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Die
Erfindung bezieht sich auf endoskopische Beobachtungseinrichtungen,
welche für
die medizinische und technische Endoskopie und Inspektion geeignet
sind und von denen eine Beobachtung in einem großen Raumwinkel gefordert wird.
Ein besonders wichtiges Einsatzgebiet ist die Laparoskopie, bei
der dem Operateur neben einem Detailbild eine möglichst umfassende Darstellung
des Bauchraumes zur Verfügung
gestellt werden soll.
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Endoskopische
Beobachtungseinrichtungen, bei denen das Objektiv in jede Richtung
einstellbar ist, wurden z.B. in den Patentschriften
US 6,398,721 B1 und
EP 1 056 388 B1 vorgeschlagen. Diese
Einrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass das Detailbild
und die Umgebung nicht gleichzeitig beobachtet bzw. überwacht
werden können. Ein
weiterer Nachteil ist, dass für
die Ausrichtung zwei Achsen angesteuert werden müssen.
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Weiterhin
wurden für
die Darstellung eines Details sowie der Umgebung bei der Laparoskopie folgende
Vorschläge
gemacht. In der Offenlegungsschrift
WO 02/078528 A1 wird eine endoskopische Visualisierungsvorrichtung
beschrieben, bei der zwei Bildsysteme nebeneinander angeordnet sind
und diese sich in wenigstens einem optischen Parameter signifikant
unterscheiden. Diese Anordnung bietet allerdings noch keine umfassende
Darstellung der Operationsumgebung.
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Weiterhin
wird in der Gebrauchsmusterschrift
DE 203 10 925 U1 eine endoskopische Anordnung
zur Erfassung der gesamten Umgebung vorgestellt, bei der die Umgebung
in sechs sphärische Vierecke
eingeteilt wird und eine optimale Positionierung und Ausrichtung
von Bilderfassungssystemen zu diesen sphärischen Vierecken beschrieben
wird. Die Kabel für
eine Detailoptik werden mittig durch die Anordnung nach unten geführt. Die
in dieser Schrift aufgeführten
Lösungen
zur Anordnung der Bilderfassungssysteme erfüllen zwar die Aufgabe, sie
sind jedoch unzureichend, da sie zum Teil für die Aufnahme innerhalb eines
jeden sphärischen
Viereckes einen separaten Sensor benötigen und außerdem erfindungsgemäße Endoskope
einen noch zu großen Durchmesser
aufweisen würden.
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Außerdem werden
zum Stand der Technik die Schriften
EP 1 685 790 A1 ,
US 5 547 455 A und
WO 91/09 334 A1 aufgeführt. In
diesen drei Schriften werden ebenfalls endoskopische Beobachtungseinrichtungen
vorgeschlagen, bei denen eine Ringzone mit mehreren Bilderfassungssystemen
aufgenommen wird, wobei diese wenigstens eine Linse aufweisen, welche
mit Ihrer optischen Achse auf einen jeweiligen zugeordneten Bereich
einer Ringzone der endoskopischen Umgebung fest ausgerichtet ist.
Die Systeme haben trotz unterschiedlichen Aufbaus den gemeinsamen
Nachteil, dass der Platzbedarf für
die Aufnahme der unterschiedlichen Regionen relativ groß ist, weil
die Bilder der unterschiedlichen Bilderfassungssysteme an unterschiedlichen
Orten entstehen. In der Schrift
EP 1 685 790 A1 ist dies in
4 und
6 und
in der Schrift
US 5
547 455 A ist dies in
6 und
8 ersichtlich. In der Anmeldung
WO 91/09 334 A1 zeigen
5 bis
7, dass die Bilder verschiedener Regionen
auf unterschiedliche Stellen eines elektronischen Empfängers treffen.
Die Beobachtungseinrichtung entsprechend der Anmeldung
WO 91/09 334 A1 weist zusätzlich noch
den Nachteil auf, dass durch das beschriebene Prinzip der Strahlführung zur
Bildebene die jeweilige einzelne Aufnahme nur mit sehr kleinem Bildwinkel
erfolgen kann (
3), so dass nur eine schmale
Ringzone beobachtet werden kann.
