DE9320491U1

DE9320491U1 - Video-Endoskopieeinrichtung

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Publication number: DE9320491U1
Application number: DE9320491U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2003-05-19

Description

Video-Endoskopieeinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für die Visualisierung von schwer zugänglichen Objekten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Video-Endoskopieeinrichtung, die insbesondere bei medizinischen bzw. technischen Endoskopien Einsatz findet.

In der Vergangenheit fanden spezielle Untersuchungs- bzw. Beobachtungssysteme in Fällen Anwendung, in denen das zu untersuchende Objekt schwer zugänglich ist. und eine direkte Beobachtung daher nur eingeschränkt bzw. gar nicht möglich ist. Derartige Situationen sind dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Sicht auf das zu untersuchende Objekt durch andere Gegenstände bzw. Objekte verdeckt ist, deren Demontage bzw. Beseitigung zur Schaffung eines freien Blickfeldes nicht möglich bzw. technisch zu aufwendig ist. Somit stellt sich das Problem, versteckt liegende Objekte "zerstörungsfrei" beobachten zu können. Dieses Problem wurde in der Vergangenheit mit Endoskopietechniken gelöst, welche sowohl im technischen als auch im medizinischen Bereich mit Erfolg eingesetzt worden sind.

Bei der medizinischen Endoskopie wird ein Endoskop über eine natürliche oder künstliche Körperöffnung in den Körper eines Patienten eingeführt, um das Innere des Körpers bzw. bestimmte Organe untersuchen zu können, ohne dabei den Körper den belastenden Folger einer Operation auszusetzen. Die Vorteile dieser Art von optischer Untersuchung liegen darin, daß ein stationärer Klinikaufenthalt oft unnötig ist und das Belastungen des Körpers vermieden werden, die mit herkömmlichen Operationen verbunden sind.

Eine für den oben angesprochenen Zweck geeignete Untersuchungs- bzw. Beobachtungseinrichtung muß (unter anderem.) die folgenden Voraussetzungen erfüllen: sie muß in der Lage sein,

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Hilfslicht in den zu untersuchenden Beobachtungsraum zu übertragen, da schwer zugängliche Objekte sich herkömmlicherweise in lichtarmen Umgebungen befinden. Darüber hinaus muß das Beobachtungssystem in der Lage sein, "um die Ecke" zu schauen, um so die verdeckt liegenden Objekte sichtbar zu machen. Diese beiden Anforderungen werden durch flexible Lichtleiter, nämlich vorzugsweise Glasfasern, erfüllt: zum einen sind sie in der Lage, über bestimmte Faserbündel Licht bis zu einer Sondenspitze zu führen und dort abzustrahlen, zum anderen können durch des weiteren vorgesehene Faserbündel von dem zu untersuchenden Objekt reflektierte Lichtstrahlen aufgenommen und zu der jeweils beobachtenden Persson geführt werden.

Flexible Lichtleiter einsetzende Endoskope verwendeten in der Vergangenheit oft Okulare, um es einer Bedienperson wie beispielsweise einem Operateur zu erlauben, daß zu untersuchende Objekt zu beobachten. Mit der Verfügbarkeit von elektronischen Kamerasystemen fanden indessen auch Miniaturkameras zunehmend Verwendung, welche anstelle des menschlichen Auges die aus dem Endoskop austretenden Lichtstrahlen verarbeiten und beispielsweise auf einem Monitor darstellen. Derartige Miniaturkameras verwendende Video-Endoskopieeinrichtungen umfassen herkömmlicherweise ein Projektorgehäuse, das mittels eines Lichtleiters mit einem herkömmlichen Endoskop verbunden ist. Am distalen Ende des Endoskopes werden Befestigungsvorrichtungen vorgesehen, die die Befestigung der Miniaturkamera erlauben. Neben den Befestigungsvorrichtungen werden geeignete Optiken bereitgestellt, um das Endoskopbild für die Verarbeitung durch die Kamera geeignet optisch aufzubereiten. Obgleich derarticje Miniaturkameras gewöhnlich mit elektrischen Licht-Regelungsmechanismen versehen sind, um ihre Empfindlichkeit auf die jeweilige Lichtstärke anzupassen, ist beim Stand der Technik darüber hinaus ein Rückkopplungs-Regelungskreis vorgesehen, der die von der Projektoreinrichtung abgegebene Lichtleistung in Abhängigkeit eines Kamerarückkopplungs-Videosignales regelt. Dieser Rückkopplungs-Regelungskreis wird vorgesehen, um eine Über-

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blenching der Kamera beispielsweise bei der Beobachtung von stark reflektierenden Objekten zu vermeiden. Ein weiterer Grund für die Verwendung dieses Rückkopplungs-Regelungskreises hängt mit dem zu untersuchenden Objekt selbst zusammen: Da das von der Lichtquelle erzeugte Licht in nicht unerheblichen Umfang Wärme mit sich führt, kann es zu einer unerwünschten Erwärmung/Verbrennung des zu untersuchenden Objektes führen, was natürlich zu vermeiden ist. Bei derartigen, im Stand der Technik verwendeten Kamerasystemen erfolgt die Regelung der vom Lichtprojektor abgegebenen Lichtleistung entweder durch Regelung der Versorgungsspannung bzw. des Versorgungsstromes der Lichtquelle oder durch geeignete mechanische Abblockvorrichtungen, wie beispielsweise Irisblenden.

Die mit der Verwendung einer elektronischen Kamera verbundenen Vorteile liegen unter anderem darin, daß das (steife) Beobachtungsende des Endoskopes nicht in einen bestimmten Raumwinkel gerichtet sein muß, der es der Bedienperson erlaubt, sich in einer vom Anwendungsfall abhängigen beschränkten Beobachtungsposition zu bringen. Darüber hinaus kann das Bild elektronisch verarbeitet und gespeichert werden, was aus Kontrastgründen und aus Dokumentationszwecken nötig und sinnvoll sein kann.

