DE102006052886A1

DE102006052886A1 - System zum Erfassen der Form eines Endoskopeinführteils

Info

Publication number: DE102006052886A1
Application number: DE102006052886A
Authority: DE
Inventors: Hideo Sugimoto; Shotaro Kobayashi
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-05-10
Also published as: US20070106114A1

Abstract

Beschrieben ist ein System zum Erfassen der Form eines flexiblen Einführteils (12) eines Endoskops (10), umfassend ein Positionserfassungssystem, das die Positionen beider Enden eines Biegeabschnittes (12B) des Einführteils (12) erfasst, ein Mittel zum Bestimmen des Biegezustandes des Biegeabschnittes (12B) und einen Formwiedergabeprozessor zur Wiedergabe des Biegeabschnittes (12B) entsprechend den erfassten Positionen und dem Biegezustand.

Description

Die Erfindung betrifft ein System oder eine Einrichtung, das bzw. die eingesetzt wird, um die Form eines Einführteils oder eines flexiblen Rohrs eines Endoskops, der bzw. das in eine Kavität oder einen Hohlraum eines Objektes eingeführt wird, zu erfassen oder zu überwachen.

Für den Benutzer eines Endoskops ist es vorteilhaft, die Form eines flexiblen Rohrs eines Endoskops zu erfassen, das in einen Körper eingeführt wird. Insbesondere bringt die Visualisierung der Endoskopform innerhalb des Körpers einen bedeutenden Vorteil mit sich, wenn ein Endoskop eingesetzt wird, das für tiefer liegende Darmbereiche vorgesehen ist, wie z.B. ein Kolonoskop, da in diesem Fall das Einführen des flexiblen Rohrs in den gewundenen Darm besonders schwierig ist. Infolgedessen wurden verschiedene Arten von Systemen vorgeschlagen, die dazu dienen, die Endoskopform zu erfassen.

So ist ein System bekannt, das mit einem magnetischen Wechselfeld arbeitet, um die Form eines flexiblen Rohrs eines Endoskops zu erfassen. Bei diesem System sind mehrere Spulen in Längsrichtung des flexiblen Rohrs angeordnet. Für jede dieser Spulen werden eine dreidimensionale Position sowie eine Richtung anhand der elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen dem magnetischen Wechselfeld und der jeweiligen Spule erfasst. So wird die Form des flexiblen Rohrs beispielsweise durch eine dreidimensionale Spline-Kurve dargestellt, die man aus Positionsdaten von Messpunkten erhält, in denen die Spulen angeordnet sind. Das Ergebnis wird auf einem Monitor angezeigt.

Der Einführteil des Endoskops umfasst im Allgemeinen einen Biegeabschnitt, der mit einem distalen Endabschnitt verbunden ist, und einen flexiblen Abschnitt, der den Biegeabschnitt mit einem Bedienteil verbindet. Der Biegeabschnitt ist ein Abschnitt, der durch Betätigen eines an dem Bedienteil vorgesehenen Winkelhebels gebogen wird. Dagegen ist der flexible Abschnitt ein Abschnitt, der infolge seiner Flexibilität gleichsam passiv gebogen wird.

Wie in 11 schematisch dargestellt, besteht ein flexibler Abschnitt 120A aus einem spiralförmigen Bandelement 123, das ein flexibles Rohr bildet, während ein Biegeabschnitt 120B aus mehreren Verbindungsstücken 121 besteht, die ein Biegegerüst bilden. Die benachbarten Verbindungsstücke 121 sind jeweils über ein Gelenk 122 miteinander verbunden. Dadurch ist der Biegeabschnitt 120B so konstruiert, das er gebogen werden kann. In 12 ist ein Biegeabschnitt 120B' mit einem alternativen Aufbau gezeigt. Der Biegeabschnitt 120B' enthält zwei Arten von ein Biegegerüst bildenden Verbindungsstücken 121A und 121B. In 12 befinden sich die Verbindungsstücke 121A, die schmaler als die Verbin dungsstücke 121B sind, auf der distalen Seite des Biegeabschnittes 120B'. Die distale Seite des Biegeabschnittes 121B' kann deshalb in einem weiteren Bogen als die dem flexiblen Abschnitt 120A zugewandte Seite gebogen werden.

Bei den in den 11 und 12 gezeigten Konstruktionen werden die Biegeabschnitte 120B und 120B', wenn sie durch Betätigen des Winkelhebels 11A bewusst gebogen werden, deutlich stärker gekrümmt als der flexible Abschnitt 210A, der nur infolge seiner Flexibilität, d.h. passiv gebogen wird. Auch unterscheiden sich die Biegeabschnitt 120B und 120B' in der Art und Weise, wie sie gebogen werden, deutlich von dem flexiblen Abschnitt 120A. Wie in 13 gezeigt, treten beispielsweise beim Biegen des Biegeabschnittes 120B (120B') mehrere Krümmungen (Krümmungsradien) auf, deren Werte sich voneinander unterscheiden. Es ist deshalb schwierig, die Form der Biegeabschnitte 120B oder 120B' nach dem gleichen Verfahren darzustellen, das auch zur Darstellung des flexiblen Abschnittes 120A angewandt wird.

Zur Vermeidung dieser Probleme kann ein System vorgesehen werden, das eine große Zahl an Spulen an dem Biegeabschnitt aufweist, so dass die Spulen in einer vergleichsweise hohen Dichte vorliegen. Dadurch sollte es möglich sein, die Form des Biegeabschnittes präzise darzustellen.

