DE10038875B4

DE10038875B4 - Endoskopsystem

Info

Publication number: DE10038875B4
Application number: DE10038875A
Authority: DE
Inventors: Masaru Eguchi; Koichi Furusawa; Shinsuke Okada; Ryo Ozawa; Tetsuya Nakamura; Tetsuya Utsui
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: US6477403B1; JP2001046321A; DE10038875A1

Abstract

Endoskopsystem (1000) mit
einem ersten Lichtleiter (F1) und einem mit diesem über einen Optokoppler (238) optisch gekoppelten zweiten Lichtleiter (F2),
einer Quelle (231) für schwach kohärentes Licht, die an das proximale Ende eines (F1) der beiden Lichtleiter (F1, F2) angekoppelt ist,
einer Abtasteinheit (15, 16, 17), die das aus dem ersten Lichtleiter (F1) austretende Licht über einen Abtastspiegel (152, 162, 172) und eine fΘ-Linse (153, 163, 173) zweidimensional abtastend über einen vorbestimmten Flächenbereich eines Objekts bewegt und das an dem Objekt reflektierter Licht als Erfassungslicht in den ersten Lichtleiter (F1) einführt,
einem Reflektor (233) zur Reflexion des aus dem zweiten Lichtleiter (F2) austretenden Lichts auf den zweiten Lichtleiter (F2) als Referenzlicht,
einem Einstellsystem (239) für die optische Weglänge zum relativen Ändern der optischen Weglänge von dem Optokoppler (238) zu dem Objekt über den ersten Lichtleiter (F1) und der optischen Weglänge von dem Optokoppler (238) zum...

Description

Die Erfindung betrifft ein Endoskopsystem, das sich zur Aufnahme sogenannter in-vivo-OCT-Bilder (optische Kohärenz-Tomografie) eines Objekts eignet.

Endoskopische Geräte zum Betrachten von Objekten in einer menschlichen Körperhöhle sind bekannt. Ein solches Endoskop kann in die Körperhöhle eingeführt werden, und eine externe Beleuchtungsvorrichtung wird an das Endoskop angeschlossen. Diese enthält eine Lichtquelleneinheit zum Beleuchten des Objekts und einen Prozessor zur Verarbeitung von Bildsignalen.

Das Endoskop enthält ein optisches Beleuchtungssystem, das mit der Lichtquelleneinheit der externen Vorrichtung verbunden ist und zum Beleuchten des Objekts (z.B. der Teile einer Körperhöhle) dient, ein Objektiv zum Erzeugen eines Objektbildes und ein CCD-Element (Charge Coupled Device) in einer Bildebene des Objektivs und in elektrischer Verbindung mit dem Prozessor des externen Geräts.

An der Spitze des Endoskops befindet sich eine Instrumentenöffnung. Zangen oder verschiedene Behandlungsinstrumente, die in das Endoskop eingesetzt sind, ragen aus der Instrumentenöffnung in die Körperhöhle hinein.

Mit einem solchen Endoskop kann der Benutzer die Innenseite der Körperhöhle beobachten. Er führt zunächst das Endoskop in die Körperhöhle ein. Das Licht der Lichtquelleneinheit des externen Geräts wird über das optische Beleuchtungssystem auf das zu beobachtende Objekt gerichtet. Ein Objektbild wird über das Objektiv auf der Lichtaufnahmefläche des CCD-Elementes erzeugt. Dieses setzt das Bild in ein elektronisches Bild (d.h. Bildsignale) um. Dieses wird zu dem Prozessor des externen Geräts übertragen. Er verarbeitet das empfangene Bildsignal und stellt das Objektbild auf einem Sichtgerät dar. Somit kann der Benutzer an dem Sichtgerät das Innere der Körperhöhle betrachten.

Entscheidet der Benutzer, daß möglicherweise Krebsgewebe oder ein Tumor in dem betrachteten Teil der Körperhöhle vorhanden ist, wird eine Zange oder ein Biopsieinstrument in den Instrumentenkanal des Endoskops eingeführt. Die Spitze des Instruments ragt aus der Instrumentenöffnung heraus, und die Gewebe des interessierenden Teils können entnommen werden. Sie werden einer pathologischen Prüfung unterzogen, und es wird abhängig von dieser Prüfung eine Diagnose erstellt.

Bei einem konventionellen Endoskopsystem der vorstehend beschriebenen Art kann nur die Fläche der Körperhöhle betrachtet werden. Um den Zustand des Gewebes in der Wand der Körperhöhle zu kennen, ist eine Biopsie erforderlich. Um einen frühen Krebs oder einen kleinen Tumor aufzufinden, kann auf die Biopsie nicht verzichtet werden. Die pathologische Prüfung erfordert jedoch Zeit, so daß auch die Diagnose verzögert erstellt wird.

Im Hinblick auf die Beanspruchung des Patienten kann die Biopsie nur in einem begrenzten Bereich und in begrenzter Anzahl durchgeführt werden. Erkrankte Teile können aber auch in anderen Bereichen als in dem durch den Benutzer identifizierten vorhanden sein. Solch ein Teil kann dann übersehen werden, und im Ergebnis ist eine genaue Diagnose nicht möglich, auch wenn eine pathologische Untersuchung durchgeführt wird.

Zum Stand der Technik wird auf die Druckschriften JP 06-154 228 A, US 5 321 501 A und US 5 459 570 A verwiesen. Aus diesen Druckschriften ist jeweils ein Endoskopsystem bekannt, mit einem ersten Lichtleiter und einem mit diesem über einen Optokoppler optisch gekoppelten zweiten Lichtleiter, einer Quelle für schwach kohärentes Licht, die an das proximale Endes eines der beiden Lichtleiter angekoppelt ist, einer Abtasteinheit, die das aus dem ersten Lichtleiter austretende Licht zweidimensional abtastend über einen vorbestimmten Flächenbereich eines Objektes bewegt und das an dem Objekt reflektierte Licht als Erfassungslicht in den ersten Lichtleiter einführt, einem Reflektor zur Reflexion des aus dem zweiten Lichtleiter austretenden Lichts auf den zweiten Lichtleiter als Referenzlicht, einem Einstellsystem für die optische Weglänge zum relativen Ändern der optischen Weglänge von dem Optokoppler zu dem Objekt über den ersten Lichtleiter und der optischen Weglänge von dem Optokoppler zu dem Reflektor über den zweiten Lichtleiter, einer Lichterfassungsvorrichtung am proximalen Ende des anderen der beiden Lichtleiter zum Erzeugen von Interferenzlicht durch Interferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Erfassungslicht, und einem Signalverarbeitungssystem zum Erzeugen eines Tomogramms aus dem mit der Lichterfassungsvorrichtung erfassten Signal beim Betrieb des Einstellsystems und der Abtasteinheit.

Ferner wird auf die nachveröffentlichte Druckschrift DE 100 31 818 A1 verwiesen. Dort ist ein OCT-Endoskopsystem beschrieben, das eine lineare Abtastung vornimmt. Dieses Endoskopsystem weist eine Abtasteinheit mit einem Abtastprisma auf, das innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs um die Achse eines Lichtleiters gedreht wird. Das aus dem Lichtleiter ausgesendete Licht tastet wiederholt einen vorbestimmten Bereich längs einer zu der Achse eines Einführrohrs senkrechten Richtung ab. Dadurch wird auf dem Objekt eine Abtastlinie erzeugt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Endoskopsystem anzugeben, das eine genaue Diagnose in relativ kurzer Zeit ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit einem Endoskopsystem nach der Erfindung kann ein Tomogramm eines dreidimensionalen Teils erstellt werden, der durch die Oberfläche eines rechteckigen Objektbereichs und bis zu einer bestimmten Tiefe definiert wird. Auch wenn ein erkrankter Teil unter der Objektoberfläche liegt, kann er genau und schnell identifiziert werden.

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

1 das Blockdiagramm der elektrischen Einheiten eines Endoskopsystems als erstes Ausführungsbeispiel,

2 die Strahlengänge einer OCT-Einheit,

3 den Aufbau einer OCT-Abtasteinheit als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

4 den Schnitt IV-IV nach 3,

5 die Seitenansicht der OCT-Abtasteinheit in Blickrichtung V aus 3,

6 den Aufbau der OCT-Abtasteinheit als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,

7 den Schnitt VII-VII aus 6,

8 eine Ansicht der OCT-Abtasteinheit in Blickrichtung VIII aus 6,

9 den Aufbau der OCT-Abtasteinheit als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

10 den Schnitt X-X aus 9, und

11 eine Ansicht der OCT-Abtasteinheit in Blickrichtung XI aus 9.

Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt die elektronische Schaltung eines Endoskopsystems 1000. Dieses Endoskopsystem 1000 enthält ein Endoskop 1, ein daran angeschlossenes externes Gerät 2, einen mit diesem verbundenen Monitor 3 und ein Eingabegerät 4.
Das Endoskop 1 hat ein Einführrohr mit elliptischem Querschnitt und eine Bedieneinheit am proximalen Ende dieses Einführrohres. Verschiedene Betriebsschalter sind an der Bedieneinheit vorgesehen.
In dem Einführrohr des Endoskops 1 befinden sich ein optisches Beleuchtungssystem 12, ein Objektivsystem 13, ein Bildaufnahmesystem 14 und ein OCT-Abtastsystem 15. Das optische Beleuchtungssystem 12 enthält eine Beleuchtungsoptik 12a an der Spitze des Einführrohres und ein Lichtleitfaserbündel 12b (im folgenden als Lichtleiter bezeichnet). Der Lichtleiter 12b ist durch das Endoskop 1 geführt und mit dem externen Gerät 2 verbunden.
Das Objektivsystem 13 hat eine Objektivlinse an der Spitze des Einführrohrs und ein Sperrfilter für die UV-Komponente des einfallenden Lichtes. Das Objektivsystem 13 konvergiert das einfallende Licht auf die Bildaufnahmefläche eines CCD-Elementes 14 und erzeugt dort ein Objektbild. Das CCD-Element 14 gibt ein Bildsignal entsprechend dem auf seiner Aufnahmefläche erzeugten Objektbild ab.
Es ist mit dem externen Gerät 12 über eine Signalleitung 14a verbunden, über die das Bildsignal übertragen wird.
Der Aufbau der OCT-Einheit wird im folgenden an Hand 2 noch erläutert.
Das Endoskop 1 ist mit dem externen Gerät 2 verbunden. Dieses wird nun eingehend beschrieben. Wie 1 zeigt, enthält das externe Gerät 2 eine Lichtquelleneinheit 21, einen Prozessor 22 und eine OCT-Einheit 23. Die Lichtquelleneinheit 21 hat eine Weißlichtquelle 211, die sogenanntes weißes Licht abgibt, und eine UV-Lichtquelle 212, die UV-Licht abgibt. Das UV-Licht dient als Anregungslicht für das menschliche Gewebe, so daß dieses fluoresziert. Die Wellenlänge des Anregungslichtes ist etwa 350 nm bis 380 nm, und die Wellenlänge des fluoreszierenden Lichts, das von dem menschlichen Gewebe bei Einfall des Anregungslichtes abgegeben wird, ist etwa 400 nm bis 700 nm.
Im Strahlengang des von der Weißlichtquelle 211 abgegebenen weißen Lichtes liegen eine Kollimationslinse La, ein Schaltspiegel 213, eine Blende 215, eine Kondensorlinse Lc und ein drehbares Filter C, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Der Schaltspiegel 213 ist mit einer Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 verbunden. Diese bringt den Schaltspiegel 213 in eine Ruhestellung, in der er nicht im Strahlengang des weißen Lichtes liegt, und in eine Betriebsstellung, in der er das weiße Licht abschirmt (d.h. der Schaltspiegel verhindert einen Einfall des weißen Lichtes an der Feldblende).
Die Blende 215 ist mit einem Einstellmechanismus 215a verbunden. Sie wird durch diesen Mechanismus derart gesteuert, daß sie ihre Blendenöffnung und damit die durchgelassene Lichtmenge ändert. Das drehbare Filter C ist scheibenförmig und trägt vier flügelartige Filter, nämlich drei Farbfilter für Rot, Grün und Blau und ein transparentes Filter. Das drehbare Filter C ist mit einem Filtersteuermechanismus 216 verbunden. Es wird durch diesen so gedreht, daß die vier Filter nacheinander in den Strahlengang kommen.
Das von der Weißlichtquelle 211 abgegebene weiße Licht wird mit der Kollimationslinse La gesammelt. Befindet sich der Schaltspiegel 213 in der Ruhestellung, so wird das weiße Licht auf die Blende 215 gerichtet. Das weiße Licht, dessen Menge mit der Blende 215 eingestellt wird, wird mit der Kondensorlinse Lc konvergiert und fällt dann durch das drehbare Filter C. Wie oben beschrieben, wird dieses durch den Filtersteuermechanismus 216 gedreht, und die vier Farbfilter werden nacheinander in den Strahlengang eingesetzt. Entsprechend wird das weiße Licht in eine blaue, eine grüne, eine rote und eine weiße Komponente nacheinander zerlegt und auf die proximate Stirnfläche des Lichtleiters 12b konvergiert.
Im Strahlengang des von der UV-Lichtquelle 212 abgegebenen Anregungslichtes sind die Kollimationslinse Lb und ein Prisma P einander in dieser Reihenfolge nachgeordnet. Das von der UV-Lichtquelle 212 abgegebene Anregungslicht wird mit der Kollimationslinse Lb kollimiert, an dem Prisma P reflektiert und auf den Schaltspiegel 213 gerichtet. Befindet dieser sich in der Betriebsstellung (1), so reflektiert er das Anregungslicht zu der Blende 215. Die Lichtmenge wird durch die Blende 215 eingestellt, und das Licht wird mit der Kondensorlinse Lc konvergiert und auf das drehbare Filter C gerichtet. In diesem Fall setzt der Filtersteuermechanismus 216 das transparente Filter in den Strahlengang und unterbricht die Drehung des Filters C. Dann fällt das Anregungslicht durch das transparente Filter und wird auf die proximate Endfläche des Lichtleiters 12b konvergiert.
Somit können die beiden möglichen Stellungen des Schaltspiegels 213 als eine Normalbild-Betrachtungsstellung, in der das weiße Licht der Weißlichtquelle 211 auf die Blende 215 gerichtet wird, und eine Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung bezeichnet werden, in der das Anregungslicht der UV-Lichtquelle 212 auf die Blende 215 gerichtet wird. Das drehbare Filter C setzt durch seine Drehung nacheinander die verschiedenen Filter in den Strahlengang, so daß in der normalen Betrachtungsstellung das einfallende weiße Licht nacheinander in blaues, grünes, rotes und weißes Licht umgesetzt wird. In der Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung ist das transparente Filter fest in den Strahlengang eingefügt.
Im folgenden wird der Prozessor 22 beschrieben. Er enthält eine CPU 221 und einen Zeitsignalgenerator 222. Die CPU 221 ist mit der Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 und dem Filtersteuermechanismus 216 der Lichtquelleneinheit 21, dem Zeitsignalgenerator 222 und dem Eingabegerät 4 verbunden. Der Zeitsignalgenerator 222 erzeugt verschiedene Referenztaktsignale. Die verschiedenen, mit dem Prozessor 212 vorgenommenen Signalbearbeitungen sowie einige Operationen der OCT-Einheit 23 werden entsprechend den Referenztaktsignalen des Zeitsignalgenerators 222 ausgeführt.
Die CPU 221 steuert die Lichtquellenschaltsteuerung 214 so, daß der Schaltspiegel 213 zwischen der Normalbild-Betrachtungsstellung und der Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung umgeschaltet wird, und steuert den Filtersteuermechanismus 216 so, daß das drehbare Filter C in die Normalbild-Betrachtungsstellung oder in die Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung gebracht wird. Insbesondere ist ein Schalter zum Wählen der Normalbildbetrachtung und der Fluoreszenzbildbetrachtung an der Bedieneinheit des Endoskops 1 vorgesehen. Die CPU 221 erfaßt den Betriebszustand des Wählschalters, steuert die Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 und den Filtersteuermechanismus 216 so, daß der Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C entweder in die Normalbild-Betrachtungsstellung oder in die Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung gesetzt werden, die mit dem Wählschalter gewählt wurde. Ferner steuert die CPU 221 den Blendensteuermechanismus 215a mit einem Signal aus einem RGB-Speicher, das noch beschrieben wird, um die Öffnungsgröße der Blende 215 einzustellen.
Die CPU 221 steuert andererseits die mit dem Prozessor 22 und mit der OCT-Einheit 23 durchgeführten Operationen über den Zeitsignalgenerator 222.
Ferner hat der Prozessor 22 einen Vorprozessor 223, der an das CCD-Element 14 über die Signalleitung 14a angeschlossen ist, einen RGB-Speicher 224, einen Bildsignalprozessor 225 und eine Videoschaltung 226, die ihrerseits mit dem Sichtgerät 3 verbunden ist.
