DE10053447B4

DE10053447B4 - Endoskopsystem

Info

Publication number: DE10053447B4
Application number: DE10053447A
Authority: DE
Inventors: Koichi Furusawa; Masaru Eguchi; Tetsuya Utsui; Tetsuya Nakamura; Ryo Ozawa; Shinsuke Okada
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: DE10053447A1; US6790175B1; JP2001125009A

Abstract

Endoskopsystem (1000) mit
einem Lichtleiter (F), der mehrere Strahlengänge enthält,
einer an dem proximalen Ende des Lichtleiters (F) angeordneten Quelle (231) für schwach kohärente Lichtstrahlen, die jeweils in einen der in dem Lichtleiter (F) vorgesehenen Strahlengänge eintreten,
einer Interferometer-Einheit (15), die
ein Strahlteilerelement (S), das jeden von dem distalen Ende des Lichtleiters (F) ausgesendeten Lichtstrahl in Teilstrahlen aufspaltet und einen der Teilstrahlen auf ein Objekt (T) ausgibt,
ein optisches Referenzsystem, das einen anderen Teilstrahl führt,
eine Reflektoreinheit (R), welche den von dem optischen Referenzsystem geführten Teilstrahl auf das Strahlteilerelement (S) reflektiert, und
eine Lichterfassungsvorrichtung (D), die einen Interferenzstrahl erfasst, der durch Interferenz zwischen dem an dem Objekt (T) reflektierten Teilstrahl und dem an der Reflektoreinheit (R) reflektierten Teilstrahl an dem Strahlteilerelement (S) erzeugt wird, enthält,
und einem Signalverarbeitungssystem (229), das auf Grundlage von Signalen, die von der Lichterfassungsvorrichtung (D) erfasst werden, ein...

Description

Die Erfindung betrifft ein Endoskopsystem, das in vivo-OCT-Bilder eines Objektes aufnehmen kann. OCT steht dabei für optische Kohärenztomografie.

Endoskopsysteme zum Beobachten von Objekten in einer menschlichen Körperhöhle sind bekannt. Ein solches Endoskopsystem hat ein Endoskop, das in die Körperhöhle einführbar ist, und eine externe Beleuchtungsvorrichtung, die an das Endoskop anschließbar ist. Die externe Beleuchtungsvorrichtung enthält eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objektes und einen Prozessor zum Verarbeiten von Bildsignalen.

Das Endoskop enthält
eine Beleuchtungsoptik, die an die Lichtquelleneinheit der externen Vorrichtung angeschlossen ist und der Beleuchtung des Objektes, z. B. einer Körperhöhlenwand dient,
eine Objektivoptik zum Erzeugen eines optischen Bildes des Objektes und
eine ladungsgekoppelte Vorrichtung, kurz CCD, die im wesentlichen in der Bildebene der Objektivoptik angeordnet und elektrisch mit dem Prozessor der externen Vorrichtung verbunden ist.

An einem Ende des Endoskops ist eine Instrumentenöffnung ausgebildet. Aus dieser Instrumentenöffnung ragen Zangen oder Behandlungsinstrumente anderer Art in die Körperhöhle hinein.

Mit dem eben erläuterten Endoskopsystem kann ein Benutzer das Innere der menschlichen Körperhöhle betrachten. Dazu führt er zunächst das Endoskop in das Innere der Körperhöhle ein. Von der Lichtquelleneinheit der externen Vorrichtung abgegebenes Licht wird über die Beleuchtungsoptik auf das zu betrachtende Objekt gerichtet. Auf der Lichtempfangsfläche der CCD wird über die Objektivoptik ein Bild des beleuchteten Objektes erzeugt. Die CCD wandelt das empfangene optische Bild in ein elektronisches Bild, d.h. in ein Bildsignal, das an den Prozessor der externen Vorrichtung übertragen wird. Der Prozessor verarbeitet das empfangene Bildsignal und stellt das Objektbild auf einer Anzeigevorrichtung dar. Der Benutzer kann so über die Anzeigevorrichtung das Innere der Körperhöhle des Patienten betrachten.

Hält der Benutzer es für möglich, daß der betrachtete Teil der Körperhöhle von Krebs oder einem Tumor befallen ist, so wird eine Zange oder ein Biopsieinstrument in einen in dem Endoskop ausgebildeten Instrumentenkanal eingeführt. Die Spitze des Instrumentes wird aus der Instrumentenöffnung herausgeschoben, und dem betreffenden Körperteil wird Gewebe entnommen. Das entnommene Gewebe wird dann pathologisch untersucht. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse wird dann die Diagnose erstellt.

Mit diesem herkömmlichen Endoskopsystem kann nur die Oberfläche der menschlichen Körperhöhle betrachtet werden. Um den Zustand des Gewebes unterhalb der Körperhöhlenwand in Erfahrung zu bringen, ist eine Biopsie erforderlich. Die Biopsie ist insbesondere dann unumgänglich, wenn Krebs im Früh stadium oder ein kleiner Tumor ausfindig gemacht werden sollen. Die pathologische Untersuchung ist jedoch zeitintensiv, so daß für die Diagnose eine vergleichsweise lange Zeit erforderlich ist.

Im Hinblick auf die Belastung des Patienten kann die Biopsie nur in einem begrenzten Bereich und nicht beliebig oft durchgeführt werden. Es können jedoch auch andere erkrankte Körperteile vorhanden sein als die, die von dem Benutzer als solche identifiziert worden sind. Ein solcher Körperteil kann dann leicht übersehen werden, so daß trotz der pathologischen Untersuchung eine genaue Diagnose nicht möglich ist.

Aus der Druckschrift US 5 921 926 A ist ein Endoskopsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieses für die Kolposkopie bestimmte System umfaßt einen Lichtleiter, der mehrere Strahlengänge enthält, eine am proximalen Ende des Lichtleiters angeordnete Quelle für schwach kohärente Lichtstrahlen, die jeweils in einen der in dem Lichtleiter vorgesehenen Strahlengänge eintreten, eine Interferometer-Einheit mit einem Strahlteilerelement, einem optischen Referenzsystem, einer Reflektoreinheit und einer Lichterfassungsvorrichtung, die einen Interferenzstrahl erfaßt, und ein Signalverarbeitungssystem, das an Hand der von der Lichterfassungsvorrichtung erfaßten Signale ein Tomogramm erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Endoskopsystem anzugeben, das eine genaue Diagnose in vergleichsweise kurzer Zeit gestattet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Endoskopsystem mit den im kennzeichnende Teil Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

In dem erfindungsgemäßen Endoskopsystem bewegt die Antriebseinheit die Interferometer-Einheit auf das Objekt zu und von diesem weg. Dies bedeutet, daß die Interferometer-Einheit das Objekt in Tiefenrichtung abtastet. Das Signalverarbeitungssystem erzeugt auf Grundlage des von der Lichterfassungsvorrichtung erfassten Signals ein Tomogramm.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält das optische Referenzsystem ein optisches Element mit vergleichsweise großem Brechungsindex. Vorzugsweise hat das optische Element auf der Seite des Strahlteilerelementes eine gegenüber dem Wellenlängenbereich der schwach kohärenten Lichtstrahlen nichtreflektierende Fläche und auf der anderen Seite eine reflektierende Fläche.

Das optische Referenzsystem kann ein optisches Element mit Gradientenbrechungsindex, d.h. gleitendem Brechungsindex, haben, dessen Brechungsindex in einem Bereich, der näher an der Reflexionseinheit liegt, größer und in einem Bereich, der weiter von der Reflektoreinheit abliegt, kleiner ist.

In diesem Fall hat der Brechungsindex des optischen Elementes auf der Seite des Strahlteilerelementes vorzugsweise etwa den gleichen Brechungsindex wie das Strahlteilerelement.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Interferometer-Einheit im distalen Ende des Endoskops untergebracht.

Die Antriebseinheit kann eine am proximalen Ende des Endoskops vorgesehene Vorrichtung zum Bereitstellen einer Antriebskraft sowie ein Kraftübertragungselement haben, das mit dieser Vorrichtung und der Interferometer-Einheit verbunden ist. Das Kraftübertragungselement überträgt die von der Vorrichtung bereitgestellte Kraft auf die Interferometer-Einheit, um diese zu bewegen.

Der Lichtleiter besteht vorteilhaft aus einer Lichtleitfaseranordnung mit mehreren parallel zueinander angeordneten Einzelmode-Lichtleitfasern. Vorzugsweise behalten die Einzelmode-Lichtleitfasern jeweils ihre Polarisation bei, sind also polarisationserhaltend.