Wird jedoch eine große Zahl an Spulen innerhalb des Biegeabschnittes vorgesehen, so wird dadurch der zulässige Bereich für die Krümmung des Biegeabschnittes begrenzt, wodurch die Haltbarkeit des Biegeabschnittes abnimmt. Auch nehmen die Zahl an Komponenten sowie die Größe des Biegeabschnittes zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System anzugeben, das im Stande ist, bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau die Form des Einführteils wiederzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden samt ihren Vorteilen und technischen Wirkungen anhand der Figuren beschrieben. Daher zeigen:
1 eine Gesamtansicht eines Endoskops, auf das ein Formerfassungssystem nach einem ersten Ausführungsbeispiel angewandt wird;
2 eine schematische Darstellung, die die Anordnung von Spulen und eines Biegesensors innerhalb eines Einführteils in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
3 ein Blockdiagramm, das den elektronischen Aufbau des Endoskopsystems nach erstem Ausführungsbeispiel zeigt;
4 einen Zustand, in dem der Biegeabschnitt nur schwach gebogen ist;
5 einen Zustand, in dem der Biegeabschnitt so stark gebogen ist, dass die Stirnfläche des distalen Endabschnittes um etwa 180° herumgebogen ist;
6 ein Beispiel für eine Bilddarstellung der Form des Einführteils, wobei die Punkte P1 bis P8 über lineare Segmente miteinander verbunden sind (lineare Interpolation);
7 ein Beispiel für die Bilddarstellung der Form des Einführteils, wobei die Punkte P1 bis P8 die Basis für eine Bézier-Kurve oder ein Spline-Kurve bilden;
8 die Positionen der Punkte P1 bis P4 und die Darstellung deren linearer Interpolation in einem Zustand, in dem der Biegeabschnitt so gebogen ist, dass er einen engen Bogen bildet;
9. eine schematische Darstellung der tatsächlichen Formen des Biegeabschnittes in verschiedenen Biegezuständen, sowie die Positionsbeziehungen zwischen den Punkten P1 und P2 in den jeweiligen Biegezuständen;
10 einen Graphen, der beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Krümmung ρ und dem Widerstand R zeigt;
11 ein Beispiel für eine aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktion eines Biegeabschnittes und eines flexiblen Abschnittes;
12 ein anderes Beispiel für eine aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktion des Biegeabschnittes und des flexiblen Abschnittes;
13 die Form des aus dem Stand der Technik bekannten Biegeabschnittes, der in mehrere Krümmungsradien gekrümmt ist;
14 eine schematische Darstellung, die die Anordnung von Spulen und Biegesensoren innerhalb des Einführteils in einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
15 eine vergrößerte Teildarstellung eines Verbindungsstücks in einem Querschnitt senkrecht zur Achse des Verbindungsstücks;
16 ein Blockdiagramm, das den elektronischen Gesamtaufbau des Endoskopsystems nach zweitem Ausführungsbeispiel zeigt;
17 eine schematische Darstellung, die Positionen P1 bis P5 der Spulen S1 bis S5 sowie eine Interpolationskurve in einem Zustand zeigt, in dem der Biegeabschnitt so gebogen ist, dass die Stirnfläche des distalen Endabschnittes um etwa 270° gedreht ist;
18 eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Sensoreinheit zeigt, die in dem Formerfassungssystem nach drittem Ausführungsbeispiel verwendet wird;
19 ein Blockdiagramm, das schematisch das Formerfassungssystem nach drittem Ausführungsbeispiel zeigt; und
20 eine schematische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen den Positionskoordinatendaten (X1, Y1, Z1) bis (X9, Y9, Z9) und dem Biegeabschnitt in Zuständen zeigt, in denen der Punkt P1 in P1(0), P1(4) und P1(8) angeordnet ist.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 ist eine Gesamtansicht eines Endoskops, auf das ein erfindungsgemäßes System zum Überwachen oder Erfassen einer Endoskopform, im Folgenden als Formerfassungssystem bezeichnet, angewandt wird. In diesem Ausführungsbeispiel kommt beispielhaft ein elektronisches Endoskop zur Anwendung.
Das elektronische Endoskop 10 hat einen Bedienteil 11, den der Benutzer des Endoskops 10 betätigt. Ein Einführteil 12 in Form eines flexiblen Endoskops und ein Lichtleitkabel 13 sind mit dem Bedienteil 11 verbunden. Am distalen Ende des Lichtleitkabels 13 befindet sich ein Steckverbinder 13A. Der Steckverbinder 13A ist beispielsweise an einer nicht gezeigten Prozessoreinheit lösbar angebracht, in die eine Lichtquelle und eine Bildsignalverarbeitungseinheit integriert sind. So wird Beleuchtungslicht, das aus der in der Prozessoreinheit vorgesehenen Lichtquelle stammt, durch den Steckverbinder 13A des Endoskops 10 und das Lichtleitkabel 13 einer Kavität oder einem hohlen Eingeweideorgan zugeführt.
Der Einführteil 12 besteht aus einem flexiblen Abschnitt 12A, einem Biegeabschnitt 12B und einem distalen Endabschnitt 12C. Der flexible Ab schnitt 12A, der aus einem flexiblen Rohr besteht und frei (passiv) biegbar ist, nimmt den größten Teil des Einführteils 12 ein. Der flexible Abschnitt 12A ist direkt mit dem Bedienteil 111 verbunden. Der Biegeabschnitt 12B befindet sich zwischen dem distalen Endabschnitt 12C und dem flexiblen Abschnitt 12A. Er wird entsprechend der Drehung eines Winkelhebels 11A (aktiv) gebogen, der sich an dem Bedienteil 111 befindet. So kann der Abschnitt 12B beispielsweise so stark gebogen werden, dass die Ausrichtung des distalen Endabschnitts 12C um 180°C gedreht wird. Wie später im Einzelnen beschrieben, enthält der distale Endabschnitt 12C eine Abbildungsoptik, eine Bilderzeugungsvorrichtung, eine Beleuchtungsoptik sowie weitere Komponenten.
2 ist eine vergrößerte Teilansicht, die schematisch den Aufbau im Bereich des Biegeabschnittes 12B des Einführteils 12 zeigt.
Der distale Endabschnitt 12C des Einführteils 12 bildet einen starren Abschnitt. Innerhalb dieses distalen Endabschnittes 12C befinden sich eine Bilderzeugungsvorrichtung 15, sowie das vordere Ende 16A eines aus einem Lichtleitfaserbündel bestehenden Lichtleiters 16. In dem distalen Endabschnitt 12C des Einführteils 12 befinden sich ferner eine Beleuchtungsoptik 16B, die aus dem Lichtleiter 16 stammendes Licht aussendet, sowie eine Abbildungsoptik 15A, die ein Objektbild auf die Bilderzeugungsvorrichtung 15 projiziert.
Eine erste Spule S1 befindet sich in dem distalen Endabschnitt 12C. Eine zweite Spule S2 befindet sich in der Nähe der Grenze zwischen dem Biegeabschnitt 12B und dem flexiblen Abschnitt 12A. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite Spule S2 in dem flexiblen Abschnitt 12A an einer Stelle angeordnet, die sich in der Nähe des Biegeabschnittes 12B befindet. An die Spule S2 schließen zum Bedienteil 11 hin eine dritte Spule S3, eine vierte Spule S4, eine fünfte Spule S5, ...., und eine n-te Spule Sn an, die sukzessive längs der Achse des flexiblen Abschnittes 12A in vorbestimmten Abständen A voneinander angeordnet sind.
Die Spulen S1 bis Sn dienen als magnetische Sensoren. In 2 sind nur die Spulen S1 bis S3 gezeigt. Auch sind in 2 die das Biegegerüst bildenden Verbindungsstücke, die in den herkömmlichen Konstruktionen vorhanden sind, nicht gezeigt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein geeigneter Mechanismus verwendet, der über Verbindungsstücke ein solches Biegegerüst bildet.
Der Biegeabschnitt 12B hat eine Biegesensor 20, der sich von dem flexiblen Abschnitt 12A längs der Achse des Biegeabschnittes 12B bis zu dem distalen Endabschnitt 12C erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel kommt ein Dehnungsmessstreifen 20 zur Anwendung. Ein Ende des Dehnungsmessstreifens 20 ist über ein Befestigungselement 20A an dem Ende des flexiblen Abschnittes 12A, der mit dem Biegeabschnitt 12B verbunden ist, befestigt, während das andere Ende an dem distalen Endabschnitt 12C befestigt ist.
