CN110269582A - 用于可插入视觉装置的尖端部 - Google Patents
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Abstract
一种用于视觉装置的尖端部(5)。该尖端部(5)包括壳体(6，7)，该壳体适于容纳视觉接收器。在适于接收来自光源(9)的光的至少一个第一光接收端(16)与适于发射光的至少一个第二光发射端(17)之间布置了至少一个光导(15)，该至少一个光导是透明材料的、具有预定长度。该光导(15)形成该壳体的一体部分(6，7)。
Description
技术领域
本发明涉及可插入视觉装置、比如但不限于气管内导管和内窥镜，更确切地涉及此类可插入视觉装置的尖端部，以及一种具有此类尖端部的可插入视觉装置，比如内窥镜。
背景技术
众所周知，比如内窥镜等可插入视觉装置用于视觉检查比如人的体腔等不可触及位置。典型地，这样的内窥镜包括长形插入管，该长形插入管从操作者来看在近端处具有手柄、在该长形插入管的远端处具有视觉检查装置(例如，内置相机)。用于相机和其他电子器件(比如容纳在远端处的尖端部中的LED照明器件)的电线沿着长形插入管的内部从手柄延伸至尖端部。代替使用相机，内窥镜也可以是光纤的，在这种情况下，光纤沿长形插入管的内部延伸到尖端部。
为了能够在体腔内操纵内窥镜，内窥镜的远端可以包括具有增大的柔性的弯折区段，例如多个铰接段，其中，尖端部形成该弯折区段的最远段。这典型地通过拉紧或松弛拉线来完成，拉线也沿着长形插入管的内部从尖端部经过其余的铰接段延伸到手柄的控制机构。此外，工作通道可以沿着插入管的内部从手柄延伸至尖端部，例如以允许从体腔中去除液体、或允许将手术仪器等插入体腔中。
顾名思义，内窥镜用于观察东西的内部，比如患者的肺部或其他人体腔。因此，现代内窥镜典型地配备有在内窥镜的远侧尖端处的至少一个相机或类似的图像捕捉装置。只要存在足够的光，就允许操作者看到操纵内窥镜的位置并且一旦尖端被推进到感兴趣目标就设定该感兴趣目标。因此，这通常需要照射内窥镜的远侧尖端前方的区域，具体为相机的视野。实现这种照射的一种已知方式是在内窥镜的尖端中使用一个或多个发光二极管(LED)来提供上述LED照明，例如在披露了一种可抛弃式内窥镜的WO 2014/106511中提及的。然而，关于比如图像传感器、摄像机或光纤等视觉接收器的视野，来自比如光纤或LED等光源的发射光的光分布不是最佳的。具体地，LED可能在宽角度上散布发射光。如果光以如此宽的角度发射而照射到视觉接收器的视野之外的物体，则它在很大程度上被浪费了。而且，在许多体腔中，特别是管状体腔中，视野周边中的物体通常比中心的物体更密集。因此，它们将比中心的那些被更强烈地照射，这进而可能导致周边处的图像被过度曝光、并且在通常可能存在感兴趣物体的中心中存在曝光不足。
如在本发明中，当内窥镜的插入管旨在插入人体腔中时，插入管还需要以不透水的方式密封。对于远侧尖端部尤其如此，因为远侧尖端部容纳了相机、LED、以及其他精密电子器件，如果暴露于湿气下则易于发生故障或破坏。
在WO 2010/066790中披露了一种用于密封内窥镜的尖端部的已知方式。在该文件中，通过将电子器件和形成工作通道的管放置在透明材料(例如，硅酮)的模具中，来围绕电子器件和工作通道形成透明的整体式壳体。然后从模具的底部插入透明的UV可固化树脂，以避免在透明树脂中形成气泡。由于树脂从底部缓慢上升，空气从模具的顶部缓慢排出，没有气泡被留在模具中的任何风险。接着，使用UV辐射透过透明模具来固化树脂以形成整体式壳体。然而，以这种方式形成整体式壳体具有一些缺点。一个缺点是过程有点慢。另一个缺点是在插入树脂期间难以将部件精确地定位并保持在位。因此，相机或LED相机可能侧向偏移，或者在相机和/或LED前方可能无意地产生薄的透明层，从而降低了尖端部的成像品质。
发明内容
基于该现有技术，本发明的目的是提供一种克服了至少一些上述问题的内窥镜尖端部。