Das Strahlteilerelement kann ein Strahlteilerprisma oder ein Lichtleitfaser-Kopplungselement sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Endoskopsystem eine Anzeigevorrichtung, die das von einem Bildaufnahmesystem aufgenommene Objektbild und das von dem Signalverarbeitungssystem erzeugte Tomogramm darstellt. Vorzugsweise werden das Normallichtbild, das Fluoreszenzlichtbild und das Tomogramm zur gleichen Zeit an verschiedenen Anzeigebereichen dargestellt, die an der Anzeigevorrichtung festgelegt sind.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

1 den elektronischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Endoskopsystems in einem Blockdiagramm,

2 eine schematische Darstellung der Strahlengänge einer OCT-Einheit,

3 eine schematische Darstellung der Strahlengänge der OCT-Einheit, die näher an das Objekt bewegt ist als die in 2 gezeigte OCT-Einheit,

4 einen Längsschnitt durch das distale Ende eines in dem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Endoskops,

5 einen Querschnitt durch das distale Ende des Endoskops entlang der Linie V-V nach 4,

6 einen Querschnitt durch das distale Ende des Endoskops entlang der Linie VI-VI nach 4,

7A den Aufbau eines ersten Nockenrings, an dem Nockenschlitze ausgebildet sind,

7B den Aufbau eines zweiten Nockenrings, an dem Nockenschlitze ausgebildet sind,

8 einen Querschnitt durch das distale Ende des Endoskops entlang der Linie VI-VI nach 4, wobei eine Interferometer-Einheit der OCT-Einheit näher an dem distalen Ende als die in 6 gezeigte Interferometer-Einheit angeordnet ist,

9A die Interferometer-Einheit, die das Objekt in Tiefenrichtung abtastet,

9B die das Objekt abtastende Interferometer-Einheit, wobei diese näher an dem Objekt als in 9A angeordnet ist, und

9C die das Objekt abtastende Interferometer-Einheit, wobei diese näher an dem Objekt als in 9B angeordnet ist.