3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau des elektronischen Endoskopsystems nach der Erfindung zeigt. Dieses Endoskopsystem umfasst ein System zum Erfassen der Form des Einführteils 12, im Folgenden als Formerfassungssystem bezeichnet und ein Bildaufnahmesystem, das ein endoskopisches Bild am distalen Ende des Einführteils 12 aufnimmt und dieses aufgenommene Bild anzeigt. Das Formerfassungssystem erfasst Positionen des Einführteils 12 und gibt dessen Form an.
Das Bildaufnahmesystem umfasst die Bilderzeugungsvorrichtung 15; den Lichtleiter 16, der in dem Einführteil 12 angeordnet ist, eine Prozessoreinheit 30 und ein nicht gezeigtes Bildanzeigegerät zum Darstellen des mit der Bilderzeugungsvorrichtung aufgenommenen Bildes. Die Prozessoreinheit 30 führt dem Lichtleiter 16 Beleuchtungslicht zu, steuert die Bilderzeugungsvorrichtung 15 an und verarbeitet die aus der Bilderzeugungsvorrichtung 15 stammenden Bildsignale.
Das Formerfassungssystem umfasst die Spulen S1 bis Sn, die magnetische Sensoren bilden und in dem Einführteil 12 des Endoskops angeordnet sind. Eine Formerfassungseinheit 40, ein Bildanzeigegerät 41, das die Form des Einführteils 12 anzeigt, sowie einen Magnetfeldgenerator 42.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die Prozessoreinheit 30 und die Formerfassungseinheit 40 in der Prozessoreinrichtung, an die der Steckverbinder 13A (vgl. 1) lösbar angeschlossen ist. Demnach führen die Signaladern der Bilderzeugungsvorrichtung 15, das Lichtleitkabel 16, die Signaladern der Spulen S1 bis Sn und die Signaladern des Dehnungsmessstreifens 20 über das Lichtleitkabel 13 und den Steckverbinder 13a auf die Prozessoreinrichtung.
Der Lichtleiter 16 und die Signaladern der Bilderzeugungsvorrichtung 15 sind an die Prozessoreinheit 30 angeschlossen, die sich in der Prozessoreinrichtung befindet. Die Bilderzeugungsvorrichtung 15 wird von einem in der Prozessoreinheit 30 angeordneten Treiber 300 angesteuert. Die aus der Bilderzeugungsvorrichtung 15 stammenden Bildsignale werden einer Signalvorverarbeitungsschaltung 301 der Prozessoreinheit 30 zugeführt.
Die Bildsignale, die in der Signalvorverarbeitungsschaltung 301 in vorbestimmter Weise verarbeitet worden sind, werden in einem Bildspeicher 302 temporär gespeichert und dann sukzessive einer Signalnachverarbeitungsschaltung 303 zugeführt. In der Signalnachverarbeitungsschaltung 303 werden die Bildsignale in vorbestimmter Weise verarbeitet. Anschließend werden die Bildsignale zu Videosignalen codiert. Die Videosignale werden an ein Ausgabegerät wie das oben erwähnte Bildanzeigegerät ausgegeben.
Der Treiber 300 und der Bildspeicher 302 werden über Steuersignale angesteuert, die eine Zeitsteuerung 304 liefert. Eine Systemsteuerung 305 kontrolliert die Zeitsteuerung 304.
Die Bilderzeugungsvorrichtung 15 nimmt Bilder innerhalb des Körpers auf, während Beleuchtungslicht aus dem Lichtleiter 16 ausgesendet wird. Die Lichtquelleneinheit, die sich in der Prozessoreinrichtung befindet, führt dem Lichtleiter 16 das Beleuchtungslicht zu. Die Lichtquelleneinheit enthält eine Lampe 306. Aus der Lampe 306 stammendes Weißlicht wird über eine Verschlussblende 307 und eine Kondensorlinse 308 auf die Stirnfläche des Lichtleiters 16 gebündelt, der in die Prozessoreinrichtung eingesetzt ist.
Die Lampe 306 wird von einer Lampenstromquelle 309 mit elektrischer Energie gespeist. Ein Motor 310, der von einem Motortreiber 311 angesteuert wird, treibt die Verschlussblende 307 an. Die Lampenstromquelle 309 und der Motortreiber 311 werden von der Systemsteuerung 305 gesteuert.
Die Systemsteuerung 305 ist an ein Bedienfeld 312 angeschlossen, das Schalter aufweist, die von dem Benutzer betätigt werden. Die Systemsteuerung 305 ist imstande, verschiedenartige voreingestellte Parameter und Betriebsarten entsprechend der Betätigung der an dem Bedienfeld 312 vorgesehenen Schalter zu ändern.
Innerhalb des Steckverbinders 13A des elektronischen Endoskops 10 befindet sich ein ROM 130. Ist der Steckverbinder 13A an der Prozessoreinrichtung angebracht, so ist der ROM 130 mit der Systemsteuerung 305 verbunden, und in dem ROM 130 gespeicherte Informationen zur Identifikation des Endoskops werden an die Systemsteuerung 305 übertragen. So speichert der ROM 130 Informationen, die auf das elektronische Endoskop 10 bezogen sind, z.B. Informationen über den Typ der verwendeten Beobachtungseinheit sowie Parameter, die in der Bildverarbeitung verwendet werden, und von der Systemsteuerung 305 erfasste Informationen.
Signale, die aus den die magnetischen Sensoren bildenden Spulen S1 bis Sn stammen, werden über einen Mehrkanalverstärker 131 einem Mehrkanal-A/D-Wandler 400, der sich in der Formerfassungseinheit 40 befindet, zugeführt und mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt. Die aus den Spulen S1 bis Sn stammenden analogen Signale, die in dem Mehrkanal-A/D-Wandler 400 in digitale Signale gewandelt worden sind, werden einem Mikroprozessor 401 zugeführt, in dem die Position jeder Spule S1 bis Sn berechnet wird.
Andererseits wird die Änderung des elektrischen Widerstandes in dem Dehnungsmessstreifens 20 von einer Messstreifenschaltung 132 erfasst, die sich in dem Steckverbinder 13A befindet. Signale, die diese Wiederstandsänderung darstellen, werden über einen Puffer 133, der sich in dem Steckverbinder 13A befindet, einem A/D-Wandler 402 zugeführt, der in der Formerfassungseinheit 40 vorgesehen ist. So werden die aus dem Dehnungsmessstreifen 20 stammenden Signale in dem A/D-Wandler 402 in digitale Signale gewandelt und dem Mikroprozessor 401 zugeführt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich an dem Winkelhebel 11A, der an dem Bedienteil 11 montiert ist, ein Hebelsensor 11B, der die Drehrichtung erfasst, in die der Winkelhebel 11A betätigt wird. Der Hebelsensor 11B ist über die Signaladern, die innerhalb des Lichtleitkabels 13 und des Steckverbinders 13A verlegt sind, an den Mikroprozessor 401 angeschlossen, so dass die von dem Hebelsensor 11B erfassten Signale dem Mikroprozessor 401 zugeführt werden.
