DE102006032115A1

DE102006032115A1 - Mobiles Endoskopiesystem mit LED-Beleuchtung, einstellbarer Lichtfarbe, Lichtspektrum und Lichtstärke mit vorzugsweise drahtloser Bild-/Videoübertragung und integrierter Energieversorgung

Info

Publication number: DE102006032115A1
Application number: DE200610032115
Authority: DE
Inventors: Ulrich Prof. Dr. Kuipers; Kristin Kuipers; Heinz-Werner Dr. Henke
Original assignee: Fachhochschule Suedwestfalen; Henke Heinz-W Dr
Current assignee: Fachhochschule Suedwestfalen; Henke Heinz-W Dr
Priority date: 2006-07-08
Filing date: 2006-07-08
Publication date: 2008-01-10

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein mobiles, handliches, einfach handhabbares Endoskopiesystem mit über LEDs einstellbarem Lichtspektrum, Lichtfarbe und Lichtstärke. Eine integrierte Kamera mit einer drahtlosen Bildübertragung und eine integrierte Batterie ermöglichen z. B. in Verbindung mit hohem Notebook eine mobile Komplettlösung. Das Spektrum des Lichtes und die Lichtfarbe werden optimiert auf die jeweiligen optischen Gegebenheiten im Operationsfeld. Mit fortschreitender Entwicklung von OLEDs können diese flächig auf dem Endoskoprohrmantel angeordnet sein und deren Licht über geeignete Beschichtungen, Prismenfolien oder geeignete mikrostrukturierte transparente Abdeckungen vorwärts in Richtung auf das distale Ende des Endoskops gerichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft Endoskope und deren optische Komponenten zur Lichterzeugung, Lichtrichtung und Lichteinkopplung, Bildaufnahme und vorzugsweise drahtlose Bildübertragung. Die Endoskope enthalten zumindest die Komponenten Leuchtmittel und Lichteinkoppeleinrichtung. Weiterhin beinhaltet die Erfindung eine mobile Komplettlösung eines Endoskopiesystems, bestehend aus Lichtquelle und Lichteinkoppeleinrichtung, Energieversorgung und Kamera sowie einer vorzugsweise drahtlosen Bild-/Videoübertragung.
In modernen Endoskopen werden die Beleuchtungsaufgaben durch Halogenlampen oder Xenonlampen als Lichtquellen und Leitung des Lichtes über Lichtleiter übernommen. Aus der europäischen Patentschrift DE 60018610 ist eine Lichtquelle für Endoskope und Boroskope mit ringförmig angeordneten LEDs zur Erzeugung von weißem Licht oder zur sequentiellen, alternierenden Erzeugung von rotem, grünem und blauem Licht (mit rund 50 Hz) bekannt. Das alternierende rote, grüne und blaue Licht wird von einer monochromen Kamera aufgenommen und über einen Prozessor wiederum ein farbiges Bild mit verbesserter Farbdarstellung gegenüber einem System mit weißem Licht und Farbbilderzeugungsvorrichtung erzeugt. Aus dem selben Patent ist bekannt, dass LEDs „welche infrarotes Licht erzeugen, verwendet werden, um eine Art Wärmebild mit geeigneter, spezialisierter Bildausrüstung zu bilden". Ebenfalls ist hieraus bekannt, dass LEDs, „welche ultraviolettes Licht erzeugen, verwendet werden, um die Verwendung des Boreskops oder Endoskops bei Farbeindringungsprüfungen und magnetischen Partikeltests zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Realisierung eines mobilen, handlichen, einfach handhabbaren Endoskopiesystems mit einstellbarer LED-Beleuchtung, mit Farbeinstellung, integrierter Kamera und vorzugsweise ohne Anschlusskabel mit einer drahtlosen Bildübertragung z.B. an einen PC oder an eine Bildanzeigeeinrichtung zugrunde. Eine integrierte Batterie ermöglicht in Verbindung mit einem Notebook eine mobile Komplettlösung.