Die Verwendung eines Kamerasystemes bedingt, daß in Abhängigkeit der jeweils verwendeten Lichtquelle ein Weißabgleich der Kamera stattfindet, um ein kontrastreiches und farbechtes Bild zu erhalten. Dieser Weißabgleich ist - vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig - unterschiedlich oft zu wiederholen; in jedem Fall wird er nötig, wenn eine neue Lichtquelle (beispielsweise durch Lampenausfall bedingt) eingesetzt werden muß. Der Weißabgleich dient dazu, die Kamera auf die jeweilige spektrale Zusammensetzung des Lichtes zu normieren.

Gemäß dem Stand der Technik wird der meist automatisch ablaufende Kamera-Weißabgleich durchgeführt, in dem die Licht-

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quelle durch Erhöhung beispielsweise der Versorgungsspannung manuell auf volle Leistung geschaltet wird, so daß sie möglichst weißes Licht erzeugt. Unter diesen Bedingungen führt die Kamera den Weißabgleich durch,. Anschließend wird die automatische Video-Signalsteuerung der Lampe wiederhergestellt.

Die Leistungsfähigkeit von Endoskopieeinrichtungen, wie sie oben beschrieben worden sind, hängt vom Gesamtwirkungsgrad des Systemes ab, worunter man eine G'rröße verstehen kann, die die Intensität bzw. den Kontrast des erhaltenen Bildes mit der für die Lichtquelle und die Kamera aufzuwendenden elektrischen Leistung in Beziehung setzt. Will man somit die Leistungsfähigkeit des Systems erhöhen, dann stellt sich die Aufgabe, die Systemkomponenten derartig zu optimieren, daß mit einer minimalen zu verwendenden elektrischen Leistung ein Bild mit einer gewünschten Intensität/Kontrast erhalten wird.

Im Hinblick auf die oben dargelegten Anforderungen an eine Anordnung zur Visualisierung von schwer zugänglichen Objekten stellt sich daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Untersuchungsanordnung bereitzustellen, die es erlaubt, ein kontrastreiches und farbgetreues Bild eines zu untersuchenden Objektes effizient zu erzeugen.

Erfindungsgemäß geschieht dies unter Verwendung einer Testanordnung für optische Untersuchungsinstrumente gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein elektronisches Kamerasystem gemäß dem Patentanspruch 10.

Im einzelnen erlaubt die Testanordnung gemäß dem Patentanspruch 1 einen Test der verwendeten optischen Instrumente, der die Überprüfung der Qualität bzw. des einwandfreien Zustands der verwendeten optischen Instrumente ermöglicht.

Wie bereits weiter oben erläutert, umfassen die gattungsgemäßen Untersuchungsanordnungen ein optisches Instrument, über dessen Spitze die mit der Lichtquelle verbundenen

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Lichtleitfasern Licht zu dem jeweils zu untersuchenden Objekt übertragen. Derartige Instrumentenspitzen müssen von einwandfreier optischer Qualität sein, um das Beobachtungslicht in einem wohldefinierten Kegel abstrahlen zu können. Zugleich sind die Instrumentenspitzen oft nicht unerheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies gilt für den Bereich der technischen Endoskopie, in dem die Instrumentenspitze über "harte" Elemente geführt werden kann,, aber auch für den medizinischen Bereich, in dem es zu Beschädigungen der Instrumentenspitze kommen kann, bevor das optische Instrument in den Körper eingeführt wird, wie beispielsweise bei der Säuberung/Lagerung.

Die angesprochenen mechanischen Belastungen können zu oft mikroskopisch kleinen Kratzern bzw. Schrammen auf der Instrumentenspitze führen, welche die Strahlqualität des abgestrahlten Lichtkegels in erheblichen Umfang negativ beeinflussen. Darüber hinaus können sich in den durch die Kratzer und Schrammen gebildeten Hohlräumen unerwünschte Keime ablagern. Schließlich halten die verwendeten Lichtleitfasern nur begrenzt einer mechanischen Dauerbelastung stand, was dazu führen kann, daß im Laufe der Zeit einige der Fasern brechen und daher kein Licht mehr übertragen. Steigt die Anzahl derartiger "toter" Lichtleitfasern über ein bestimmtes Maß hinaus an, verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Ge samt systeme s. Diesen Problemen becfegnet die Testanordnung gemäß dem Anspruch 1. Unter Verwendung einfachster Hilfsmittel erlaubt sie es, den Zustand der Lichtleiter und der verwendeten Optik zu überprüfen, in dem sie ein Bild der Instrumentspitze auf diese selbst zurückabbildet und somit einer Überprüfung durch das jeweils verwendete Beobachtungssystem (sei es eine elektronische Kamera oder eine Bedienperson) zuführt. Auf diese Art und Weise wird es möglich, daß das optische System sich selbst überprüfen kann, wobei der Test schnell und unkompliziert vor jedem Einsatz durchführbar ist, ohne einen Ausbau der zu überprüfenden Komponenten nötig zu machen.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zur Testanordnung gehörende Reflexionsvorrichtung als ein integraler Teil des Gehäuses des Lichtprojektors ausgebildet, wodurch eine besonders platzsparende Anordnung der Systemkomponenten möglich wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Reflexionsvorrichtung mit einem lichtempfindlichen Sensor ausgestattet, der es erlaubt, die von der Instrumentenspitze abgegebene Lichtleistung zu messen und vorzugsweise auf einem Display anzuzeigen. Die Displayanzeige erlaubt es der Bedienperson festzustellen, ob die vom optischen Instrument abgegebene Lichtleistung innerhalb eines gewünschten Bereiches liegt. Im Vercjleich zu Techniken, die die von der Lichtquelle abgegebene Lichtleistung überwachen hat, dieses erfindungsgemäße Merkmal den Vorteil, daß die tatsächlich abgegebene Lichtleistung überprüfbar wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der lichtempfindliche Sensor über einen Regelkreis mit der Lichtquelle verbunden, um diese auf einen Pegel herunterzuregeln, der eine kontrastreiche Beobachtung der Instrumentenspitze in einem speziellen Testmodus ermöglicht;. Dies ist in den Fällen vorteilhaft, in denen Licht einer hohen Intensität zu übertragen ist, das für den Instrumententest vorteilhcifterweise auf einen niedrigen Pegel heruntergeregelt wird.

