wenn die Form der inneren Oberfläche eines hohlen Organs des Patienten durch ein Infrarot-Informa­ tionsbild nicht zu erkennen ist, kann das Endoskop si­ cher geführt werden, da gleichzeitig eine Überwachung mittels eines normalen Farbbildes jederzeit möglich ist.

Claims (6)

1. Lichtquellenanordnung für ein Endoskop, umfassend eine Farbwechsel-Abbildungseinrichtung, mehrere Farbfilter (23R, 23G, 23B), welche Lichtstrahlen in unterschiedlichen sichtbaren Bereichen durchlassen bzw. übertragen, wobei die Farbfilter (23R, 23G, 23B) sequentiell in einen Beleuchtungslichtweg zum Zuführen von Beleuchtungslicht zu einem Beleuchtungslichtleiter (5) des Endoskopes (1) eingebracht werden und wobei wenigstens einer der Farbfilter (23R, 23G, 23B) so ausgebildet ist, daß er Infrarotstrahlen eines spezifischen Wellenlängenbereiches zusätzlich zu Licht in einem bestimmten sichtbaren Bereich überträgt, einen ersten Sperrfilter (24I), welcher Infrarotstrahlen sperrt, einen zweiten Sperrfilter (24J), der Infrarotstrahlen in dem spezifischen Wellenlängenbereich überträgt, jedoch sichtbares Licht sperrt, das durch den mindestens einen Farbfilter (23B) übertragen wird, der Infrarotstrahlen dieses spezifischen Wellenlängenbereiches durchläßt, und Mittel (22) zum wahlweisen Einbringen jeweils des ersten (24I) oder zweiten (24J) Sperrfilters in den Beleuchtungslichtweg, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sperrfilter (24J) alle Infrarotstrahlen sperrt, die durch die anderen Farbfilter (23R, 23G) übertragen werden, daß die anderen Farbfilter (23R, 23G) keine Infrarotstrahlen mit kürzeren Wellenlängen als mindestens 900 nm übertragen, während der mindestens einen Farbfilter (23B) Infrarotstrahlen mit größeren Wellenlängen als mindestens 800 nm überträgt, und daß der zweite Sperrfilter (24J) Infrarotstrahlen mit größeren Wellenlängen als mindestens 850 nm sowie das von dem mindestens einen Farbfilter (23B) im sichtbaren Bereich übertragene Licht sperrt.

2. Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einbringen der Sperrfilter (24I, 24J) den ersten (24I) und den zweiten (24J) Sperrfilter alternativ und synchron mit den Farbfiltern (23R, 23G, 23B) in den Beleuchtungslichtweg einbringen.

3. Lichtquellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbfilter einen ersten Farbfilter (23R) zum Übertragen von rotem Licht, einen zweiten Farbfilter (23G) zum Übertragen von grünem Licht und einen dritten Farbfilter (23B) zum Übertragen von blauem Licht umfassen, wobei letzterer Infrarotstrahlen in dem spezifischen Wellenlängenbereich durchläßt.

4. Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Infrarotwellenlängenbereich die Wellenlänge von 805 nm einschließt.

5. Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklus, mit welchem die Farbfilter (23R, 23G, 23B) sequentiell in den Beleuchtungslichtweg eingebracht werden, ein ganzzahliges Vielfaches des Zyklus ist, mit welchem der erste und zweite Sperrfilter (24I, 24J) eingebracht werden.

6. Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen ersten Monitor (16) für die Darstellung eines Bildes, welches man durch eine Beleuchtung mit die Farbfilter (23R, 23G, 23B) passierendem Licht erhält, während der erste Sperrfilter (24I) in den Beleuchtungslichtweg eingebracht ist, und einen zweiten Monitor (17) zum Darstellen eines Bildes, welches man durch Beleuchten mit die Farbfilter (23R, 23G, 23B) passierendem Licht erhält, während gleichzeitig der zweite Sperrfilter (24J) in den Beleuchtungslichtweg eingebracht ist.