DE102004018110A1 - Einrichtung und Verfahren zur Positionseinstellung - Google Patents

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Abstract

Eine Einrichtung (10) zum Einstellen der Position längs einer Achse (12) umfasst ein Element (26), das längs der Achse (12) dehn- und zusammenziehbar ist und eine Formgedächtnislegierung (28) enthält, die so angeordnet werden kann, dass das Element (26) längs der Achse (12) gedehnt oder zusammengezogen wird, ein Heizmittel (82) zum Einstellen der Temperatur der Formgedächtnislegierung (28) und einen Rückkopplungsmechanismus (32, 70) zum Regeln des Heizmittels (82) in Abhängigkeit von Positionsänderungen, wobei die Position durch das Heizmittel (82) eingestellt und durch den Rückkopplungsmechanismus (32, 70) stabilisiert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Positionseinstellung, insbesondere zur Tiefeneinstellung oder -betätigung z.B. in optischen Instrumenten wie Endoskopen und Mikroskopen (einschließlich Endomikroskopen).
  • Es wurden eine Reihe von Techniken vorgeschlagen, um eine x-y-Betätigung, d.h. eine Abtastung, vorzusehen. Ein Beispiel hierfür ist in der WO 00/75712 beschrieben. Häufig ist auch eine Betätigung in z- oder Tiefenrichtung erforderlich, insbesondere in der Endoskopie und der Mikroskopie und dabei insbesondere in konfokaleri Systemen. In einem bekannten Lösungsansatz wird die z- oder tiefeneinstellung vorgenommen, indem die Position einer Objektivlinse manuell eingestellt wird. In Tischsystemen kann dies über eine direkte Einstellung erfolgen. Gemäß einem herkömmlichen System erfolgt diese Einstellung in Handgeräten mittels eines mechanischen Nockensystems, das von dem Benutzer betätigt wird. In konfokalen Mikroskopsystemen ist ein z- oder Tiefeneinstellmechanismus erforderlich, um es dem Operateur zu ermöglichen, den Konfokalpunkt innerhalb einer Probe in unterschiedlichen Brennebenentiefen zu fokussieren. Jedoch sind die existierenden z-Betätigersysteme ungeeignet, konfokale Endoskope und andere kompakte Systeme zu miniaturisieren, deren Abmessungen (insbesondere Durchmesser) minimiert werden müssen, oder wenn, wie in der Endoskopie, die Länge des starren Endoskopkopfs so kurz wie möglich sein sollte.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders kompakte Einrichtung zur Positionseinstellung längs einer Achse anzugeben.
  • Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen z- oder Tiefenbetätiger anzugeben, der in Richtung der z-Achse einstellbar ist, jedoch in lateraler Richtungen eine gewisse Flexibilität aufweist.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Positionseinstellung längs einer Achse vorgesehen, mit:
    einem längs der Achse dehn- und zusammenziehbaren Element, das eine Formgedächtnislegierung enthält, die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes positionierbar ist,
    einem Heizmittel zum Einstellen der Temperatur der Formgedächtnislegierung und
    einem Rückkopplungsmechanismus zum Regeln des Heizmittels in Abhängigkeit von Schwankungen der einzustellenden Position,
    wobei die Position durch das Heizmittel einstellbar und durch den Rückkopplungsmechanismus stabilisierbar ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Achse durch die Tiefe oder z-Achse gegeben (in diesem Fall kann die Einrichtung auch als Tiefeneinstelleinrichtung oder z-Betätiger bezeichnet werden).
  • Vorzugsweise enthält die Einrichtung ein Vorspannmittel, das entweder dem Dehnen oder Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung entgegenwirkt. Vorzugsweise wirkt sie dem Zusammenziehen entgegen.
  • Vorteilhaft ist das Vorspannmittel eine Feder, noch besser eine Schraubenfeder. Es kann jedoch auch ein Element aus Gummi oder einem anderen federnden Material enthalten, das beispielsweise komprimiert wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung zusammenzieht.
  • Schwankungen in der Länge der Formgedächtnislegierung, die bei Änderung der Umgebungstemperatur auftreten, werden mittels des Rückkopplungsmechanismus so korrigiert, dass die Einrichtung ihre gewünschte Länge behält, nachdem diese einmal eingestellt worden ist. Beispiele für geeignete Formgedächtnislegierungen sind Tinol und Nitinol.
  • Vorzugsweise enthält der Rückkopplungsmechanismus einen Rückkopplungssensor, der die Position der Einrichtung erfasst und an das Heizmittel ein Signal ausgibt, über das die auf die Formgedächtnislegierung angewandte Wärme geändert wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel enthält der Rückkopplungsmechanismus mehrere Rückkopplungssensoren. Dadurch ist eine noch genauere Positionsmessung möglich. Außerdem kann, wenn der zu messende Abstand nicht gleichförmig ist (wie z.B. beim Biegen der Einrichtung) der Biegegrad gemessen werden, so dass man den geeigneten Positionswert erhält.
  • Vorzugsweise enthält das Heizmittel eine Quelle für elektrischen Strom zum Erwärmen der Formgedächtnislegierung, indem der elektrische Strom durch die Formgedächtnislegierung geschickt wird. Das Heizmittel kann jedoch auch in einer geeigneten anderen Ausführungsform ausgebildet sein, z.B. als Mechanismus zum Erwärmen und Zirkulieren eines Fluids (z.B. Luft, ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit) um die Formgedächtnislegierung herum oder an dieser vorbei. In einer anderen Ausführungsform könnte das Heizmittel eine Heizvorrichtung umfassen, die mit der Formgedächtnislegierung in Berührung oder auf andere Weise in thermischer Verbindung steht (z.B. ein oder mehrere elektrisch gespeiste Heizelemente, die so betrieben werden, dass sie Wärme auf die Formgedächtnislegierung abstrahlen, oder die über einen thermisch leitenden Verbinder mit der Formgedächtnislegierung gekoppelt sind).
  • Vorzugsweise ist der elektrische Strom ein pulsbreitenmodulierter Strom. Das Heizmittel ist vorzugsweise so ansteuerbar, dass der Betriebszyklus des pulsbreitenmodulierten Stroms und damit dessen Mittelwert variiert werden können.
  • Durch Ändern des Mittelwertes des Stroms können das Erwärmen und damit die Länge der Formgedächtnislegierung eingestellt werden.
  • Der Rückkopplungsmechanismus enthält beispielsweise einen kapazitiven Sensor, einen Sensor mit variablem Widerstand, einen magnetischen Hall-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen optischen Sensor. In einer Ausführungsform enthält der Rückkopplungsmechanismus einen kapazitiven Sensor mit Doppeldrahtspule, wobei die räumliche Trennung zwischen den beiden Spulen entsprechend der Position der Einrichtung variiert, wodurch wiederum das Ausgangssignal des Sensors variiert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der Rückkopplungsmechanismus einen optischen Sensor mit einer gepulsten roten Leuchtdiode (LED) und eine phasenverriegelte, verstärkende (PIN) Erfassungsdiode.
  • Vorzugsweise enthält die Einrichtung ein langgestrecktes Element, um die Formgedächtnislegierung an der Einrichtung zu befestigen, wobei dieses Element longitudinal weitgehend starr und lateral flexibel ist. Vorteilhaft enthält das langgestreckte Element einen Bowdenzug.