1 zeigt den elektronischen Aufbau eines Endoskopsystems 1000, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Wie in 1 gezeigt, enthält das Endoskopsystem 1000 ein Endoskop 1, eine an das Endoskop 1 angeschlossene externe Vorrichtung 2, einen an die externe Vorrichtung 2 angeschlossenen Monitor 3 und eine Eingabevorrichtung 4.
Das Endoskop 1 hat ein Einführrohr mit elliptischem Querschnitt und eine Bedieneinheit, die mit dem proximalen Ende des Einführrohrs verbunden ist. An der Bedieneinheit sind verschiedene Betriebsschalter vorgesehen.
In dem Einführrohr des Endoskops 1 befinden sich eine Beleuchtungsoptik 12, eine Objektivoptik 13, ein Bildaufnahmesystem 14, z.B. eine CCD, sowie eine OCT-Einheit 15. Die Beleuchtungsoptik 12 hat eine an der Spitze des Einführrohrs angebrachte Beleuchtungslinse 12a und ein Lichtleitfaserbündel 12b, das im folgenden kurz als Lichtleiter bezeichnet wird. Der Lichtleiter 12b ist durch das Endoskop 1 geführt und an die externe Vorrichtung 2 angeschlossen.
Die Objektivoptik 13 hat eine an der Spitze des Einführrohrs vorgesehene Objektivlinse 13a und ein Sperr- oder Kantenfilter, das eine UV-Komponente des eintretenden Lichtes abschirmt. Die Objektivoptik 13 bündelt das eintretende Licht auf die Bildempfangsfläche der CCD 14 und erzeugt darauf ein Objektbild. Die CCD 14 gibt ein Bildsignal aus, das dem auf ihrer Lichtempfangsfläche erzeugten optischen Bild entspricht.
Die CCD 14 ist über eine Signalleitung 14a an die externe Vorrichtung 2 angeschlossen, über die das Bildsignal an die externe Vorrichtung 2 übertragen wird.
Der Aufbau der OCT-Einheit 15 wird später unter Bezugnahme auf 2 genauer erläutert.
Das wie eben erläutert aufgebaute Endoskop 1 ist mit der externen Vorrichtung 2 verbunden. Die externe Vorrichtung 2 wird im folgenden im Detail erläutert. Wie in 1 gezeigt, hat die externe Vorrichtung 2 eine Lichtquelleneinheit 21, eine Bildverarbeitungseinheit 22 und eine OCT-Antriebseinheit 23.
Die Lichtquelleneinheit 21 enthält eine Weißlichtquelle 211, die sogenanntes weißes Licht aussendet, und eine Anregungslichtquelle 212, die Anregungslicht aussendet, das menschliches Gewebe zur Fluoreszenz anregt. Die Wellenlänge des Anregungslichtes beträgt dabei etwa 350 nm bis 400 nm. Das Anregungslicht liegt somit in einem Bereich zwischen sogenanntem blauen Licht und ultraviolettem Licht, kurz UV-Licht. Die Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes, das das menschliche Gewebe mit Auftreffen des Anregungslichtes aussendet, beträgt etwa 420 nm bis 600 nm.
In dem Strahlengang des von der Weißlichtquelle 211 ausgesendeten weißen Lichtes sind in folgender Reihenfolge eine Kollimatorlinse La, ein Umschaltspiegel 213, eine Blende 215, eine Kondensorlinse Lc und ein Drehfilter C angeordnet. Der Umschaltspiegel 213 ist an einen Lichtquellen-Umschaltmechanismus 214 angeschlossen. Der Umschaltmechanismus 214 ordnet den Umschaltspiegel 213 in einer zurückgezogenen Stellung an, in der der Umschaltspiegel 213 aus dem Strahlengang des weißen Lichtes zurückgezogen ist, oder in einer Betriebsstellung, in der der Umschaltspiegel 213 das weiße Licht abschirmt, d.h. das weiße Licht daran hindert, weiter zur Blende zu laufen.
Die Blende 215 ist an einen Blendensteuermechanismus 216 angeschlossen. Der Blendensteuermechanismus 216 steuert die Blende 215 so an, daß die Blendengröße und damit die durch die Blende tretende Lichtmenge verändert wird. Das Drehfilter C ist scheibenförmig und hat vier fächerartige Filter: RGB-Farbfilter (drei Farbfilter für rot, grün und blau) und ein transparentes Filter. Das Drehfilter C ist an einen Drehfilter-Steuermechanismus 217 angeschlossen. Der Steuermechanismus 217 lässt das Drehfilter C so rotieren, daß die vier Filter nacheinander in dem Strahlengang angeordnet werden.
Das von der Weißlichtquelle 211 ausgesendete weiße Licht wird von der Kollimatorlinse La kollimiert. Befindet sich der Umschaltspiegel 213 in der zurückgezogenen Stellung, so wird das weiße Licht auf die Blende 215 gerichtet. Das weiße Licht, dessen Lichtmenge durch die Blende 215 eingestellt wird, wird von der Kondensorlinse Lc gebündelt und tritt durch das Drehfilter C. Wie vorstehend erläutert, wird das Drehfilter C von dem Steuermechanismus 217 gedreht, so daß die vier Farbfilter nacheinander in den Strahlengang gebracht werden. Das weiße Licht wird so nacheinander in blaues, grünes, rotes und weißes Licht gewandelt und auf die proximate Endfläche des Lichtleiters 12b gebündelt.
In dem Strahlengang des von der Anregungslichtquelle 212 ausgesendeten Anregungslichtes befinden sich die Kollimatorlinse Lb und ein Prisma P in der genannten Reihenfolge. Das von der Anregungslichtquelle 212 ausgesendete Anregungslicht wird von der Kollimatorlinse Lb kollimiert, an dem Prisma P reflektiert und auf den Umschaltspiegel 213 gerichtet. Befindet sich der Umschaltspiegel 213 in seiner Betriebsstellung, wie in 1 gezeigt ist, so reflektiert er das Anregungslicht auf die Blende 215. Das Anregungslicht, dessen Lichtmenge von der Blende 215 eingestellt wird, wird auf die Kondensorlinse Lc gebündelt und auf das Drehfilter C gerichtet. In diesem Fall bringt der Steuermechanismus 217 das transparente Filter in den Strahlengang und beendet das Drehen des Drehfilters C. Das Anregungslicht tritt dann durch das transparente Filter des Drehfilters C und wird auf die proximate Endfläche des Lichtleiters 12b gebündelt.
Die zurückgezogene Stellung des Umschaltspiegels 213 wird im folgenden als Zustand der Normalbildbetrachtung bezeichnet, in dem das von der Weißlichtquelle 211 ausgesendete weiße Licht auf die Blende 215 gerichtet wird. Entsprechend wird die Betriebsstellung des Umschaltspiegels 213 als Zustand der Fluoreszenzbildbetrachtung bezeichnet, in dem das von der Anregungslichtquelle 212 ausgesendete Anregungslicht auf die Blende 215 gerichtet wird. Das Drehfilter C rotiert und bringt so nacheinander die Filter in der Weise in den Strahlengang, daß im Zustand der Normalbildbetrachtung des eintretende weiße Licht in blaues, grünes, rotes und weißes Licht gewandelt wird. Im Zustand der Fluoreszenzbildbetrachtung ist das transparente Filter fest in dem Strahlengang angeordnet.
Im folgenden wird die Bildverarbeitungseinheit 22 beschrieben. Die Bildverarbeitungseinheit 22 enthält eine CPU 221 und einen Zeitsteuergenerator 222. Die CPU 221 ist an den Lichtquellen-Umschaltmechanismus 214, den Blendensteuermechanismus 216, den Drehfilter-Steuermechanismus 217, die Lichtquelleneinheit 21, den Zeitsteuergenerator 222 und die Eingabevorrichtung 4 angeschlossen. Der Zeitsteuergenerator 222 erzeugt verschiedene Referenztaktsignale. Gemäß diesen Referenztaktsignalen führt die Bildverarbeitungseinheit 22 verschiedene Verarbeitungsvorgänge und die OCT-Antriebseinheit 23 verschiedene Operationen aus.
Die CPU 221 steuert den Lichtquellen-Umschaltmechanismus 214 so an, daß der Umschaltspiegel 213 zwischen dem Zustand der Normalbildbetrachtung und dem Zustand der Fluoreszenzbildbetrachtung hin- und hergeschaltet wird. Weiterhin steuert die CPU 221 den Drehfilter-Steuermechanismus 217 so an, daß das Drehfilter C auf den Zustand der Normalbildbetrachtung oder den Zustand der Fluoreszenzbildbetrachtung eingestellt wird. Zum Wählen der Normalbildbe trachtung und der Fluoreszenzbildbetrachtung ist an der Bedieneinheit des Endoskops 1 ein entsprechender Wählschalter vorgesehen. Die CPU 221 erfasst den Schaltzustand dieses Wählschalters und steuert den Lichtquellen-Umschaltmechanismus 214 und den Drehfilter-Steuermechanismus 217 so an, daß der Umschaltspiegel 213 und das Drehfilter C auf einen mit dem Wählschalter ausgewählten Zustand für Normalbildbetrachtung oder Fluoreszenzbildbetrachtung eingestellt werden.
Andererseits steuert die CPU 221 die von der Bildverarbeitungseinheit 22 ausgeführten Operationen und die von der OCT-Antriebseinheit 23 ausgeführten Operationen über den Zeitsteuergenerator 222.
Die Bildverarbeitungseinheit 22 hat eine über die Signalleitung an die CCD 14 angeschlossene Vorverarbeitungsschaltung 223, einen RGB-Speicher 224, eine Videosignalverarbeitungsschaltung 225 und einen an den Monitor angeschlossenen Videoteil 226.
Werden der Umschaltspiegel 213 und das Drehfilter C auf den Zustand der Normalbildbetrachtung eingestellt, so hält die Vorverarbeitungsschaltung 223 die Bildsignale, welche die CCD 14 bei Abgabe der blauen, grünen und roten Lichtkomponenten aus der Beleuchtungslinse 12a ausgibt, und verwirft gleichsam die Bildsignale, wenn das weiße Licht von der Beleuchtungslinse 12a ausgesendet wird. Die Vorverarbeitungsschaltung 223 hält die aus der CCD 14 übertragenen Bildsignale, verarbeitet diese, führt eine Analog/Digital/Wandlung, kurz A/D-Wandlung aus und speichert die digitalen Bildsignale in dem RGB-Speicher 224. Die Blau-, die Grün- und die Rotkomponente der Bilddaten werden dabei in einem Blaubildbereich, einem Grünbildbereich bzw. einem Rotbildbereich des RGB-Speichers 224 gespeichert.
Sind der Umschaltspiegel 213 und das Drehfilter C auf den Zustand der Fluoreszenzbildbetrachtung eingestellt, so hält die Vorverarbeitungsschaltung 223 die von der CCD 14 übertragenen Bildsignale, verarbeitet diese, führt eine A/D- Wandlung aus und speichert das digitale Bildsignal in allen Komponentenbereichen des RGB-Speichers 224 gleichzeitig, d.h. das Bildsignal wird als monochromes Bild verarbeitet.
Die Videosignalverarbeitungsschaltung 225 gewinnt die in dem RGB-Speicher 224 gespeicherten Daten mit einer vorbestimmten zeitlichen Festlegung, d.h. einem vorbestimmten Timing, zurück und verarbeitet diese, um ein Videosignal zu erzeugen, das an den Videoteil 226 übertragen wird. Der Videoteil 226 stellt das erhaltene Videosignal auf dem Monitor 3 dar.