Das elektronische Kamerasystem gemäß dem Patentanspruch 10, welches vorteilhafterweise (aber nicht notwendig darauf beschränkt) mit der Testanordnung gemäß dem Patentanspruch 1 verwendet wird, benutzt erfindungsgemäß einen Kamera-Wesißabgleich, der an das jeweils zu untersuchende Objekt anqjepaßt ist. Dies bedeutet, daß nicht wie beim Stand der Technik der Weißabgleich in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die verwendete Lichtquelle mit maximaler Leistung betrieben wird, um möglichst "weißes" Licht abzugeben, sondern unter Betriebsbedingungen, die zu einer spektralen Zusammensetzung des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes führen, die im Hinblick auf das zu untersuchende Objekt optimiert ist. Bei-

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spielsweise kann es sinnvoll sein, eine Kamera mit einer möglichst starken blauen Komponente zu betreiben, um im medizinischen Endoskopiebereich ein Organ abzubilden, das mit einem Kontrastmittel angereichert ist, das in Antwort auf blaues Licht fluoresziert. In einem solchen Fall würde eine Kamera, die ihren Weißabgleich mit "weißem" Licht von der Beleuchtungsquelle durchgeführt hat, kein farbechtes Bild erzeugen und der Kontrast würde in unerwünschterweis€i verlorengehen. Besonders wichtig ist der Kameraabgleich auf die jeweilige Farbtemperatur der Lichtquelle um feine Unterschiede/Strukturen des Gewebes und der Gefäße deutlicher abzubilden.

Zusammen mit dem Kamerasystem gemäß dem Patentanspruch 10 wird zur Regelung der von der Lichtquelle abgegebenen Lichtleistung ein Aufbau verwendet, der nicht auf einer Regelung der Versorgungsspannung/des Versorgungsstromes beruht. Ein derartiger Mechanismus zur Regelung der abgegebenen Lichtleistung ist im Anspruch 15 beschrieben. Weitere Beispiele für ein derartiges System befinden sich in der PCT-Anmeldung, PCT-DE 93/00127, vom gleichen Anmelder und vom gleichein Erfinder wie die vorliegende Erfindung. Diese Systeme funktionieren derart, daß unter Verwendung geeigneter Techniken (welche beispielsweise mechanischer Art sein können, wie die zuvor diskutierten Beispiele, aber auch elektro-optischer Art, wie beispielsweise Pockelszellen) die von einer Lichtquelle übertragene Lichtleistung geregelt werden kann, ohne daß dabei die Farbtemperatur und somit die spektrale Zusammensetzung des Lichtes geändert wird. Somit ist es möcjlich, zunächst die spektrale Zusammensetzung der Lichtquelle über die Wahl von geeigneten elektrischen Parametern der Lichtquelle einzustellen, den Weißabgleich angepaßt auf die gewählte spektrale Zusammensetzung durchzuführen und anschließend mittels der Servoregelung, die von der Kamera gesteuert wird, die abgegebene Lichtleistung zu regeln.

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Somit wird ein Kamerasystem möglich, daß abhängig vom jeweiligen Anwendungszweck ein kontrastreiches und farbechtes Fernsehbild erzeugen kann.

Die Unteransprüche haben vorteilhaftes Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu entnehmen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Testanordnung für optische Untersuchungsinstrumente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Bild dei: Spitze des optischen

Instrumentes, wie es in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet

worden ist und wie es im Testmodus von der Beobachtungsvorrichtung gesehen wird;

Fig. 3a eine alternative Vorrichtung zur regelbaren Einkopplung von von der Lichtquelle stammenden Lichtstrahlen in die optische Faser, und zwar bei maximaler Einkopplung;
25

Fig. 3b die in Fig. 3a dargestellte Anordnung, bei verminderter Lichteinkopplung;

Fig. 4 das spektrale Emissionsverhalten einer typischen Lichtquelle in Abhängigkeit der Lampenspannung oder des Lampenstroms;

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm eines elektronischen Kamerasystemes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

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Fig. 1 zeigt in schematischer Darsteillung eine Testanordnung 10 für optische Untersuchungsinstrumente, hier beispielhaft erläutert für ein Kamera-Video-Endoskopiesystein, das im medizinischen Bereich Anwendung findet. Die erfindungsgemäße Testanordnung 10 umfaßt als Hauptelemente eine Lichtquellenanordnung 15, welche in einem. Gehäuse (nicht dargestellt) untergebracht ist. Vorteilhafterweise sind in dem Gehäuse gleichfalls Netzteile, Regelungselektroniken und insbesondere auch die später noch zu beseinreibende Reflexionsvorrichtung 30 untergebracht.