根据本发明的第一方面，该目的是通过一种用于可插入视觉装置、比如内窥镜的尖端部来实现，所述尖端部包括：壳体，该壳体适于容纳电子视觉接收器，至少一个光导，该至少一个光导是透明材料的、被配置为提供全内反射并且在适于接收来自光源的光的至少一个第一光接收端与适于发射光的至少一个第二光发射端之间具有预定长度，其中，该壳体包括第一透明壳体部分和第二壳体部分，这两个壳体部分别由第一透明材料和第二材料一体地模制，并且其中，该光导与由所述第一透明材料制成的所述第一壳体部分以一件式提供，以形成该壳体的一体部分。
通过将该光导集成在该壳体中，可以提供该尖端部的密封前端、并且同时对来自光源的光提供良好限定的出射观察角。
根据本发明的第一优选实施例，该预定长度包括扩张区段和/或缩窄区段，在该扩张区段和/或缩窄区段中，该光导沿着该预定长度具有变化的截面积，其中，在所述扩张区段中，截面积沿从该至少一个光接收端朝向该至少一个光发射端的方向单调递增，在所述缩窄区段中，该截面积单调递减。通过在该长度的某个区段上至少提供一个单调变化的截面积，可以提供例如与视觉接收器的视野相匹配的期望的光分布轮廓。
根据另一个优选的实施例，该具有单调递增截面积的至少一个区段包括截头锥台。具有线性扩张截面提供了对光导的全内反射特性的良好控制，这进而辅助提供上文提及的期望的光分布轮廓。
根据另一个优选的实施例，该截面积沿着该预定长度的至少一部分具有矩形形状。矩形形状是优选的，因为视觉接收器通常包括矩形视野。通过还使光导具有矩形截面形状，可以实现与视觉接收器的视野至少部分地相匹配的期望光分布轮廓。因此，拐角中可获得更多的光。潜在地，较少的光被浪费。
根据特定的优选实施例，该矩形具有圆化拐角。由此，可以将干扰以及与最佳期望的光分布轮廓的偏差最小化。
根据进一步优选的实施例，所述光导的至少该具有单调递增截面积的区段被空气环绕。使光导、并且尤其具有单调递增截面积的区段被空气围绕提供了光导中的良好全内反射、以及相应地少的光损失。
然而，根据替代性实施例，该光导的至少一部分包覆有包层。提供包层提供了对全内反射的良好控制，并且确保期望的特性不因为污染物、例如密封材料或胶水的进入而被破坏。
根据另一个优选的实施例，例如通过使表面区域相匹配而使该光接收端适于接合LED。使该光接收端适于接合LED确保了在LED与光导之间的界面上的良好光传输特性，例如避免了反射。此外，当该光接收端被适配成使得不需要胶水或类似物时，避免了可能由胶水导致的LED上的磷光材料的任何劣化。
根据类似的优选实施例，该光接收端适于接合光纤。例如通过在端表面中设置孔来使该光接收端适于接合光纤确保了在光纤与光导之间的界面上的良好光传输特性，例如从而避免反射。此外，当该光接收端被适配成使得不需要胶水或类似物时，避免了可能由胶水导致的任何不期望反射。
在特定的优选实施例中，该第一光接收端包括端面，该端面具有垂直于纵向方向的基本上平面的表面。这确保了来自光源的光到光导中的良好耦合。
根据又一个优选的实施例，该透明材料包括聚碳酸酯。聚碳酸酯是有利的，因为它具有良好的光学性能、易于模制、并且材料成本低。
根据本发明的第二方面，本发明的目的是通过提供具有如上文描述的尖端的可插入视觉装置、例如内窥镜来解决的。
附图说明
现在将基于非限制性示例性实施例并且参考附图来更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了实现本发明的内窥镜，
图2示出了用于根据本发明的内窥镜的尖端部的等距视图，
图3示出了根据本发明的一个实施例的图1的具有光导的尖端部的壳体的分解视图，
图4示出了尖端部沿着图2的线IV-IV截取的截面以及附接管的多个部分，
图5示出了尖端部沿着图2的线V-V截取的截面、以及弯折区段的一部分，并且
图6、图7和图8示意性地示出了根据本发明的光导的不同实施例。
具体实施方式
首先转向图1，示出了例示根据本发明的视觉装置的插入内窥镜1。内窥镜1包括位于近端处的手柄2、朝向远端延伸的插入管3，其中该插入管包括铰接的弯折区段4，根据本发明，该弯折区段具有远侧尖端部5作为最远段。尽管出于说明目的而省略，但铰接的弯折区段4通常将由适合的套管覆盖，至少在其自己的远端处例如通过粘合剂连接至远侧尖端部5。这样是常规的、并且例如从前述的WO 2014/106511中已知的。本发明的内窥镜1旨在作为医疗视觉装置、并且因此被设想为在使用之后丢弃以避免清洁和杀菌问题的可抛弃式内窥镜。因此，低制造成本是重要问题。