Wenn der Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C auf die Normalbildbetrachtung eingestellt sind, so erhält der Vorprozessor 223 Bildsignale des CCD-Elementes 14, wenn die blaue, die grüne und die rote Komponente des Lichtes von der Beleuchtungsoptik 12a abgegeben werden, und läßt das Bildsignal unberücksichtigt, wenn das weiße Licht von der Beleuchtungsoptik 12a abgegeben wird. Der Vorprozessor 223 erhält die Bildsignale des CCD-Elementes 14, verarbeitet sie, führt eine A/D-Umsetzung durch und speichert das digitale Bildsignal in dem RGB-Speicher 224. Die blaue, die grüne und die rote Komponente der Bilddaten werden jeweils in entsprechenden Abschnitten des RGB-Speichers 224 gespeichert.
Wenn der Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C auf die Fluoreszenzbild-Betrachtungsposition gesetzt sind, erhält der Vorprozessor 223 das mit dem CCD-Element 14 abgegebene Bildsignal, verarbeitet es, führt eine A/D-Umsetzung durch und speichert das digitale Bildsignal parallel in den Abschnitten des RGB-Speichers 224.
Der Videosignalprozessor 225 entnimmt die in dem RGB-Speicher 224 enthaltenen Daten mit vorbestimmter zeitlicher Steuerung und verarbeitet sie zu einem Videosignal, das der Videoschaltung 226 zugeführt wird. Diese bewirkt eine Darstellung des Videosignals auf dem Sichtgerät 3.
Der Prozessor 22 enthält ferner einen OCT-Vorprozessor 227, der mit der OCT-Einheit 223 verbunden ist, einen OCT-Speicher 228 und einen OCT-Videosignalprozessor 229. Der OCT-Vorprozessor 227 verarbeitet das von der OCT-Einheit 23 abgegebene Signal, führt eine A/D-Umsetzung durch und speichert die Daten in dem OCT-Speicher 228. Der OCT-Videosignalprozessor 229 entnimmt die Daten aus dem OCT-Speicher 228 mit vorbestimmter zeitlicher Steuerung und erzeugt ein Videosignal, das der Videoschaltung 226 zugeführt wird. Diese bewirkt eine Darstellung dieses Videosignals auf dem Sichtgerät 3.
Im folgenden wird die OCT-Einheit 23 im einzelnen beschrieben. 2 zeigt den Strahlengang der OCT-Einheit 23. Diese dient zum Aufnehmen von OCT-Bildern der Wand der Körperhöhle. Die OCT-Einheit 23 enthält eine Super-Leuchtdiode (SLD) 231, eine Lichterfassungsvorrichtung 232, einen Referenzspiegel 233, einen Spiegelantrieb 234 und eine Abtaststeuerschaltung 235.
Die Leuchtdiode 231 ist eine Lichtquelle, die einen schwach kohärenten Lichtstrahl nahe dem Infrarotbereich abgibt. Der Kohärenzabstand des von der Leuchtdiode 231 abgegebenen Strahls ist sehr kurz, z.B. in der Größenordnung von 10 μm bis 1000 μm. Die Lichterfassungsvorrichtung 232 ist mit dem Vorprozessor 227 des Prozessors 22 verbunden.
Der Spiegelantrieb 234 dient zum Bewegen des Referenzspiegels 233 mit hoher Geschwindigkeit. Der Spiegelantrieb 234 ist mit dem Zeitsignalgenerator 222 im Prozessor 22 verbunden. Die Abtaststeuerschaltung 235 ist mit der OCT-Abtasteinheit 15 des Endoskops 1 und mit dem Zeitsignalgenerator 222 verbunden.
Ferner enthält die OCT-Einheit 23 einen ersten Lichtleiter F1, einen zweiten Lichtleiter F2, einen Optokoppler 238 und ein Piezo-Modulationselement 239. Wie noch beschrieben wird, besteht jeder Lichtleiter F1 und F2 aus einer Vielzahl Lichtleitfasern. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß jeder Lichtleiter F1 und F2 einen einzigen Strahlengang hat.
Der erste Lichtleiter F1 ist so angeordnet, daß sein proximales Ende der Leuchtdiode 231 gegenübersteht. Er ist in das Endoskop eingesetzt, und steht mit seinem vorderen Ende der OCT-Abtasteinheit 15 gegenüber. Der zweite Lichtleiter F2 ist so angeordnet, daß sein proximales Ende der Lichterfassungsvorrichtung 232 gegenübersteht. Sein anderes Ende steht dem Referenzspiegel 233 gegenüber. Dieser ist so aufgebaut, daß er in Richtung der Achse des Lichtleiters F2 hin und her bewegt wird.
Die Lichtleiter F1 und F2 sind über den Optokoppler 238 optisch gekoppelt. Die optische Weglänge in dem ersten Lichtleiter F1 von dem Optokoppler 238 zu seinem vorderen Ende und die optische Weglänge des zweiten Lichtleiters F2 von dem Optokoppler 238 zu seinem vorderen Ende stimmen überein. Ferner ist der erste Lichtleiter F1 um das zylindrische Piezo-Modulationselement 239 in einem Abschnitt zwischen dem Optokoppler und dem vorderen Ende herumgeführt. Das Piezo-Modulationselement 239 erfährt in radialer Richtung eine sehr schnelle Dehnung und Schrumpfung, so daß die Frequenz und die Phasenlage des durch den Lichtleiter F1 übertragenen Lichtes moduliert werden.
Es sei bemerkt, daß die Super-Leuchtdiode 231, die Lichterfassungsvorrichtung 232, der Referenzspiegel 233, die Lichtleiter F1 und F2 und der Optokoppler 238 in der vorstehend beschriebenen Anordnung ein Michelson-Interferometer darstellen.
Die OCT-Einheit 23 kann OCT-Bilder eines Objekts aufnehmen (z.B. Bilder der Wand einer Körperhöhle), wobei das freie vordere Ende des Einführrohrs dem Objekt gegenübersteht.
Das schwach kohärente Licht der Leuchtdiode 231 fällt auf den ersten Lichtleiter F1 und wird mit dem Optokoppler 238 in das Licht für den ersten Lichtleiter F1 und das Licht für den zweiten Lichtleiter F2 geteilt. Das mit dem ersten Lichtleiter F1 übertragene Licht wird mit der Abtasteinheit 15 des Endoskops 1 abgelenkt und tritt als abtastender Lichtstrahl aus. Dieser wird an verschiedenen Geweben auf und in der Wand der Körperhöhle reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl tritt in das Endoskop 1 ein und wird über den ersten Lichtleiter F1 und die OCT-Abtasteinheit 15 als Erfassungsstrahl auf den Optokoppler 238 gerichtet.
Der mit dem zweiten Lichtleiter F2 übertragene Lichtstrahl tritt aus dessen vorderem Ende aus und wird an den Referenzspiegel 233 reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl tritt wieder in den zweiten Lichtleiter F2 ein und wird dem Optokoppler 238 als Referenzstrahl zugeführt.
Der über den Lichtleiter F1 übertragene Erfassungsstrahl und der über den Lichtleiter F2 übertragene Referenzstrahl interferieren an dem Optokoppler 238. Es sei jedoch bemerkt, daß der Erfassungsstrahl an jeder Gewebeschicht der Körper höhle reflektiert wird und den Optokoppler 238 mit einer gewissen Verzögerung erreicht.
Andererseits wird der Referenzstrahl an dem Referenzspiegel 233 reflektiert und erreicht den Optokoppler 238 mit einer festen Zeitlage. Aus verschiedenen Erfassungsstrahlen, die an verschiedenen Gewebeschichten reflektiert wurden, wird nur ein Strahl mit einer optischen Weglänge übertragen, die der Weglänge des Strahls entspricht, der von dem Optokoppler 238 zum Referenzspiegel 233 über den zweiten Lichtleiter F2 übertragen wird und dann von dort zum Optokoppler 238 zurückkehrt. Unter den Erfassungsstrahlen interferiert also nur einer mit dem Referenzstrahl, nämlich derjenige, der an einer bestimmten Schicht unter der Wandfläche der Körperhöhle reflektiert wird.
Die interferierenden Strahlen werden von dem Optokoppler 238 über den zweiten Lichtleiter F2 übertragen und von der Lichterfassungsvorrichtung 232 erfaßt. Wenn der Spiegelantrieb 234 die Position des Referenzspiegels 233 längs der Achse des Lichtleiters F2 verändert, so ändert sich die optische Weglänge des Referenzstrahls. In diesem Fall interferiert ein Erfassungsstrahl mit den Änderungen des Referenzstrahls, d.h. eine Schicht bewirkt Erfassungsänderungen. Mit anderen Worten: mit der Tiefe unter der Wandfläche der Körperhöhle treten Erfassungsänderungen auf.
Abhängig von dem Zustand des Gewebes unter der Wandfläche ändert sich die Intensitätsverteilung des Lichtes. Abhängig von der Intensitätsverteilung zwischen der Oberfläche der Kammerwand und einer Schicht vorbestimmter Tiefe kann ein Tomogramm erhalten werden.
Wie oben beschrieben, gibt die Lichterfassungsvorrichtung 232 den interferierenden Lichtstrahlen entsprechende elektrische Signale sowie den Lichtstrahlen, die nicht mit dem Referenzlicht interferieren, entsprechende Störsignale ab. Ist das Signal-Störverhältnis relativ gering, so ist eine genaue Signalerfassung nicht möglich. Um das Signal-Störverhältnis anzuheben, bedient man sich eines sogenannten Heterodyn-Erfassungsverfahrens. Dies bedeutet, daß der durch den ersten Lichtleiter F1 übertragene Lichtstrahl durch das Piezo-Modulationselement 239 hinsichtlich Frequenz und Phasenlage verändert wird. Dadurch verschieben sich die Frequenz und die Phasenlage des Erfassungsstrahls etwas gegenüber der Frequenz und der Phasenlage des Referenzstrahls. Daher enthält das interferierte Licht ein Zwischenfrequenzsignal. Empfängt die Lichterfassungsvorrichtung 232 ein solches Signal, so gibt sie ein entsprechendes elektrisches Signal ab.