  • Die Erfindung sieht ferner ein Endoskop vor, mit:
    einem Lichtleiter für Beleuchtungslicht,
    einem Kondensorelement zum Fokussieren des Beleuchtungslichtes auf ein Betrachtungsfeld, und
    die oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung, die dazu dient, die Position des Betrachtungsfeldes einzustellen.
  • Dabei kann die Position durch Bewegung einer Austrittsöffnung, durch Bewegung des Kondensorelementes oder durch Bewegung sowohl der Austrittsöffnung als auch das Kondensorelementes eingestellt werden, wobei die jeweilige Bewegung durch die Positionseinstelleinrichtung steuerbar ist.
  • Vorzugsweise enthält das Endoskop einen x-y-Abtastmechanismus, der die genannte Austrittsöffnung enthält und dessen Position durch die Positionseinstelleinrichtung einstellbar ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das dehn- und zusammenziehbare Element eines von mehreren gleichen Elementen.
  • So können mehrere solcher aus der Formgedächtnislegierung bestehender Elemente vorgesehen sein. Dadurch kann der für die einzelnen Elemente benötigte Erwärmungsbereich reduziert werden. Außerdem ist es so möglich, die Kraft, die für die Änderung der z-Position benötigt wird, gleichmäßiger zu verteilen. Außerdem können die Elemente unterschiedlich beheizt werden, um so eine Vorrichtung zu biegen, in der die besagte Einrichtung enthalten ist. Dient beispielsweise die Einrichtung dazu, die z-Position eines x-y-Abtastmechanismus einzustellen, so kann der x-y-Mechanismus in einem Winkel zu der Einrichtung orientiert werden, indem beispielsweise drei getrennt voneinander ansteuerbare Elemente gleichmäßig um den Umfang der Einrichtung herum angeordnet werden.
  • Das Endoskop kann ein konfokales Endoskop und/oder Endomikroskop sein.
  • Die Erfindung sieht ferner ein Mikroskop (z.B: ein konfokales Mikroskop) vor, das eine wie oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung enthält, durch die die Position eines Betrachtungsfeldes des Mikroskops eingestellt werden kann.
  • Außerdem sieht die Erfindung ein Kolonoskop vor, das ebenfalls konfokal sein kann und eine wie oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung enthält.
  • In einer Ausführungsform enthält die Einrichtung eine flexible gedruckte Leiterplatte (PCB), die zwischen zwei Teilen der Einrichtung befestigt ist, deren räumliche Trennung voneinander mit Änderung der Position variiert, so dass die Leiterplatte mit Änderung dieser räumlichen Trennung gebogen wird. Diese erfindungsgemäße Lösung kann auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen die räumliche Trennung zweier Komponenten voneinander variiert und in denen eine elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten erforderlich oder erwünscht ist.
  • Vorzugsweise enthält die Einrichtung einen Mechanismus zum Einstellen einer gewünschten Ruheposition in Richtung der Achse (z.B. z-Richtung) derart, dass die anschließende Positionseinstellung auf diese Ruheposition bezogen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen einer Position längs einer Achse vorgesehen, mit folgenden Schritten:
    Bereitstellen eines längs der Achse dehn- und zusammenziehbaren Elementes, das eine Formgedächtnislegierung enthält, die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes positionierbar ist,
    Einstellen der Länge der Formgedächtnislegierung über ein Heizmittel und Erzeugen eines Rückkopplungssignals als Reaktion auf Schwankungen der einzustellenden Position und Regeln des Heizmittels mit dem Rückkopplungssignal zur Stabilisierung der Position,
    wobei die Position durch das Heizmittel einstellbar und durch das Rückkopplungssignal stabilisierbar ist.
  • Die Achse kann durch die Tiefe oder z-Achse gegeben sein.
  • Vorzugsweise sieht das Verfahren vor, dem Dehnen oder Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung mit einem Vorspannmittel entgegenzuwirken, z.B. mit einer Feder. Vorzugsweise wird dabei dem Zusammenziehen entgegengewirkt.
  • Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Endoskopie oder Kolonoskopie vor, mit folgenden Schritten:
    Anordnen eines optischen Kopfes an einer zu untersuchenden Stelle und Einstellen der Position eines auf die Endoskopie oder Kolonoskopie bezogenen Betrachtungsfeldes zumindest teilweise mittels einer Formgedächtnislegierung.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
  • Darin zeigen:
  • 1A eine schematische Darstellung eines Kolonoskop-Einführteils mit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene des Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem Ausführungsbeispiel,
  • 1B eine schematische Darstellung eines Kolonoskop-Einführteils mit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene des Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel,
  • 1C einen Kolonoskop-Einführteil mit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene des Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 2A eine schematische Darstellung eines optischen Positionssensors der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
  • 2B der gemessene Zusammenhang zwischen der Änderung der analogen Ausgangsspannung und der Änderung des auf die z-Betätigung bezogenen Abstandes für den optischen Positionssensor nach 2A,
  • 2C eine schematische Darstellung eines kapazitiven Positionssensors nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
  • 3A ein schematisches Schaltbild des Kolonoskops, das die mit dem optischen Sensor ausgestattete Tiefeneinstelleinrichtung enthält,
  • 3B ein schematisches Schaltbild eines Kolonoskops, das die mit dem kapazitiven Positionssensor ausgestattete Tiefeneinstelleinrichtung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel enthält,
  • 4 ein Flussdiagramm eines Proportional-Integral-Differential-Regelkreises der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
  • 5A eine schematische Darstellung der Rechteckspannung, die dem Treiber der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zugeführt wird,
  • 5B eine schematische Darstellung der Rechteckspannung, die dem Treiber der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A auf die Tiefeneinstellung folgend zugeführt wird,
  • 6 eine schematische Darstellung, welche die Anordnung einer Feder und eines optischen Positionssensors bezüglich eines Nitinol-Drahtes und eines x-y-Abtastmechanismus der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt,
  • 7A eine schematische Darstellung, welche die Anbringung des Nitinol-Drahtes an einer Leiterplatte der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt, und
  • 7B eine schematische Darstellung, die eine alternative Anbringung des Nitinol-Drahtes an der Leiterplatte der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kolonoskop-Einführteils 10, der mit einer z- oder Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene des Kolonoskop-Einführteils 10 in Tiefen- oder z-Richtung 12 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgestattet ist. Der Kolonoskop-Einführteil 10 bildet denjenigen Teil eines Kolonoskops, der im Gebrauch in das Kolon eingeführt wird. In 1A sind die übrigen Teile des Kolonoskops, z.B. ein Handgriff, Steuerelemente, etc. nicht dargestellt.
  • Der Kolonoskop-Einführteil 10 hat einen vergleichsweise starren vorderen Abschnitt 14 und einen vergleichsweise flexiblen hinteren Abschnitt 16. Der vordere Abschnitt 14 umfasst im Wesentlichen ein äußeres, rohrförmiges Gehäuse 18 mit einem x-y-Abtastmechanismus 20 und einer Objektivoptik 22. In 1A ist die Optik 22 stellvertretend durch zwei Linsen dargestellt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Optik 22 auch nur eine einzige Linse umfassen kann. Typischerweise ist sie jedoch komplizierter aufgebaut und enthält mehrere optische Elemente, die jeweils als konvexe Linse, konkave Linse oder als planares Element ausgebildet sind.