Die Vorverarbeitungsschaltung 223, der RGB-Speicher 224 und die Videosignalverarbeitungsschaltung 225 sind jeweils an den Zeitsteuergenerator 222 angeschlossen. Der RGB-Speicher 224 ist mit der CPU 221 verbunden. Die CPU 221 kann so den Blendensteuermechanismus 216 steuern, um die Größe der Blendenöffnung zu ändern.
Die Bildverarbeitungseinheit 22 enthält weiterhin eine an die OCT-Einheit 15 des Endoskops 1 angeschlossene OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227, einen OCT-Speicher 228 und eine OCT-Videosignalverarbeitungsschaltung 229. Die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 verarbeitet das von der OCT-Einheit 15 des Endoskops übertragene Signal, wendet eine A/D-Wandlung an und speichert die Daten in dem OCT-Speicher 228. Die OCT-Videosignalverarbeitungsschaltung 229 gewinnt die in dem OCT-Speicher 228 gespeicherten Daten mit einer vorbestimmten zeitlichen Festlegung wieder, um ein Videosignal zu erzeugen, das an den Videoteil 226 übertragen wird. Der Videoteil 226 stellt das so erhaltene Videosignal auf dem Monitor 3 dar. Die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227, der OCT-Speicher 228 und die OCT-Videosignalverarbeitungsschaltung 229 sind jeweils an den Zeitsteuergenerator 222 angeschlossen.
Im folgenden wird die OCT-Antriebseinheit 23 im Detail erläutert. Die OCT-Antriebseinheit 23 enthält eine Superluminiszenzdiode 231, kurz SLD, eine Lichtleitfaseranordnung F, im folgenden als Lichtleiteranordnung bezeichnet, und eine Spitzenantriebsschaltung 232. Die OCT-Antriebseinheit 23 und die OCT-Einheit 15 des Endoskops 1 bilden ein Michelson-Interferometer, um so unter Anwendung des Prinzips der optischen Kohärenztomografie, kurz OCT; Bilder der Körperhöhlenwand eines lebenden Organismus aufzunehmen.
Die Lichtleiteranordnung F ist eine Parallelanordnung einiger hundert Einzelmode-Lichtleitfasern. Die Einzelmode-Lichtleitfasern können jeweils so ausgebildet sein, daß sie ihre Polarisation bewahren, d.h. polarisationserhaltend sind. Die SLD 231 ist eine Lichtquelle, die schwach kohärente Lichtstrahlen im nahen Infrarotbereich ausstrahlt. Die Kohärenzlänge der von der SLD 231 ausgesendeten Lichtstrahlen ist extrem kurz, z.B. in der Größenordnung von 10 bis 1000 Mikrometer. Die SLD 231 ist als Mehrkanalsystem ausgebildet, das beispielsweise einige hundert Kanäle hat. Die von der SLD 231 ausgesendeten schwach kohärenten Lichtstrahlen treffen gleichzeitig auf die ihnen zugeordneten Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung F.
Die Spitzenantriebsschaltung 232 ist an die CPU 221, den Zeitsteuergenerator 222 und die OCT-Einheit 15 des Endoskops 1 angeschlossen. Die Spitzenantriebsschaltung 232, die später genauer erläutert wird, dient dem Antrieb einer Interferometer-Einheit 154 der OCT-Einheit 15 des Endoskops 1.
2 zeigt schematisch das Michelson-Interferometer, das von der OCT-Einheit 15 des Endoskops 1 und der OCT-Antriebseinheit 23 der externen Vorrichtung 2 gebildet wird. Das Prinzip der Tomogrammaufnahme wird im folgenden unter Bezugnahme auf 2 erläutert. Um die Beschreibung zu vereinfachen, werden in der folgenden Erläuterung des OCT-Prinzips die OCT-Einheit 15 und die OCT-Antriebseinheit 23 jeweils als Einkanalsystem beschrieben. Tatsächlich ist jedoch das erfindungsgemäße Endoskopsystem ein Mehrkanalsystem, mit dem Hunderte von Punkten an dem Objekt gleichzeitig betrachtet werden können.
Die OCT-Einheit 15 hat einen Lichtdetektor D, einen Strahlteiler S und einen Reflektor R. Der Strahlteiler S befindet sich in dem Strahlengang des schwach kohärenten Lichtstrahls, um diesen zweizuteilen. Der auf den Strahlteiler S treffende schwach kohärente Lichtstrahl wird in einen Strahl, der geradlinig durch den Strahlteiler S läuft, und in einen Strahl aufgeteilt, der rechtwinklig an dem Strahlteiler S reflektiert wird. Der Reflektor R ist in dem Strahlengang des an dem Strahlteiler S reflektierten Strahls angeordnet.
Die optische Weglänge von dem Strahlteiler S zu dem Reflektor R ist durch einen Wert L festgelegt. Der Punkt, der in dem Strahlengang des geradlinig durch den Strahlteiler S tretenden Strahls angeordnet und von dem Strahlteiler S um die Strecke L beabstandet ist, ist mit M bezeichnet. Weiterhin wird vorausgesetzt, daß sich dieser Beobachtungspunkt M innerhalb eines Objektes T befindet. Das Objekt T ist dabei Gewebe eines lebenden Organismus.
In diesem Zustand wird der von der SLD 231 ausgesendete schwach kohärente Lichtstrahl von dem Strahlteiler S in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer dieser beiden Strahlen tritt dann durch den Strahlteiler S und erreicht das Objekt T. Der andere Strahl, der an dem Strahlteiler S reflektiert wird, läuft auf den Reflektor R zu.
Der Strahl, der das Objekt T erreicht hat, wird an der Oberfläche des Objektes T sowie an Gewebeteilen reflektiert, die sich in verschiedenen Tiefen unterhalb der Oberfläche des Objektes T befinden. Die reflektierten Strahlen, die im folgenden als Beobachtungsstrahlen bezeichnet werden, laufen weiter in Richtung des Strahlteilers S. Andererseits wird der Strahl, der den Reflektor R erreicht hat, an dem Reflektor R reflektiert und läuft als Referenzstrahl wieder auf den Strahlteiler S zu.
An dem Strahlteiler S interferieren die Beobachtungsstrahlen und der Referenzstrahl. Da die Beobachtungsstrahlen in verschiedenen Tiefen des Objektes T reflektiert werden, weisen die Zeitpunkte, zu denen die Beobachtungsstrahlen auf dem Strahlteiler S auftreffen, eine gewisse Streuung auf. So erreicht der an der Oberfläche des Objektes T reflektierte Strahl den Strahlteiler S zuerst, während die in tieferen Schichten reflektierten Beobachtungsstrahlen den Strahlteiler S mit einer gewissen Verzögerung erreichen, die von der jeweiligen Tiefe abhängt.
Da der Referenzstrahl an dem Reflektor R reflektiert wird, ändern sich die Zeitpunkte, zu denen die reflektierten Referenzstrahlen auftreffen, im wesentlichen nicht. Auf diese Weise interferiert nur ein Beobachtungsstrahl, dessen optische Weglänge gleich L ist, an dem Strahlteiler S mit dem Referenzstrahl. Dies bedeutet, daß nur der an dem Beobachtungspunkt M reflektierte Beobachtungsstrahl an dem Strahlteiler S mit dem Referenzstrahl interferiert.
Die an dem Strahlteiler S interferierenden Strahlen, im folgenden auch kurz als Interferenzstrahlen bezeichnet, erreichen den Strahldetektor D, der diese Strahlen als Signal erfasst. Die Beobachtungsstrahlen, die mit dem Referenzstrahl nicht interferieren, werden ebenfalls von dem Lichtdetektor D erfasst. Diese Strahlen werden jedoch als Rauschkomponenten mit geringem Signalpegel erfasst.
Gemäß dem eben erläuterten Verfahren wird die Intensität des Strahls erfasst, der an dem in dem Objekt T liegenden Beobachtungspunkt M reflektiert wird. Wenn das den Lichtdetektor D, den Strahlteiler S und den Reflektor R enthaltende Interferometer an das Objekt T heranbewegt oder von diesen wegbewegt wird, bewegt sich der Beobachtungspunkt M entsprechend. Befindet sich das Interferometer näher an dem Objekt T, so bewegt sich der Beobachtungspunkt M tiefer in das Objekt T hinein, d.h. weiter von der Oberfläche des Objektes T weg. 3 zeigt eine solche Situation, in der das Interferometer näher an dem Objekt T angeordnet ist, als dies in 2 der Fall ist. Befindet sich dagegen das Interferometer weiter von dem Objekt T entfernt, so bewegt sich der Beobachtungspunkt M näher zur Oberfläche des Objektes T hin.
Indem das Interferometer in vorstehend erläuterter Weise auf das Objekt zu oder von diesem weg bewegt wird, wird das Objekt T in Richtung der Objekttiefe abgetastet. Die Intensität des an dem Beobachtungspunkt M reflektierten Strahls variiert abhängig von dem an dem Beobachtungspunkt M vorhandenen Gewebezustand des Objekts T. Auf diese Weise wird das Tomogramm auf Grundlage der Intensitätsverteilung der Strahlen aufgenommen, die ausgehend von der Oberfläche des Objektes T bis in eine vorbestimmte Tiefe unterhalb der Oberfläche an verschiedenen Stellen des Beobachtungspunktes M reflektiert werden.
Das eben erläuterte Prinzip des OCT-Verfahrens wird in dem erläuterten Ausführungsbeispiel des Endoskopsystems eingesetzt. Der tatsächliche Aufbau der OCT-Einheit 15 wird unter Bezugnahme auf die 4, 5, 6, 7A, 7B und 8 beschrieben. 4 zeigt einen Längsschnitt durch das Einführrohr des Endoskops 1. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der in 4 dargestellten Linie V-V. 6 zeigt einen Querschnitt entlang der in den 4 und 5 dargestellten Linie VI-VI. Wie in den Figuren gezeigt, hat die OCT-Einheit 15 ein im wesentlichen zylindrisches Außenrohr 151, einen ersten Nockenring 152, einen zweiten Nockenring 153 und eine Interferometer-Einheit 154. Der erste und der zweite Nockenring 152, 153 und die Interferometer-Einheit 154 sind jeweils in dem Außenrohr 151 untergebracht.
Die distale Endfläche des Außenrohrs 151 steht nach innen über und bildet so einen Innenflansch. Das Außenrohr 151 ist so ausgebildet, daß sein distales Ende vergleichsweise dick und der übrige Teil, d.h. der proximal des distalen Endes liegende Teil, dünner ist. Die Öffnung des Außenrohrs 151 an seinem distalen Ende ist mit einer scheibenförmigen Glasabdeckung 151a abgedichtet. Die Glasabdeckung 151a befindet sich also vom Rohrinneren aus in engem Kontakt mit dem am distalen Ende des Außenrohrs 151 vorgesehenen Innenflansch.
Der erste Nockenring 152 ist zylindrisch ausgebildet. Seine Außenfläche kann intern mit der Innenfläche des Außenrohrs 151 in Kontakt gebracht werden, und zwar am distalen Ende des Außenrohrs 151, das dicker ausgebildet ist. Der zweite Nockenring 153 ist ebenfalls zylindrisch ausgebildet, und seine Außenflä che kann intern mit der Innenfläche des ersten Nockenrings 152 in Kontakt gebracht werden.
An dem ersten Nockenring 152 sind zwei Paare Nockenschlitze H1 und H2 ausgebildet. An dem zweiten Nockenring 153 sind zwei Paare Nockenschlitze J1 und J2 ausgebildet. Die Nockenschlitze H1, H2, J1 und J2 werden im folgenden unter Bezugnahme auf die 7A und 7B beschrieben.