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine endoskopische Beobachtungseinrichtung
mit möglichst
kleinem Durchmesser vorzuschlagen, die es ermöglicht, eine Detailbeobachtung
und zugleich wenigstens eine umlaufende Zone (nachfolgend Ringzone
genannt) vollständig
oder in gewissen Bereichen beobachten zu können, wobei zur Abbildung unterschiedlicher
Bereiche dieser Ringzone wenigstens teilweise dieselben optischen
Glieder verwendet werden sollen und eventuelle Drehbewegungen nur
um maximal eine Achse notwendig sein sollen. Die Beobachtung innerhalb
einer solchen Ringzone würde
z.B. während
der Laparoskopie das Einführen
von Instrumenten sichtbar machen und die Verletzungsgefahr verringern.
Als zu beobachtende bzw. aufzunehmende Ringzone wird hierbei ein
abzubildender Raum verstanden, der sich umlaufend um die Gesamtachse
des Endoskops (vorzugsweise bis 360°) erstreckt. Die Breite dieser
Ringzone sollte dabei möglichst groß sein,
da dies gleichbedeutend mit einer Beobachtungsmöglichkeit mit großem Raumwinkel
ist. Eine Ringzone kann dabei durch die verfügbaren Bildwinkel der optischen
Aufnahmesysteme an unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche
Breite aufweisen. Einzelne, durch die Aufnahmesysteme definierten
Abschnitte sollten aber in möglichst
großer Breite
aneinander anschließen.
Die Bildentstehung für
diese Ringzone soll an einer einzigen Stelle erfolgen, so dass die
Bilder mit nur einem Empfänger
aufgenommen werden können.
Für die
Beleuchtung der Ringzone sollten Möglichkeiten geschaffen werden, mit
möglichst
wenig Energie die unterschiedlichen Abschnitte der Ringzone auszuleuchten.
Die Einrichtung muss es gestatten, dass zur Abbildung von Details
mit größerem Abbildungsmaßstab und
zur Abbildung einer weiteren Zone zur Übersicht gesonderte optische
Systeme mit elektronischen Bildaufnehmern oder Bildleitkabeln und
der notwendigen Zuführung von
Kabeln in einem unteren Bereich der endoskopischen Beobachtungseinrichtung
angeordnet werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass eine Ringzone vollständig
oder in gewissen Bereichen durch mehrere Bilderfassungssysteme aufgenommen
wird, wobei diese teilweise eine gemeinsame optische Achse besitzen
und diese weiterhin jeweils wenigstens eine Linse aufweisen, welche
mit ihrer optischen Achse auf einen jeweiligen zugeordneten aufzunehmenden
Bereich einer Ringzone der endoskopischen Umgebung fest ausgerichtet
ist. Die Beobachtungseinrichtung weist weiterhin ein diskontinuierlich
drehbares, reflektierendes optisches Bauelement auf, welches in
den einzelnen Drehstellungen zu den optischen Achsen der zu den jeweiligen
aufzunehmenden Bereichen der Ringzone ausgerichteten Linsen ausgerichtet
ist. Auf diese Weise werden in einer entsprechenden Drehstellung des
reflektierenden optischen Bauelementes die Strahlen in einem jeden
derartig ausgerichteten Bilderfassungssystem auf eine gemeinsame
optische Achse der unterschiedlichen Bilderfassungssysteme gelenkt.
Auf dieser gemeinsamen optischen Achse werden erfindungsgemäß – wenn notwendig über weitere
optische Elemente – an
einer gemeinsamen Stelle die Bilder der einzelnen Bilderfassungssysteme
für die
Ringzone erzeugt. Die Bilder können
gegebenenfalls direkt von einem elektronischen Bildaufnehmer aufgenommen
werden oder auf optischem Weg – z.B. über Bildleitkabel
oder Stablinsen – zunächst weitergeleitet
werden. Je nach Drehstellung des reflektierenden Bauelements wird
ein bestimmter Bereich der Ringzone an der gemeinsamen Stelle abgebildet.
Das drehbare reflektierende Bauelement ist ein Prisma oder ein Spiegel
und wird vorzugsweise mit seiner optischen Drehachse mittig zur gesamten
Beobachtungseinrichtung angeordnet. Die nachfolgenden, gemeinsam
genutzten optischen Elemente können
entweder mit dem Prisma mitgedreht oder starr zum Gehäuse angeordnet
werden. Weiterhin ist es möglich,
den nachfolgenden, gemeinsamen elektronischen Bildaufnehmer bzw.
die Stablinsen oder die Bildleitkabel ebenfalls mitzudrehen oder
zum Gehäuse
unbeweglich anzuordnen.