  • Der hintere Abschnitt 16 enthält die Hauptkomponenten einer z- oder Tiefeneinstelleinrichtung 24, nämlich einen z-Betätiger 26, der einen nach hinten verlaufenden Draht 28 aus der Formgedächtnislegierung Nitinol, ein langgestrecktes Element in Form eines Bowdenzugs 30 und einen Positionssensor 32 enthält. Der Bowdenzug 30 ist mit seinem einen Ende an dem hinteren Ende des Nitinol-Drahtes 28 und mit seinem anderen Ende am hinteren Ende des Gehäuses 18 angebracht.
  • Ein Lichtleiter (optische Faser) 34, der sowohl Beleuchtungslicht 36, typischerweise Laserlicht, zu einem punktförmigen Betrachtungsfeld 37 auf dem oder inner halb des Kolons überträgt, als auch das von diesem punktförmigen Betrachtungsfeld 37 in Form von Reflexions- oder Fluoreszenzlicht zu Erfassungszwecken zurückführt, befindet sich auf der zentralen Längsachse des Kolonoskop-Einführteils 10 und erstreckt sich lediglich bis zum vorderen Ende des x-y-Abtastmechanismus 20 nach vorn. Schließlich sind noch eine Laserquelle und ein Detektor (nicht gezeigt) über einen Strahlteiler (ebenfalls nicht gezeigt) an den Lichtleiter 34 gekoppelt, um das Beleuchtungslicht und das von dem Betrachtungsfeld 37 ausgesendete Licht voneinander zu trennen. Die Optik 22 enthält Linsen, die dazu dienen, das aus der Austrittsöffnung des Austrittsendes des Lichtleiters 34 austretende Beleuchtungslicht auf das punktförmige Betrachtungsfeld 37 zu fokussieren und das zurückkehrende Licht einzusammeln und zurück in den Lichtleiter 34 zu fokussieren.
  • Der Kolonoskop-Einführteil 10 arbeitet konfokal, wobei die Austrittsöffnung des Lichtleiters 34 als Raumfilter wirkt, wodurch die Schärfentiefe des Kolonoskops auf eine wohl definierte Brennebene 38 entweder auf oder unterhalb der Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes eingeschränkt ist. Jedoch ist der x-y-Abtastmechanismus 20 innerhalb des Gehäuses 18 längs der z-Richtung vor und zurück verschiebbar, d.h. auf das vordere Ende des Gehäuses 18 zu und von diesem weg bewegbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Optik 22 im Normalbetrieb relativ zu dem externen Gehäuse 18 feststehend. Demzufolge ist der x-y-Abtastmechanismus 20 auf die Objektivoptik 22 zu und von dieser weg verschiebbar, wodurch die Lage der Brennebene 38 variierbar ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist jedoch der x-y-Abtastmechanismus 20 zusammen mit einer ausgewählten hinteren Untereinheit der die Optik 22 bildenden optischen Elemente verschiebbar, während das bzw. die übrigen optischen Elemente relativ zu dem Gehäuse 18 feststehend bleiben. In einer Ausführungsform dieses Ausführungsbeispiels bleibt lediglich das am weitesten vorn angeordnete optische Element ortsfest, während die anderen Elemente bewegt werden. Diese Ausführungsform ist in 1B, in der die gezeigten Linsen jeweils wie oben beschrieben lediglich stellvertretend für ein oder mehrere optische Elemente gezeigt sind, schematisch mit 10' angedeutet.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der x-y-Abtastmechanismus 20 zusammen mit allen optischen Elementen der Optik 22 verschiebbar, so dass am Ende des Gehäuses 18 zwischen dem letzten, d.h. dem am weitesten vorn angeordneten optischen Element und der Probe ein rohrförmiger Raum 19 mit variabler Abmessung in z-Richtung erzeugt wird. In diesem rohrförmigen Raum 19 kann die Probe zum Teil hineinragen, was zu einer Erhöhung der Gewebsstabilität und zu einer Vereinfachung der Bildaufnahme führt. Dieses mit dem rohrförmigen Raum 19 versehene Ausführungsbeispiel ist in 1C, in der die gezeigten Linsen jeweils für ein oder mehrere optische Elemente stehen (vergl. oben), schematisch mit 10'' angedeutet.
  • In jedem dieser Ausführungsbeispiele kann das untersuchte Sichtfeld (Abbildungsbereich) also bis zu einem gewissen Grad (über den Bereich 40 von etwa 300 μm in z-Richtung) eingestellt werden, ohne eine Grobeinstellung der Position des Kolonoskop-Einführteils 10 vornehmen zu müssen. Die Tiefeneinstelleinrichtung 24 bewirkt also eine Verschiebung und damit eine Repositionierung sowohl des x-y-Abtastmechanismus 20 als auch der Brennebene 38 relativ zu dem Kolonoskop-Einführteil 10 und der betrachteten Probe.
  • Der durch Bewegen der Brennebene 38 tatsächlich verfügbare Positionsbereich reicht von einer Position unmittelbar hinter des am weitesten vorn angeordneten optischen Elementes der Optik 22 bis zu einer Position, die sich etwa 300 μm vor dem letzten optischen Elemente befindet.
  • Der Lichtleiter 34 ist fest an dem x-y-Abtastmechanismus 20 angebracht, wenn ein Austrittsende 35 des Lichtleiters 34 durch den Abtastmechanismus 20 in x-y-Richtung bewegt wird. Dadurch ist sichergestellt, dass durch Vorschieben und Zurückziehen des x-y-Abtastmechanismus 20 mittels der Tiefeneinstelleinrichtung 24 auch das Austrittsende 35 des Lichtleiters 34 vorgeschoben oder zurückgezogen wird, wodurch wiederum auch die Brennebene 38 in z-Richtung entsprechend vorgeschoben und zurückgezogen wird. Indem der x-y-Abtastmechanismus 20 und das Austrittsende 35 über einen Bereich von 300 μm bewegt werden, wird der Lichtleiter 34 in dem Bereich hinter dem x-y-Abtastmechanismus 20 unter Zugspannung gesetzt oder gedehnt. Jedoch ist in diesem Bereich, der bis über 1 m aus dem Endoskopkopf heraus reicht, der Lichtleiter 34 von einer nicht gezeigten Hülle ummantelt, in der er sich ausreichend bewegen kann, um den vorstehend beschriebenen Effekt zu ermöglichen. Eine solche Bewegung ist unter allen Umständen als normal anzusehen und tritt beispielsweise auch dann auf, wenn das Kolonoskop betätigt wird, um es für eine Kolonuntersuchung geeignet zu platzieren.
  • Um die vorwärts und rückwärts gerichtete z-Betätigung zu erreichen, ist das vordere Ende 42 des Nitinol-Drahtes 28 am hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 angebracht. Ein Erwärmen des Nitinol-Drahtes 28 führt dazu, dass sich dieser zusammenzieht und so den x-y-Abtastmechanismus 20 nach hinten zieht. Lässt man den Nitinol-Draht 28 abkühlen, so dehnt er sich aus und schiebt mit Unterstützung einer Schraubenfeder 44, die zwischen dem Gehäuse 18 und dem hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 angeordnet ist, letzteren nach vorn. Die Feder 44 ist in den 1A, 1B und 1C lediglich schematisch dargestellt. Sie wird jedoch zusammen mit den sie umgebenden Komponenten später genauer beschrieben.