如在展示了优选实施例的图2和图3中最佳所见，远侧尖端部5包括具有两个壳体部分的壳体。第一壳体部分6由适合的透明材料制成，并且第二壳体部分7针对其他特性(比如不透明性、柔软性、弹性、和/或良好的粘性结合)进行了优化。尽管在图3的分解图中被示为两个部分，但是该壳体不一定由这两个部分组装而成、而是优选地被制造为单一透明材料的单一物品或者被制造为由两种材料在模制工艺中熔合或结合在一起的单一物品，以形成一体物品。在这方面，应注意的是，这可以在两个部件模制中完成，在该模制中，首先在第一模腔中，将相应的第一壳体部分6和第二壳体部分7之一模制为一个单件。然后将该壳体部分转移到第二模腔中，在该第二模腔中，将另一个壳体部分7，6同样模制为一个单件。然后，在第二次模制期间，这两个一体形成的单件将熔合成整个一体壳体。
如在图4中最佳所见，远侧尖端部中容纳了电子模块8。在所展示的实施例中，该电子模块包括呈一对LED 9形式的光源、以及电子视觉接收器，比如摄像机10或成像芯片。可能具有被布置在摄像机10或成像芯片前方的额外透镜组件11。
通到电子模块8和/或用于照射或图像捕捉的光纤的电线(如果代替LED和摄像机使用)经由导管12被引入该壳体并且使用适合的密封材料(未示出)进行密封。然而，出于本说明书的目的，仅提及了LED 9和摄像机10，因为技术人员将理解与上述替代方案的可互换性。还应注意的是，本发明对光纤与光导进行了区分。在该背景下，光纤应理解为非常细长且柔性的，其中，长度比直径大了几个数量级，从而使光纤具有高度的柔性以允许它们将光通量传导到期望的位置。光导应理解为较短、优选地是刚性的物品、适于以期望的方式引导并且分配光。
管13也连接至该壳体并且被密封，该管形成内窥镜1的工作通道的一部分。在所展示的实施例中，管13通过一对突起连接，管13可以借助于粘合剂固持在这对突起之间。
为了实现来自光源、即这对LED 9的期望的照射特征或光分布轮廓，这些LED以缩进的方式定位在该壳体内，并且至少一个光导15与这些LED相关联。因此，在近端处，光导15包括第一光接收端16，该第一光接收端例如通过具有与LED相匹配的平面表面、或在其中插入LED的孔，而适于接收来自LED的光。在远端处，该光导包括第二光发射端17，该第二光发射端适于发射从LED 9接收到的光。在一个优选的实施例中，该光导形成该壳体的一体部分，如从图3和图5中可以最佳看到。即，在模制工艺中，光导15与透明壳体部分6一体地模制为一个单一物品。
这些光导15被配置用于利用全内反射TIR来提供来自光源的所期望的照射特征或光分布轮廓，该配置可以涉及材料的折射率、透明度、长度、截面积的变化、截面的几何形状、包层等。
由于摄像机10总体上适于捕捉矩形图像，因此已经认识到，使用具有总体上矩形截面的光导15是有利的。与圆形相比，更多的光可以被引向拐角。此外，通过不照射摄像机的矩形视野之外的区域，潜在地会浪费更少的光。即使使用一对LED 9，并且即使矩形截面的形状与摄像机10的纵横比不匹配，这也适用。然而，已经发现，使用具有圆化拐角18的矩形截面(如图3中可见)是有利的，因为它更好地控制摄像机10的视野角落中的光分布。特别是避免了由尖锐拐角中的多次反射产生的伪像。优选地，矩形截面沿着光导15的整个长度存在，无论是否具有圆化拐角18。虽然不太优选，但不排除使用其他截面形状、尤其椭圆形或圆形、以及具有或不具有圆化拐角的多边形。
为了能够最好地利用全内反射，光导15的截面积沿预定长度变化。从图6至图8中可以看到，该预定长度包括用SE、S0、和SN指示的多个区段，这些区段分别指示具有扩张的、恒定的和缩窄的截面积的区段。更确切地，该预定长度以某种方式变化，即，使区段的截面积从该至少一个光接收端16朝向该至少一个光发射端17是恒定的、单调递增的、或单调递减的。在图3中，截面单调递增区段的面积线性地增大，因此该区段包括截头锥台。如果截面不同，则类似的形状适用，例如针对圆形截面的截头圆锥体。应强调的是，单调递增不一定是线性的。