An der Seitenfläche des ersten Nockenrings 152 sind, wie in 7A gezeigt, der Nockenschlitz H1 und der Nockenschlitz H2 so ausgebildet (gelocht), daß jedes Paar Nockenschlitze H1 und H2 entlang einer Linie langgestreckt ist, die parallel zur Mittelachse des ersten Nockenrings 152 verläuft. Hinsichtlich ihrer Form sind die Nockenschlitze H1 und die Nockenschlitze H2 im wesentlichen gleich. Die Nockenschlitze H1 sind am distalen Ende und die Nockenschlitze H2 am proximalen Ende des ersten Nockenrings 152 ausgebildet. Die beiden Paare Nockenschlitze H1 und H2 sind bezüglich der Mittelachse des ersten Nockenrings 152 symmetrisch angeordnet.
An der Seitenfläche des zweiten Nockenrings 153 ist, wie in 7B gezeigt, ein Paar schraubenförmiger Nockenschlitze J1 und J2 ausgebildet (gelocht). Der Nockenschlitz J1 ist langgestreckt und verläuft unter einem vorbestimmten Winkel bezüglich der Mittelachse des zweiten Nockenrings 153, wobei sein am distalen Ende, d.h. in 7B links, angeordnetes Ende, d.h. in 7B das obere Ende, sowie das andere Ende, d.h. in 7B das untere Ende, das sich etwa einen halben Umfang von dem einen Ende entfernt befindet, an dem zweiten Nockenring 153 am proximalen Ende, d.h. in 7B rechts, angeordnet sind.
Bezüglich des Nockenschlitzes J1 befindet sich der Nockenschlitz J2 auf der proximalen Seite. Auch der Nockenschlitz J2 ist langgestreckt und verläuft unter einem vorbestimmten Winkel bezüglich der Mittelachse des zweiten Nockenrings 153, wobei sein am proximalen Ende, d.h. in 7B rechts, angeordnetes Ende, d.h. in 7B das obere Ende, sowie das andere Ende, d.h. in 7B das untere Ende, das sich etwa einen halben Umfang von dem einen Ende entfernt befindet, an dem zweiten Nockenring 153 am distalen Ende, d.h. in 7B links, befinden.
Ein weiteres Paar Nockenschlitze, die den Nockenschlitzen J1 und J2 entsprechen, sind bezüglich der Mittelachse des Nockenrings 153 rotationssymmetrisch zu den Nockenschlitzen J1 und J2 angeordnet.
Wird der zweite Nockenring 153 so in den ersten Nockenring 152 eingesetzt, daß das distale Ende des Nockenschlitzes H1 mit dem einen Ende des Nockenschlitzes J1, d.h. in 7B dem oberen Ende, übereinstimmt, fällt das distale Ende des Nockenrings 152 mit dem distalen Ende des Nockenrings 153 zusammen. In diesem Zustand fällt das proximate Ende des Nockenschlitzes H2 mit dem einen Ende des Nockenschlitzes J2, d.h. in 7B dem oberen Ende, zusammen.
Wird in diesem Zustand der zweite Nockenring 153 etwa eine halbe Umdrehung gegenüber dem ersten Nockenring 152 vom distalen Ende, d.h. in 7B vom linken Ende aus betrachtet, im Gegenuhrzeigersinn gedreht, so fallen das proximale Ende des Nockenschlitzes H1 mit dem entgegengesetzten Ende des Nockenschlitzes J1, d.h. in 7B dem unteren Ende, zusammen, während das distale Ende des Nockenschlitzes H2 und das entgegengesetzte Ende des Nockenschlitzes J2, d.h. in 7B das untere Ende, zusammenfallen.
An der Innenfläche des zweiten Nockenrings 153, dessen Außenfläche von innen die Innenfläche des ersten Nockenrings 152 kontaktiert, liegt von innen die Interferometer-Einheit 154 an. Die Interferometer-Einheit 154 enthält, wie in den 4 bis 6 gezeigt, ein Halterohr 154a, den Lichtdetektor D, den Strahlteiler S, eine Platte 154b mit Gradientenbrechungsindex und eine Sammellinsenanordnung 154c. Die Platte 154b wird im folgenden als GI-Platte bezeichnet. GI steht hierbei für "graded index".
Die Außenumfangsfläche des Halterohrs 154a hat im wesentlichen zylindrische Form und kann von innen in Anlage an die Innenfläche des zweiten Nockenrings 153 gebracht werden. Innerhalb des Halterohrs 154a ist ein Raum mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Das distale Ende des Halterohres 154a ist in der vertikalen Richtung nach 4 schmaler ausgebildet als der proximale Teil des Halterohrs 154a. In dem oben genannten Raum ist am distalen Ende die Sammellinsenanordnung 154c gehalten, während der Lichtdetektor D, der Strahlteiler S und die GI-Platte 154b als Einheit im mittleren Teil des Raums gehalten sind. Die Sammellinsenanordnung 154c hat etwa die Form einer Parallelplatte, von deren einer Fläche mehrere Linsenflächen abstehen, die jeweils einer der Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung F zugeordnet sind. Jede Linsenfläche der Sammellinsenanordnung 154c ist als rotationssymmetrische, konvexe Linsenfläche ausgebildet. Die Sammellinsenanordnung 154c ist in dem Halterohr 154a so angeordnet, daß die optische Achse jeder Linse parallel zur Mittelachse des Halterohres 154a verläuft und jede Linsenfläche dem distalen Ende zugewandt ist.
Der Strahlteiler S besteht aus einem Paar Rechtwinkelprismen, die jeweils als langgestrecktes, dreiseitiges Prisma ausgebildet sind. An einer geneigten Fläche eines der Rechtwinkelprismen ist eine halbdurchlässige Membran ausgebildet. Die beiden Rechtwinkelprismen sind an ihren geneigten Flächen miteinander verkittet.
An eine rechtwinklige Fläche des Strahlteilers S ist der Lichtdetektor D gekoppelt. Der Lichtdetektor D enthält einen Liniensensor. An die entgegengesetzte Seitenfläche des Strahlteilers S ist die GI-Platte 154b gekoppelt. Der Brechungsindex der GI-Platte 154b ist in dem dem Strahlteiler S näher gelegenen Teil mit seinem Wert näher an dem Brechungsindex, des Strahlteilers S. In einem von dem Strahlteiler S weiter entfernten Teil ist der Brechungsindex der GI-Platte 154b größer. An der Fläche der GI-Platte 154b, die von der Fläche, an die der Strahlteiler S gekoppelt ist, abgewandt ist, ist eine Reflexionsfläche R ausgebildet.
Der Lichtdetektor D, der Strahlteiler S und die GI-Platte 154b sind in dem innerhalb des Halterohrs 154a festgelegten Raum gehalten, wobei die Innenfläche des Halterohrs 154a in Kontakt mit dem Lichtdetektor D und der GI-Platte 154b steht.
Das Halterohr 154a hat zwei zylindrische Vorsprünge B, B wie in 5 gezeigt ist. die Vorsprünge B, B sind bezüglich der Mittelachse des Halterohrs 154a symmetrisch zueinander ausgebildet. Das Halterohr 154a ist in den zweiten Nockenring 153 eingesetzt, wobei die Vorsprünge B, B durch die Nockenschlitze J1 des zweiten Nockenrings 153 und die Nockenschlitze H1 des ersten Nockenrings 152 geführt sind.
Wie oben erläutert, sind der zweite Nockenring 153 und der erste Nockenring 152, in dem die Interferometer-Einheit 154 untergebracht ist, in dem Außenrohr 151 gehalten, wobei ihre distalen Enden in Kontakt mit der Glasabdeckung 151a stehen.
An den Kreuzungspunkten, wo sich die Nockenschlitze H2, H2 und die Nockenschlitze J2, J2 schneiden, sind die Stifte 155, 155 eingesetzt. Zur Kraftübertragung ist ein Arm 156 mit einem der Stifte 155 verbunden. Das proximale Ende des Arms 156 ist an eine Antriebsvorrichtung DR (vgl. 1) angeschlossen, die Zahnräder und einen Motor (nicht gezeigt) enthält. Die Antriebsvorrichtung DR ist mit der Spitzenantriebsschaltung 232 der externen Vorrichtung 2 verbunden. Die Spitzenantriebsschaltung 232 lässt den Motor der Antriebsvorrichtung DR drehen, indem sie ihm elektrischen Strom zuführt. Die Drehung des Motors wird auf die Zahnräder übertragen, die den Arm 156 in eine Richtung parallel zur Mittelachse des Außenrohrs 151 bewegen. Befindet sich der Arm 156 an dem am weitesten proximal angeordneten Ende, so kontaktieren die Stifte 155, 155 die proximalen Enden der Nockenschlitze H2, H2 des ersten Nockenrings 152 bzw. die einen Enden der Nockenschlitze J2, J2 des zweiten Nockenrings 153. In diesem Zustand kontaktieren die Vorsprünge B, B der Interferometer-Einheit 154 die distalen Enden der Nockenschlitze H1, H1 des ersten Nockenrings bzw. die einen Enden der Nockenschlitze J1, J1 des zweiten Nockenrings 153. Wie in 6 gezeigt, befindet sich in diesem Zustand die Interferometer-Einheit 154 an dem am weitesten distal angeordneten Ende, und das distale Ende des Halterohrs 154a der Interferometer-Einheit 154 kontaktiert in diesem Zustand die Glasabdeckung 151a.
Bewegt sich ausgehend von diesem Zustand der Arm 156 auf das distale Ende zu, so werden die Stifte 155, 155 jeweils auf das distale Ende der Nockenschlitze H2, H2 zu bewegt, wobei sie in den Nockenschlitzen H2, H2 geführt werden. Bei dieser Bewegung drücken die Stifte 155, 155 die Nockenschlitze J2, J2 in Richtung des distalen Endes. Der zweite Nockenring 153 wird so gedreht, und zwar in 5 im Gegenuhrzeigersinn. Wird der zweite Nockenring 153 in dieser Weise gedreht, so drücken die Nockenschlitze J1 und J2 die Vorsprünge B, B der Interferometer-Einheit 154 in Richtung des proximalen Endes. Die Interferometer-Einheit 154 wird so auf das proximate Ende zu bewegt, da die Vorsprünge B, B in den Nockenschlitzen H1, H1 des ersten Nockenrings 152 geführt werden.
Berühren dann die Stifte 155, 155 die Enden der Nockenschlitze H2, H2 des ersten Nockenrings 152, so berühren sie auch die anderen Enden der Nockenschlitze J2, J2 des zweiten Nockenrings 153. Bei dieser Bewegung berühren die Vorsprünge B, B der Interferometer-Einheit 154 die proximalen Enden der Nockenschlitze H1, H1 des ersten Nockenrings 152 bzw. die anderen Enden der Nockenschlitze J1, J1 des zweiten Nockenrings 153. In diesem Zustand ist die Interferometer-Einheit 154 am weitesten proximalseitig angeordnet.
Wird dagegen ausgehend von dem in 8 gezeigten Zustand der Arm 156 in Richtung des proximalen Endes des Außenrohrs 151 bewegt, so bewegen sich die Stifte 155, 155 in Richtung der proximalen Enden der Nockenschlitze H2, H2, wobei sie in den Nockenschlitzen H2, H2 geführt werden. In diesem Zustand drücken die Stifte 155, 155 die Nockenschlitze J2, J2 in Richtung des proximalen Endes. Der zweite Nockenring 153 wird so gedreht, und zwar in 5 im Uhrzeigersinn. Dreht sich der zweite Nockenring 153 in dieser Weise, so drücken die Nockenschlitze J1, J1 die Vorsprünge B, B der Interferometer-Einheit 154 in Richtung des distalen Endes. Die Interferometer-Einheit 154 wird so durch die Nockenschlitze H1, H1 des ersten Nockenrings 152 in Richtung des distalen Endes bewegt, wobei sie von den Vorsprüngen B, B geführt werden. Bewegt sich dann der Arm 156 in die am weitesten proximalseitig angeordnete Position, so wird die Interferometer-Einheit 154 in der am weitesten distalseitig gelegenen Position angeordnet, d.h. zurück in die in 6 gezeigte Position bewegt.