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Neben
der Abbildung einer Ringzone ist die Möglichkeit gegeben, in einem
unteren Gebiet der Beobachtungseinrichtung zusätzlich optische Systeme anzuordnen.
Diese können
zur Aufnahme des gesamten unteren Bereiches unterhalb der Ringzone oder
zur Aufnahme eines Details mit stärkerer Vergrößerung dienen.
Hierbei kann diese sogenannte Detailoptik auch abgewinkelt oder
in der Neigung einstellbar sein, um einen seitlichen Bereich im
unteren Gebiet aufzunehmen. Auch ist in dem unteren Gebiet eine
Anordnung von zwei nebeneinanderliegenden Systemen mit unterschiedlichen
optischen Eigenschaften möglich.
Da diese unten angeordneten Systeme mit Kabeln versorgt bzw. angeschlossen
werden müssen,
werden elektrische Kabel, Lichtleitkabel und gegebenenfalls Bildleitkabel
oder Kanäle
für die Zuführung von
Spülflüssigkeit
für die
Versorgung und für
den Anschluss der unteren optischen Systeme erfindungsgemäß in den
Freiräumen
angeordnet, die zwischen den äußeren Linsen
der unterschiedlich ausgerichteten Bilderfassungssysteme und außerhalb
des Bereiches des drehbaren reflektierenden optischen Bauelementes
existieren.
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Die
diskontinuierliche Drehbewegung des reflektierenden Bauelementes
und gegebenenfalls der übrigen
beschriebenen Glieder kann in fortlaufender Reihenfolge erfolgen,
bei der sich die Drehrichtung nicht ändert. Wird dagegen ein elektronischer
Empfänger
mitgedreht, so kann es zur Einsparung eines sonst notwendigen Schleifringes
auch sinnvoll sein, diesen nur wenige Takte in eine Richtung und
dann wieder rückwärts zu drehen.
Die Winkelstellung des drehbaren reflektierenden Bauelementes erfolgt
im einfachsten Fall manuell mit einer Rast in bestimmten Winkelstellungen.
Eine motorische Verstellung in einem Winkeltakt ermöglicht dagegen
eine schnelle Erfassung der verschiedenen Zonen, wobei die Verweildauer
für ein
System in einer bestimmten Drehstellung wenigstens der notwendigen
Belichtungszeit für
ein Bild zuzüglich
einer gewissen Reserve auf einem elektronischen Empfänger entsprechen
muss. Um Störbilder,
die während
der Drehbewegung entstehen könnten,
zu vermeiden, ist es notwendig, nur die Bilder für die Darstellung zu verwenden,
die während
der Stillstandzeiten des drehbaren, reflektierenden optischen Bauelementes
von einem elektronischen Empfänger
aufgenommen wurden.
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Werden
die Bilder der Ringzone über
ein Stablinsensystem oder über
ein Bildleitkabel weitergeleitet, so können für die Beobachtung der Ringzone
außerhalb
der Beobachtungseinrichtung größere Bildaufnehmer
eingesetzt werden. Weiterhin kann die Beobachtung auch über ein
Okular direkt mit dem Auge durchgeführt werden.
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Die
Beleuchtung der Ringzone kann über Lichtleitkabel
oder Lichtleiter erfolgen. Diese können vorteilhaft den Bilderfassungssystemen
für die
einzelnen Bereiche der Ringzone zugeordnet sein. Es ist dabei möglich, jeweils
nur den Bereich mit Licht zu versorgen, der gerade entsprechend
der beschriebenen Drehstellung aufgenommen wird, indem in die Lichtleitkabel
oder Lichtleiter in Abhängigkeit
von der Winkelstellung des drehbaren reflektierenden optischen Bauelementes
Licht in dieselben eingespeist wird. Diese Methode hat neben der
Lichteinsparung den Vorteil, dass keine störenden Reflexe von den Zonen,
die nicht aufgenommen werden sollen, entstehen können. Eine besonders preiswerte
Lösung ergibt
sich, wenn hierfür
lichtemittierende Halbleiterbauelemente wie z.B. Hochleistungs-LEDs
verwendet werden, die den Lichtleitkabeln oder Lichtleitern einzeln
zugeordnet sind und diese in Abhängigkeit von
der Winkelstellung des drehbaren reflektierenden optischen Bauelementes
zur Beleuchtung kurzzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Falls
alle Lichtleiter gleichzeitig Licht in die Ringzone einstrahlen,
ist es sinnvoll, die Konstruktion so zu gestalten, dass das Licht
nur von der Linse in das Prisma einstrahlen kann, die gerade zur
Bilderzeugung genutzt wird. Dies kann durch die Form der Prismen-
bzw. Spiegelfassung erreicht werden. Es ist aber auch möglich, zu diesem
Zweck die Seitenwände
des Prismas mit einer lichtundurchlässigen Schicht und die reflektierende
Fläche
mit einer Spiegelschicht zu versehen.
