AT402255B - Endoskopisches instrument - Google Patents

Description

AT 402 255 B

Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument mit einem langgestreckten Schaft mit darin angeordnetem optischen Betrachtungssystem, das am distalen Ende des Schaftes durch ein fest und dicht mit dem Schaft verbündendes Fenster abgeschlossen ist.

Endoskopische Instrumente dieser Art werden in der Medizin zahlreich eingesetzt und dienen zur Betrachtung, Untersuchung und Behandlung von Körperhöhlen entweder unter Ausnutzung einer natürlichen Körperöffnung oder eines künstlich geschaffenen Einstichkanales. Allen endoskopischen Instrumenten gemeinsam ist ein optisches Betrachtungssystem, das am distalen Schaftende durch ein Fenster abgeschlossen wird. Dieses Fenster ist dicht und fest mit dem Schaft verbunden. Sofern es sich nicht um ein Videoendoskop handelt, ist in der Regel am proximalen Ende des Instrumentes ein Okular vorgesehen. Des weiteren kann dem optischen Betrachtungssystem ein Beleuchtungssystem zugeordnet sein - dann ist im proximalen Bereich des Schaftes noch ein Lichtleiteranschluß herausgeführt. Üblicherweise bestehen die Abschlußfenster solcher endoskopischer Instrumente aus Glas. Während es bei den innerhalb des Schaftes liegenden optischen Bauteilen nahezu ausschließlich um deren Abbildungseigenschaften geht, sind an ein Abschlußfenster weitere Anforderungen insbesondere mechanischer und stofflicher Art gestellt. Zum einen ist eine möglichst hohe Härte des Abschlußfensters erwünscht, um Beeinträchtigungen durch mögliche Kratzer weitgehend auszuschalten, zum anderen ist neben dieser Abriebfestigkeit auch noch darauf zu achten, daß eine Sterilisierbarkeit ohne Einbußen an optischer Qualität möglich ist. So wird beispielsweise bei einem festgelegten Sterilisationszyklus das endoskopische Instrument für eine vorbestimmte Zeit gesättigtem H2 0-Heißdampf mit einer Temperatur von 134°C ausgesetzt. Für solche Sterilisationszyklen sind nur wenige Glasarten, und diese auch nur bedingt, geeignet. Denn bekanntlich werden bei hohen Temperaturen bestimmte wasserlösliche Substanzen aus der Glasoberfläche ausgewaschen, was zu Einbußen der optischen Qualität führt. Auch kommt es durch wiederholte Sterilisation an den außenliegenden Glasflächen zu Korrosionserscheinungen, die im wesentlichen auf die Wechselwirkung der im Glas enthaltenen Metalloxyde mit dem Wasserdampf beruhen. Zwar gibt es glasähnliche Stoffe mit teilamorpher Struktur, die einer solchen Beanspruchung gewachsen sind, diese lassen sich jedoch auf Grund starker Inhomogenitäten für den optischen Einsatz nicht nutzen.

Bessere Ergebnisse hingegen werden mit monokristallinem Saphir als Werkstoff für das Abschlußfenster erzielt. Der Einsatz eines solchen Werkstoffes ist beispielsweise in DE 37 40 416 A1 beschrieben. Ein kristalliner Saphir weist eine hohe Oberflächenhärte auf und kann den vorbeschriebenen Sterilisationszyklen ohne weiteres ausgesetzt werden, doch weist dieses Material auf Grund seines hexagonalen Kristallgitters ein anisotropes Verhalten für verschiedene optische und physikalische Eigenschaften auf, die insbesondere für den Einsatz in Endoskopoptiken unerwünscht sind. Hierbei ist vor allem das Problem der Doppelbrechung hervorzuheben. Die Brechzahlen dieses Stoffes weisen zwischen der Achse parallel zur Kristallachse und der Senkrechten eine Differenz in der Größenordnung von 9·10-3 auf. Diese Doppelbrechung verursacht bei Lichtstrahlen, die schräg zur optischen Achse des Kristalls in diesen eintreten, eine Aufspaltung in zwei senkrecht zueinander stehende polarisierte Teilstrahlen. Es ist daher bei der Herstellung und beim Einbau der Abschlußfenster aus Saphir eine unerläßliche Forderung, die Orientierung des Kristalles genau zu beachten. Dies ist fertigungstechnisch sehr aufwendig.