Bewegt sich also der Arm 156 vom proximalen Ende zum distalen Ende, so bewegt sich die Interferometer-Einheit 154 aus der distalen Endposition in die proximale Endposition. Bewegt sich dagegen der Arm 156 vom distalen Ende zum proximalen Ende, so bewegt sich die Interferometer-Einheit 154 aus der proximalen Endposition in die distale Endposition.
Durch den Raum innerhalb des zweiten Nockenrings 153 der OCT-Einheit 15 ist proximalseitig der Interferometer-Einheit 154 die Lichtleiteranordnung F eingeführt. Die OCT-Einheit 15 hat eine Kollimatorlinsenanordnung 157, die der Spitze der Lichtleiteranordnung F zugewandt ist. Die Lichtleiteranordnung F und die Kollimatorlinsenanordnung 157 sind an einem nicht gezeigten Halteelement gehalten. Das proximate Ende dieses Halteelementes ist an dem Außenrohr 151 befestigt. Verschiebt sich die Interferometer-Einheit 154 mit Drehen des zweiten Nockenrings 153 zum distalen Ende oder zum proximalen Ende hin, so werden deshalb die Lichtleiteranordnung F und die Kollimatorlinsenanordnung 157 gegenüber dem Außenrohr 151, der Glasabdeckung 151a und dem ersten Nockenring 152 nicht versetzt.
Die Kollimatorlinsenanordnung 157 hat im wesentlichen die Form einer Parallelplatte, an deren einer Fläche mehrere Linsenflächen ausgebildet sind, die jeweils einer Lichtleitfaser der Lichtleiteranordnung F zugeordnet sind. Die Kollimatorlinsenanordnung 157 ist derart angeordnet, daß die Fläche, an der die Linsenflächen ausgebildet sind, dem Strahlteiler S der Interferometer-Einheit 154 zugewandt ist, daß die optische Achse jeder Linsenfläche mit der optischen Achse der jeweiligen Linsenfläche der Sammellinsenanordnung 154c der Interferometer-Einheit 154 zusammenfällt, und daß die Fläche, an der die Linsenflächen ausgebildet sind, einen vorbestimmten Abstand von der Glasabdeckung 151a hat.
Die Lichtleiteranordnung F ist derart angeordnet, daß die optischen Achsen der Lichtleitfasern mit den optischen Achsen der Linsenflächen der Kollimatorlinsenanordnung 157 zusammenfallen. Weiterhin ist die Lichtleiteranordnung F in einem vorbestimmten Abstand von der Kollimatorlinsenanordnung 157 angeordnet. In diesem Zustand befinden sich die auf die Seite der Lichtleiteranordnung F bezogenen Brennpunkte der Linsenflächen der Kollimatorlinsenanordnung 157 an den Lichtaustrittsflächen der Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung F.
Die von den Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung F ausgestrahlten schwach kohärenten Strahlen treffen von hinten auf die Linsenflächen der Kollimatorlinsenanordnung 157. Die Kollimatorlinsenanordnung 157 wandelt dann die auftreffenden Strahlen jeweils in parallele Strahlen. Jeder einzelne von einer der Lichtleitfasern ausgesendete Strahl wird so in einen parallelen Lichtstrahl gewandelt. Die Hauptstrahlen dieser einzelnen von den Linsenflächen der Kollimatorlinsenanordnung 157 ausgesendeten Lichtstrahlen verlaufen parallel zueinander.
Die von der Kollimatorlinsenanordnung 157 ausgesendeten parallelen Strahlen treffen jeweils auf den Strahlteiler S der Interferometer-Einheit 154. Der Strahlteiler S spaltet jeden dieser parallelen Strahlen in zwei Strahlen auf, nämlich einen Strahl, der geradlinig durch den Strahlteiler S tritt, und einen anderen Strahl, der an einer Reflexionsfläche des Strahlteilers S reflektiert und gegenüber dem auftreffenden Strahl um 90° abgelenkt wird.
Die durchgelassenen Strahlen treffen auf die Sammellinsenanordnung 154c. Die Linsenflächen der Sammellinsenanordnung 154c bündeln dann diese schwach kohärenten Lichtstrahlen. Die von der Sammellinsenanordnung 154c ausgesendeten schwach kohärenten Lichtstrahlen treten dann durch die Glasabdeckung 151a aus dem Endoskop 1 aus und werden auf ein Objekt gebündelt, das der Glasabdeckung 151a gegenüberliegt.
Die schwach kohärenten Strahlen, die an der Objektoberfläche oder an Schichten unterhalb der Objektoberfläche, d.h. im Objektinneren reflektiert werden, treffen als Beobachtungsstrahlen auf die Sammellinsenanordnung 154c der Interferometer-Einheit 154. Die Sammellinsenanordnung 154c wandelt die Beobachtungsstrahlen in parallele Strahlen, die auf den Strahlteiler S gerichtet werden.
Die an dem Strahlteiler S reflektierten Strahlen treffen auf die GI-Platte 154b und werden an deren Reflexionsfläche R reflektiert. Die an der Reflexionsfläche R reflektierten Strahlen treten nochmals durch die GI-Platte 154b und laufen als Referenzstrahlen auf den Strahlteiler S zu.
Die Beobachtungsstrahlen und die Referenzstrahlen interferieren miteinander und bilden so Interferenzstrahlen, die dann von dem Lichtdetektor D erfasst werden. Da die Beobachtungsstrahlen in unterschiedlichen Tiefen an Gewebeschichten des Objektes T reflektiert werden, weisen die Zeitpunkte, zu denen die Beobachtungsstrahlen auf den Strahlteiler S treffen, eine gewisse Streuung auf. So erreicht ein an der Oberfläche des Objektes T reflektierter Beobachtungsstrahl den Strahlteiler S früher als ein an einer tiefergelegenen Gewebeschicht reflektierter Beobachtungsstrahl.
Andererseits weisen die Zeitpunkte, zu denen die Referenzstrahlen den Strahlteiler S erreichen, im wesentlichen keine Streuung auf, da die Referenzstrahlen an dem Reflektor R reflektiert werden. Mit den Referenzstrahlen interferieren deshalb nur diejenigen Beobachtungsstrahlen, deren optische Weglänge im wesentlichen gleich der optischen Weglänge der Referenzstrahlen ist, umgesetzt in die optische Weglänge durch Luft. Die optischen Wege, d.h. die Strahlengänge der Referenzstrahlen liegen in der GI-Platte 154b, die einen vergleichsweise hohen Brechungsindex hat, so daß die geometrische optische Weglänge der Beobachtungsstrahlen größer als die geometrische optische Weglänge der Referenzstrahlen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß die optischen Weglängen der Referenzstrahlen innerhalb eines kleineren Bereichs vorgesehen werden können, während die geometrische Weglängen der Beobachtungsstrahlen ausreichend groß sein dürfen.
Führt die Interferometer-Einheit 154 mit Bewegung des Arms 156 eine Translationsbewegung in Richtung des distalen Endes oder des proximalen Endes aus, so bewegt sich eine Position (Beobachtungsposition M) in den optischen Wegen der Beobachtungsstrahlen, die zu der Reflexionsfläche in den optischen Wegen der Referenzstrahlen äquivalent ist, entlang der Interferometer-Einheit 154. Ein Verfahren zum Abtasten des Objektes in Tiefenrichtung durch Bewegen der Interferometer-Einheit 154 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 9A, 9B und 9C erläutert.
Wie in 9A gezeigt, befindet sich der zu der Reflexionsfläche R äquivalente Beobachtungspunkt M bezüglich der Oberfläche des Objektes T an einer Position in vergleichsweise geringer Tiefe. Wird die Interferometer-Einheit 154 ausgehend von diesem Zustand auf das Objekt T zubewegt, so verschiebt sich der Beobachtungspunkt M in dem Objekt T in eine tiefere Position, wie in 9B gezeigt ist. Bewegt sich die Interferometer-Einheit 154 weiter auf das Objekt T zu, so wird der Beobachtungspunkt M in dem Objekt T in eine noch tiefere Position verschoben, wie in 9C gezeigt ist.
Wie eben erläutert, bewegt sich der Beobachtungspunkt M in dem Objekt T in Tiefenrichtung, wenn die Interferometer-Einheit 154 mit dem dem Objekt T zugewandten Endoskop 1 bewegt wird. Das Objekt T kann so durch Bewegen der Interferometer-Einheit 154 in Tiefenrichtung abgetastet werden. Die Anzahl an Beobachtungspunkten M kann virtuell durch die Anzahl an Lichtleitfasern, d.h. an Kanälen, eingestellt werden, die in der Lichtleiteranordnung F vorhanden sind. Das Objekt T wird so zweidimensional abgetastet, und zwar entsprechend Liniensegmenten, die eine Vielzahl von Beobachtungspunkten M miteinander verbinden, und entsprechend deren Tiefe.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Endoskopsystems beschrieben.
Aktiviert der Benutzer die externe Vorrichtung 2, so werden die Weißlichtquelle 211 und die Anregungslichtquelle 212 eingeschaltet. Im Anfangsstadium befinden sich der Umschaltspiegel 213 und das Drehfilter C in ihren für die Normalbildbetrachtung vorgesehenen Stellungen. Das von der Weißlichtquelle 211 ausgesendete weiße Licht tritt so durch die Blende 215 und trifft auf die Kondensorlinse Lc.
Der Drehfilter-Steuermechanismus 217 führt nacheinander die Filter des Drehfilters C ein. Das aus der Kondensorlinse Lc austretende weiße Licht wird so nacheinander in blaues, grünes, rotes und weißes Licht umgesetzt und dann auf die proximale Endfläche des Lichtleiters 12b gebündelt. Das auf den Lichtleiter 12b treffende Licht wird dabei ausgerichtet und tritt aus der Beleuchtungslinse 12a aus. Aus der Beleuchtungslinse 12a tritt also nacheinander blaues, grünes, rotes und weißes Licht aus.
Führt der Benutzer das Einführrohr 11 des Endoskops 1 in die Körperhöhle ein, und sind die Beleuchtungslinse 12a der Beleuchtungsoptik 12 sowie die Objektivlinse 13a der Objektivoptik 13 der zu betrachtenden Körperhöhlenwand zugewandt, so beleuchtet das von der Beleuchtungslinse 12a ausgesendete Licht sequentiell die Körperhöhlenwand.
Die Körperhöhlenwand wird dann nacheinander mit blauem, grünem, rotem und weißem Licht beleuchtet, wobei die Objektivoptik 13 auf der Bildempfangsfläche der CCD 14 Bilder der entsprechenden Farbkomponenten erzeugt. Die CCD 14 wandelt dann das entsprechende optische Bild in das elektronische Bild, d.h. das Bildsignal, das an die Vorverarbeitungsschaltung 223 übertragen wird. Die Vorverarbeitungsschaltung 223 hält die Bildsignale zurück, die erhalten werden, wenn das blaue, das grüne und das rote Licht von der Beleuchtungslinse 12a ausgesendet werden, und das Bildsignal, das beim Aussenden von weißem Licht erhalten wird, wird gleichsam verworfen.