In einem vorzugsweise monolithisch ausgeführtem Lichterzeugungs- -leit- und -richt-modul mit über LEDs einstellbarer Lichtfarbe, Lichtspektrum und Lichtstärke wird nahezu das gesamte erzeugte Licht in den Lichtleiter des Endoskops eingekoppelt. In diesem miniaturisierten optischen Element erfolgt die Lichterzeugung erfindungsgemäß über verschiedenfarbige lichtemittierende Dioden (LEDs), mit denen farbige und weiße Lichtspektren erzeugt werden. Die Lichtstärke der einzelnen Farben werden über die Ströme durch die einzelnen LEDs geregelt und ein auf die jeweilige Beleuchtungssituation optimiertes, resultierendes farbiges Lichtspektrum erzeugt. Wichtige Lichtfarben werden hervorgehoben, unwichtige reduziert.
Durch Kombination den Einsatz von RGB-LEDs, durch LEDs mit beeinflussbarem Lichtspektrum und Farbort und/oder verschiedener LEDs wird dem Operateur ein optimiertes Bild mit verbessertem Farbkontrast und verstärkten spezifischen Farbwiedergaben zur Verfügung gestellt und so die Qualität seiner Arbeit positiv beeinflusst. Erfindungsgemäß werden dabei für eine optimale Ausleuchtung des Operationsbereichs die Lichtstärke, das Spektrum des Lichtes und die Lichtfarbe angepasst auf die jeweiligen optischen Gegebenheiten im Operationsfeld. Über die Regelung der Lichtstärke wird zudem eine Verschmutzungskompensation erreicht.
Die hohe Lichtausbeute moderner LEDs und die hohe Zuverlässigkeit und Robustheit von LEDs erhöhen zudem die Zuverlässigkeit und die Langzeitstabilität der Lichtquellen. Ausfälle, wie sie z.B. auch bei mobilen Anwendungen durch Erschütterungen des Glühfadens konventioneller Lampen entstehen, werden vermieden. Da das Leuchtelement nicht mehr ausgetauscht werden muss, kann zudem die Konstruktion der Lichtquellen erheblich vereinfacht werden.
Das erfindungsgemäße Endoskopiesystem beinhaltet zudem eine digitale Kamera und eine vorzugsweise drahtlose Bildübertragung an einen Rechner. Eine integrierte Batterie ermöglicht in Verbindung mit einem Notebook eine mobile Komplettlösung, die einen mehrstündigen Betrieb ohne externe Spannungsversorgung zulässt. Einsatzmöglichkeiten sind z.B. in der Rettungsmedizin, in der Qualitätskontrolle, im Militär, oder in der Kriminologie zu sehen. Es werden handliche, einfach handhabbare Endoskope ohne Anschlusskabel ermöglicht.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung können die erfindungsgemäßen Komponenten über universelle Anschlüsse an konventionelle Endoskope angeschlossen werden. Die Bilddarstellung erfolgt z.B. auf dem Monitor eines PCs oder Notebooks.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung befinden sich die LEDs und ggf. auch der Kamerachip am distalen Ende des Endoskops. Über vor den LEDs angeordnete Linsen werden die ausgesendeten räumlichen Lichtverteilungen auf das Kamerabild angepasst. Alternativ können OLEDs (organische Leuchtdioden) flächig auf dem Endoskoprohrmantel angeordnet sein und deren Licht über geeignete Beschichtungen, Prismenfolien oder andere geeignet mikrostrukturierte transparente Abdeckungen vorwärts, in Richtung auf das distale Ende des Endoskops gerichtet werden.
Zur Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele sind folgende Skizzen beigefügt:
1 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements für Endoskope,
2 ist beispielhaft das elektronische Konzept skizziert,
3 zeigt ein Beispiel einer möglichen Anordnung erfindungsgemäßer Lichterzeugungskomponenten an ein konventionelles Endoskop,
4 ein Beispiel einer möglichen Anordnung erfindungsgemäßer Lichterzeugungs- und Aufnahmekomponenten an ein konventionelles Endoskop.
Darin symbolisieren

1: LEDs
2: Lichtrichteinrichtung
3: Lichtsensoren
4: Lichtleiter
5: mikrostrukturierte Oberfläche
6: Mikrocontroller (bzw. programmierbare universelle digitale Hardware-Architektur)
7: konventionelles Endoskop
8: LSD-Modul (mit interner oder externer Energieversorgung und ggf. mit Bedientasten)
9: Anschlussadapter
10: Kamera
11: Bildübertragung und ggf. Energieübertragung
12: Rechner, z.B. PC, Notebook, PDA