Bilddaten, die die Gesamtform des Einführteils 12 repräsentieren, werden in einer Bildanzeigesteuerung 405 basierend auf den Positionsdaten S1 bis Sn, die von dem Mikroprozessor 401 berechnet werden, den von dem Dehnungsmessstreifen 20 erfassten Daten und dem aus dem Hebelsensor 11B stammenden Signal berechnet. Die Bilddaten werden dann der Bildanzeigevorrichtung 41 zugeführt. Dabei stellen die Bilddaten die Form des Einführteils 12 beispielsweise unter Anwendung einer Interpolationslinie dar, welche die Positionen der Spulen S1 bis Sn miteinander verbindet.
Wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, erhält man die Positionen der Spulen S1 bis Sn, indem die Effekte der elektromagnetischen Wechselwirkungen mit den Spulen S1 bis Sn erfasst werden, wobei diese Effekte durch das magnetische Wechselfeld verursacht werden.
Beispielsweise erzeugt der Magnetfeldgenerator 42 für die X-, Y- und Z-Koordinatenachse eines orthogonalen Koordinatensystems XYZ reihum ein magnetisches Wechselfeld. Der Magnetfeldgenerator 42 wird von einem Treiber 403 gesteuert. Ferner der Mikroprozessor 401, die Bildanzeigesteuerung 405 und der Treiber 403 von der Zeitsteuerung 404 gesteuert.
Unter Bezugnahme auf die 4 bis 9 wird im Folgenden beschrieben, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Form des Einführteils 12 dargestellt wird.
Die 4 und 5 zeigen schematisch die Formen des Einführteils 12 im Bereich des distalen Endabschnittes, wenn der Winkelhebel 11A betätigt und der Biegeabschnitt 12B gebogen wird. Dabei zeigt 4 einen Zustand, in dem der Biegeabschnitt 12B nur schwach gebogen ist. Dagegen zeigt 5 einen Zustand, in dem der Biegeabschnitt 12B so gebogen ist, dass die Stirnfläche des distalen Endabschnittes 12C um etwa 180° herumgebogen ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich die erste Spule S1 in dem distalen Endabschnitt 12C des Einführteils 12. Die zweite Spule S2 befindet sich in dem Biegeabschnitt 12B auf der dem Bedienteil 11 zugewandten Seite. Die Spule S2 ist um einen Abstand B längs der Achse von der Spule S1 räumlich getrennt. Die Spulen S3, ..., Sn schließen in vorbestimmten Abständen A sukzessive an die Spule S2 in Richtung des Bedienteils 11 an.
Die Form des Einführteils 12 wird auf dem Bildschirm des Bildanzeigegerätes 41 wiedergegeben, indem die Punkte P1 bis Pn, die den Positionen der Spulen S1 bis Sn entsprechen, miteinander verbunden werden, wobei die vorstehend genannten Positionen unter Anwendung des magnetischen Wechselfeldes erhalten werden. In 6 ist ein Beispiel für die Bild schirmdarstellung gezeigt, bei dem die Punkte P1 bis Pn über Segmente, d.h. über eine lineare Interpolation, miteinander verbunden sind. Dagegen zeigt 7 ein Beispiel für die Bildschirmdarstellung, bei dem die Punkte P1 bis Pn mittels einer Bézier-Kurve oder einer Spline-Kurve miteinander verbunden oder angepasst sind.
Der Aufbau des Biegeabschnittes 12B unterscheidet sich von dem des flexiblen Abschnittes 12A. Auch unterscheidet sich die Krafteinwirkung auf den Biegeabschnitt 12B von derjenigen auf den flexiblen Abschnitt 12A. Der Grund hierfür ist, dass der Biegeabschnitt 12B durch die von den Winkeldrähten ausgeübte Kraft beeinflusst wird. Demnach unterscheidet sich die Art und Weise, wie sich der Abschnitt 12B biegt, deutlich von derjenigen, wie sich der flexible Abschnitt 12A biegt. Würde für den flexiblen Abschnitt 12A und für den Biegeabschnitt 12B in herkömmlicher Weise das gleiche Interpolationsverfahren angewendet, so könnte sich die wiedergegebene Form des Biegeabschnittes 12B deutlich von der tatsächlichen Form unterscheiden.
In 8 sind die Positionen der Punkte P1 bis P4 sowie die durch eine lineare Interpolation dieser Punkte entstehende Darstellung gezeigt, die auftreten, wenn der Biegeabschnitt 12B so gebogen wird, dass er einen engen Bogen bildet. Die Form des Einführteils 12, die durch die lineare Interpolation, bei der die Punkte P1 bis P4 über Segmente miteinander verbunden werden, wiedergegeben wird, ist in 13 mit der durchgezogenen Linie Ls angegeben. Dagegen ist die tatsächliche Form des Einführteils 12 mit der gestrichelten Linie Lb angegeben.
Da der flexible Abschnitt 12A, wenn er gebogen wird, eine sanfte Kurve bildet, ist die wiedergegebene Form (Ls) für die Abstände zwischen den Punkten P2 bis P4, die dem flexiblen Abschnitt 12A entsprechen, der tatsächlichen Form (Lb) gut angenähert, wie in 8 gezeigt ist. Dagegen weicht die wiedergegebene Form für den Abstand zwischen den Punkten P1 und P2, die dem Biegeabschnitt 12B entsprechen, stark von der tatsächlichen Form ab. In 13 ist die lineare Interpolation dargestellt, um ein Beispiel für einen Extremfall anzugeben. Selbst bei Anwendung einer Bézier-Kurve oder einer Spline-Kurve für die Interpolation wäre es jedoch schwierig, die Form des Biegeabschnittes 12B, der in einem engen Bogen gekrümmt wird, geeignet wiederzugeben, wenn für die Darstellung des flexiblen Abschnittes 12A und des Biegeabschnittes 12B das gleiche Interpolationsverfahren angewandt werden würde.
Um die Form des Biegeabschnittes 12B genau wiederzugeben, könnten mehrere Spulen als magnetische Sensoren innerhalb des Biegeabschnittes 12B angeordnet werden. Jedoch würde das Biegen durch Betätigen des Winkelhebels 11A beeinträchtigt, wenn sich eine Spule innerhalb des Biegeabschnittes 12B befinden würde. Auch könnte diese Spule beschädigt oder gar zerstört werden. Aus diesem Grunde sind in den vorliegenden Ausführungsbeispielen die Spule S1 und die Spule S2 an den beiden Enden des Biegeabschnittes 12B und der Dehnungsmessstreifen in dem Biegeabschnitt angeordnet.