Der Vorprozessor 227 des Prozessors 22 demoduliert dieses Signal der Lichterfassungsvorrichtung 232, um die Signalkomponente genau abzuleiten. Das demodulierte Signal wird mit dem Vorprozessor 227 analog/digital-umgesetzt und in dem OCT-Speicher 228 gespeichert..
Jeder Lichtleiter F1 und F2 ist eine Faseranordnung aus mehreren Hundert Lichtleitfasern, die im Einzel-Mode betrieben werden. Die Super-Leuchtdiode 231 kann schwach kohärentes Licht an alle Fasern des Lichtleitfaserbündels gleichzeitig abgeben. Die Lichterfassungsvorrichtung 232 besteht aus einem Liniensensor, der die interferierenden, über das Lichtleitfaserbündel individuell übertragenen Strahlen erfassen kann.
Der Optokoppler 238 koppelt die Lichtleitfasern des ersten Lichtleiters F1 einzeln mit denen des zweiten Lichtleiters F2. Er besteht aus einem Mehrkanal-Lichteitfaserkoppler, in dem einander entsprechende Lichtleitfasern der Lichtleiter F1 und F2 miteinander verbunden (verschmolzen) sind, wobei eine 1:1-Entsprechung besteht. Der Optokoppler 238 kann auch durch ein Strahlteilerprisma ersetzt sein.
Wie vorstehend beschrieben, hat die OCT-Einheit 23 einen Mehrkanalaufbau (d.h. mehrere Hundert Kanäle), und ist sie mit der OCT-Abtasteinheit 15 verbunden, so kann in Richtung der Tiefe eine Abtastung über mehrere Hundert Erfassungspunkte auf Abtastlinien des Objekts durchgeführt werden.
Die Abtastoperation wird nun unter Bezugnahme auf 3, 4 und 5 erläutert.
3 zeigt den Längsschnitt der Spitze des Endoskops 1, 4 zeigt den Querschnitt IV-IV aus 3, und 5 zeigt die Seitenansicht V aus 3. Das Einführrohr des Endoskops 1 hat ein Gehäuse 11 mit zylindrischer Außenform an der Spitze. In 3 ist das Gehäuse 11 schematisch dargestellt, in 5 ist es weggelassen.
Die Spitzenstirnfläche des Gehäuses 11 hat einen glatt abgerundeten Umfang. Im Gehäuse 11 befindet sich eine Aufnahmekammer H für die OCT-Abtasteinheit 15. An einer Seite des Gehäuses 11 im Bereich der Spitze ist ein Abtastfenster S in Verbindung mit der Aufnahmekammer H ausgebildet.
Der erste Lichtleiter F1 der OCT-Einheit 23 ist durch das Endoskop 1 hindurchgeführt, und seine Spitze ist in die Aufnahmekammer H hineingeführt. Die Spitze des Lichtleiters F1 ist so angeordnet, daß die Achse einer jeden Lichtleitfaser parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11 liegt. Die Spitzenstirnfläche ist parallel zu der Spitzenstirnfläche des Gehäuses 11 und hat zu ihr einen vorbestimmten Abstand.
Die OCT-Abtasteinheit 15 in der Aufnahmekammer H enthält eine Kollimationslinse 151, einen Abtastspiegel 152 und eine fθ-Linse 153 auf einer von dem Lichtleiter 1 ausgehenden optischen Achse.
Die Kollimationslinse 151 ist eine rotationssymmetrische plankonvexe Linse mit der Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers, bei dem eine brechende Fläche konvex ist. Somit sind vier Seitenflächen der Kollimationslinse 151 zwei Paare rechteckiger Flächen. Der Abstand zwischen einem Paar Seitenflächen, die einen größeren Bereich als das andere einschließen, ist größer als die Breite des Lichtleiters F1.
Die Kollimationslinse 151 ist so angeordnet, daß der Brennpunkt auf der Seite der konvexen Fläche mit der Mitte der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters F1 zusammenfällt, wobei das breitere Paar der Seitenflächen parallel zu einer Ebene liegt, auf der der Lichtleiter F1 angeordnet ist. Die optische Achse der Kollimationslinse ist parallel zur Achse des Lichtleiters F1. Daher erfaßt die Kollimationslinse 151 jeden aus jeder Lichtleitfaser des Lichtleiters F1 austretenden Strahl. Der Hauptstrahl der zentralen Faser des Lichtleiters F1 liegt auf der optischen Achse der Kollimationslinse 151. Die Hauptstrahlen der anderen Lichtleitfasern schneiden die optische Achse der Kollimationslinse in dem objektseitigen Brennpunkt (Austrittspupille) der Kollimationslinse 151. Die Austrittspupille fällt mit der Mitte des Abtastspiegels 152 zusammen.
Der Abtastspiegel 152 hat eine weitgehend rechteckige Spiegelfläche, deren Länge weitgehend mit der Breite der Kollimationslinse 151 übereinstimmt. Der Abtastspiegel 152 ist an beiden Seiten um die Mitte der Spiegelfläche drehbar gelagert. Die zentrale Achse der Spiegelfläche in der Ebene des Lichtleiters F1 liegt lotrecht zur zentralen Achse des Gehäuses 11.
An einer Kante des Abtastspiegels 152 ist ein Stirnzahnrad 154 befestigt. Dieses greift in ein weiteres Stirnzahnrad 155 ein, das auf einer Achse 156 parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11 befestigt ist. Die Achse 156 ist mit einem Abtastmotor (nicht dargestellt) verbunden.
Die fθ-Linse 153 (in 5 nicht dargestellt) ist eine rotationssymmetrische plankonvexe Linse, die mit einem koaxialen rechteckigen Festkörper verbunden ist. Die fθ-Linse 153 bildet mit der Kollimationslinse 151 ein afokales optisches System.
Die fθ-Linse 153 ist mit ihrer konvexen Fläche zur Außenseite des Endoskops gerichtet und in dem Abtastfenster S befestigt. Die optische Achse der fθ-Linse 153 ist lotrecht zu der Ebene, in der der Lichtleiter F1 angeordnet ist. Die fθ-Linse 153 konvergiert jeden parallelen Strahl, der an dem Abtastspiegel 152 auf einer Linie lotrecht zur Zeichenebene der 3 reflektiert wird, außerhalb des Endoskops 1 mit gleichmäßigen Intervallen.
Mit diesem Aufbau der OCT-Abtasteinheit 15 wird jeder Lichtstrahl, der als divergierender Strahl aus jeder Faser des Lichtleiters F1 austritt, auf die Kollimationslinse 151 gerichtet, wobei die Hauptstrahlen in gemeinsamer Ebene liegen. Die Kollimationslinse 151 kollimiert die einfallenden Strahlen und gibt sie geneigt zur optischen Achse wieder ab.
Der Hauptstrahl eines jeden parallelen, von der Kollimationslinse 151 abgegebenen Strahls schneidet die optische Achse in der Mitte des Abtastspiegels 152. Daher wird hinter dem Abtastspiegel 152 eine Anordnung paralleler Strahlen umgekehrt (in 5 wird die Aufwärts/Abwärts-Richtung umgekehrt). Die an dem Abtastspiegel 152 reflektierten parallelen Strahlen werden auf die fθ-Linse 153 gerichtet. Diese konvergiert die einfallenden Strahlen auf einer vorbestimmten Linie außerhalb des Endoskops 1 mit gleichmäßigen Abständen.
Steht das Abtastfenster S der Wand der Körperhöhle gegenüber, so werden die Lichtstrahlen aus der fθ-Linse 153 an der Wand reflektiert. Sie kehren zu der fθ-Linse 153, dem Abtastspiegel 152, der Kollimationslinse 151 zurück und fallen dann auf die Lichtleitfasern des Lichtleiters F1.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Mehrkanal-OCT-Einheit 23 verwendet. Daher wird für die Erfassungspunkte, deren Zahl der Zahl der Kanäle entspricht, gleichzeitig eine Erfassung ausgeführt. Dies bedeutet, daß auf einer Abtastlinie des Objekts eine Erfassung für mehrere Hundert Erfassungspunkte gleichzeitig erfolgt.
Die Erfassung in Richtung lotrecht zu der Abtastlinie erfolgt durch Drehen des Abtastspiegels 152. Wenn der Abtastmotor (nicht dargestellt) die Achse 156 dreht, dreht das Stirnzahnrad 155 das andere Stirnzahnrad 154, wodurch der Abtastspiegel 152 gedreht wird. Während dieser Drehung verschiebt sich die Abtastlinie lotrecht zu ihrer Verlaufsrichtung. Daher wird auf der Wand der Körperhöhle ein rechteckiger Bereich sequentiell abgetastet. Durch wiederholtes Drehen des Abtastmotors vorwärts und rückwärts dreht sich der Abtastspiegel 152 sich in einem vorbestimmten Drehbereich. Mit einer solchen Steuerung kann die OCT- Abtasteinheit 15 kontinuierlich und wiederholt den rechteckigen Bereich abtasten, der dem Abtastfenster S gegenübersteht.
Es sei bemerkt, daß, obwohl nicht dargestellt, an der Seite des Gehäuses 11 nahe dem Abtastfenster S (die proximale Seite) eine Beleuchtungsoptik 12a des Beleuchtungssystems 12 und eine (nicht dargestellte) Objektivlinse eines Objektivsystems 13 befestigt sind.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des wie vorstehend beschrieben aufgebauten Endoskopsystems erläutert.