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Die
einzelnen Bereiche der Ringzone können im einfachsten Fall ohne
weitere Bearbeitung abwechselnd beobachtet bzw. dargestellt werden.
Sie können
aber auch softwaremäßig so zusammengefügt werden,
dass ein einheitlicher Datensatz der Ringzone entsteht, bei dem
die Verzeichnungen der Objektive herausgerechnet und die Lage der
Objektive berücksichtigt
worden sind, so dass die Positionen aller Bildpunkte vereinheitlicht
in Polarkoordinaten vorliegen. Das Kugelzentrum dieses Polarkoordinatensystems
liegt für
diese Berechnungen erfindungsgemäß im Schnittpunkt
der optischen Achsen der einzelnen Bilderfassungssysteme für die Ringzone. Bei
der Berechnung eines solchen Datensatzes erweist es sich als Vorteil,
dass die einzelnen Aufnahmesysteme die Bereiche der Ringzone nahezu
aus einem Zentrum heraus und unter analogen geometrischen Verhältnissen
aufnehmen. Der gemeinsame Datenbestand kann auf diese Weise in beliebigen Ausschnitten
auf einem Bildschirm dargestellt oder auch projiziert werden.
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Die
Beobachtungseinrichtung kann natürlich auch
nur die beschriebenen erfindungsgemäßen Weitwinkelsysteme zur Beobachtung
der Ringzone ohne eine Detailoptik im unteren Bereich aufweisen, wenn
die Beobachtung von Objekten über
eine zusätzliche
Optik in stärkerer
Vergrößerung nicht
notwendig ist.
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In
der Beschreibung wurde zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass
die Objektivanordnung von oben nach unten eingeführt wird und das distale Ende
unten ist. Eine beliebige Drehung der Beobachtungseinrichtung entsprechend
den Erfordernissen ist natürlich
möglich
und hat eine entsprechende Umkehrung der Begriffe „oben" und „unten" zur Folge.
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Anschließend wird
die Erfindung an einem Beispiel erläutert. 1 zeigt
die Vorderansicht einer erfindungsgemäßen endoskopischen Beobachtungseinrichtung
für die
Laparoskopie mit einer lückenlosen
Abbildung einer Ringzone und einer 0°-Detailoptik. 2 ist eine
Schnittdarstellung A-A. 3 stellt eine Ansicht von unten
und 4 eine Draufsicht dar, welche von 1 abgeleitet
sind. 5 stellt die vier Raumwinkel dar, die durch die
Bilderfassungssysteme des Beispiels maximal aufgenommen werden können und
die zusammen die beschriebene Ringzone ergeben. 6 stellt
dar, dass durch die Auswertung eines elektronischen Bildaufnehmers
diese Ringzone auf eine gewisse Breite reduziert werden kann. Die
Zeichnungen beinhalten die erfindungsgemäßen Teile des Beispiels. Aus Übersichtsgründen wurde
deshalb auf die Darstellung von Mechanikteilen verzichtet. Die dargestellten
Optikteile werden gemeinsam mit ihren elektronischen Empfängern und
Kabeln in einem Gehäuse
angeordnet, welches so gestaltet werden muss, dass es in seinem Durchmesser möglichst
klein ist und in einen standardmäßigen Trokar
eingeführt
werden kann. Die Einrichtung nimmt eine Ringzone mittels vier Bilderfassungssystemen
auf, mit denen der Bauchraum während
einer Operation in einem großen
Bereich überwacht
werden kann, wobei sich die Ringzone umlaufend um die Achse 6 erstreckt.