Das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht wird mittels eines geeigneten Einkoppelmechanismus 13, 14 in einen Lichtleiter 17 eingespeist, der vorzugsweise aus einem Glasfaserbündel besteht. Der Lichtleiter 17 überträgt das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht zu einem optischen Instrument 20, im vorliegenden Fall zu einer Endoskopie-Sondenvorrichtung. Diese besteht aus einem flexiblen Sondenteil 23, über dessen proximaler Spitze das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht abgestrahlt wird. Am distalen Ende des optischen Instrumentes befindet sich ein Okular 22, welches entweder für die Beobachtung durch ein menschliches Auge angepaßt ist oder wie im dargestellten Fall - für die Befestigung einer elektronischen Miniaturvideo bzw. Fernsehkamera 25.

Im Endoskopiebetrieb erzeugt die Lichtquelle 15 Lichtstrahlen, die mittels des Lichtleiters 17 entlang eines optischen Pfades 12b zum optischen Instrument 20 geführt werden. Das optische Instrument 20 nimmt das vom Lichtleiter 17 stammende Licht auf und führt es entlang eines optischen Pfades 12c entlang des flexiblen Teiles 23 in proximaler Richtung. Die von der Spitze des optischen Instrumentes 20 austretenden Lichtstrahlen treffen bei Anwendung des Instruments auf die zu untersuchenden Objekte und werden von diesen charakteristisch reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen werden von der Spitze des flexiblen Teils 23 erneut aufgenommen und entlang des Pfades 12c, 12a einer Beobachtung zugeführt.

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Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein Bild eines sich im Körperinneren befindeten Organes zu erhalten, nämlich in dem man den flexiblen oder den wahlweise starren Teil 23 des optischen Instrumentes 20 durch eine natürliche oder künstliehe Körperöffnung (beispielsweise durch ein Trokar) in den menschlichen Körper einführt. Durch den flexiblen Charakter des Teiles 23 kann die Spitze des optischen Instrumentes zum jeweils interessierenden Organ geführt werden, wie beispielsweise über den Harnleiter hin zur Prostata.

Je nach Häufigkeit der Anwendung und des Anwendungsorts ist die Spitze des optischen Instrumentes 20 einer unterschiedlich starken mechanischen Belastung ausgesetzt. Diese kcinn zu Beschädigungen des Systems führen, die seine Leistungsfähigkeit vermindern und im Extremfall sogar zu fehlerhaften Darstellungen führen. Ein besonders exponierter Bereich ist dabei die Spitze des flexiblen Teiles 23, welche beim Führen des Endoskopes hin zum Zielort mit Schrammen und Riefen versehen werden kann. Um den ordnungsgemäßen Zustand des Systems überprüfen zu können, wird daher erfindungsgemäß eine Reflexionsvorrichtung 30 vorgesehen. Die Reflexionsvorrichtung 30 besteht im wesentlichen aus einem Spiegelelement 31 und bevorzugterweise aus einer geschwärzten Mattscheibe 33, die hinter dem Spiegelelement 31 angeordnet ist. Das Spiegelelement 31 kann aus einem unverspiegelten Glassubstrat bestehen, so daß es für Licht im sichtbaren Spektralbereich etwa eine Reflektivität von 8% aufweist. Bevorzugter Weise ist das Spiegelelement 31 mit einer Beschichtung versehen, die ca. 10% des Lichtes reflektiert. Als Beschichtung eignet sich jede Art von bekannten Reflexionsschichten, insbesondere dielektrische Schichtsysteme sowie Graded-Index-Schichtsysteme. Auch eine entsprechende Versilberung der Glasplatte mit den gewünschten Reflexions/Transmissionseigenschaften kann gewählt werden. Bevorzugter Weise befindet sich hinter dem Spiegelelement 31 eine schwarze Mattscheibe 33, welche für besonders kontrastreiche und homogene Reflexionsverhältnisse sorgt, in dem sie vom

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Spiegel transmittiertes Licht absorbiert und so Vielfachreflexionen zwischen dem Hintergrund und dem Spiegelelement 31 verhindert.

Wenn man das optische Instrument 20 nun in einem geeigneten Abstand vor dem Spiegelelement 31 plaziert, und zwar mit der Achse 12c im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Spiegelelementes 31, dann ist die Kamera 25 in der Lage, eine Abbildung der Spitze des optischen Instrumentes sowie der einzelnen Lichtleitfasern "zu sehen". Mit anderen Worten sieht sich die Kamera mit ihrer eigenen Optik selbst und überträgt dieses Bild auf einen Monitor 45, der in Fig. 2 dargestellt ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Instrumentenspitze genau zu betrachtesn. Insbesondere ein Bild 40 der Spitze des optischen Instrumenten 20 wird stark vergrößert und detailliert darstellbar. Darüber hinaus werden alle "toten" (d.h. kein Licht mehr übertragenden) Lichtleiter sichtbar. Durch Variieren des Abstandes zwischen dem optischen Instrument 20 und dem Spiegelelement 31 werden sogar formatfüllende Darstellungen kleinster Details möglich und der Zustand des Instrumentes wird makroskopisch dargestellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwisehen der schwarzen Mattscheibe 33 und dem Spiegelelement 31 ein lichtempfindlicher Sensor 32, welcher mit einer Sesnsor-Steuerschaltkreis 35 verbunden ist. Diese Sensorsteuerschaltung 35 ist mittels einer Leitung 38 mit einem Lichtleistungs-Regelungsteil verbunden (nicht dargestellt) welches die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung regelt. Die Lichtleistungsregelung kann entweder dadurch geschehen, daß die an der Lichtquelle 15 angelegte Versorgungsspannung bzw. der Versorgungsstrom reguliert wird, oder in dem beispielsweise ein mechanisches Lichtleistungs-Regelungssystem verwendet wird. Letzteres findet bevorzugt Verwendung, wenn die Testanordnung mit einem erfindungsgemäßen elektronischen Kamerasystem verwendet wird, das einen Farbfehler-Kompensa-

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tionsschaltkreis aufweist, wie später im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 beschrieben werden wird.