Üblicherweise sind die Biegeeigenschaften des Biegeabschnittes 12B spezifisch für das jeweilige Produkt. In 9 sind die tatsächlichen Formen des Biegeabschnittes 12B in verschiedenen Biegezuständen sowie die Positionsbeziehungen zwischen den Punkten P1 und P2 in den jeweiligen Biegezuständen veranschaulicht. In 9 sind neun Biegezustände des Biegeabschnittes 12B dargestellt, ausgehend von einem Zustand, in dem keine Biegung vorliegt, bis zu einem Zustand, in dem der Biegeabschnitt 12B annähernd in die entgegengesetzte Richtung gebogen ist.
Die Positionen des Punktes P1 in jedem der vorstehend genannten neun Biegezustände sind in 9 mit P1(0) bis P1(8) dargestellt. Ferner ist die Ausrichtung des distalen Endabschnittes 12C bei einer entsprechenden Biegung des Biegeabschnittes 12B durch den Winkel θ dargestellt, der den Winkel gegenüber der Ausrichtung des distalen Endabschnittes 12C angibt, die vorliegt, wenn der Biegeabschnitt 12B gerade nach vorne gerichtet, d.h. nicht gebogen ist. Der Biegezustand wird demnach durch den Winkel θ repräsentiert. Ist der Biegeabschnitt 12B nicht gebogen, und der Punkt P1 in P1(0) angeordnet, so ist der Winkel θ = 0°. Ist dagegen der Biegeabschnitt 12B so gebogen, dass der distale Endabschnitt 12C in die entgegengesetzte Richtung weist, und der Punkt P1 in P1(8) angeordnet, so ist der Winkel θ = 180°. Die Winkel θ für die Positionen P1(0) bis P1 (8) werden durch θ₀ bis θ₈ repräsentiert.
Sind beispielsweise die Krümmung des Biegeabschnittes 12B, die Positionen der Punkte P1 und P2 sowie die Richtung, in die der Biegeabschnitt 12B gebogen ist, bestimmt, so kann die Form des Biegeabschnittes 12B präzise wiedergegeben werden. Dementsprechend werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Positionen der Spulen S1 und S2 (d.h. die Punkte P1 und P2) in oben beschriebener Weise berechnet und die Krümmung des Biegeabschnittes 12B aus den Daten gewonnen, die über den Dehnungsmessstreifen 20, d.h. den Biegesensor erhalten werden. Die Biegerichtung wird anhand der Signale erfasst, die der an dem Winkelhebel 11A vorgesehene Hebelsensor 11B liefert. Auf diese Weise kann die Form des Biegeabschnittes 12B präzise wiedergegeben und angezeigt werden.
Wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, ist der Dehnungsmessstreifen 20 so aufgebaut, dass ein Widerstandselement, z.B. ein Drahtmessstreifen, auf einem Träger angebracht ist, der beispielsweise aus einer dünnen Platte aus elektrisch isolierendem Material besteht. Die Verformung des Messobjektes wird erfasst, indem die durch diese Verformung verursachte Änderung des elektrischen Widerstandes des Widerstandselementes bestimmt wird.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beispielsweise die Entsprechung zwischen dem elektrischen Widerstand R des Dehnungsmessstreifens 20 und der Krümmung (Krümmungsradius) ρ des Biegeabschnittes 12B im Vorfeld gemessen und die entsprechende Information vor der Auslieferung in dem ROM 130 (vgl. 3) gespeichert, der sich in dem Steckverbinder 13A des elektronischen Endoskops 10 befindet. Wird dann der Steckverbinder 13A des bestimmten Endoskops an die Prozessoreinrichtung angeschlossen, so werden obige Daten, die die Identifikationsnummer des Endoskops beinhalten, von dem ROM 130 an den Mikroprozessor 401 gesendet.
10 zeigt beispielhaft einen Graphen, der schematisch den Zusammenhang zwischen der Krümmung ρ und dem elektrischen Widerstand R angibt. Ob die Krümmung ρ nach 10 positiv oder negativ ist, wird über ein von dem Hebelsensor 11B geliefertes Signal bestimmt.
Wie oben beschrieben, wird in dem ersten Ausführungsbeispiel die Form des Einführteils 12 in der Weise wiedergegeben, das für den Biegeabschnitt 12B und den flexiblen Abschnitt 12A unterschiedliche Verfahren angewandt werden. Durch eine entsprechende Kombination kann so die Gesamtform des Einführteils 12 genauer als bisher wiedergegeben wer den. Für den flexiblen Abschnitt 12A werden die einzelnen Positionen der Spulen in herkömmlicher Weise über eine Bézier-Kurve oder eine Spline-Kurve miteinander verbunden. Dagegen wird für den Biegeabschnitt 12B und den distalen Endabschnitt 12C die Form basierend auf den Positionen der ersten und der zweiten Spule S1, S2 (Endpositionen des Biegeabschnitts 12B) wiedergegeben, die Biegerichtung des Biegeabschnittes 12B über den Hebelsensor 11B erfasst und die Krümmung des Biegeabschnittes 12B aus den Daten des Dehnungsmessstreifens 20 ermittelt.
Wird zur Darstellung des flexiblen Abschnittes 12A einen Bézier-Kurve oder eine Spline-Kurve verwendet, so wird für den Punkt P2 der Interpolationskurve des flexiblen Abschnittes 12A ein Kontrollpunkt aus den geometrischen Parametern wie der Tangentiallinie oder der Krümmung für die für den Biegeabschnitt 12B ausgewählte Interpolationskurve bestimmt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Form des Biegeabschnittes mit einem einfachen Aufbau präziser als bisher wiedergegeben werden. Dies bedeutet, dass die Form des gesamten Einführteils präziser als bisher dargestellt werden kann.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein einziger Biegsensor, z.B. ein einziger Dehnungsmessstreifen, vorgesehen. Es können jedoch auch mehrere Biegesensoren vorgesehen sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 14 bis 17 ein Endoskop beschrieben, auf das ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Formerfassungssystems angewandt wird. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbei spiel im Hinblick auf die Biegerfassung. Im Übrigen stimmt es mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein. Im Folgenden werden hauptsächlich diejenigen Merkmale beschrieben, in denen sich das zweite Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Diejenigen Merkmale, die das zweite Ausführungsbeispiel mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemein hat, sind mit den in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Bezugszeichen versehen.
14 ist eine vergrößerte Teilansicht, die für das zweite Ausführungsbeispiel schematisch den Aufbau im Bereich des Biegeabschnittes 200 des Einführteils 12 zeigt.
Wie in 14 gezeigt, befindet sich an der Grenze zwischen dem Biegeabschnitt 200 und dem flexiblen Abschnitt 12A ein ringförmiger, starrer Abschnitt 201. Mehrere Verbindungsstücke 202, die ein Biegegerüst bilden, sind nach herkömmlicher Art innerhalb des Biegeabschnittes 200 angeordnet, und ausgehend von dem distalen Endabschnitt 12C bis zu dem starren Abschnitt 201 sukzessive zu einer Kette miteinander verbunden.