Aber auch bei Beachtung der Kristallorientierung und vorschriftsmäßiger Herstellung und Einbau eines solchen Abschlußfensters ist es, abgesehen vom parallelen Lichtdurchtritt nicht möglich, den Effekt der Doppelbrechung völlig zu umgehen. Gerade in der endoskopischen Optik sind auf Grund des erforderlichen großen Gesichtsfeldes in Verbindung mit kleinen Systemdurchmessern sehr große Aperturen notwendig. Das führt dazu, daß die Strahlen in einem großen Winkelbereich das Fenster durchlaufen, wodurch sich die Unterschiede in der Brechzahl auch in der Praxis bemerkbar machen. Hieraus resultiert eine nicht korrigierbare Einbuße an Bildqualität.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein endoskopisches Instrument der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die positiven Eigenschaften des Saphirs als Abschlußfenster weitgehend erhalten bleiben, jedoch das Problem der Doppelbrechung gelöst wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Abschlußfenster aus Spinell oder Yttrium-Aluminium-Granat besteht. Diese Werkstoffe weisen eine ähnlich hohe Härte wie Saphir auf, sind also wesentlich verschleißfester als optische Gläser, sie sind resistent gegen Wasser und diverse Säuren, auch bei den einleitend genannten hohen Temperaturen, weisen jedoch keine Doppelbrechung auf.

Um das gesamte endoskopische Instrument dem eingangs erwähnten Heißdampfsterilisationszyklus zuführen zu können, ist es zweckmässig, nicht nur das distale Abschlußfenster, sondern auch - wenn vorhanden - das proximale Okular sowie gegebenenfalls den Lichtleiteranschluß mit einem solchen Abschlußfenster aus Spinell oder Yttrium-Aluminium-Granat zu versehen und damit das gesamte optische Betrachtungs- und gegebenenfalls auch Beleuchtungssystem hermetisch abzuschließen. 2

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Beim Einsatz von Spinell kann sowohl kubisch einkristalliner Spinell (MgOxAl2 03) als auch polykristalliner Spinell (MgAfeO*) eingesetzt werden. Letztgenannter Werkstoff hat ebenfalls hervorragende Eigenschaften für den genannten Einsatzzweck und ist insbesondere für Abschlußfenster kleiner Abmessungen und geringer Mittendicke bevorzugt verwendbar.

Beim Einsatz von Yttrium-Aluminium-Granat als Abschlußfenster wird wegen der optischen Eigenschaften bevorzugt undotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Y3AISO12) in kubisch einkristalliner Form eingesetzt. Es kann jedoch auch gegebenenfalls dotiertes Material, vorzugsweise der aus der Lasertechnik bekannte, mit Neodym dotierte Yttrium-Aluminium-Granat eingesetzt werden.

Um einen möglichst dichten und hermetischen Abschluß des optischen Systemes zu erreichen ist es wichtig, das oder die Abschlußfenster möglichst stoffschlüssig in das Instrument einzugliedern. In einfachster Form kann dies durch Kleben erfolgen. Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Klebstoffe sind jedoch, insbesondere für die vorerwähnten Heißdampfsterilisationszyklen, nicht ausreichend resistent, so daß derzeit ein Löt-Schweißverfahren zu bevorzugen ist. Dabei kann das Abschlußfenster zunächst randmetallisiert und dann in das Instrument, insbesondere den Schaft eingelötet werden. Bevorzugt wird jedoch das Abschlußfenster unter Hochvakuum unmittelbar in einen metallischen Rahmen eingelötet. Danach wird dann der Rahmen mit dem darin befindlichen Fenster bevorzugt durch Schweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen, oder durch Weichlöten (Temperaturen ca. 200* bis 250 *C) mit dem Instrument fest und dicht verbunden. Dieses Verfahren ist insbesondere fertigungstechnisch von großem Vorteil, da zum Zwecke des Hochvakuumlötens, das technisch vergleichsweise aufwendig ist, jeweils nur der Rahmen und das Abschlußfenster selbst zu handhaben sind, während erst in einem weiteren vergleichsweise einfach zu handhabenden Arbeitsgang das Fenster zusammen mit dem Rahmen mit dem Instrument durch Schweißen verbunden wird.

Schließlich steht es im Einklang mit der Erfindung, im Bedarfsfall eines oder mehrere der Abschlußfenster als Linse auszubilden. Dies kann sich bedingt durch die Instrumentabmessungen und/oder Abbildungsgeometrie als günstig erweisen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein teilweise geschnitten dargestelltes endoskopisches Instrument in Seitenansicht und schematischer Darstellung und

Figur 2 die Verfahrensschritte a, b und c zur Herstellung eines distalen Abschlußfensters in Löt-/Schweißverbindung in vergrößerter schematischer Schnittdarstellung.

Das anhand von Figur 1 dargestellte endoskopische Instrument ist ausschließlich für Betrachtungszwek-ke vorgesehen, es weist einen langgestreckten Schaft 1 auf, dessen distaler Endbereich 2 im Schnitt und vergrößert dargestellt ist. Proximalseitig schließt an den Schaft 1 ein Handhabeteil 3 an, das proximalwärts durch den Okuiarteil 4 abgeschlossen wird. Seitlich aus dem Handhabeteil 3 ist ein Lichtleiteranschluß 5 herausgeführt, über den das Instrument mit einer Beleuchtungsquelle verbunden werden kann.