如果还使用具有恒定面积19的区段S0，则该区段19可以布置在具有单调递增截面积的区段的任何一侧，如图6中位于近侧，如图7中位于远侧或两侧。该区段还可以布置在中间某处，如图8所示。如果所有区段中都存在全内反射，则单调递增截面积位于哪里不太重要。但是，如果存在包层，则存在没有全内反射的风险。因此，可能优选的是，截面积的增大从LED立即开始，这改变了撞击在表面上的光的入射角，由此确保了更多光朝向光发射端的全内反射。因此，来自LED的光变得更加平行或准直，并且光的发射角度变得更窄并且可以使之更好地匹配摄像机的视野。如果准直性比所期望的窄，如当光源是光纤的出口孔时的典型情况，则可能必须在光导的出口端处提供光散射特征，比如边缘的倒角。因此，如图8所示，存在朝向光发射端17的区段SN，其中，截面积单调递减。与上述递增一样，这种递减优选地被选择成确保全内反射。
不排除恒定面积和单调递增面积的其他构型。还应注意的是，与图3的截头锥台一样，结合图6、图7、和图8描述的形状可以与透明壳体部分6一体地形成。使用一个或多个恒定面积区段S0可以允许该预定长度适于其他结构特征，比如透镜组件11的长度、LED在承载摄像机10的电路板上的位置、以及电子器件节段8的其他部件。
为了确保良好的全内反射以将光保持在光导内和/或控制远端17的出射角，优选地使该光导的至少具有单调递增截面积的区段SE、或具有单调递减截面积的区段SN被空气环绕，如图5中的空腔20所示。替代性地，可以使用具有预定折射率的包层，例如胶水。在这些部件不是布置在预制壳体中而是在组装之后模制在壳体材料中的情况下，包层可以是有利的，因为在这种情况下可能难以确保光导15周围存在填充了空气的空腔20。
关于透明材料6的透明度和折射率，透明材料6可以包括聚碳酸酯，其具有适合的特性并且可以被注塑模制以便有效地制造。如果不存在包层，即，聚碳酸酯被空气环绕，则确保全内反射的最小光入射角为39度。其他透明材料将得到其他最小角度，包层也是如此。
Claims (12)
1.一种用于可插入视觉装置的尖端部，所述尖端部包括
壳体，该壳体适于容纳电子视觉接收器，
至少一个光导，该至少一个光导是透明材料的、被配置为提供全内反射并且在适于接收来自光源的光的至少一个第一光接收端与适于发射光的至少一个第二光发射端之间具有预定长度，
其中，该壳体包括第一透明壳体部分和第二壳体部分，这两个壳体部分别由第一透明材料和第二材料一体地模制，并且
其中，该光导与由所述第一透明材料制成的所述第一壳体部分以一件式提供，以形成该壳体的一体部分。
2.根据权利要求1所述的尖端部，其中
该预定长度包括
扩张区段和/或缩窄区段，在该扩展区段和/或缩窄区段中，该光导沿着该预定长度具有变化的截面积，
其中，在所述扩展区段中，截面积沿从该至少一个光接收端朝向该至少一个光发射端的方向单调递增，在所述缩窄区段中，该截面积单调递减。
3.根据权利要求2所述的尖端部，其中，所述具有单调递增截面积的至少一个区段包括截头锥台。
4.根据以上权利要求中任一项所述的尖端部，其中，该截面积沿着该预定长度的至少一部分具有矩形形状。
5.根据权利要求4所述的尖端部，其中，该矩形具有圆化拐角。
6.根据权利要求4所述的尖端部，其中，所述光导的至少该具有单调递增截面积的区段被空气环绕。
7.根据权利要求4所述的尖端部，其中，该光导的至少一部分包覆有包层。
8.根据权利要求4所述的尖端部，其中，该光接收端适于接合LED。
9.根据权利要求4所述的尖端部，其中，该光接收端适于接合光纤。
10.根据权利要求4所述的尖端部，其中，该第一光接收端包括端面，该端面具有垂直于纵向方向的基本上平面的表面。
11.根据以上权利要求中任一项所述的尖端部，其中，该透明材料包括聚碳酸酯。
12.一种可插入视觉装置，该视觉装置具有根据以上权利要求中任一项所述的尖端。
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