Die Vorverarbeitungsschaltung 223 führt Signalverarbeitungsoperationen an den zurückgehaltenen Bildsignalen aus und führt dann eine A/D-Wandlung durch. Die A/D-gewandelten Bilddaten werden in folgender Reihenfolge in einem B-, einem G- und einem R-Bereich des RGB-Speichers 224 gespeichert. Die Bilddaten, die man erhält, wenn die Beleuchtungslinse 12a blaues Licht ausgibt, werden in dem B-Bereich des RGB-Speichers 224 gespeichert. Entsprechend wird verfahren mit den Daten, die man erhält, wenn die Beleuchtungslinse 12a grünes Licht und rotes Licht abgibt.
Die Videosignalverarbeitungsschaltung 225 gewinnt mit einer vorbestimmten zeitlichen Festlegung, d.h. einem vorbestimmten Timing, die in dem RGB-Speicher 224 gespeicherten Daten wieder, um ein Farbvideosignal zu erzeugen, das an den Videoteil 226 übertragen wird. Empfängt der Videoteil 226 das Videosignal, so stellt er ein diesem entsprechendes Bild auf dem Monitor 3 dar. In diesem Stadium kann der Benutzer die Oberfläche der Körperhöhlenwand über den Monitor 3 betrachten.
Der Benutzer kann ein Fluoreszenzbild auswählen, indem er einen entsprechenden, an der Bedieneinheit vorgesehenen Schalter betätigt. Mit Betätigen dieses Schalters steuert die CPU 221 den Lichtquellen-Umschaltmechanismus 214 so an, daß der Spiegel 213 in die für die Aufzeichnung des Fluoreszenzbildes bestimmte Stellung gebracht wird. Weiterhin steuert die CPU 221 den Drehfilter-Steuermechanismus so an, daß das Drehfilter C in den für die Fluoreszenzbildbetrachtung vorgesehenen Zustand gebracht wird. Auf diese Weise wird das von der Weißlichtquelle 211 ausgesendete weiße Licht abgeschirmt und das von der Anregungslichtquelle 212 ausgesendete Anregungslicht in den Lichtleiter 12b eingekoppelt. Das in den Lichtleiter 12b gelangte Anregungslicht tritt aus der Beleuchtungslinse 12a aus und beleuchtet die Körperhöhlenwand.
Das Gewebe der Körperhöhlenoberfläche sendet Fluoreszenzlicht aus, dessen Wellenlänge von der des Anregungslichtes verschieden ist. Bekanntlich hat das von erkranktem Gewebe, das beispielsweise von Krebs oder einem Tumor befal len ist, ausgesendete Fluoreszenzlicht eine geringere Intensität als das von gesundem Gewebe ausgesendete Fluoreszenzlicht.
Das von dem Gewebe ausgesendete Fluoreszenzlicht trifft zusammen mit dem reflektierten Anregungslicht auf die Objektivoptik 13. Die Objektivoptik 13 hat ein Kanten- oder Sperrfilter, das das Anregungslicht sperrt und das Fluoreszenzlicht durchlässt. Das Fluoreszenzlicht wird so auf die Bildempfangsfläche der CCD 14 gebündelt, so daß dort ein optisches Bild erzeugt wird.
Die CCD 14 wandelt das optische Bild in ein Bildsignal, das an die Vorverarbeitungsschaltung 223 übertragen wird. Die Vorverarbeitungsschaltung 223 empfängt das Bildsignal, führt Verarbeitungsoperationen wie z.B. eine Verstärkung und dergleichen sowie eine A/D-Wandlung durch, um so digitale Bilddaten zu erzeugen. Die Bilddaten werden zur gleichen Zeit in dem für Blau bestimmten Bereich, dem für Grün bestimmten Bereich und dem für Rot bestimmten Bereich des RGB-Speichers 224 gespeichert. Das Fluoreszenzbild wird also als monochromes Bild behandelt. Die Videosignalverarbeitungsschaltung 225 gewinnt mit einer vorbestimmten zeitlichen Festlegung die in dem RGB-Speicher 224 gespeicherten Daten wieder und verarbeitet diese zu einem monochromen Videosignal, das an den Videoteil 226 übertragen wird. Der Videoteil 226 stellt ein monochromes Bild entsprechend dem empfangenen Videosignal dar. In dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird das Fluoreszenzbild als monochromes Bild dargestellt, in einer Abwandlung kann jedoch das Fluoreszenzbild auch als Farbbild dargestellt werden. In diesem Fall kann die Farbe der Bildteile beispielsweise auf Grundlage der Intensität des Fluoreszenzlichtes bestimmt werden.
Der Benutzer kann den Fluoreszenzzustand der Körperhöhlenwand über den Monitor 3 betrachten. Ist ein Bereich vorhanden, dessen Intensität geringer als die anderer Bereiche ist, könnte dieser Bereich als erkrankter Bereich aufgefasst werden, in dem sich Krebs oder ein Tumor gebildet hat.
Identifiziert der Benutzer den möglicherweise erkrankten Bereich im Rahmen der Normalbild- oder der Fluoreszenzbildbetrachtung, so werden von diesem Bereich OCT-Bilder aufgenommen. Nach Identifizierung des weiter zu untersuchenden Bereichs kann nämlich der Benutzer den Bedienteil so betätigen, daß die Aufnahme eines Tomogramms ausgewählt wird. Die CPU 221 steuert dann die OCT-Antriebseinheit 23 so an, daß mit der Tomogrammaufnahme begonnen wird. Die SLD 231 sendet dann schwach kohärentes Licht aus. Die Spitzenantriebsschaltung 232 bewegt die Interferometer-Einheit 154 der OCT-Einheit 15 mit hoher Geschwindigkeit hin und her, so daß die Interferometer-Einheit 154 auf das Objekt zu und von diesem weg bewegt wird.
Die von der SLD 231 ausgesendeten schwach kohärenten Lichtstrahlen werden dann von den Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung F in Richtung des distalen Endes geführt. Jeder der von dem distalen Ende der Lichtleiteranordnung F ausgesendeten Lichtstrahlen wird von dem Strahlteiler S in zwei Strahlen aufgespaltet, nämlich in einen Strahl, der durch den Strahlteiler S tritt, auf die Körperhöhlenwand zuläuft und auf diese gebündelt wird, und in einen anderen Strahl, der an dem Strahlteiler S reflektiert wird, durch die GI-Platte 154b läuft und dann an der Reflexionsfläche R reflektiert wird. Die an der Körperhöhlenwand reflektierten Beobachtungsstrahlen und die an der Reflexionsfläche R reflektierten Referenzstrahlen interferieren in dem Strahlteiler S miteinander, worauf der Lichtdetektor D die interferierten Strahlen erfasst.
In diesem Stadium steuert die Spitzenantriebsschaltung 232 der OCT-Antriebseinheit 23 die Interferometer-Einheit 154 so an, daß sich diese bewegt und so die Beobachtungspunkte M in Tiefenrichtung des Objektes hin- und herbewegt werden. Auf diese Weise wird ein vorbestimmter Tiefenbereich, z.B. 2 mm, ausgehend von der Oberfläche der Körperhöhlenwand abgetastet.
Aus praktischen Gründen beginnt die Abtastung in Tiefenrichtung an einer Stelle, die sich näher an dem Endoskop 1 befindet als die Oberfläche der Körperhöhlen wand. Während des Abtastens überprüft die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 alle von dem Lichtdetektor D ausgegebenen Ausgangssignale.
Hat der Beobachtungspunkt M die Oberfläche der Körperhöhlenwand noch nicht erreicht, so erfasst in diesem Fall die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 nicht das Signal aus dem entsprechenden Kanal. Hat dagegen der Beobachtungspunkt M die Oberfläche der Körperhöhlenwand erreicht, so erfasst die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 das Signal aus dem entsprechenden Kanal. Die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 führt dann eine Kalibrierung durch, d.h. eine Nullpunkteinstellung, indem die zuerst erfasste Tiefe als Oberfläche der Körperhöhlenwand angesehen wird. Die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 erkennt nämlich, daß die Tiefe, in der das Signal zum ersten Mal erfasst worden ist, die Oberfläche der Körperhöhlenwand ist (Tiefe 0), und hält die Signale fest, die davon ausgehend in einem vorbestimmten Tiefenbereich, z.B. 2 mm, erhalten werden, während sie die anderen Signale verwirft.
Die OCT-Vorverarbeitungsschaltung 227 führt dann an den festgehaltenen Signalen Signalverarbeitungsoperationen durch, z.B. eine Verstärkung, eine Decodierung und eine A/D-Wandlung. Die von der Vorverarbeitungsschaltung 227 auf diese Weise erhaltenen Daten werden in dem OCT-Speicher 228 gespeichert. Die OCT-Videosignalverarbeitungsschaltung 229 gewinnt die in dem OCT-Speicher 228 gespeicherten Daten mit einer vorbestimmten zeitlichen Festlegung wieder und verarbeitet diese, um so ein Videosignal zu erzeugen, das an den Videoteil 226 übertragen wird. Der Videoteil 226 stellt ein Bild entsprechend dem empfangenen Videosignal auf dem Monitor 3 dar. Auf diese Weise wird auf dem Monitor 3 ein von der Oberfläche bis in eine vorbestimmte Tiefe reichendes Tomogramm dargestellt. Optional kann der Videoteil 226 das Tomogramm zur gleichen Zeit sowohl als Normalbild als auch als Fluoreszenzbild auf dem Monitor 3 darstellen, wobei der Anzeigebereich des Monitors 3 unterteilt ist.
Die vorstehend erläuterte Ausgestaltung ermöglicht es dem Benutzer, den Zustand unterhalb der Oberfläche der Körperhöhlenwand zu erkennen und so eine genaue und schnelle Diagnose vorzunehmen. Da die Beobachtung lediglich die Verwendung des Endoskops vorsieht, kann der Benutzer Krebs im Frühstadium, kleine Tumore oder dergleichen auffinden.
Da eine schnelle und genaue Diagnose möglich ist, kann der Benutzer die erforderliche Behandlung an dem erkrankten Bereich vornehmen. Beispielsweise kann er eine Zange, ein Laserbehandlungsinstrument oder dergleichen durch den Instrumentenkanal des Endoskops einführen und den erkrankten Bereich unmittelbar behandeln. Die Belastung des Patienten ist so beträchtlich gemildert.
Da die optischen Wege für die Referenzstrahlen in der GI-Platte 154b liegen, kann der die Referenzstrahlen betreffende Aufbau unter Bereitstellung einer ausreichend großen geometrischen Länge der auf die Beobachtungsstrahlen bezogenen optischen Wege kompakt gehalten werden. Die Interferometer-Einheit 154 kann so in einem begrenzten Raum des distalen Endes des Endoskops 1 untergebracht werden. Es ist deshalb nicht erforderlich, die Interferometer-Einheit 154 in der externen Vorrichtung 2 unterzubringen, womit ein verkleinertes Endoskopsystem realisiert werden kann.