Das erzeugbare Spektrum des über die LEDs (1) ausgesendeten Lichtes geht vom infraroten Bereich bis in den UV-Bereich, wobei das Lichtspektrum je nach Bildsituation angepasst werden kann. Die eingesetzten Verfahren und Methoden können quasi als umgekehrte Stealth-Technologie bezeichnet werden. Krankes Gewebe soll durch gezielte Hervorhebung über das eingestellte Lichtspektrum und die Lichtfarbe verbessert sichtbar gemacht werden. Das Licht wird in der Lichtrichteinrichtung (2) mehrfach so reflektiert, dass möglichst viel des von den LEDs erzeugten Lichts an den Lichtleiter (4) geleitet wird. Durch die Verwendung spezieller, z.B. UV-reflektierender Marker wird der Einsatzbereich eines solchen Endoskops mit einstellbarem Lichtspektrum erweitert, in anderen Anwendungen können spektrale Komponenten im Infrarotbereich hilfreich sein.
In 1 ist schematisch die Anordnung zur Einkopplung des Lichtes der LEDs (1) über eine Lichtrichteinrichtung (2) skizziert. Die Mikrostrukturierung der Seitenflächen (5) der Lichtrichteinrichtung (2) kann in verschiedenen Längenabschnitten (in Richtung des Flächenvektors der Lichteinkoppelfläche mit den LEDs und des resultierenden Lichtstrahls) unterschiedlich ausgeführt sein.
Die Lichtaustrittsfläche kann ebenfalls als Freiformfläche ausgeführt sein, ggf. zusätzlich mit einer Mikrostruktur zur Richtungsvorgabe der austretenden Lichtstrahlen. Mit fortschreitender Entwicklung von OLEDs werden diese ebenfalls in dem erfindungsgemäßen optischen Element als Leuchtmittel eingesetzt werden. In diesem Fall können die LEDs flächig auf (oder auch in) dem Endoskoprohrmantel angeordnet sein und deren Licht über geeignete Beschichtungen, Prismenfolien oder geeignet mikrostrukturierte transparente Abdeckungen vorwärts, in Richtung auf das distale Ende des Endoskops gerichtet werden.
4 zeigt eine Anordnung erfindungsgemäßen Komponenten an ein konventionelles Endoskop (7). Die drahtlose Bildübertragung erfolgt vorzugsweise über eine Bluetooth-, WIFI- oder eine andere Funkschnittstelle zu einem Notebook oder PC.
Im Falle einer drahtgebundenen Übertragung wird vorteilhaft eine USB-Schnittstelle oder auch eine Firewire-Schnittstelle genutzt und über die drahtgebundene Schnittstelle eine Energieversorgung und/oder das Laden der Batterie des Endoskopiesystems ermöglicht.