Wenn der Benutzer das externe Gerät 2 einschaltet, so werden die Weißlichtquelle 211 und die UV-Lichtquelle 212 eingeschaltet. Der Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C werden in der Anfangsstufe in die normalen Betrachtungspositionen gebracht. Daher erreicht das von der Weißlichtquelle 211 abgegebene weiße Licht die Blende 215 und die Kondensorlinse Lc.
Die Filtersteuerung 216 setzt nacheinander die Filter des drehbaren Filters C in den Strahlengang, und das von der Kondensorlinse Lc ausgehende weiße Licht wird nacheinander in blaues, grünes und rotes sowie weißes Licht umgesetzt und dann auf die proximate Stirnfläche des Lichtleiters 12b konvergiert. Das Licht wird dadurch übertragen und von der Beleuchtungslinse 12a abgegeben. Diese gibt also nacheinander blaues, grünes, rotes und weißes Licht ab.
Wenn der Benutzer das Einführrohr 11 des Endoskops 1 in die Körperhöhle einführt und die Beleuchtungslinse 12a des Beleuchtungssystems 12, die Objektivlinse 13a des Objektivsystems 13 und das Abtastfenster S der Wand der Körperhöhle gegenüberstehen, so wird diese nacheinander mit verschiedenen Lichtfarben beleuchtet.
Dann werden entsprechend eingefärbte Bilder der Wand auf der Bildaufnahmefläche des CCD-Elementes 14 mit dem Objektivsystem 13 erzeugt. Das CCD-Element 14 setzt das jeweilige optische Bild in ein elektrisches Bild um, und dieses wird Bildsignalen auf den Vorprozessor 223 übertragen. Dieser übernimmt die Bildsignale des blauen, des grünen und des roten Lichtes sowie das weiße Bildsignal und hält diese Signale, wenn die Beleuchtung unterbrochen wird.
Der Vorprozessor 223 verarbeitet diese Bildsignale und führt dann eine A/D-Umsetzung durch. Die Bilddaten (d.h. die umgesetzten Digitaldaten) werden in Abschnitten des RGB-Speichers 224 für Blau, Grün und Rot in dieser Reihenfolge gespeichert.
Der Bildsignalprozessor 225 liest die Daten aus dem RGB-Speicher 224 mit vorbestimmter Zeitlage aus, um ein Farbvideosignal zu erzeugen. Dieses wird an eine Videoschaltung 226 abgegeben. Wenn sie das Videosignal erhält, stellt sie ein entsprechendes Bild auf dem Monitor 3 dar. Dann kann der Benutzer die Oberfläche der Kammerwand des Patienten auf dem Monitor 3 betrachten.
Der Benutzer kann ein fluoreszierendes Bild durch Betätigen eines Schalters an der Bedieneinheit auswählen. Bei Betätigen des Schalters steuert die CPU 221 die Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 zum Anordnen des Spiegels 213 in der Betrachtungsposition für ein fluoreszierendes Bild und steuert den Filtersteuermechanismus 216 zum Einstellen des drehbaren Filters C in die entsprechende Betriebsstellung. Mit dieser Steuerung wird das von der Weißlichtquelle 211 abgegebene weiße Licht abgeschirmt, und das von der UV-Lichtquelle 212 abgegebene Anregungslicht wird in den Lichtleiter 12b eingespeist. Es tritt aus der Beleuchtungsoptik 12a aus und beleuchtet die Wand der Körperhöhle.
Das Gewebe an der Oberfläche der Körperhöhle gibt fluoreszierendes Licht (im grünen Bereich) ab, dessen Wellenlänge sich von derjenigen des Anregungslichtes (im Ultraviolettbereich) unterscheidet. Bekanntlich hat das von erkranktem Gewebe (d.h. Krebs- oder Tumorgewebe) abgegebene fluoreszierende Licht eine geringere Intensität als das von gesundem Gewebe abgegebene Licht.
Das von dem Gewebe abgegebene fluoreszierende Licht trifft gemeinsam mit dem reflektierten Anregungslicht auf das Objektivsystem 13. Dieses enthält ein Filter, das das Anregungslicht sperrt und das fluoreszierende Licht durchläßt. Deshalb wird das fluoreszierende Licht auf der Bildaufnahmefläche des CCD-Elementes 14 konvergiert, d.h. es wird ein optisches Bild der Bildaufnahmefläche erzeugt.
Das CCD-Element 14 setzt das optische Bild in Bildsignale um, die dem Vorprozessor 223 zugeführt werden. Dieser verstärkt bzw. bearbeitet sie und führt eine A/D-Umsetzung zum Erzeugen digitaler Bilddaten durch. Diese werden in den Bereichen für Blau, Grün und Rot des RGB-Speichers 224 gleichzeitig gespeichert. Das fluoreszierende Bild wird also wie ein einfarbiges Bild behandelt. Der Videosignalprozessor 225 liest die Daten aus dem RGB-Speicher 224 mit einer vorbestimmten Zeitlage und verarbeitet sie zum Erzeugen eines Einfarben-Videosignals, das der Videoschaltung 226 zugeführt wird. Diese stellt ein Bild (d.h. das fluoreszierende Bild) aus dem aufgenommenen Videosignal dar. Das fluoreszierende Bild wird als Einfarbenbild dargestellt. Es kann so geändert werden, daß es als Farbbild dargestellt wird. In diesem Fall kann die Farbe von Teilen des Bildes bestimmt werden beispielsweise entsprechend der Intensität des fluoreszierenden Lichtes.
Der Benutzer kann das Fluoreszieren der Wand der Körperhöhle an dem Monitor 3 erkennen. Gibt es einen Teil, dessen Intensität geringer als die anderer Teile ist, so läßt dies auf einen Krebs- oder Tumorbereich schließen.
Identifiziert der Benutzer einen möglicherweisen kranken Teil durch Betrachten eines Normalbildes oder eines fluoreszierenden Bildes, so erhält er OCT-Bilder des relevanten Teils. Identifiziert der Benutzer den Teil, der eine weitere Untersuchung erfordert, so kann er die Bedieneinheit zum Halten des Tomogramms betätigen. Dann steuert die CPU 221 die OCT-Einheit 23 derart, daß die Leuchtdiode 231 den schwach kohärenten Lichtstrahl abgibt. Gleichzeitig steuert die CPU 221 den Spiegelantrieb 234 und die Abtast-Steuerschaltung 235 zum Start der Aufnahme des Tomogramms. Die CPU 221 steuert auch den Zeitsignalgenerator 222 so, daß Taktsignale an den RGB-Speicher 224 und den OCT-Speicher 228 abgegeben werden. Entsprechend den Taktsignalen geben der RGB-Speicher 224 und der OCT-Speicher 228 Signale an den Videosignalprozessor 225 und den OCT-Videosignalprozessor 228 jeweils mit vorbestimmter Zeitlage ab.
Die Abtast-Steuerschaltung 235 steuert einen Abtastmotor (nicht dargestellt) der OCT-Abtasteinheit 15 so, daß der Abtastspiegel 152 sich in einem vorbestimmten Winkelbereich hin und her dreht. Die von dem Lichtleiter F1 abgegebenen Lichtstrahlen treten aus dem Abtastfenster S gerichtet aus. Sie konvergieren an Erfassungspunkten, die auf einer Abtastlinie liegen. Beim Drehen des Abtastspiegels 152 verschieben sich die Abtastpunkte orthogonal zu der Abtastlinie. Somit kann die OCT-Abtasteinheit einen rechteckigen Bereich zweidimensional abtasten.
Bei dieser Abtastung bewegt der Spiegelantriebsmechanismus 234 den Referenzspiegel 233 parallel zu den Achsen der Fasern des Lichtleiters F2 mit hoher Geschwindigkeit. Der Spiegelantrieb 234 und die Abtast-Steuerschaltung 235 arbeiten synchron mit dem Referenz-Taktsignal des Zeitsignalgenerators 222. In jedem vorbestimmten Moment, wenn die kontinuierlich sich bewegende Abtastlinie zum Stillstand kommt, bewegt sich der Referenzspiegel 234 einmal mit hoher Geschwindigkeit vor und zurück. Mit dieser Bewegung des Referenzspiegels 234 wird die Objektposition bei jedem Erfassungspunkt ausgehend von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe (z.B. 2 mm) abgetastet.
Bei jeder vorbestimmten Verschiebung der Abtastlinie wird dieses Abtasten in Richtung der Tiefe ausgeführt. Dadurch wird der rechteckige Bereich zweidimensional abgetastet. Für alle Abtastpunkte des rechteckigen Bereichs wird also eine solche Tiefenabtastung vorgenommen.
Das Abtasten in Richtung der Tiefe startet aus einer Position, die von der Oberfläche der Wand einen Abstand hat und dem Abtastfenster S näher liegt, bis zu einer Position etwas tiefer als die vorbestimmte Tiefe. Während des Abtastens überwacht der OCT-Vorprozessor 227 kontinuierlich das Ausgangssignal der Lichterfassungsvorrichtung 232 für alle Kanäle. Der OCT-Prozessor 227 überwacht also die Kanäle entsprechend den Abtastpunkten, die auf der Abtastlinie liegen.