Die z – Richtung zeigt
dabei nach oben, die Beobachtungseinrichtung wird in „–z"-Richtung eingeführt. Die
Frontlinsen dieser Bilderfassungssysteme sind mit (1) bis
(4) gekennzeichnet. Die Ringzone wird in vier Abschnitte unterteilt,
die im 90°-Takt
zueinander liegen (siehe 4). Durch entsprechend große Bildwinkel α dieser Bilderfassungssysteme
kann die Ringzone in einem Abstand >= s lückenlos
aufgenommen werden, da ab diesem Abstand ein Punkt von zwei benachbarten
Bilderfassungssystemen gemeinsam aufgenommen wird. Die Aufnahmebereiche
zweier benachbarter Bilderfassungssysteme können damit bei der Auswertung
von elektronischen Bildern flexibel je nach dem Objektabstand definiert
werden. Da in diesem Beispiel vor allem der untere Bereich erfasst werden
soll, sind die Frontlinsen (1) bis (4) in einem Winkel
von 10° nach
unten geneigt angeordnet. Das Prisma (5) ist um die Achse
(6) der Einrichtung drehbar und wird jeweils um 90° versetzt
in eine derartige Stellung gebracht, dass die Lichteintittsfläche (7)
des Prismas (5) senkrecht zur optischen Achse (8),
(9), (10) bzw. (11) einer betreffenden
Frontlinse (1) bis (4) ausgerichtet ist. Die Zeichnungen
stellen die Drehlage des Prismas (5) dar, in der es mit
seiner Lichteintrittsfläche
(7) zur optischen Achse (8) der Frontlinse (1)
zum Zweck einer Aufnahme senkrecht ausgerichtet ist. Die Seitenwände (12)
und (13) des Prismas (5) besitzen einen schwarzen Überzug.
Die reflektierende Fläche
(14) des Prismas ist mit einer Spiegelschicht versehen.
Die Bildaufnahme für
die Ringzonenbilder an einer gemeinsamen Stelle erfolgt über die
Linsen (15, 16, 17) durch einen elektronischen Bildaufnehmer
(18) an der gemeinsamen Stelle, der eine elektrische Zuleitung
(19) besitzt. Es wird für
dieses Beispiel angenommen, dass die gemeinsamen Linsen (15, 16, 17)
für die
Ringzonenabbildung und der zugehörige
elektronische Empfänger
(18) sich zusammen mit dem Prisma (5) um maximal
3 × 90° = 270° im 90°-Takt drehen
können,
so dass das Prisma (5) in die für die Aufnahmen notwendigen
Positionen gebracht werden kann. Die Beleuchtung der Ringzone erfolgt über die
Lichtleitkabel (20) bis (23). Für eine Beobachtung
der zu operierenden Stelle ist eine sogenannte Detailoptik (24)
mit größerem Abbildungsmaßstab und
kleinerem Bildwinkel β vorgesehen.
Der zugehörige
Bildaufnehmer (25) leitet das Bild über das elektrische Kabel (26)
weiter. Die Beleuchtung dieser unteren Zone erfolgt über das
Lichtleitkabel (27). Die Kabelführung für das elektrische Kabel (26)
und das Lichtleitkabel (27) erfolgt dabei erfindungsgemäß in den
Bereichen, die sich zwischen den Frontlinsen (2) und (3)
bzw. (3) und (4) ergeben. Die Bereiche (28)
und (29) zwischen den Frontlinsen (4) und (1)
sowie (1) und (2) sind in diesem Beispiel noch
ungenutzt. Sie könnten
für die
Versorgung eines weiteren optischen Systems im unteren Bereich verwendet
werden, welches neben der Detailoptik angeordnet werden kann und
z.B. einen größeren Bildwinkel
besitzt als die Detailoptik (24), um auch im eigentlichen
Operationsgebiet bei Bedarf eine Übersicht zu erhalten. Die Konstruktion
kann aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung
so gestaltet werden, dass der in 4 dargestellte
umschließende
Durchmesser d einer derartigen laparoskopischen Beobachtungseinrichtung
ausreichend klein ist. Das Kugelzentrum (30) für die Berechnung eines
einheitlichen Datensatzes aller Bildpunkte in Polarkoordinaten befindet
sich im Schnittpunkt der Drehachse (6) mit den optischen
Achsen (8), (9), (10) und (11). 5 zeigt
die Bereiche (31, 32, 33, 34)
der Ringzone, die sich umlaufend um die Achse (6) erstrecken
und welche von den Bilderfassungssystemen in der jeweiligen Drehstellung
des Prismas (5) aufgenommen werden. (6) stellt
die möglichen Begrenzungen
(35, 36) dieser Bereiche auf die Breite B für eine umlaufende
Darstellung auf einem Bildschirm oder an einer Projektionswand dar.