Die Spule S1 befindet sich in dem distalen Endabschnitt 12C, während sich die Spule S2 in einem in 4 schraffiert dargestelltem Verbindungsstück 202A befindet, das etwa im mittleren Bereich des Biegeabschnittes 200 angeordnet ist. Die Spule S3 befindet sich in dem starren Abschnitt 201. Die Spulen S4, S5, S6... Sn sind nacheinander längs der Achse des flexiblen Abschnittes 12A in vorbestimmten Abständen voneinander proximalseitig der Spule S3 in Richtung des Bedienteils 11 angeordnet. In 14 sind nur die Spulen S1 bis S3 dargestellt.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel befinden sich innerhalb des Biegeabschnittes 200 längs dessen Achse Biegesensoren 220 und 221, die dazu dienen, den Biegezustand des Biegeabschnittes zu erfassen. Die Biegesensoren 220 und 221 sind Sensoren, die ausgebildet sind, den Biegegrad des Biegeabschnittes 200 zu erfassen. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sind in diesem Ausführungsbeispiel diese Sensoren jeweils als Dehnungsmessstreifen ausgebildet. Ein Ende des Dehnungsmessstreifens 220 ist über ein Befestigungselement 220A an dem distalen Endabschnitt 12C befestigt, während ein Ende des Dehnungsmessstreifens 221 an dem starren Abschnitt 201 befestigt ist.
Das andere Ende 220B des Dehnungsmessstreifens 220, das sich auf der dem Befestigungselement 220A entgegen gesetzten Seite befindet, und das andere Ende 221B des Dehnungsmessstreifens 221, das sich auf der dem Befestigungselement 221A entgegen gesetzten Seite befindet, führen auf das Verbindungsstück 202A. Die beiden Enden 220B und 221B greifen durch ein Führungselement 223 in das Verbindungsstück 202A und sind nur längs der Achse des Biegeabschnittes 200 verschiebbar.
Wie in den 14 und 15 gezeigt, befindet sich das Führungselement 223, das sich längs der Achse des Verbindungsstücks 202A erstreckt, auf der Innenfläche des Verbindungsstücks 202A. Dadurch ist jede Bewegung der Enden 220B und 221B mit Ausnahme der Bewegung längs der Achse des Biegeabschnittes 200 gesperrt bzw. begrenzt. Auf beiden Seiten des Führungselementes 202A ist Längsrichtung eine Öffnung vorgesehen, in die das zugehörige Ende 220B bzw. 221B eingesetzt ist. Die Enden 220B und 221B sind so von beiden Seiten in das Führungselement 202A eingesetzt. In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Enden 220B und 221B in einem vorbestimmten Abstand räumlich voneinander ge trennt, so dass sie nicht in Kontakt miteinander kommen. 15 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Verbindungsstücks 202A in einem Querschnitt, der in einer Ebene senkrecht zur Achse des Verbindungsstück 202A liegt. In 15 ist schematisch dargestellt, wie die Enden 220B bzw. 221B relativ zu dem Führungselement 223 angeordnet sind.
16 ist ein Blockdiagramm, das den elektronischen Aufbau des Endoskopsystems nach zweitem Ausführungsbeispiel zeigt.
Signale, die aus den die magnetischen Sensoren bildenden Spulen S1 bis Sn stammen, werden über den Mehrkanal-Verstärker 131 einem Signalwähler 234 zugeführt, der sich innerhalb des Steckverbinders 13A (vgl. 1) befindet. Die Änderungen der elektrischen Widerstände der Dehnungsmessstreifen 220 und 221 werden von Messstreifenschaltungen 232 bzw. 233 erfasst, die sich ebenfalls innerhalb des Steckverbinders 13A befinden. Die aus den Messstreifenschaltungen 232 und 233 stammenden Signale werden dann ebenso wie die aus den Spulen S1 bis Sn stammenden Signale dem Signalwähler 234 zugeführt. Dem Signalwähler 234 werden auch aus dem Hebelsensor 11B stammende Signale über das Lichtleitkabel 13 (vgl. 1) zugeführt.
Der Signalwähler 234 ist eine Schaltung, die dazu dient, die Signale aus den Spulen S1 bis Sn, die Signale aus den Dehnungsmessstreifen 220 und 221 sowie die Signale aus dem Hebelsensor 11B in vorbestimmter Abfolge auszugeben. Die von dem Signalwähler 234 ausgegebenen Signale werden dann dem A/D-Wandler 400 zugeführt, der in der Formerfassungseinheit 40 vorgesehen ist, so dass diese analogen Signale in digitale Signale gewandelt werden. Anschließend werden diese Signale dem Mikroprozessor 401 zugeführt. Die Auswahl der aus dem Signalwähler 234 ausgegebenen Signale und die zeitliche Steuerung des Umschaltens dieser Auswahl werden über Steuersignale gesteuert, die der Mikroprozessor 401 der Formerfassungseinheit 400 liefert. In dem Mikroprozessor 401 werden wie in dem ersten Ausführungsbeispiel die Positionen der Spulen S1 bis Sn aus den Signalen berechnet, welche die Spulen S1 bis Sn liefern. Der Grad der Verformung, die in den Dehnungsmessstreifen 220 und 221 entsteht, wird basierend auf den Signalen berechnet, die die Dehnungsmessstreifen 220 und 221 liefern.
Aufgrund der Positionsdaten der Spulen S1 bis Sn, die von dem Mikroprozessor 401 berechnet werden, der von den Dehnungsmessstreifen 220 und 221 erfassten Daten sowie des von dem Hebelsensor 11B gelieferten Signals werden in einer Bildanzeigesteuerung 402 Bilddaten erzeugt, die die Form des gesamten Einführteils 12 darstellen. Die diesen Bilddaten entsprechenden Signale werden dann der Bildanzeigevorrichtung 41 zugeführt. Auf dieser wird die Form des Einführteils 12 in gleicher Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel angezeigt.
17 zeigt schematisch die Positionen P1 bis P5 der Spulen S1 bis S5 sowie eine an diese Positionen P1 bis P5 geeignet angepasste Interpolationskurve für den Fall, dass der Winkelhebel 11A betätigt und dadurch der Biegeabschnitt 200 in einem engen Bogen so verformt wird, dass die Stirnfläche des distalen Endabschnittes 12C um etwa 270° herum gedreht wird.
In 17 sind die dem Biegeabschnitt 200 entsprechenden Teile mit einer durchgezogenen Linie und die dem flexiblen Abschnitt 12A entsprechenden Teile mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, kann der flexible Abschnitt 12A mit einer Bézier-Kurve oder einer Spline-Kurve, die die dem Abschnitt 12A entsprechenden Punkte P3 bis Pn miteinander verbindet, hinreichend genau dargestellt werden, während der Biegeabschnitt 200 in gleicher Weise nicht hinreichend genau angenähert werden kann.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Positionen der beiden Enden des Biegeabschnittes 200 und mindestens eine Position eines innerhalb des Biegeabschnittes 200 liegenden Punktes erfasst. Ferner wird der Biegegrad in Intervallen zwischen den vorstehend genannten Erfassungspunkten für jeden Abschnitt erfasst. Aufgrund dieser Positionsdaten und dieser Biegeinformation kann die Form des Biegeabschnittes 200 noch genauer bestimmt werden. Diese genau bestimmte Form des Biegeabschnittes 200 wird von dem Bildanzeigegerät 41 dargestellt, wie in 17 gezeigt ist.