Das Sensorelement 32 registriert die Annäherung des optischen Instrumentes 20 und vermindert die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung auf ein geeignetes Maß, da die im Betriebszustand abgestrahlte Lichtleistung im allgemeinen zu hoch ist, um ein möglichst kontrastreiches Bild der Spitze des optischen Instrumentes 20 zu erhellten.

Der in dem Sensor-Steuerschaltkreis 35 enthaltene Regelschaltkreis regelt die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung auf einen geeigneten Pegel ein, der beispielsweise empirisch bestimmt werden kann. Die Lichtleistungsregelung gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform geschieht auf mechanische Art und Weise. Das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht wird mittels eines Reflektors 11 und einer Kondensorlinse 13 in ein Einkoppelende des Lichtleiters 17 eingekoppelt. Das Einkoppelende des Lichtleiters 17 wird dabei von einen Lichteinkopplungsteil 14 gehaltert, dessen relative Position zu der der Lichtquelle 15 variabel einstellbar ist. Dies geschieht durch einen manuellen oder elektrischen Stellmechanismus (nicht dargestellt), der beispielsweise ein ?Elektromotor oder ein Ultraschallwandler (Piezoelement) sein kann. Durch die Variation der relativen Lage der Lichtquelle zum Einkoppelende wird der Lxchteinkopplungsgrad in den Lichtleiter 17 bzw. die Vielzahl der Glasfasern 18 variert, wodurch die abgegebene Lichtleistung des ?Pegeltors? 10 recfelbar wird. Unerheblich ist hierbei, welches der Elemente (Reflektor 11, Kondensorlinse 13 oder Lichteinkopplungsteil 14) im Hinblick auf seine Position variert wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Steuerschaltkreis 35 des weiteren mit einer Anzeigenvorrichtung 37 verbunden, welche die von der Spitze des optischen Instrumentes 20 emittierte Lichtleistung mißt und sie opti-

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sehe darstellt, und zwar beispielsweise auf einer Skala. Auf diese Art und Weise wird ein We;rt angezeigt, der ein Maß für den Zustand des Instrumentes, den Zustand des Lichtleitkabels und die von der Lichtquelle erzeugte Lichtleistung ist. Der Abstand von Instrumentenspitze zum Spiegelelement 31 und die so gemessene Lichtleistung ist ein Maßstab für den Arbeitszustand und die Ausleuchtung während des späteren Endoskopievorganges im Körper des Patienten.

Um möglichst reproduzierbare Bedingungen bei einzelnen Instrumententests zu gewährleisten, kcinn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auf dem Spiegelelement 31 des weiteren eine Führungsvorrichtung 39 vorgesehen werden,, welche aus einem lichtundurchlässigen Material besteht. Die Führungsvorrichtung 39 weist in sich eine durchgehende axiale Bohrung auf, die an den Durchmesser des flexiblen Teiles 23 des optischen Instrumentes 20 angepaßt ist. Bei der dem Spiegelelement 31 gegenüberliegenden Seite der Führungsvorrichtung 39 ist innerhalb der Bohrung eine Schulter vorgesehen, auf der ein elastischer O-Ring angeordnet ist. Zusammen mit der Schulter sorgt der O-Ring dafür, daß der flexible Teil 23 beim Einführen in die Bohrung nicht auf das Spiegelelement 31 aufsetzt und hierbei gegebenenfalls beschädigt wird. Durch die Bereitstellung der lichtundurchlässigen Führungsvorrichtung 39 wird der Einfall von Streulicht verhindert, was den Meßvorgang negativ beeinflussen kann, da Streureflexionen im Spiegelbild weiter vermindert werden.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Testanordnung ist es daher möglich, den Zustand eines Instrumentes zu überp2:üfen, unmittelbar bevor man es seinem Verwendungszweck zuführt. In diesem Zustand sind zu diesem Zeiitpunkt Kamera und Instirument bereits steril miteinander verbunden und eine Demontage von ihnen zu Testzwecken sollte aus Sterilitätsgründen vermieden werden. Die erfindungsgemäße Testeinrichtung erlaubt es unter derartigen Bedingungen, daß jeweils sich im Einsatz befindliche optische Instrument auf ihre Funktionsfähigkeit hin überSeite- 13-

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prüft werden. Hierbei können mikroskopische Beschädigungen wie kleine Kratzer und Risse erkannt werden, welche Bakterien oder Erreger enthalten können,, und zwar auch nachdem das optische Instrument in eine Desinfektionslösung eingelegt worden ist.

Die Figuren 3a, 3b zeigen ein alternatives Verfahren, mit dem die Lichteinkopplung von der Lichtquelle 15 in die Glasfaser 17 durchgeführt werden kann. Gemäß der in den Figuren 3a, 3b gezeigten Ausführungsform wird ein Lichteinkopplungsteil 14' verwendet, mittels dem Licht von der Lichtquelle 15 in den Lichtleiter 17 eingekoppelt wird. In dem Lichteinkopplungsteil 14' gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind die Lichtleitfaserbündel 18 derartig aufgefächert, daß die einzelnen Lichtleitfasern auf dem Mantel eines Kegels liegen, dessen Öffnungswinkel derart bemessen ist, daß das aus dem Reflektor 11 austretende Licht annähernd senkrecht auf die einzelne Lichtleitfaser auftritt.