Claims

Endoskopsystem (1000) mit einem Lichtleiter (F), der mehrere Strahlengänge enthält, einer an dem proximalen Ende des Lichtleiters (F) angeordneten Quelle (231) für schwach kohärente Lichtstrahlen, die jeweils in einen der in dem Lichtleiter (F) vorgesehenen Strahlengänge eintreten, einer Interferometer-Einheit (15), die ein Strahlteilerelement (S), das jeden von dem distalen Ende des Lichtleiters (F) ausgesendeten Lichtstrahl in Teilstrahlen aufspaltet und einen der Teilstrahlen auf ein Objekt (T) ausgibt, ein optisches Referenzsystem, das einen anderen Teilstrahl führt, eine Reflektoreinheit (R), welche den von dem optischen Referenzsystem geführten Teilstrahl auf das Strahlteilerelement (S) reflektiert, und eine Lichterfassungsvorrichtung (D), die einen Interferenzstrahl erfasst, der durch Interferenz zwischen dem an dem Objekt (T) reflektierten Teilstrahl und dem an der Reflektoreinheit (R) reflektierten Teilstrahl an dem Strahlteilerelement (S) erzeugt wird, enthält, und einem Signalverarbeitungssystem (229), das auf Grundlage von Signalen, die von der Lichterfassungsvorrichtung (D) erfasst werden, ein Tomogramm erzeugt, gekennzeichnet durch eine Antriebseinheit (23), welche die Interferometer-Einheit (15) auf das Objekt (T) zu und von diesem weg bewegt.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Referenzsystem ein optisches Element (154b) mit großem Brechungsindex enthält.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsystem ein optisches Element (154b) mit Gradientenbrechungsindex enthält, wobei der Brechungsindex mit abnehmendem Abstand von der Reflektoreinheit (R) zunimmt.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des optischen Elementes (154b) auf der dem Strahlteilerelement (S) zugewandten Seite gleich dem Brechungsindex des Strahlteilers (S) ist.
Endoskopsystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometer-Einheit (15) im distalen Ende des Endoskops (1) untergebracht ist.
Endoskopsystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (23) versehen ist mit einer an dem proximalen Ende des Endoskops angeordneten Vorrichtung (232, DR) zum Bereitstellen einer Antriebskraft und einem mit dieser Vorrichtung (232, DR) und der Interferometer-Einheit (15) verbundenen Kraftübertragungselement (156), das die ihm von der Vorrichtung (232, DR) zugeführte Kraft zum Bewegen der Interferometer-Einheit (15) auf letztere überträgt.
Endoskopsystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter aus einer Lichtleiteranordnung (F) besteht, die mehrere parallel zueinander angeordnete Einzelmode-Lichtleitfasern enthält.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Kollimatorlinsenanordnung (157) mit mehreren Linsenflächen, die jeweils einen der von der Lichtleiteranordnung (F) ausgesendeten Lichtstrahlen in einen parallelen Lichtstrahl kollimieren und diesen parallelen Lichtstrahl auf das Strahlteilerelement (S) richten, und eine Sammellinsenanordnung (154) mit mehren Linsenflächen, die jeweils einen der von dem Strahlteilerelement (S) aufgespalteten parallelen Lichtstrahlen auf das Objekt (T) bündeln.
Endoskopsystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für das schwach kohärente Licht eine Superluminiszenzdiode (231) enthält.
Endoskopsystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsoptik (12), die sichtbares Licht und/oder Anregungslicht, das Gewebe zum Aussenden von Fluoreszenzstrahlung anregt, auf das Objekt (T) aussendet, eine Objektivoptik (13), die von dem Objekt (T) stammendes Licht bündelt und so ein Objektbild erzeugt, und ein Bildaufnahmesystem (14), welches das von der Objektivoptik (13) erzeugte Bild aufnimmt.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Quelle (211) für sichtbares Licht, eine Quelle (212) für Anregungslicht und ein Lichtquellen-Umschaltsystem (214), mit dem einstellbar ist, ob das sichtbare Licht oder das Anregungslicht in die Beleuchtungsoptik (12) gelangt, wobei die Objektivoptik (13), wenn das sichtbare Licht in die Beleuchtungsoptik (12) gelangt, ein Normallichtbild des Objektes (T) und, wenn das Anregungslicht in die Beleuchtungsoptik (12) gelangt, ein Fluoreszenzlichtbild des Objektes (T) erzeugt.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung (3), die das von dem Bildaufnahmesystem (14) aufgenommene Objektbild und das von dem Signalverarbeitungssystem (229) erzeugte Tomogramm darstellt.