Claims

Endoskop und optisches Element zur Lichterzeugung, Lichtkopplung und Lichtrichtung für Endoskope dadurch gekennzeichnet, dass es eine oder mehrere LEDs (1) als Leuchtmittel beinhaltet, die fest mit der Lichtrichteinrichtung (2) verbunden sind und das Licht der LEDs durch eine Immersionskopplung bzw. durch eine Kopplung über eine Klebeverbindung der LEDs in die Lichtrichteinrichtung (2) einkoppelt wird und das optische Element so geformt ist, dass unter Ausnutzung der Totalreflexion nahezu das gesamte Licht der LEDs (1) in die Lichtrichteinrichtung (2) eingekoppelt und von dieser an einen Lichtleiter (4) im Endoskop weitergegeben wird.
Endoskop und optisches Element zur Lichterzeugung, Lichtkopplung und Lichtrichtung für Endoskope dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum und die Farbe des vorzugsweise von LEDs (1) als Leuchtmittel erzeugten Lichtes einstellbar ist.
Endoskop und optisches Element zur Lichterzeugung, Lichtkopplung und Lichtrichtung für Endoskope dadurch gekennzeichnet, dass OLEDs flächig auf oder auch in dem Endoskoprohrmantel angeordnet sind und deren Licht über geeignete Beschichtungen, Prismenfolien oder geeignet mikrostrukturierte transparente Abdeckungen vorwärts, in Richtung auf das distale Ende des Endoskops gerichtet wird.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen des optischen Elementes bzw. dessen Lichtrichteinrichtung (2) als Freiformflächen mit als Mikrostruktur ausgeführten Reflexionsflächen (5) zur Lenkung des Lichtes ausgeführt sind.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5) in Form von Parabelbögen ausgeführt ist.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5) eine Prismenform besitzt.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vorzugsweise planaren Einkoppelfläche der Lichtrichteinrichtung (2) mindestens eine ROB-LED oder verschiedene farbigen LEDs (1) angeordnet sind und die LEDs (1) jeweils einzeln elektronisch angesteuert werden und darüber das Lichtspektrum und die Lichtfarbe eingestellt wird.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenvektor der näherungsweise planaren Einkoppelfläche in der gewünschten Richtung der Lichtstrahlen liegt.
Optisches Element nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1) rote LEDs, grüne LEDs und blaue LEDs sind.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 1, 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass durch Mehrfachreflexion des Lichtes der verschiedenenfarbigen LEDs (1) an den Begrenzungsflächen der Lichtrichteinrichtung (2) das Licht homogenisiert wird und eine konstante räumliche Farbverteilung am Austrittsort des Lichtes erreicht wird.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise an seitlichen Begrenzungsflächen der Lichtrichteinrichtung (2) Sensoren (3) angeordnet sind und diese zur Einstellung oder Regelung des Lichtspektrums, der Lichtfarbe und/oder der Lichtstärke oder zur Überwachung eingesetzt werden.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des von einzelnen LEDs (1) erzeugten Lichtes durch kurzzeitiges Ausschalten anderer LEDs (im μs- bis ms-Bereich) erfolgt.
Endoskop und optisches Element nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Sensoren (3) kurzzeitig ausgeschaltete LEDs (1) in Sperrrichtung geschaltet und als Photosensoren genutzt werden.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass über die Messung des zurück gespiegelten, reflektierten Lichtes eine Ausregelung von Lichtstärkeschwankungen und eine Verschmutzungskompensation erfolgt.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spektren von Glühlampen, Halogenlampen, Xenon-Lampen oder anderen bekannten Lampen einstellbar sind und vorgewählt werden können.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass vorteilhafte Lichtspektren für verschiedene operative Eingriffe einstellbar sind und vorgewählt werden können.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass über eine elektronische Bildverarbeitung eine automatisierte adaptive Anpassung des Spektrums und der Farbe des Lichtes erfolgt.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne LEDs (1) gepulst und so durch Stroboskopeffekte Messung von Bewegungen ermöglicht werden.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es über eine universelle Anschlussmöglichkeit an konventionell erhältliche Endoskope verschiedenster Hersteller durch eine adaptierbare mechanische Verriegelung verfügt.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es durch die Integration einer Batterie oder Akkus kabelunabhängig genutzt werden kann.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zusammenfassung von Lichtquelle (8) und Kamera (10) als Module diese an konventionelle Endoskope (7) angeflanscht werden können.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildübertragung über eine drahtlose Übertragung der Videodaten (Bluetooth, WiFi, Funk o.a.) an einen Rechner (12) erfolgt.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bildübertragung und die Energieübertragung für die Lichtquelle und die Kamera über eine USB, Fire-Wire oder andere drahtgebundene Schnittstelle erfolgt.
Endoskop und optisches Gerät nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass alle zur Endoskopie notwendigen Elemente (Lichterzeugung, Kamera, Display und Datenverarbeitung) in einem selbstversorgenden System zusammengefasst sind und somit einen netzunabhängigen Betrieb ermöglichen.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es über eine zusätzliche Laserdiode verfügt, die durch ihre Lichtleistung z. B. menschliches Gewebe erwärmen und somit z.B. eine Blutstillung (Koagulation) durchgeführt werden kann.
Endoskop und optisches Element nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die in Endoskopen häufig verwendete Wasserspülung auch zu Kühlzwecken der LEDs genutzt wird.