Durch axiales Verschieben von entweder dem Einkoppluncfsteil 14' und/oder der Lichtquelle 15 relativ zueinander kann die eingekoppelte Lichtleistung variiert werden: in dem in Fig. 3a dargestellten Abstand ist die eingekoppelte Lichtleistung maximal, während in dem in Fig. 3b dargestellten Abstand eine

25· geringere Lichtleistung eingekoppelt wird.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 ein elektronisches Kamerasystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie bereits diskutiert worden ist, müssen elektronische Kamerasysteme, welche unter sich ändernden Lichtverhältnissen Einsatz finden, einen Weißabgleich durchführen, um in Abhängigkeit der jeweiligen Lichtverhältnisse ein möglichst farbechtes Bild erzeugen zu können. Dieser Weißabgleich stellt im Grunde genommen eine Normierung der spektralen Kameraempfindlichkeit auf die vorliegenden Lichtverhältnisse dar. Wenn man künstliche Lichtquellen wie beispielsweise Halogenlampen

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verwendet, dann ist es bekannt, daß sich in Abhängigkeit der Lampenspannung bzw. des Lampenstromes die spektrale Zusammensetzung des abgestrahlten Lichtes ändert. Diese Situation ist in Fig. 4 dargestellt. Betreibt man die Lampe mit einer niedrigen Lampenspannung oder einem begrenzten Lampenstrom, dann emittiert die Lampe mit einer starken Komponente im roten Spektralbereich, wohingegen bei einer sich erhöhenden Lampenspannung die spektrale Zusammensetzung sich hin bis zu "weißem" Licht ändert.

Kamerasysteme nach dem Stand der Technik, welche bislang mit Endoskopen verwendet worden sind, nutzten zur Regelung der abgegebenen Lichtleistung einen Regelkreis, der die Lichtquelle jeweils an die vorliegenden Randbedingungen angepaßt hat: befand sich die Spitze eines Endoskopes in einer stark reflektierenden Umgebung, hat der Regelkreis die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung zurückgeregelt, um eine Übersättigung der Kamera mit Licht zu verhindern. Diese Regelsysteme gemäß dem Stand der Technik basierten darauf, daß der Lampenstrom bzw. die Lampenspannung auf einen geeigneten Wert eingeregelt worden sind. Dieses Regelungsverfahren hat allerdings den Nachteil, daß in Abhängigkeit der jeweils zu untersuchenden Umgebung die Lampe mit jeweils unterschiedlicher Farbtemperatur betrieben wird. Da der Weißabgleich der Kamera im Stand der Technik bislang stets unter Bedingungen durchgeführt worden ist, bei denen die Lichtquelle 15 "weißes" Licht emittiert hat, ergibt sich nun das Problem, daß in Abhängigkeit des jeweils tatsächlichen Betriebszustandes der Lampe sich ein Farbfehler einstellt, der am größten ist, wenn die Lampe mit geringer Leistung betrieben wird (vgl. Fig. 4).

Das in Fig. 5 dargestellte Kamerasystem begegnet diesem Problem dadurch, daß ein Rückkopplungs-Regelungskreis vorgesehen ist, der die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung nicht über den Lampenstrom bzw. die Lampenspannung regelt. Dies macht es möglich, die von der Lcimpe abgegebene Lichtlei-

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stung zu regeln, ohne dabei die spektrale Zusammensetzung des emittierten Lichtes zu ändern. Unter diesen Bedingungen kann man nun eine gegebene Farbzusammensetzung des Lichtes beispielsweise mittels eines einstellbaren Lampenstromes bzw. einer einstellbaren Lampenspannung vorwählen und den Weißabgleich bei dieser vorgewählten Einstellung durchzuführen. Dies hat den Vorteil, daß eine anwendungsabhängige feste Farbzusammensetzung der Lampe vorgewählt werden kann, bei der der Weißabgleich jeweils durchgeführt wird, wobei diese feste Farbzusammensetzung im Verlauf der Messung (durch Regelung der Lichtintensität) nicht mehr verändert wird.

Umgesetzt wird dieses Konzept gemäß einer ersten Ausführungsform durch den in Fig. 5 dargestellten Schaltkreis. Erfin- dungsgemäß umfaßt das elektronische Kamerasystem einen Steuerprozessor 70 und einen Regelkreis 60, welche miteinander über eine Leitung 76 verbunden sind. Der Regelkreis 60 enthält einen Setzschaltkreis 65, mittels dem die jeweilige Farbtemperatur eingestellt werden kann. Der Regelkreis 60 ist über eine Leitung 64 mit einem Leistungsdimmer 90 verbunden, welcher über Leitungen 93 mit der Lichtquelle 15 verbunden ist. In Antwort auf von dem Regelkreis 60 kommende Regelsignale variiert der Leistungsdimmer 90 die spektrale Zusammensetzung der von der Lichtquelle 15 erzeugten Lichtstrahlen, indem er den Lampenstrom/die Lampenspannung variiert. Der Steuerprozessor 70 ist über eine Leitung 71 mit der elektronischen Kamera verbunden und empfängt von ihr ein Videosignal, das als Rückkoppelsignal zur Regelung der abgegebenen Lichtleistung verwendet wird. In Abhängigkeit des über die Leitung 71 angelegten Videosignales steuert der Steuerprozessor 70 über die Signalleitungen 73 die abgegebene Lichtleistung. Die Signa!leitungen 73 können beispielsweise mit einem Motor verbunden sein (nicht dargestellt), welcher den relativen Abstand zwischen dem Einkopplungsteil 14' und der Lichtquelle 15 in Fig. 3 variiert. Alternativer Weise kann der Motor die Lichtquelle 15 bzw. die Kondensorlinse 13 im Hinblick auf das Einkopplungsteil 14' verkippen bzw.

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verschwenken wie in Fig. 1 dargestellt. Auf diese Art und Weise erfolgt in dem erfindungsgeinäßen Kamera sys tem die Regelung der abgegebenen Lichtleistung.