Das dargestellte Instrument weist insgesamt drei Abschlußfenster auf, und zwar ein distales Abschluß-fenster 6, ein proximales Abschlußfenster 7 (Okularfenster) sowie ein seitliches Absohlußfenster 8 (Beleuchtungsfenster). Die Abschlußfenster 6, 7 und 8 können aus den eingangs angegebenen Werkstoffen bestehen, in der vorliegenden Ausführung bestehen sie aus Spinell. Während die Abschlußfenster 6 und 8 etwa zylindrisch ausgebildet sind und in einem abgestuften Rahmen 9 sitzen, ist das Okularfenster 7 zum proximalen Instrumentenende hin konisch zulaufend und in dem entsprechend ausgeformten Okularteil 4 unter Verwendung eines Aktivlotes, wie z.B. Au/Cu/Ti oder Ag/Cu/Ti, unmittelbar eingelötet. Das distale Abschlußfenster 6 und das Beleuchtungsfenster 8 sind unter Hochvakuum in den jeweiligen Rahmen 9 unmittelbar eingelötet worden. Diese Rahmen 9 sind dann zusammen mit dem jeweiligen Fenster 6 bzw. 8 mit dem angrenzenden Bauteil des Instrumentes verschweißt worden. Die Schweißnaht ist mit 10 bzw. 11 gekennzeichnet.

Anhand der Figuren 2a bis c ist im einzelnen die Herstellung eines Abschlußfensters, wie es beispielsweise in Figur 1 durch das Fenster 6 gebildet ist, dargestellt. Das eigentliche Fenstermaterial ist in Figur 2 mit 12 gekennzeichnet und besteht aus kubisch einkristallinem Spinell. Dieses Fenstermaterial hat eine Zylinderform, wobei eine der beiden Umlaufkanten angefast ist. Die Fase ist mit 13 gekennzeichnet. Das Fenstermaterial 12 liegt mit geringem Spiel in einem hohlzylindrischen Rahmen 14, der zu einer Seite einen bodenformenden Ansatz 15 aufweist, so daß sich das aus Figur 2 ersichtliche L-Profil ergibt. Das Fenstermaterial 12 liegt so in dem Rahmen 14, daß sich im oberen Bereich zwischen dem Fenstermaterial 12 und dem Rahmen 14 eine im Querschnitt etwa V-förmige umlaufende Nut ergibt, die als Lötdepot dient. Der hier als O-Ring dargestellte Lötwerkstoff 16 liegt innerhalb dieser Nut. Das so vorgefertigte Fenster (Rahmen, Fenstermaterial und Lötwerkstoff) wird nun einem Hochvakuum-Lötprozeß zugeführt, bei dem der Lötwerkstoff 16 in den Kapillarspalt 17 zwischen Rahmen 14 und Fenstermaterial 12 fließt und diese 3

Claims (9)

1. AT 402 255 B Bauteile somit fest und dicht miteinander verbindet. Nachdem dieser Lötprozeß abgeschlossen ist, ergibt sich ein Bauteil, wie es in Figur 2b dargestellt ist. Dieses Bauteil wird dann in den eigentlichen Endoskopschaft 1 eingesetzt und randseitig mit diesem dicht verschweißt, so daß sich die anhand von Figur 2c ersichtliche Bauteilkonstellation ergibt. Die Schweißnaht ist in Figur 2c mit 18 gekennzeichnet. 5 Patentansprüche 1. Endoskopisches Instrument, mit einem langgestreckten Schaft mit darin angeordnetem optischen System, das am distalen Ende des Schaftes durch ein fest und dicht mit dem Schaft verbundenes 70 Fenster abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußfenster (6) aus Spinell oder Yttrium-Aluminium-Granat besteht.
2. 2. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschlußfenster (7) am proximalen Schaftende (4) und ggf. weitere Abschlußfenster (8) am Intrument vorgesehen sind und 75 daß sämtliche Abschlußfenster (6, 7, 8) aus Spinell oder Yttrium-Aluminium-Granat bestehen und das optische Betrachtungssystem hermetisch abgeschlossen ist.
3. 3. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Abschlußfenster (6, 7, 8) aus kubisch einkristallinem Spinell besteht. 20
4. 4. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Abschlußfenster (6, 7, 8) aus polykristallinem Spinell bestehen.
5. 5. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere 25 Abschlußfenster (6, 7, 8) aus mit Neodym dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat bestehen.
6. 6. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußfenster (6, 7, 8) in einen metallischen Rahmen (9; 14) eingelötet ist und daß der Rahmen (9; 14) mit dem Instrument, insbesondere dem Instrumentenschaft (1), durch eine Schweißnaht (10, 11; 18) 30 verbunden ist.
7. 7. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußfenster (6. 7, 8) durch Hochvakuumlöten mit dem metallischen Rahmen (9; 14) verbunden ist.
8. 8. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußfen ster (6, 7, 8) im Lötbereich randmetallisiert ist.
9. 9. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußfenster (6, 7, 8) als Linse ausgebildet ist. 40 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 45 50 4 55