Wenn bei diesem Abtasten die Tiefen-Abtastposition die Oberfläche der Wand nicht erreicht hat, erfaßt der OCT-Vorprozessor 227 kein Signal entsprechend einem Erfassungspunkt. Wenn die Abtastposition die Oberfläche erreicht hat, so erfaßt der OCT-Vorprozessor 227 ein Signal. Der OCT-Vorprozessor 227 wertet die Position in Richtung der Tiefe, an der das erste Signal erfaßt wird, als Oberfläche und führt so eine Eichung durch. Der OCT-Vorprozessor wertet also in Richtung der Tiefe einen Bereich von der Oberfläche der Wand (d.h. Tiefe 0) bis zu einer Position mit einer vorbestimmten Tiefe (z.B. 2 mm) aus.
Dann führt der OCT-Vorprozessor 227 eine Verstärkung, ein Decodieren und eine A/D-Umsetzung mit den erhaltenen Signalen aus. Die so erhaltenen Daten werden in dem OCT-Speicher 228 gespeichert. Der OCT-Videosignalprozessor 229 liest die Daten aus dem OCT-Speicher 228 mit vorbestimmter Zeitlage und verarbeitet sie zu einem Videosignal, das an die Videoschaltung 226 übertragen wird. Diese stellt ein Bild auf dem Monitor 3 entsprechend dem empfangenen Videosignal dar. Somit ergibt sich auf dem Monitor 3 ein Tomogramm von der Oberfläche bis zu einer vorbestimmten Tiefe.
Synchron mit dem Drehen des Abtastspiegels 152 wird das Tomogramm auf dem Monitor 3 aktualisiert. In einem bestimmten Moment ist das auf dem Monitor 3 dargestellte Bild ein Tomogramm, das einer bestimmten Abtastlinie entspricht. Wenn sich diese verschiebt, so wird das dargestellte Tomogramm gleichfalls aktualisiert, so daß es der verschobenen Abtastlinie entspricht. Durch Betrachten des Tomogramms auf dem Monitor 3 für eine vollständige Abtastung des rechteckigen Bereichs sowie in Richtung der Tiefe kann der Benutzer den dreidimensionalen Aufbau des Biogewebes unter der Wand erkennen.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Videoschaltung 226 das Tomogramm und auch das Normalbild sowie das fluoreszierende Bild auf dem Monitor 3 gleichzeitig darstellen, wobei das Sichtfeld des Monitors 3 in drei Teilbereiche unterteilt ist. Der RGB-Speicher 224 und der OCT-Speicher 228 nehmen die Taktsignale des Zeitsignalgenerators 222 auf, der durch die CPU 221 gesteuert wird, und geben die Signale an den Videosignalprozessor 225 und den OCT-Videosignalprozessor 229 ab. Dann empfängt die Videoschaltung 226 die Videosignale des Videosignalprozessors 225 und des OCT-Videosignalprozessors 229 und stellt die Bilder in den Teilbereichen dar.
Der vorstehend beschriebene Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels kann so abgeändert sein, daß das sequentiell aktualisierte Tomogramm in einem Speicher gespeichert wird. Wird ein solcher Speicher eingesetzt, so kann die CPU 221 ein dreidimensionales Bild aus den angesammelten Tomogrammen aufbauen. In diesem Fall kann der Benutzer eine Ebene bestimmen, in der die dreidimensionale Struktur geschnitten wird, und der Querschnitt kann auf dem Monitor 3 dargestellt werden.
Mit dieser Konfiguration kann der Benutzer den Zustand unter der Wand der Körperhöhle erkennen und eine genaue und schnelle Diagnose erstellen. Ferner kann der Benutzer mit nur einem Endoskop einen frühen Krebs, einen kleinen Tumor o.ä. auffinden.
Da eine genaue und schnelle Diagnose möglich ist, kann der Benutzer auch die erforderliche Behandlung des erkrankten Abschnitts veranlassen. Beispielsweise kann eine Zange, ein Laserinstrument o.ä. durch den Instrumentenkanal des Endoskops eingeführt werden, und die Behandlung des erkrankten Teils kann sofort beginnen. Dadurch wird die Belastung des Patienten wesentlich verringert.
Zweites Ausführungsbeispiel
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß die OCT-Einheit 23 einen einzigen Kanal hat. Jeder Lichtleiter F1 und F2 ist also eine Lichtleitfaser mit Einzel-Mode, und die Lichterfassungsvorrichtung 232 ist eine Fotodiode. Entsprechend dem Aufbau der OCT-Einheit 23 führt eine OCT-Abtasteinheit 16 an dem Ende des Endoskops 1 eine zweidimensionale Abtastung aus. Im folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8 erläutert.
6 zeigt einen Längsschnitt der Spitze des Endoskops. 7 zeigt den Querschnitt VII-VII aus 6, und 8 zeigt die Seitenansicht in Pfeilrichtung VIII in 6.
Das Einführrohr des Endoskops 1 hat ein Gehäuse 11', das an der Spitze weitgehend zylindrisch ist. In 6 ist nur die Außenfläche des Gehäuses 11' gezeigt, das Gehäuse selbst ist in 8 nicht dargestellt.
Der Umfangsteil der Stirnfläche der Spitze des Gehäuses 11' ist abgerundet. Die OCT-Abtasteinheit 16 befindet sich in dem Gehäuse 11' an der Spitze. Der erste Lichtleiter F1 der OCT-Einheit 23 wird durch das Endoskop 1 eingeführt, dessen Spitze der OCT-Abtasteinheit 16 gegenübersteht. Die OCT-Abtasteinheit 16 enthält in Richtung ihrer optischen Achse eine Kollimationslinse 161, einen Polygonspiegel (Hauptabtastspiegel) 162, eine fθ-Linse 163 und einen Hilfsabtastspiegel 164.
Die Kollimationslinse 161 ist eine rotationssymmetrische plankonvexe Linse in der Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers mit einer konvexen Fläche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Ihr Brennpunkt auf der konvexen Seite fällt mit der Mitte des Lichtbündels zusammen, das aus der Stirnfläche des Lichtleiters F1 austritt, wobei die optische Achse parallel zur Achse des Lichtleiters F1 liegt. Der von dem Lichtleiter F1 abgegebene Lichtstrahl wird mit der Kollimationslinse 161 in paralleles Licht gewandelt.
Der Polygonspiegel 162 hat die Form einer sechseckigen Säule, die Seitenflächen sind reflektierende Flächen. Er wird um seine zentrale Achse gedreht, die orthogonal zu der zentrale Achse des Gehäuses 11' liegt. Auf einer Seite des Polygonspiegels 162 ist ein Stirnzahnrad 165 befestigt. Dieses greift in ein weiteres Stirnzahnrad 166 ein, das auf einer ersten Achse 167 befestigt ist, welche parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt. Die Achse 167 ist mit einem nicht dargestellten Hauptabtastmotor verbunden.
Die fθ-Linse 163 ist eine plankonvexe Linse in der Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers mit einer konvexen Fläche. Sie ist so angeordnet, daß ihre breitere Seite orthogonal zur zentralen Achse des Polygonspiegels 162 liegt, wobei die ebene Fläche, die orthogonal zur optischen Achse liegt, dem Polygonspiegel 162 zugewandt ist. Die ebene Fläche der fθ-Linse 163 ist parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11'. Die fθ-Linse 163 und die Kollimationslinse 161 bilden ein afokales optisches System. Die fθ-Linse 163 empfängt den parallelen Lichtstrahl von dem Polygonspiegel 162 und konvergiert ihn auf einer vorbestimmten Linie. Der Strahl bewegt sich abtastend auf der vorbestimmten Linie mit konstanter Geschwindigkeit.
Der Hilfsabtastspiegel 164 hat eine rechteckige reflektierende Fläche. Er ist so angeordnet, daß die zentrale Achse der reflektierenden Fläche in Längsrichtung parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt, und die reflektierende Fläche der konvexen Fläche der fθ-Linse 163 gegenübersteht.
Das proximate Ende des Hilfsabtastspiegels 164 ist an einer zweiten Achse 168 befestigt, die parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt. Diese Achse 168 ist mit einem nicht dargestellten Hilfsabtastmotor verbunden. Durch dessen Drehung kann der Hilfsabtastspiegel 164 um die Achse 168 über einen vorbestimmten Winkelbereich hin und her gedreht werden.
Der aus dem Ende der Lichtleitfaser F1 austretende Lichtstrahl wird mit der Kollimationslinse 161 kollimiert und trifft auf den Polygonspiegel 162. Der Hauptabtastmotor dreht die erste Achse 167. Durch den Eingriff der Zahnräder 166 und 165 wird der Polygonspiegel 162 gedreht. Der auf ihn treffende Lichtstrahl wird an den Reflexionsflächen abgelenkt, mit der fθ-Linse 163 konvergiert und führt eine Abtastbewegung auf dem Hilfsabtastspiegel 164 in dessen Längsrichtung aus. Der Abtaststrahl wird an dem Hilfsabtastspiegel 164 reflektiert und auf die Wand der Körperhöhle konvergiert.
Der an der Reflexionsfläche des Polygonspiegels 162 abgelenkte Strahl erzeugt eine Abtastlinie (Hauptabtastlinie) auf der Wand. Der Hilfsabtastspiegel 164 dreht sich um einen vorbestimmten Betrag bei dem Ausführen einer Hauptabtastbewegung. Daher wird die nächstfolgende Hauptabtastlinie an der Wand in Hilfsabtastrichtung orthogonal zur Hauptabtastlinie um einen vorbestimmten Betrag gegenüber der vorherigen Hauptabtastlinie verschoben. Bei wiederholter derartiger Bewegung wird die Hauptabtastlinie allmählich in Hilfsabtastrichtung verschoben und dadurch ergibt sich ein rechteckiger Abtastbereich.