  • Wie oben erläutert, bewegt sich die Brennebene 38 des Kolonoskop-Einführteils 10 mit der Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in z-Richtung 12. Zur Anbringung des Nitinol-Drahtes an dem Bowdenzug 30 oder dem hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 kann eine beliebige geeignete Technik angewandt werden. So kann der Draht 28 mittels Crimpen angebracht werden. Alternativ können die Endabschnitte des Nitinol-Drahtes 28 verbreitert und in gekerbte Abschnitte des angrenzenden Materials (d.h. des Bowdenzugs 30 oder des hinteren Teils des x-y-Abtastmechanismus 20) gesteckt (geschlitzt) werden. Eine andere Lösung besteht darin, den Nitinol-Draht 28 durch in dem angrenzenden Material vorgebohrte Löcher zu stecken und dann den Draht 28 umzubiegen oder ihn unter einem Winkel relativ zu der Zugkraft auszurichten, die auf den Anbrin gungspunkt ausgeübt wird. Um bei dieser Lösung für eine noch zuverlässigere Anbringung zu sorgen, kann der Draht 28 zusätzlich gecrimpt werden.
  • Temperaturschwankungen innerhalb der Tiefeneinstelleinrichtung 24 führen jedoch dazu, dass die Länge des Nitinol-Drahtes 28 variiert, selbst wenn dessen Temperatur theoretisch konstant gehalten wird. Unkontrolliert führt dies zu unerwünschten Positionsschwankungen der Brennebene 38. Die Wirkung der Tiefeneinstelleinrichtung 24 ist deshalb über einen Rückkopplungsmechanismus stabilisiert, der im Wesentlichen den Positionssensor 32 enthält. Der Positionssensor 32 erfasst die Position des x-y-Abtastmechanismus 20 relativ zum Gehäuse 18 und liefert ein variierendes Ausgangssignal, das ein Maß für die Position der Brennebene 38 ist. Dieses Signal kann genutzt werden, um unerwünschte Längenschwankungen des Nitinol-Drahtes 28 und das damit einhergehende Auswandern der Position der Brennebene 38 zu korrigieren. Die gewünschte Positionsstabilität der einmal eingestellten Brennebene 38 liegt in der Größenordnung von 10 μm. Außerdem minimiert diese Rückkopplung die Größe des Positionsdriftes infolge einer Biegebewegung des Kolonoskops (in dessen flexiblem Abschnitt 16 oder zwischen diesem Abschnitt und dem nicht gezeigten Handgriff).
  • Der Rückkopplungsmechanismus weist eine möglichst kurze Ansprechzeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Operateur eine neue z-Position oder Tiefe einstellt, und dem Zeitpunkt auf, zu dem diese Position erreicht wird. Diese Ansprechzeit beinhaltet die Ansprechzeit der Schaltungsanordnung (vergl. 3A und 3B) sowie des Nitinol-Drahtes 28 selbst, wenn einmal ein Heizstrom damit beginnt, durch den Nitinol-Draht 28 zu fließen. Erstere Ansprechzeit liegt vorzugsweise zwischen 5 und 100 ms. Zieht sich der Draht 28 durch die Erwärmung zusammen, so hängt letztere Ansprechzeit von der Rate der Temperaturänderung innerhalb des Nitinol-Drahtes 28 und dem mechanischen Widerstand des x-y-Abtastmechanismus 20 (auch entgegen der Feder 44) ab. Dehnt sich der Draht 28 infolge einer Abkühlung aus, so hängt letztere Ansprechzeit von der Rate der von dem Draht 28 ausgehenden Wärmeabfuhr und der Wirkung des Drahtes 28 entgegen der Feder 44 ab. Es hat sich herausgestellt, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Einstellung ausgehend von dem einen z- oder Tiefengrenzwert zu dem anderen Grenzwert in 10 s möglich ist.
  • Der durch den Draht 28 fließende Heizstrom sollte minimiert werden, um so die Betriebstemperatur möglichst klein zu halten. Dies ist vorteilhaft für die Sicherheit des Patienten. Außerdem kann dadurch die Wärme, die beim Abkühlen des Drahtes 28 abgeführt werden muss, minimiert werden.
  • Der Positionssensor 32 dieses Ausführungsbeispiels ist ein optischer Sensor, der in 2A allgemein mit 46 bezeichnet ist. Der optische Positionssensor 46 enthält eine gepulste rote Leuchtdiode (LED) 48 und eine phasenverriegelte, verstärkende Erfassungsdiode (PIN) 50. Das von der LED 48 abgegebene gepulste Licht 52 wird mittels einer nicht gezeigten Fokussierlinse in ein Paar Lichtleiter (optische Fasern) 54 fokussiert. Wie mit dem Bezugszeichen 56 angedeutet, wird dieses Licht aus den mit dem Bezugszeichen 58 bezeichneten überstehenden fernen Enden der beiden Lichtleiter 54 ausgegeben und auf eine Rückfläche 60 des x-y-Abtastmechanismus 20 gerichtet. Wie mit dem Bezugszeichen 62 angedeutet, wird dann das an der Rückfläche 60 reflektierte Licht von einem zweiten Paar Lichtleiter 64 gesammelt. Das erste und das zweite Paar Lichtleiter 54, 64 bilden zusammen ein Lichtleiterbündel 66. Das zweite Paar Lichtleiter 64 überträgt das reflektierte Licht 62 zu der Erfassungsdiode 50. Das erste und das zweite Paar Lichtleiter 54, 64 sind innerhalb des Lichtleiterbündels 66 derart in einer gekreuzten Konfiguration angeordnet, dass sich das erste Paar 54 in einer Ebene befindet, die im rechten Winkel zu der durch das zweite Paar 64 definierten Ebene liegt. Dadurch wird die Messgenauigkeit maximiert.
  • Die Intensität des von der Erfassungsdiode 50 in dem optischen Positionssensor 46 erfassten Lichtes variiert mit dem Abstand 68 zwischen der Fläche 60 und dem Ende des Lichtleiterbündels 66. Der Abstand 68 variiert mit der Position des x-y-Abtastmechanismus 20 und gibt deshalb die Länge des Nitinol-Drahtes 28 an. So wird die Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in dem Gehäuse 18 von der Erfassungsdiode 50 erfasst, die die mechanische Verschiebung (mittels eines nicht gezeigten Wandlers) in ein analoges Spannungssignal O (V) wandelt. Dieses Signal gibt demnach die mechanische Verschiebung an.
  • Der Zusammenhang zwischen dem analogen Spannungssignal O (V) und der mechanischen Verschiebung wurde in einer sechs Tests umfassenden Serie gemessen. In 2B ist das analoge Spannungssignal O (V) als Funktion der Verschiebung d (μm) aufgetragen. Die den einzelnen Tests entsprechenden Kurven sind jeweils mit einer Testziffer bezeichnet, die in 2B rechts des Graphen angegeben sind. Über einen Bereich von 400 bis 650 μm der mechanischen Verschiebung folgt das analoge Spannungssignal etwa einem linearen Zusammenhang, der in den sechs Tests genau reproduziert wurde.
  • Es können unterschiedliche Typen von Positionssensoren verwendet werden, um für die gewünschte Rückkopplung zu sorgen, so lange ihre körperlichen Abmessungen den körperlichen Beschränkungen des Kolonoskop-Einführteils 10 genügen.