Üblicherweise weist für jedes einzelne Produkt der Biegeabschnitt 200 spezifische Biegeeigenschaften auf. Deshalb sind in dem zweiten Ausführungsbeispiel in dem ROM 130 Korrespondenzen gespeichert, die für jedes Endoskop die Entsprechung zwischen den Ausgangssignalen der Dehnungsmessstreifen 220, 221 und einer Information angeben, welche die Biegeform des entsprechenden Abschnittes, z.B. die Krümmung, darstellt. Diese Korrespondenzen können beispielsweise in Form einer Verweistabelle gespeichert sein.
In dem Mikroprozessor 401 wird basierend auf Daten, die in dem ROM 130 gespeichert sind, der Biegegrad jedes Abschnittes, z.B. die Krümmung anhand der von den Dehnungsmessstreifen 220, 221 gelieferten Signale ermittelt. Beispielsweise werden die Krümmungen (Krümmungsradien) der Abschnitte S1-S2 und S2-S3 des Biegeabschnittes 200, die Positionen der Punkte P1, P2 und P3 sowie die Biegerichtung des Biegeabschnittes 200 bestimmt, wodurch die Form des Biegeabschnittes 200 genau wieder gegeben werden kann.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel wird im Vorfeld die Entsprechung zwischen dem elektrischen Widerstand R der Dehnungsmessstreifen 220, 221 und der Krümmung ρ des Biegeabschnittes 200 gemessen und die entsprechende Information vor der Auslieferung in dem ROM 130 gespeichert.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel werden die gleichen technischen Wirkungen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt. Da in dem zweiten Ausführungsbeispiel mehrere Biegesensoren vorhanden sind und mindestens eine Position innerhalb des Biegeabschnittes erfasst wird, kann die Form des Biegeabschnittes noch präziser bestimmt werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel können innerhalb des Biegeabschnittes auch mehrere Spulen vorgesehen werden. Auch kann die Zahl an Biegesensoren, z.B. Dehnungsmessstreifen, auch größer als zwei sein.
In dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Entsprechung zwischen den elektrischen Widerständen der Dehnungsmessstreifen einerseits und den Krümmungen andererseits in einem Speicher gespeichert, der sich innerhalb des Endoskopsteckverbinders befindet. Diese Information kann jedoch auch in einem Speicher gespeichert werden, der sich in der Prozessoreinrichtung oder einem Computersystem befindet, das mit dem Endoskopsystem kombiniert wird. In diesem Fall können die Daten basierend auf dem Endoskoptyp, d.h. beispielsweise für jede Modellnummer, in dem Speicher gespeichert werden. So können beispielsweise die Endoskopmodellnummern auf dem Bildschirm aufgelistet und die Daten abgerufen werden, indem die die entsprechende Modellnummer aus dieser Liste ausgewählt wird. Die Modellnummer ist beispielsweise in dem Endoskopspeicher gespeichert, während die Daten, die dieser Modellnummer entsprechen, automatisch aus einem Speicher ausgewählt werden, der sich in einem anderen Gerät als dem Endoskop befindet.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die die 18 bis 20 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Formerfassungssystems beschrieben. Dabei liegt der Schwerpunkt der Beschreibung auf denjenigen Merkmalen, in denen sich das dritte Ausführungsbeispiel von dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Diejenigen Elemente, die das dritte Ausführungsbeispiel mit dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel gemein hat, sind mit den in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Bezugszeichen versehen.
18 zeigt den schematischen Aufbau einer Sensoreinheit 500, die in dem Formerfassungssystem nach drittem Ausführungsbeispiel verwendet wird.
In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinheit 500 abnehmbar ausgebildet. Die Sensoreinheit 500 umfasst ein flexibles Rohr 21 und einen Anschluss oder Verbinder 22, der am proximalen Ende des flexiblen Rohrs 21 angebracht ist.
Die Länge des flexiblen Rohrs 21 ist beispielsweise etwa gleich der Summe der Länge eines Einführteils 12' des Endoskops und der Länge des Lichtleitkabels 13 (vgl. 1). Das distale Ende 21A des flexiblen Rohrs wird durch eine Kanalöffnung 12C (vgl. 1) in einen Instrumenten kanal 14 des Endoskops so eingeführt, dass es am distalen Ende des Instrumentenkanals 14, das sich in dem distalen Endabschnitt 12C des Endoskops befindet, angeordnet wird.
Der Instrumentenkanal 14 ist eine Rohrleitung, die innerhalb des Einführteils 12' ausgebildet ist und von dem Bedienteil 11 zu dem distalen Endabschnitt 12C verläuft. Die Kanalöffnung 11C ist an dem Bedienteil 11 angeordnet.
Die erste Spule S1 befindet sich an dem distalen Ende 21A des flexiblen Rohrs 21. Die zweite Spule S2 befindet sich innerhalb des flexiblen Rohres 21 an einer Stelle, die in einem Abstand B längs der Achse des flexiblen Rohres 21 von der Spule S1 räumlich getrennt ist. Die Spulen S3, S4, S5 ..., Sn sind proximalseitig der Spule S2 in Richtung des Anschlusses 22 nacheinander in vorbestimmten Abständen A angeordnet. Die Spulen S1 bis Sn sind elektrisch mit dem Anschluss 22 verbunden.
19 ist ein Blockdiagramm, das schematisch das Formerfassungssystem nach drittem Ausführungsbeispiel zeigt. Dieses Formerfassungssystem umfasst die lösbare Sensoreinheit 500, einen Positionsdetektor 23 (entsprechend der Formerfassungseinheit 40), den Magnetfeldgenerator 42 und das Bildanzeigegerät 41.
In 19 ist das flexible Rohr 21 der lösbaren Sensoreinheit 500 geeignet in dem Instrumentenkanal 14 des Endoskops installiert. Hierzu wird die Sensoreinheit 500 durch die Kanalöffnung 11C in den Instrumentenkanal 14 des Einführteils 12' eingeführt und das distale Ende des flexiblen Rohrs 21 an dem distalen Endabschnitt 12C des Einführteils 12' positio niert. Demnach ist die Spule S1 an dem distalen Endabschnitt 12C angeordnet.
In dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Abstand B etwas größer als die Länge des biegbaren Abschnittes 12B'. Ist die Sensoreinheit 500 in dem Instrumentenkanal 14 installiert, so befindet sich deshalb der Sensor S1 an dem distalen Endabschnitt 12C und der Sensor S2 an dem vorderen Ende des flexiblen Abschnittes 12A', während die Sensoren S3 bis Sn in dem flexiblen Abschnitt 12A' angeordnet sind.