Das an der Wand reflektierte Licht läuft in zu dem einfallenden Strahl entgegengesetzter Richtung und tritt dann in das Endoskop 1 ein. Der reflektierte Lichtstrahl (d.h. das Erfassungslicht) wird von dem Hilfsabtastspiegel 164 über die fθ-Linse 163, den Polygonspiegel 162 und die Kollimationslinse 161 nacheinander übertragen und trifft dann auf den Lichtleiter F1.
Der Spiegelantrieb 234 der OCT-Einheit 23 bewegt den Referenzspiegel 233 parallel zur Achse des Lichtleiters F2 hin und her. In jedem Moment, wenn der Polygonspiegel 162 und der Hilfsabtastspiegel 164 stillstehen, macht der Referenzspiegel 234 eine Hin- und Herbewegung. Mit dieser Bewegung kann an einer Abtaststelle eine Abtastung in Richtung der Tiefe, d.h. von der Oberfläche der Wand bis zu einer vorbestimmten Tiefe (z.B. 2 mm) ausgeführt werden. Durch Wiederholen dieser Tiefenabtastung ist es möglich, an allen Erfassungspunkten der Hauptabtastlinie in Richtung der Tiefe eine Abtastung auszuführen. Ferner kann eine ähnliche Abtastung für jede Hauptabtastlinie ausgeführt werden, so daß sich eine Tiefenabtastung für alle Erfassungspunkte in dem rechteckigen Abtastbereich ergibt.
Das von der Lichterfassungsvorrichtung 232 abgegebene Signal wird mit dem OCT-Vorprozessor 227, dem OCT-Speicher 228, dem OCT-Videosignalprozessor 229 und der Videoschaltung 226 verarbeitet, sodann wird das Tomogramm auf dem Monitor 3 dargestellt.
Drittes Ausführungsbeispiel
Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß eine OCT-Abtasteinheit 17 mit einem Polygonspiegel 172 verwendet wird. Das dritte Ausführungsbeispiel wird im folgenden unter Bezugnahme auf 9, 10 und 11 erläutert.
9 zeigt einen Längsschnitt der Spitze des Endoskops. 10 zeigt den Querschnitt X-X aus 9, und 11 zeigt die Ansicht in Blickrichtung XI aus 9.
Das Einführrohr des Endoskops 1 hat ein Gehäuse 11' mit weitgehend Zylinderform an der Spitze. In 9 ist nur die Außenfläche des Gehäuses 11' gezeigt, in 11 ist es nicht dargestellt.
Der Umfang der Spitze des Gehäuses 11' ist abgerundet. Die OCT-Abtasteinheit 17 ist in der Spitze des Gehäuses 11' untergebracht. Der erste Lichtleiter F1 der OCT-Einheit 23 wird durch das Endoskop 1 eingeführt, und seine Spitze steht der OCT-Abtasteinheit 17 gegenüber. Der Lichtleiter F1 ist so aufgebaut, daß eine Linie durch die Mitte der Stirnfläche einer jeden Lichtleitfaser orthogonal zur zentrale Achse des Gehäuses 11' liegt.
Die OCT-Abtasteinheit 17 enthält auf ihrer optischen Achse eine Kollimationslinse 171, den Polygonspiegel 172 und eine fθ-Linse 173.
Die Kollimationslinse 171 ist rotationssymmetrisch und plankonvex und hat die Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers mit einer konvexen Fläche. Sie ist so angeordnet, daß der Brennpunkt auf der konvexen Seite mit der Mitte des Lichtbündels zusammenfällt, das aus der Stirnfläche des Lichtleiters F1 austritt, wobei die optische Achse parallel zur Achse einer jeden Lichtleitfaser des Lichtleiters F1 liegt. Somit werden die Lichtstrahlen aus den Lichtleitfasern des Lichtleiters F1 mit der Kollimationslinse 171 in parallele Strahlen umgesetzt. Der Hauptstrahl der zentralen Lichtleitfaser des Lichtleiters F1 liegt auf der optischen Achse der Kollimationslinse 171. Die Hauptstrahlen der anderen Lichtleitfasern schneiden die optische Achse der Kollimationslinse in dem objektseitigen Brennpunkt (Austrittspupille) der Kollimationslinse 171. Die Austrittspupille fällt mit der Mitte des Abtastspiegels 172 zusammen.
Der Polygonspiegel 172 hat die Form einer sechseckigen Säule, die Seitenflächen sind reflektierende Flächen. Der Polygonspiegel 172 kann um seine zentrale Achse gedreht werden, die orthogonal zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt.
Auf einer Seite des Polygonspiegels ist ein Stirnzahnrad 175 befestigt. Dieses greift in ein weiteres Stirnzahnrad 176, das auf der ersten Achse 177 befestigt ist, welche parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt. Die Achse 177 ist mit einem nicht dargestellten Hauptabtastmotor verbunden.
Die fθ-Linse 173 ist eine plankonvexe Linse in der Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers mit einer konvexen Fläche. Die fθ-Linse 173 bildet mit der Kollimationslinse 171 ein afokales optisches System. Sie ist so angeordnet, daß ihre konvexe Fläche zur Außenseite des Endoskops 1 weist, und ist in dem Abtastfenster S befestigt. Ihre optische Achse ist orthogonal zu der Ebene, in der der Lichtleiter F1 angeordnet ist. Die fθ-Linse 173 konvergiert jeden an dem Abtastspiegel 172 reflektierten parallelen Strahl auf einer Linie orthogonal zur Zeichenebene der 9 außerhalb des Endoskops 1 mit gleichmäßigen Abständen.
Bei diesem Aufbau der OCT-Abtasteinheit 17 wird jeder von der jeweiligen Lichtleitfaser des Lichtleiters F1 abgegebene divergierende Strahl auf die Kollimationslinse 171 gerichtet, wobei die Hauptstrahlen in gemeinsamer Ebene liegen. Die Kollimationslinse 171 kollimiert die einfallenden Strahlen und gibt sie mit einer Neigung zur optischen Achse ab.
Der Hauptstrahl eines jeden von der Kollimationslinse 171 abgegebenen parallelen Strahls schneidet die optische Achse in der Mitte des Abtastspiegels 172. Dadurch ergibt sich hinter dem Abtastspiegel 172 eine umgekehrte Anordnung paralleler Strahlen (in 11 ist die Aufwärts/Abwärts-Richtung umgekehrt). Die an dem Abtastspiegel 172 reflektierten parallelen Strahlen werden auf die fθ-Linse 173 gerichtet. Diese konvergiert die einfallenden Strahlen auf einer vorbestimmten Linie außerhalb des Endoskops 1 unter gleichmäßigen Abständen.
Steht das Endoskop 1 der Wand der Körperhöhle gegenüber, so fallen die von der fθ-Linse 173 abgegebenen Strahlen auf diese Wand. Die Auftreffpunkte an der Wand sind die Abtastpunkte, und eine sie verbindende Linie ist ein Abtastliniensegment. Der Polygonspiegel 172 wird mit konstanter Geschwindigkeit gedreht, und daher bewegt sich das Abtastliniensegment der aus der fθ-Linse 173 austretenden Strahlen auf der Wand orthogonal zu dem Abtastliniensegment mit konstanter Geschwindigkeit.
Die auf die Wand gerichteten Lichtstrahlen werden an ihr reflektiert und in entgegengesetzter Richtung übertragen. Jeder Lichtstrahl läuft also von der fθ-Linse 173 über den Polygonspiegel 172 und die Kollimationslinse 171 und fällt dann auf die jeweilige Lichtleitfaser des Lichtleiters F1.
Der Spiegelantrieb 234 der OCT-Einheit 23 bewegt den Referenzspiegel 233 parallel zur Achse einer jeden Lichtleitfaser des Lichtleiters F2 mit hoher Geschwindigkeit hin und her. Wenn der Polygonspiegel 172 jeweils stillsteht, macht der Referenzspiegel 234 eine Hin- und Herbewegung. Für ein Abtastliniensegment wird also an jedem Abtastpunkt ausgehend von der Oberfläche der Wand bis zu einer bestimmten Tiefe (z.B. 2 mm) eine Abtastung in Richtung der Tiefe ausgeführt.
Wenn sich der Polygonspiegel 172 um einen vorbestimmten Betrag dreht, verlagert sich das Abtastliniensegment orthogonal zu seiner Richtung um einen vorbestimmten Betrag. Da der Referenzspiegel 234 dabei eine Hin- und Herbewegung ausführt, wird an den Abtastpunkten des neuen Abtastliniensegments eine Tiefenabtastung ausgeführt. Bei wiederholter derartiger Tiefenabtastung wird das Abtastliniensegment allmählich verlagert, und es erfolgt eine Tiefenabtastung aller Abtastpunkte des vorbestimmten rechteckigen Bereichs.
Die Lichterfassungseinheit 232 gibt ein Signal an den OCT-Vorprozessor 227, den OCT-Speicher 228, den OCT-Videosignalprozessor 229, die Videoschaltung 226 ab, und es wird ein Bild auf dem Monitor 3 dargestellt.
Mit jedem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Tomogramm eines dreidimensionalen Teils eines Objekts ausgehend von der Oberfläche bis zu einer vorbestimmten Tiefe erzeugt werden.