  • In 2C enthält der Positionssensor 32 in einer alternativen Ausführungsform einen kapazitiven Sensor 70 mit Doppeldrahtspule, dessen Spulen 72a, 72b in ihrer räumlichen Trennung voneinander in Abhängigkeit der Länge des Sensors 70 variieren. Die beiden Spulen 72a, 72b sind nicht zusammengeschaltet und weisen deshalb eine Kapazität auf, die zunimmt, wenn die beiden Spulen 72a, 72b näher zueinander hingezogen werden, d.h. wenn sich der Sensor 70 zusammenzieht. Der Sensor 70 ist in der z-Richtung 12 ausgerichtet, so dass Positionsänderungen des x-y-Abtastmechanismus 20 (relativ zu dem Gehäuse 18) zu solchen Variationen in der räumlichen Trennung der Spulen 72a, 72b führen. Dies tritt dann auf, wenn sich der Nitinol-Draht 28 zusammenzieht und so den x-y-Abtastmechanismus 20 nach hinten zieht, wodurch der Sensor 70 zusammengedrückt wird, oder wenn sich der Nitinol-Draht 28 ausdehnt, so dass der x-y-Abtastmechanismus 20 von der Feder 44 nach vorn gedrückt wird, wodurch sich der Sensor 70 ausdehnt. Der x-y-Abtastmechanismus 20 wird so durch die Tiefenseinstelleinrichtung 24 dem Gehäuse 18 angenähert. Die Bewegung des x-y- Abtastmechanismus 20 in dem Gehäuse 18 wird demnach von dem kapazitiven Positionssensor 70 erfasst, der die mechanische Verschiebung (mittels eines nicht gezeigten Wandlers) in ein analoges Spannungssignal wandelt, das wiederum ein Maß für diese mechanische Verschiebung ist.
  • Der kapazitive Positionssensor 70 sorgt so für eine kapazitive Änderung in Abhängigkeit der Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20.
  • 3A ist ein schematisches Schaltbild des Kolonoskops, dessen Einführteil 10 und Tiefeneinstelleinrichtung 24 in 1 gezeigt sind. Wie oben erläutert, bildet der Einführteil 10 eine Komponente des Kolonoskops, das zudem einen Handgriff 80 und eine Controller- oder Steuerkarte 82 umfasst. Jede dieser drei Komponenten (Einführteil 10, Handgriff 80 und Steuerkarte 82) hat ihre eigene unabhängige Gleichstromversorgung (in 3A nicht gezeigt).
  • Der Handgriff 80 enthält die Erfassungsdiode 50, die wie oben beschrieben die Änderung des von dem Positionssensor 32 ausgegebenen Signals erfasst und in ein analoges Spannungssignal 88 wandelt, das ein Maß für die mechanische Verschiebung des x-y-Abtastmechanismus 20 ist. Die Erfassungsdiode 50 gibt auf die Erfassung von variierenden Lichtintensitäten hin direkt ein analoges Spannungssignal 88 aus. Der Änderungsbereich des ausgegebenen Spannungssignals 88 ist größer als 600 mV.
  • Die Erfassungsdiode 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Handgriff 80 angeordnet. Sie und die LED 48 können jedoch im Grunde überall in dem System angeordnet sein. Dies liegt daran, dass die Länge der gekreuzten Konfiguration der Lichtleiterpaare 54, 64 nicht kritisch für die Genauigkeit des optischen Positionssensors 32 ist. So könnten beispielsweise die LED 48 und die Erfassungsdiode 50 so klein ausgebildet werden, dass sie direkt auf der Oberfläche einer der in dem Einführteil 10 vorhandenen gedruckten Leiterplatten angeordnet werden könnten. In dieser Ausführungsform wären die gekreuzten Lichtleiterpaare 54, 64 nicht erforderlich. Statt dessen könnte das von der LED 48 abgegebene Licht direkt an der Rückfläche 60 des x-y-Abtastmechanismus 20 reflektiert und anschließend von der Erfassungsdiode 50 erfasst werden.
  • In 3B ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der der Positionssensor 32 den mit der Doppeldrahtspule arbeitenden kapazitiven Sensor 70 enthält und der Handgriff 80 einen Wandler 86 enthält, der einen Demodulator mit seinen eigenen Anregungs- und Demodulationsschaltungen aufweist (an Stelle der Erfassungsdiode 50).
  • Vorteilhaft wird der Wandler 86 so nah wie möglich an dem kapazitiven Positionssensor 32 angeordnet, da jede zusätzliche Länge des von dem kapazitiven Positionssensor 32 zu dem Wandler 86 führenden elektrischen Kabels zu einer zusätzlichen Kapazität führt. Dadurch nehmen die gemessenen Änderungen der Kapazität des Sensors 32 prozentual ab.
  • In einem Test wurde die Kapazität des kapazitiven Positionssensors 32 gemessen und herausgefunden, dass sie im vollständig gedehnten Zustand 110 pf und im komprimierten Zustand 140 pf beträgt. Es ergab sich also ein Kapazitätsbereich von 24 % (d.h. 140 – 110 = 30 pf) um den Mittelwert (d.h. (140 + 110/2) = 125 pf). Ein Prozentbereich dieser Größenordnung sollte deshalb erhalten werden, wenn der Wandler 86 an den Sensor 32 angrenzend angeordnet wird. Eine Kapazitätsänderung in der Größenordnung von 24 % sollte leicht oberhalb des Hintergrundrauschens erfasst und über das Ausgangssignal 88 dem Rückkopplungs- oder Regelkreis zugeführt werden können.
  • Jedoch liegen in dem in 3B gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Kolonoskop-Einführteil 10 Raumbeschränkungen derart vor, dass der Wandler 86 nicht so einfach in dem Einführteil 10 angeordnet werden kann. Die nächstmögliche geeignete Position für den Wandler 86 liegt in dem Handgriff 80. Der Wandler 86 befindet sich deshalb in dem Handgriff 80, wie in 3B gezeigt ist.
  • Zwischen dem kapazitiven Positionssensor 70 und dem Wandler 86 wird ein kapazitätsarmes, elektrisches Kabel 84 mit einer Länge von etwa 2 m verwendet. Das Kabel 84 hat eine gemessene Kapazität von 130 pf/m. Die prozentuale Änderung, die der in dem Handgriff 80 angeordnete Wandler 86 misst, liegt demnach bei 30/(125 + 2 × 130) = ~ 8 %.
  • Würde der Wandler 86 auf der Steuerkarte 82 angeordnet werden, so wäre ein noch längeres Kabel zwischen dem Wandler 86 und dem Positionssensor 32 erforderlich. Eine von dem Wandler 86 erfasste geringere prozentuale Änderung der Kapazität bedeutet letztlich, dass die Genauigkeit des Positionsrückkopplungsmechanismus und/oder dessen Iterationsgeschwindigkeit bis zu einem gewissen Grad beeinträchtigt würden.
  • Der Wandler 86 steuert über ein Wechselstromsignal eine Wechselstrom-Halbbrücke an, in der ein Arm einen Festkondensator enthält. (In diesem Ausführungsbeispiel ist der andere Arm letztlich durch die beiden Spulen 72a, 72b des kapazitiven Positionssensors 70 gebildet.) Die mechanische Verschiebung des xy-Abtastmechanismus 20 führt dazu, dass sich in dem Positionssensor 32 die Amplitude des Wechselstromsignals ändert (infolge einer Impedanzänderung). Der Wandler 86 vergleicht das von dem Positionssensor 32 ausgegebene Signal mit dem Anregungssignal und demoduliert die Differenz zwischen diesen Signalen in eine Gleichspannung. Der Änderungsbereich des von dem Wandler 86 ausgegebenen Spannungssignals 88 ist größer als 200 mV. Die Null-Offsetspannung des Wandlers 86 ist einstellbar, um eine Anpassung an den speziellen Positionssensor 32 vorzunehmen.