5 Optional kann der Regelkreis 60 mit einem weiteren Signaleingang 63 ausgestattet sein, welcher mit dem in Fig. 1 dargestellten Sensorsteuer-Schaltkreis 35 über die Signalleitung 38 verbunden ist. Auf diese Art und Weise erfolgt die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Verminderung der abgegebenen Lichtleistung im Instrumententestmodus des erfindungsgemäßen Systems. Der Steuerprozessor 70 steuert erfindungsgemäß das Zusammenwirken der einzelnen Funktionen. Über eine Eingangs leitung 72, welche mit einem geeicjneten Wahlschalter verbunden ist, wird der Steuerprozessor 70 entweder in den Weißabgleichs-, den Instrumententest- oder den normalen Arbeitszustand versetzt. Wird der Steuerprozessor 70 über die Signalleitung 72 in den Zustand "Weißabgleich" versetzt, dann gibt er über eine Signalleitung 75 einen entsprechenden Befehl an die elektronische Kamera 25 (Fig. 1).

Diese führt dann - in Abhängigkeit der vom Regelkreis 60 eingeregelten Farbtemperatur - den Weißabgleich durch. Im "Instrumententest"-Zustand wird die Regelung der abgegebenen Lichtleistung über die Signalleituncjen 73 unterbrochen und der Regelkreis 60 regelt in Abhängigkeit von den vom Sensorsteuer-Schaltkreis 35' übermittelten Signale die ab&sfgr;fegebene Lichtleistung mittels dem Leistungsdimmer 90 herunter. Das sich in diesen Zustand die Farbzusammensetzung ändert, ist hier unbeachtlich.

Im normalen Arbeitszustand wird die Lichtquelle 15 über dem Regelkreis 60 und dem Leistungsdimmer 90 mit einer von Setzschaltkreis 65 voreingestellten spektralen Zusammensetzung betrieben und die Regelung der abgegebenen Lichtleistung erfolgt über die Signalleitungen 73 durch die bereits in Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Lichtleistungsregelung.

[Fite:ANM\LE3511 B3.D0C] 08.06.1994 , Video-Endoskopieeinrichtung LEMKE Norbert & Rosemarie, Gröbenzell

Eine weitere Ausführungs form d€is erfindungsgemäßen Kamerasystems (nicht dargestellt) verwendet ein alternatives Verfahren zur Einstellung der Farbtemperatur der Lichtquelle 15. Anstelle der Verwendung eines Leistungsdimmers (90) werden in dieser Ausführungsform geeignete optische Farbfilter in den Strahlengang eingeschwenkt. Dies kann beispielsweise zwischen der Kondensorlinse 13 und dem Lichteinkopplungsteil 14 erfolgen. Da die technische Umsetzung der Einschwenkung von Farbfilter dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereitet, ist von der detaillierten Beschreibung dieser Ausführungsform Abstand genommen worden.

Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, daß eine Untersuchungsanordnung für die Visualisierung von schwer zugänglichen Objekten beansprucht wird, nämlich insbesondere Video-Endoskopieeinrichtungen für medizinische bzw. technische Endoskopie. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Testanoirdnung für die verwendeten optischen Instrumente beansprucht, welche zum einen das beleuchtende Licht zu einem zu untersuchenden Objekt übertragen und zum andern das von dem Objekt reflektierte Licht empfangen und einer optischen Auswertung zuführen, wobesi die das zu untersuchende Objekt beleuchtenden Lichtstrahlen und die von dem Objekt reflektierten und der optischen Auswertung zugeführten Lichtstrahlen sich wenicfstens teilweise entlang eines gemeinsamen optischen Pfades ausbreiten. Bevorzugter Weise findet die optische Auswertung mittels einer elektronischen Kamera statt. Die beanspruchte Testanordnung umfaßt eine mit einer vorherbestimmten Reflektivität versehene Reflektionsvorrichtung, die in einem bestimmten Abstand vor dem optischen Instrument angeordnet werden kann und die es erlaubt, daß das optische Instrument ein eigenes Spiegelbild betrachtet. Mit Hilfe des Spiegelbildes des optischen Instrumentes kann geprüft werden, ob sie das Instrument in einem einwandfreien Zustand befindet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Kamerasystem beansprucht, daß über einen Steuerschaltkreis verfügt, der den Weißabgleich

[File:ANM\LE3511 B3.D0C] 08.06.1994 , Video-Endoskopieeinrichtung LEMKE Norbert & Rosemarie, Gröbertzell

der Kamera bei einer frei wählbaren spektralen Zusammensetzung der Hilfslichtguelle durchführt, die auch im Arbeitszustand des Kamerasystems beibehalten wird.

Claims

22LE3511 Norbert & Rosemarie Lemke Schutzansprüche

1. Testanordnung (10) für optische Untersuchungsinstrumente, mit:

a) einer Lichtquelle! (IS), welche ein zu untersuchendes Objekt beileuchtende Lichtstrahlen erzeugt;

b) einem optischen Instrument (20), das mit der Lichtquelle (15) optisch gekoppelt ist und das derartig positionierbar ist, daß es das zu untersuchende Objekt mit den von der Lichtquelle (15) stammenden Lichtstrahlen beleuchtet und die von ihm reflektierten Lichtstrahlen aufnimmt;

c) einer Beobachtungsvorrichtung (22, 25), mittels der das von dem zu untersuchenden Objekt reflektierte Licht einer optischen Auswertung zugeführt werden kann, wobei das von der Lichtcpielle (15) erzeugte Licht zu dem Objekt über einen ersten optischen Pfad (12b, 12c) und das von dem Objekt reflektierte Licht über einen zweiten optischen Pfad (12a, 12c) geführt wird und der erste und der zweite Pfad wenigstens teilweise dekkungsgleich sind;

d) einer mit einer vorherbestimmten Relektivität versehenen Reflexionsvorrichtung (30), die in einem bestimmten Abstand vor dem optischen Instrument (20) angeordnet werden kann.

2. Testanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Instrument (20) ein Endoskop ist, welches mit der Lichtquelle (15) über eine Lichtleitfaser (17) verbunden ist.

3. Testanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsvorrichtung ein Okular (22) und eine Miniaturkamera (25) aufweist, mit denen das zu untersuchende Objekt auf einem Mo

nitor (45) abgebildet wird.

4. Testanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung

(30) ein Spiegelelement (31) aufweist, das ca. 10

Prozent des von der Lichtquelle (15) erzeugten Lichtes reflektiert.

5. Testanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung

(30) aus einer unverspiegeliten Glasscheibe (31) und aus einer geschwärzten Mattscheibe (33) besteht, die hinter der Glasscheibe (31) angeordnet ist.

6. Testanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Glasscheibe (31) und der Mattscheibe (33) ein Sensorelement (32) vorgesehen ist, welches über einen Sensorschaltkreis (35) mit einer Anzeigevorrichtung (37) verbunden ist, die die von dem optischen Instrument (20) übertragene Lichtlei

stung anzeigt.

7. Testanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn2:eichnet, daß dem Sensorschaltkreis (35) ein Dimmerschaltkreis (90) zugeordnet ist, welcher über einen

Regelkreis (60) mit dem Sensorschaltkreis (37) verbunden ist.

8. Testanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Reflexionsvorrichtung (30) eine Führungsvorrichtung (39) vorgesehen ist, mittels der die optische Vorrichtung (20) unter definierten Umständen unter Abblockung von Streulicht in einem bestimmten Abstand von der Reflexionsvorrichtung (30) angeordnet werden kann.

9. Testanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsvorrichtung (39) eine durchlaufende zentrale Bohrung aufweist, die dem Durchmesser des optischen Instrumentes (20) angepaßt ist, wobei

in der Bohrung an der der Reflexionsvorrichtung (30) gegenüberliegenden Seite eine Schulter vorgesehen ist, die mit einem elastischen O-Ring versehen ist, um das Aufsetzen der Spitze des optischen Instruments (20) auf der Reflexionsvorrichtung (30) zu

verhindern.

10. Elektronisches Kamerasystem, insbesondere für medizinische und technische Video-Endoskopievorrichtungen, mit:

a) einer elektronischen Kameravorrichtung (25), die Lichtstrahlen aufnimmt, die von einem zu untersuchenden Objekt reflektiert worden sind;

b) einer Lichtquellenanordnung (15), die in der

Lage ist, für die Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts Licht mit unterschiedlichen Farbtemperatüren zu erzeugen; c) einem Steuerschaltkreis (50), welcher sowohl mit der elektronischen Kameravorrichtung (25) als

auch mit der Lichtquellenanordnung (15) verbun-

• ·

den ist, um die von der Lichtquellenanordnung (15) abgegebene Lichtleistung unter Verwendung eines von der elektronischen Kamera (25) kommenden Rückkopplungssignales zu regeln ohne dabei die Farbtemperatur des Lichtes zu ändern, wobei

der Steuerschaltkreis (50) einen Farbfehler-Kompensationsschaltkreis (60, 70) aufweist, der im Weiß-Abgleichsmodus des Kamerasystems eine Farbtemperatur der Lichtquellenanordnung (15) einstellt, die einer spektralen Zusammensetzung

des erzeugten Lichtes entspricht, die auf das jeweils zu untersuchende Objekt abgestimmt ist.

11. Elektronisches Kamerasystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbfehler-Kompensationsschaltkreis (60, 70) einen Regelkreis (60) aufweist, welcher über eine Leitung (64) einen Leitungsdimmer (90) ansteuert, der über Leitungen (93) die Lichtquellenanordnung (15) ansteuert, um die Farbtemperatur des erzeugten Lichtes zu ändern.

12. Elektronisches Kamerasystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbfehler-Kompensationsschaltkreis (60, 70) eine Farbtemperatur der Lichtquellenanordnung (15)

dadurch einstellt, daß er optische Farbfilter in den Strahlengang einschwenkt.

13. Elektronisches Kamerasystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbfehler-Kompensationsschaltkreis (60, 70) einen Farb-Temperatur-Setzschaltkreis (65) aufweist, mittels dem die gewünschte Farbtemperatur manuell eingestellt, werden kann.

14. Elektronisches Kamerasystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13/ dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltkreis (50) einen Steuerprozessor (70) aufweist, der über Leitungen (71) mit der Kameravorrichtung (25) verbunden ist, um über Leitungen (73)

die von der Lichtquellenanordnung (15) abgegebene Lichtleistung zu regeln, wobei das von der elektronischen Kamera (25) stammende Signal als Rückkopplungssteuersignal verwendet wird.
10

15. Elektronisches Kamerasystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lichtquellenanordnung (15) erzeugte Licht mittels eines Lichtleiters (17) zu dem zu untersuchenden Objekt geleitet wird, wobei das der Lichtquellenanordnung (15) gegenüberliegende Ende des Lichtleiters (17) in einem Lichteinkopplungsteil (14') gehaltert wird, in dem der Lichtleiter (17) derart aufgefächert angeordnet ist, daß die den Lichtleiter (17) bildenden Lichtleitfasern (18) auf dem Mantel eines Kegels liegen, der einen Öffnungswinkel hat, bei dem das von der Lichtquellenanordnung (15) kommende Licht annähernd senkrecht auf die einzelne Lichtleitfaser trifft.