Claims

Endoskopsystem (1000) mit einem ersten Lichtleiter (F1) und einem mit diesem über einen Optokoppler (238) optisch gekoppelten zweiten Lichtleiter (F2), einer Quelle (231) für schwach kohärentes Licht, die an das proximale Ende eines (F1) der beiden Lichtleiter (F1, F2) angekoppelt ist, einer Abtasteinheit (15, 16, 17), die das aus dem ersten Lichtleiter (F1) austretende Licht über einen Abtastspiegel (152, 162, 172) und eine fΘ-Linse (153, 163, 173) zweidimensional abtastend über einen vorbestimmten Flächenbereich eines Objekts bewegt und das an dem Objekt reflektierter Licht als Erfassungslicht in den ersten Lichtleiter (F1) einführt, einem Reflektor (233) zur Reflexion des aus dem zweiten Lichtleiter (F2) austretenden Lichts auf den zweiten Lichtleiter (F2) als Referenzlicht, einem Einstellsystem (239) für die optische Weglänge zum relativen Ändern der optischen Weglänge von dem Optokoppler (238) zu dem Objekt über den ersten Lichtleiter (F1) und der optischen Weglänge von dem Optokoppler (238) zum Reflektor (233) über den zweiten Lichtleiter (F2), einer Lichterfassungsvorrichtung (232) am proximalen Ende des anderen (F2) der beiden Lichtleiter (F1, F2) zum Erzeugen von Interferenzlicht durch Interferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Erfassungslicht, und einem Signalverarbeitungssystem (227, 228, 229) zum Erzeugen eines Tomogramms aus dem mit der Lichterfassungsvorrichtung (232) erfaßten Signal beim Betrieb des Einstellsystems (239) und der Abtasteinheit (15,16, 17).
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtleiter (F1) mehrere optische Wege enthält, daß der zweite Lichtleiter (F2) mehrere optische Wege enthält, deren Zahl gleich der Zahl der optischen Wege in dem ersten Lichtleiter (F1) ist, daß der Optokoppler (238) die optischen Wege des ersten Lichtleiters (F1) mit den optischen Wegen des zweiten Lichtleiters (F2) einzeln koppelt, und daß die Abtasteinheit (15) die aus den optischen Wegen des ersten Lichtleiters (F1) austretenden Lichtstrahlen auf das Objekt in Form einer Abtastlinie ausrichtet, diese rechtwinklig zu ihrer Längsrichtung verlagert, um den vor bestimmten Flächenbereich zweidimensional abzutasten und die an dem Objekt reflektierten Strahlen auf die optischen Wege des ersten Lichtleiters (F1) richtet.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (F1) und der zweite Lichtleiter (F2) jeweils aus einer Vielzahl Einzelmode-Lichtleitfasern in paralleler Anordnung bestehen.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinheit (15) als Abtastspiegel einen drehbaren Spiegel mit rechteckiger Spiegelfläche enthält, der die aus den optischen Wegen des ersten Lichtleiters (F1) zum Objekt hin austretenden parallelen Lichtstrahlen ablenkt und zum Verlagern der Abtastlinie rechtwinklig zu ihrer Längsrichtung unter Beibehaltung der Parallelität gedreht wird.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (F1) und der zweite Lichtleiter (F2) jeweils einen einzigen optischen Weg enthalten, und daß die Abtasteinheit (16) als Abtastspiegel einen drehbaren Polygonspiegel (162), der als Hauptabtastvorrichtung zum Verlagern der Eintrittsposition des Lichtstrahls am Objekt in einer Hauptabtastrichtung gedreht wird, und einen drehbaren Hilfsabtastspiegel (164) enthält, der als Hilfsabtastvorrichtung zum Verlagern der Eintrittsposition des Lichtstrahls am Objekt in einer Hilfsabtastrichtung rechtwinklig zur Hauptabtastrichtung gedreht wird.
Endoskopsystem (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungssystem (227, 228, 229) ein Tomogramm des Objekts für einen Bereich ausgehend von der Objektoberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe erzeugt.
Endoskopsystem (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellsystem (239) den Reflektor (233) relativ zum Ende des zweiten Lichtleiters (F2) hin und her bewegt, um die optische Weglänge von dem Optokoppler (238) zu dem Reflektor (233) über den zweiten Lichtleiter (F2) gegenüber der optischen Weglänge von dem Optokoppler (238) zu dem Objekt über den ersten Lichtleiter (F1) zu verändern.
Endoskopsystem (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (231) schwach kohärenten Lichtes eine Super-Leuchtdiode enthält.
Endoskopsystem (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein optisches Beleuchtungssystem (12, 21) zur Abgabe sichtbaren Lichtes und/oder von Anregungslicht, das Biogewebe zur Fluoreszenz anregt, auf das Objekt, ein Objektivsystem (13) zum Konvergieren des von der Objektoberfläche kommenden Lichtes zum Erzeugen eines Objektbildes, und ein Bildaufnahmesystem (14, 223, 224, 225) zur Aufnahme des mit dem Objektivsystem (13) erzeugten optischen Bildes.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Quelle (211) für sichtbares Licht, eine Quelle (212) für Anregungslicht, und ein Lichtquellen-Schaltsystem (213) zur Wahl der Quelle (211) für sichtbares Licht oder der Quelle (212) für Anregungslicht und zum Richten des jeweiligen Lichtes auf das optische Beleuchtungssystem (12, 21), wobei das Objektivsystem (13) ein Normalbild des Objektes erzeugt, wenn das sichtbare Licht in das Beleuchtungssystem (12, 21) eingespeist wird, und wobei das Objektivsystem (13) ein fluoreszierendes Bild des Objektes erzeugt, wenn das Anregungslicht in das Beleuchtungssystem (12, 21) eingespeist wird.
Endoskopsystem (1000) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Sichtgerät (3) zum Darstellen des mit dem Bildaufnahmesystem (14, 223, 224, 225) aufgenommenen Objektbildes und des mit dem Signalverarbeitungssystem (227, 228, 229) erzeugten Tomogramms.