  • Wie oben erläutert, wird das Signal der Erfassungsdiode 50 (vergl. 3A) oder des Wandlers 86 (vergl. 3B) als analoges Spannungssignal 88 ausgegeben. Dieses Signal wird der Steuerkarte 82 zugeführt, wo es zunächst von einem Verstärker 90 skaliert und anschließend von einem Analog/Digital-Wandler (ADC) 92 in ein digitales Datensignal 94 zur Weiterverarbeitung gewandelt wird.
  • Der Verstärker 90 enthält einen rauscharmen Operationsverstärker, ein Tiefpassfilter und ein digitales Potentiometer. Das von dem Wandler 86 zugeführte Signal hat eine maximale Amplitude (Amplitudenspanne) von typischerweise 200 mV. Die maximale Amplitude des ausgegebenen Signals wird typischerweise zwischen 1 und 4 Volt eingestellt.
  • Eine auf der Steuerkarte 82 angeordnete Mikrosteuerung 96 sammelt das von dem A/D-Wandler 92 ausgegebene digitale Signal und berechnet die zum Ansteuern eines ebenfalls auf der Steuerkarte 82 angeordneten Treibers 98 erforderlichen Signale, um den Tiefen- oder z-Betätiger 26 in später genauer beschriebener Weise anzutreiben. Der Treiber 98 leitet grob gesprochen einen pulsbreitenmodulierten Strom durch den Draht 28, um diesen zu erwärmen und so dessen Länge zu variieren. Die Erwärmung wird gesteuert, indem der Arbeitszyklus des modulierten Stroms variiert wird, wodurch sich der Mittelwert des Stroms und damit die Heizwirkung auf den Draht 28 ändern.
  • Der A/D-Wandler 92 ist ein mit 12 Bit arbeitender, serieller Analog/Digital-Wandler, der das analoge Signal aus dem Verstärker 90 in ein digitales Signal 94 wandelt. Er ist an die Mikrosteuerung 96 angeschlossen und wird von dieser gesteuert, während er wiederum die transformierten Signale von dem Positionssensor 32 empfängt.
  • Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 90 kann über die Mikrosteuerung 96 oder einen externen Einstellanschluss 100 so justiert werden, dass die analoge Ausgangsspannung des Verstärkers 90 auf Vollaussteuerung eingestellt wird. Es können auch eine auf den Wandler 86 führende Offset-Einstellung 102 und eine auf den Verstärker 90 führende Verstärkungsfaktoreinstellung 104 verwendet werden, um das System (entsprechend seinen Eigenschaften, insbesondere entsprechend der Empfindlichkeit des Sensors 28) auf einen geeigneten Bereich für den A/D-Wandler 92 einzustellen.
  • Der Handgriff 80 hat ferner zwei Tiefeneinstelltasten 106, die Impulssignale an die Mikrosteuerung 96 senden, um für den x-y-Abtastmechanismus 20 eine bestimmte Tiefen- oder z-Position einzustellen. Diese Tasten 106, von denen eine der Tiefenvergrößerung und die andere der Tiefenverringerung dient, haben jeweils eine Standspannung von 5 Volt auf Leiterbahnen 108, die an die Mikrosteuerung 96 angeschlossen sind. Die Mikrosteuerung 96 überwacht die Spannung. Drückt der Operateur eine der Tiefeneinstelltasten 106, so fällt die Spannung auf der jeweiligen Leitung 108 von 5 V auf 0 ab. Um es dem Operateur zu ermöglichen, das System einzustellen, überwacht die Mikrosteuerung 96 die Tiefeneinstelltasten 106 entweder daraufhin, wie oft die Tasten gedrückt werden, oder auf die Dauer eines länger anhaltenden Tastendrucks hin. Eine Zeitdauer von 100 ms eines länger anhaltenden Tastendrucks wird wie ein einzelner diskreter Tastendruck behandelt. Die Mikrosteuerung 96 komplettiert die Aufgaben der Datenerfassung, der Datenberechung und der Stromsteuerung. Das von dem A/D-Wandler 92 ausgegebene digitale 12 Bit-Signal und das von den Tiefeneinstelltasten 106 ausgegebene Schaltsignal werden in Echtzeit abgetastet, und die Mikrosteuerung 96 berechnet die Werte, die zum Steuern des Treibers 98 und damit des Nitinol-Drahtes 28 verwendet werden, nach dem Verfahren der Proportional-Integral-Differential-Regelung (PID), wobei Kp der Proportionalkoeffizient, Ki der Integralkoeffizient und Kd der Differentialkoeffizient ist (vergl. 4).
  • In dem in 4 gezeigten Verfahren der PID-Regelung bezeichnet Z(n) das von dem Positionssensor 32 gemessene Positionsausgangssignal, S(N) das auf die gewünschte oder Soll-Position bezogene Signal, das der Operateur über die Tiefeneinstelltasten 106 eingibt, E(n) das zusammengesetzte Fehlersignal und T die Steuer- oder Regelperiode. V(n) ist das Zwischen-Regelausgangssignal. Skalierung 1 und Skalierung 2 reskalieren V(n). PWM ist das pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal, durch das die Erwärmung des Drahtes 28 moduliert wird. In dieser speziellen Implementierung der PID-Schaltung und des Regelverfahrens wird das aus der laufenden Iteration E(n) stammende Fehlersignal weiter mit aus früheren Iterationen E(n-2) oder E(n-1) stammenden Fehlersignalen modifiziert. In ähnlicher Weise wird das Zwischenausgangssignal der laufenden Iteration V(n) weiter mit V(n-2) modifiziert.
  • Die Parameter Kp, Ki und Kd sind voreingestellt und über den Einstellanschluss 100 justierbar. Der laufende Wert wird in pulsbreitenmodulierter Form oder kurz PWM-Form ausgegeben. Die Regelperiode ist im Bereich von 5 ms bis 100 ms einstellbar.
  • Das System bildet so einen geschlossenen digitalen Regelkreis, um den x-y-Abtastmechanismus 20 in eine gewünschte z-Position zu bewegen oder ihn in einer bestimmten z-Position zu halten. Durch den Positionssensor 32 und den z-Betätiger 26, die nach dem Verfahren der PID-Regelung arbeiten, erhält man ein stabiles Betriebsverhalten.
  • Es ist möglich, den x-y-Abtastmechanismus 20 in einer Ruhe- oder Ausgangsposition einzustellen, in der beispielsweise die Brennebene unmittelbar außerhalb des letzten in der Objektivoptik 22 enthaltenen optischen Elementes angeordnet ist. Weitere Einstellungen sind dann auf diese Ausgangsposition bezogen, und zwei Auslesewerte (nicht gezeigt) geben die z-Position relativ zu dieser Ausgangsposition bzw. die absolute z-Position an, d.h. die Position relativ zur äußeren Fläche des am weitesten vorn angeordneten optischen Elementes in der Optik 22. Ein Ausgangspositionsschalter 110 liefert der Mikrosteuerung 96 ein Signal, das angibt, wo sich die Ausgangsposition befindet. Die Ausgangsposition kann auch als Halteposition dienen, um zu vermeiden, dass sich die Brennebene weiter nach hinten bewegt als unmittelbar innerhalb des am weitesten vorn angeordneten optischen Elementes der Objektivoptik 22. Um den unterschiedlichen Anforderungen und Eigenschaften unterschiedlicher Positionssensoren und z-Betätiger (z.B. hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit) gerecht zu werden, umfasst die Mikrosteuerung 96 die oben erwähnte Offset-Einstellung 102, die oben erwähnte Verstärkungsfaktoreinstellung 104 und eine Treiberstromeinstellung 112, um eine Einstellung der jeweiligen Komponente zu ermöglichen.
  • Der Nitinol-Draht 28 bildet das Schlüsselelement des z-Betätigers 26. Er besteht aus der Formgedächtnislegierung Nitinol, die sich bei Erwärmung in ihrer Länge zusammenzieht und sich bei Abkühlung auf ihre vorherige Länge ausdehnt.
  • Aufgrund seiner geringen Größe und seiner guten funktionellen Reproduzierbarkeit ermöglicht es der Nitinol-Draht 28, die Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in dem Kolonoskop-Einführteil 10 mit guter Genauigkeit zu steuern, insbesondere unter Verwendung des Positionssensors 32, durch den eine Rückkopplung auf die Position des x-y-Abtastmechanismus 20 geschaffen wird. Wie oben erläutert, wird durch den Nitinol-Draht 28 ein pulsbreitenmodulierter (PWM) Rechteckstrom geleitet, um den Nitinol-Draht 28 zusammenzuziehen und auszudehnen. Die Erwärmung und damit die Länge des Drahtes 28 sind hauptsächlich durch den Mittelwert des PWM-Stroms bestimmt. Die Mikrosteuerung 96 stellt den Betriebszyklus der laufenden Impulse ein, um die verschiedenen Mittelwerte des PWM-Stroms und damit die gewünschte Temperatur und Länge zu erhalten. Der Treiber 98 erfasst Spannungen im Bereich von 0 bis 5 V und wandelt typischerweise die PWM-Spannung in einen Rechteckimpulsstrom im Bereich von 0 bis 350 mA, der in den Nitinol-Draht 28 geschickt wird, um ihn darin in Wärme umzuwandeln.
  • Der Treiber 98 ist ein Spannungs/Strom-Wandler, der den PWM-Strom liefert, um den z-Betätiger 26 durch die selektive Erwärmung des Drahtes 28 anzutreiben. Er arbeitet im Schaltbetrieb. Der aktuelle Wert im EIN-Zustand kann über ein digitales Potentiometer eingestellt werden, das über den Einstellanschluss 100 oder die Mikrosteuerung 96 angesteuert wird.
  • 5A zeigt in einer schematischen Darstellung eine dem Treiber 98 zugeführte Rechteckspannung 114, die auf eine über eine entsprechende Einstelltaste erfolgte Eingabe des Operateurs hin erzeugt wird, mit der er angibt, dass er die Brennebene 38 relativ nahe an ein nicht gezeigtes Deckglas des Kolonoskop-Einführteils 10 heran verschieben will, indem der Nitinol-Draht 28 verkürzt wird. Die mit 116 bezeichnete Impulsbreite der Rechteckspannung 114 ist relativ groß, so dass an den Treiber 98 eine relativ hohe mittlere Spannung angelegt wird, um einen vergleichsweise großen mittleren Strom durch den Nitinol-Draht 28 zu schicken.
  • Wie in 5B gezeigt, spricht die Mikrosteuerung 96, wenn der Operateur die entsprechende Tiefeneinstelltaste 106 drückt, auf den resultierenden Spannungsabfall an und stellt ein neues, mit 118 bezeichnetes Rechteckmuster so ein, dass die mit 120 bezeichnete Impulsbreite abnimmt und damit dem Treiber 98 eine entsprechend geringere mittlere Spannung zugeführt wird. Infolgedessen fließt ein kleinerer Strom durch den Nitinol-Draht 28.
  • Wird die andere Tiefeneinstelltaste 106 gedrückt, so ergibt sich gerade der umgekehrte Ablauf.
  • In den beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt die Wirkung des Positionssensors 32 darin, dass das Rechteckmuster kontinuierlich moduliert wird, indem der Mikrosteuerung 96 das gewandelte digitale Signal zugeführt wird. Diese Modulation erfolgt in der Weise, dass die Breiten 116, 120 der Rechteckimpulse konstant um kleine Beträge um die gewünschte, durch die Tiefeneinstelltasten 106 festgelegte Breite herum variiert werden, um so unerwünschte Variationen in der Position der Brennebene 38 zu korrigieren.
  • Die Anordnung der Feder 44 und des optischen Positionssensors 32 relativ zu dem Nitinol-Draht 28 und dem x-y-Abtastmechanismus 20 ergibt sich noch deutlicher aus 6. Wie in 6 gezeigt, befindet sich die Feder 44 in einem vor dem z-Betätiger 26 liegenden Zwischenraum 122 (der im Nichtgebrauch etwa 1,3 mm beträgt). Sowohl der Bowdenzug 30 (in dem der größte Teil des Nitinol-Drahtes 28 untergebracht ist) als auch das hintere Gehäuse 124 des Positionssensors 32 sind von einer Schrumpfhülle umhüllt, welche für die mechanische Stabilisierung und die elektrische Isolierung dieser Komponenten sorgt.
  • Die in dem Einführteil 10 vorgesehene elektrische Schaltungsanordnung befindet sich in dem Zwischenraum 122 auf drei gedruckten Leiterplatten 126a, 126b und 126c. Die hintere Leiterplatte 126a befindet sich am vorderen Ende des z-Betätigers 26, während sich die vordere Leiterplatte 126c am hinteren Ende des x-y-Abtastmechanismus 20 befindet. Die Größe des Zwischenraums 122 ändert sich im Gebrauch (wenn sich der Nitinol-Draht 28 zusammenzieht und dehnt), so dass die dritte Leiterplatte 126b flexibel ausgebildet, in einem Bogen zwischen den beiden anderen Leiterplatten 126a, 126c angeordnet und mit diesen verbunden ist. Die flexible Leiterplatte 126b ist fest an den beiden anderen Leiterplatten 126a, 126c angebracht, so dass über alle drei Leiterplatten 126a, 126b, 126c für eine elektrische Verbindung gesorgt ist. So kann die Verwendung von Drahtverbindungen, die im Gebrauch leichter brechen können und bei denen sich die Lötverbindungen durchbiegen, vermieden werden.
  • In 6 sind ferner eine Kabelleitung 128, eine externe Schaltungsanordnung für einen x-Sensor 130 sowie in Rückanschlag in Form eines mechanischen Stiftes 132 gezeigt. Der Stift 132 bildet die rückwärtige Bewegungsgrenze für den x-y-Abtastmechanismus 20, wenn sich der Nitinol-Draht 28 in seinem am stärksten zusammengezogenen Zustand befindet. Zusätzlich kann eine Stromabschaltung oder -überwachung vorgesehen werden, die keine weitere Erwärmung des Nitinol-Drahtes 28 zulässt, wenn der x-y-Abtastmechanismus 20 einmal gegen den Stift 132 in Anlage gekommen ist. Andernfalls besteht die Gefahr, dass sich der Nitinol-Draht 28 selbst aus einem seiner Verankerungspunkte herauszieht.
  • Die Feder 44 drückt gegen die hintere Leiterplatte 126a und die vordere Leiterplatte 126c. Dabei bildet die hintere Leiterplatte 126a zugleich die Anbringfläche für den Bowdenzug 30. Der Lichtleiter 34 ist so weit nach vorn hin in einer Hülle eingeschlossen, wie der x-y-Abtastmechanismus 20 nach hinten ragt. Diese Hülle ist vorzugsweise gegen die hintere und die vordere Leiterplatte 126a, 126c abgedichtet, um so einen Widerstand gegen den Eintritt von Staub, Mikroben und anderer Verunreinigungen zu bilden.
  • Der Nitinol-Draht 28 ist mit seinem vorderen Ende an der vorderen Leiterplatte 126c angebracht. Wird der Nitinol-Draht 28 im Gebrauch wiederholt gedehnt und zusammengezogen, so wird der Anbringungspunkt an der Leiterplatte 126c einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, die dazu führen kann, dass sich die Anbringung löst. Wie in 7A gezeigt, ist deshalb in diesem Ausführungsbeispiel der Nitinol-Draht 28 an seinem vorderen Ende zu einem Haken 134 geformt und zweimal durch die vordere Leiterplatte 126c geführt. Optional, aber vorzugsweise ist ein Lot 136 (oder alternativ ein Klebstoff) auf dem Ende des Hakens 134 aufgebracht, das eine nach vorn weisende Haltekappe bildet, die den Nitinol-Draht 28 an der Leiterplatte 126c festhält.
  • In 7B ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der der Nitinol-Draht 28 an seinem vorderen Ende zusätzlich zu einem Knopf 138 geformt ist. Der Knopf 138 ist größer als das in der Leiterplatte 126c ausgebildete Loch, durch das der Draht 28 geführt ist. Durch diese Ausgestaltung besteht noch weniger die Gefahr, dass sich der Haken 134 von der Leiterplatte 126c löst.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung die Bezugnahmen auf den Stand der Technik nicht dahingehend zu interpretieren sind, dass dieser Stand der Technik dem allgemeinen Fachwissen zuzurechnen ist.

Claims (33)

  1. Einrichtung zur Positionseinstellung längs einer Achse (12), mit einem längs der Achse (12) dehn- und zusammenziehbaren Element (26), das eine Formgedächtnislegierung (28) enthält, die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes (26) positionierbar ist, einem Heizmittel (82) zum Einstellen der Temperatur der Formgedächtnislegierung (28) und einem Rückkopplungsmechanismus (32, 70) zum Regeln des Heizmittels (82) in Abhängigkeit von Schwankungen der einzustellenden Position, wobei die Position durch das Heizmittel (82) einstellbar und durch den Rückkopplungsmechanismus (32, 70) stabilisierbar ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (12) eine in die Tiefe weisende Achse ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Vorspannmittel (44), das entweder dem Dehnen oder dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung (28) entgegenwirkt.
  4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung (28) entgegenwirkt.
  5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel (44) eine Feder ist.
  6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungsmechanismus einen Rückkopplungssensor (332, 70) enthält, der die Position der Einrichtung erfasst und an das Heizmittel (82) ein Signal ausgibt, durch das die auf die Formgedächtnislegierung (28) angewandte Wärme geändert wird.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungsmechanismus mehrere Rückkopplungssensoren (32, 70) enthält.
  8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (82) eine elektrische Stromquelle zum Erwärmen der Formgedächtnislegierung (28) enthält.
  9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle ausgebildet ist, elektrischen Strom durch die Formgedächtnislegierung (28) zu schicken und diese dadurch zu erwärmen.
  10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom ein pulsbreitenmodulierter Strom ist.
  11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (82) so ansteuerbar ist, dass der Betriebszyklus des pulsbreitenmodulierten Stroms und damit dessen Mittelwert veränderbar sind.
  12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungsmechanismus einen kapazitiven Sensor (70), einen Sensor mit variablem Widerstand, eine magnetischen Hall-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen optischen Sensor (32) enthält.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (70) ein Sensor mit Doppeldrahtspule ist, wobei die räumliche Trennung der Spulen (72a, 72b) des Sensors (70) in Abhängigkeit der Position der Einrichtung variiert, wodurch sich das Ausgangssignals des Sensors (70) ändert.
  14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (32) eine gepulste, rote Leuchtdiode (48) und eine phasenverriegelte, verstärkende Erfassungsdiode (50) enthält.
  15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes Element (30) zum Befestigen der Formgedächtnislegierung (28) an der Einrichtung, wobei dieses Element (30) longitudinal weitgehend starr und lateral flexibel ist.
  16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das langgestreckte Element (30) ein Bowdenzug ist.
  17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dehn- und zusammenziehbare Element (26) eines von mehreren gleichen Elementen ist.
  18. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine flexible gedruckte Leiterplatte (126b), die zwischen zwei Teilen (20, 30) der Einrichtung angebracht ist, deren räumliche Trennung voneinander mit Änderung der Position variiert, wodurch die Leiterplatte (126b) gebogen wird.
  19. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mechanismus (132) zum Einstellen einer gewünschten Ruheposition in Richtung der Achse (12) derart, dass die anschließende Einstellung der Position auf diese Ruheposition bezogen ist.
  20. Endoskop mit einem Lichtleiter (34) für Beleuchtungslicht, einem Kondensor (22) zum Fokussieren des Beleuchtungslichtes auf ein Betrachtungsfeld (37) und einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Einstellen der Position des Betrachtungsfeldes (37).
  21. Endoskop nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Position durch Bewegen einer Lichtaustrittsöffnung, durch Bewegen des Kondensorselementes oder durch Bewegen sowohl der Lichtaustrittsöffnung als auch des Kondensors (22) einstellbar ist, wobei die jeweilige Bewegung durch die Einrichtung zur Positionseinstellung steuerbar ist.
  22. Endoskop nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop einen x-y-Abtastmechanismus (20) enthält, der die Lichtaustrittsöffnung umfasst und dessen Position durch die Einrichtung einstellbar ist.
  23. Endoskop nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das dehn- und zusammenziehbare Element (26) eines von mehreren gleichen Elementen ist.
  24. Endoskop nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop ein konfokales Endoskop ist.
  25. Endoskop nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop ein Endomikroskop ist.
  26. Mikroskop mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Einstellen der Position eines Betrachtungsfeldes (37) des Mikroskops.
  27. Kolonoskop mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
  28. Verfahren zur Positionseinstellung längs einer Achse (12), mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines längs der Achse (12) dehn- und zusammenziehbaren Elementes (26), das eine Formgedächtnislegierung (28) enthält, die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes (26) positionierbar ist, Einstellen der Länge der Formgedächtnislegierung (28) über ein Heizmittel (82) und Erzeugen eines Rückkopplungssignals als Reaktion auf Schwankungen der einzustellenden Position und Regeln des Heizmittels (82) mit dem Rückkopplungssignal zur Stabilisierung der Position, wobei die Position durch das Heizmittel (82) einstellbar und durch das Rückkopplungssignal stabilisierbar ist.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (12) eine in die Tiefe weisende Achse ist.
  30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dehnen oder dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung (28) durch ein Vorspannmittel (44) entgegengewirkt wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel (44) eine Feder ist.
  32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel (44) dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung (28) entgegenwirkt.
  33. Verfahren zur Endoskopie oder Kolonoskopie, mit folgenden Schritten: Anordnen eines optischen Kopfes an einer zu untersuchenden Stelle und Einstellen der Position eines für die Endoskopie oder Kolonoskopie vorgesehenen Betrachtungsfeldes zumindest teilweise mittels einer Formgedächtnislegierung (28).
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