Der Anschluss 22 der Sensoreinheit 500 ist lösbar mit dem Positionsdetektor 23 verbunden. Signale, die aus den Spulen S1 bis Sn bzw. der Sensoreinheit 500 stammen, werden dem Signalprozessor 24 zugeführt, die sich in dem Positionsdetektor 23 befindet. In dem Signalprozessor 24 werden die aus den Spulen S1 bis Sn stammenden Signale einer Verstärkung, Erfassung und A/D-Wandlung unterzogen und dann dem Mikroprozessor 401 des Positionsdetektors 23 zugeführt.
In dem Anschluss 22 befindet sich ein nicht-flüchtiger Speicher 22M. Ist der Anschluss 22 an dem Positionsdetektor 23 angebracht, so ist der Speicher 22M elektrisch mit dem Mikroprozessor 401 verbunden. In dem Speicher 22M werden Daten gespeichert, die zur Darstellung der Form des Biegeabschnittes 12B' dienen und im Folgenden als Formdaten bezeichnet werden. Diese Formdaten werden von dem Speicher 22M auf den Mikroprozessor 401 übertragen, wenn das Formüberwachungssystem eingeschaltet und der Anschluss an dem Positionsdetektor 23 angebracht wird.
Die Positionen des Punktes P1 in jedem der vorstehend genannten neun Biegezustände sind in 9 mit P1(0) bis P1(8) dargestellt. Ferner ist die Ausrichtung des distalen Endabschnittes 12C' bei einer entsprechenden Biegung des Biegeabschnittes 12B' durch den Winkel θ dargestellt, der den Winkel gegenüber der Ausrichtung des distalen Endabschnittes 12C' angibt, die vorliegt, wenn der Biegeabschnitt 12B' gerade nach vorne gerichtet, d.h. nicht gebogen ist. Der Biegezustand wird demnach durch den Winkel θ repräsentiert. Ist der Biegeabschnitt 12B' nicht gebogen, und der Punkt P1 in P1(0) angeordnet, so ist der Winkel θ = 0°. Ist dagegen der Biegeabschnitt 12B' so gebogen, dass der distale Endabschnitt 12C' in die entgegengesetzte Richtung weist, und der Punkt P1 in P1(8) angeordnet, so ist der Winkel θ = 180°. Die Winkel θ für die Positionen P1(0) bis P1(8) werden durch θ₀ bis θ₈ repräsentiert.
Der Abstand D zwischen dem Punkt P1 und dem Punkt P2 und der Winkel θ weisen eine Eins-zu-Eins-Entsprechnung (D=D (θ), θ = D^–1 (θ)) auf. Wird der distale Endabschnitt 12C' in eine bestimmte Richtung θ ausgerichtet, so beschreibt der Biegeabschnitt 12B immer die gleiche Form. Indem man aus den Positionen der Punkte P1 und P2 den Abstand D bestimmt, kann so die Form des Biegeabschnittes 12B ermittelt werden.
In dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinheit 500 vorgesehen, die für jedes Endoskop eingestellt wird. Informationen, die die Entsprechung zwischen dem Abstand D (Abstand zwischen den Punkten P1 und P2) und der Form des Biegeabschnittes 12B' repräsentieren, sind in dem Speicher 22M, der sich in dem Anschluss 22 der Sensoreinheit 500 befindet, als Formdaten gespeichert. Die Formen des Biegeabschnittes 12B', die den Abständen D entsprechen, werden im Vorfeld gemessen. Der Abstand D wird von dem Mikroprozessor 401 in Abhängigkeit der Positionen der Punkte P1 und P2 bestimmt bzw. berechnet. Beispiele für Formdaten sind in Tabelle 1 angegeben.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, beinhalten die Formdaten beispielsweise Positionskoordinaten (x, y, z), die längs der Mittelachse des Biegeabschnittes 12B' pro vorbestimmtem Intervall für jede der Relativpositionen P1(0) bis P1(8) zugewiesen sind. Für die in Tabelle 1 angegebenen Beispiele werden die Positionskoordinaten für den Biegeabschnitt 12B' zwischen den Punkten P1 und P2 so vorgegeben, dass das Intervall zwischen den Punkten P1 und P2 gleichmäßig in zehn Intervalle unterteilt wird. Für jeden der Punkte P1(0) bis P1(8) werden neun Positionskoordinaten (X1, Y1, Z1) bis (X9, Y9, Z9) gespeichert. Die Entsprechung zwischen den Positionskoordinatendaten (X1, Y1, Z1) bis (X9, Y9, Z9) und dem Biegeabschnitt 12B' ist in 20 für die Zustände veranschaulicht, in denen der Punkt P1 in P1(0), P1(4) und P1(8) angeordnet ist.
Ist der Abstand D berechnet, so ist die Position des Punktes P(1), wie oben beschrieben, bezüglich des Punktes P2 eindeutig festgelegt (wobei der Freiheitsgrad um die Achse nicht berücksichtigt wird). Anhand dieser eindeutigen Festlegung wird eine der Positionen P1(0) bis P1(8) ausgewählt und die Form des Biegeabschnittes 12B' auf Grundlage der Positionskoordinatendaten (X1, Y1, Z1) bis (X9, Y9, Z9) entsprechend der ausgewählten Position wiedergegeben.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen können die Formdaten eine Positionsinformation beinhalten, die auf beliebige vorbestimmte Positionen zwischen den Punkten P1 und P2 bezogen ist. Diese Information kann beispielsweise auch die Krümmung des Biegeabschnittes 12B' für den jeweiligen Zustand beinhalten. Auch können eine Interpolationsfunktion oder deren Parameter zur Wiedergabe der Form des Biegeabschnittes 12B' genutzt werden, so dass die Informationen, die diese Interpolationsfunktion und deren Parameter beinhalten, für jeden der Abstände D in dem Speicher gespeichert werden. Auch können beliebige Kombinationen der vorstehend beschriebenen Verfahren angewandt werden.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen werden für den Biegeabschnitt 12B' und den flexiblen Abschnitt 12A' unterschiedliche Interpolationsverfahren angewandt, so dass die Gesamtform des Einführteils 12 durch eine entsprechende Kombination dargestellt wird. So werden für den flexiblen Abschnitt 12A' die einzelnen Positionen der Spulen in üblicher Weise mit einer Bézier-Kurve oder einer Spline-Kurve miteinander verbunden. Dagegen wird für den Biegeabschnitt 12B' und den distalen Endabschnitt 12C' die Form durch die Interpolation basierend auf den vorgegebenen Formdaten und der relativen Anordnung der Spulen S1 und S2 dargestellt, die an den beiden Enden des Biegeabschnittes 12B' angeordnet sind, nämlich dem Ende, das dem Abschnitt 12A' zugewandt ist, und dem Ende, das dem distalen Endabschnitt 12C' zugewandt ist.
Wird die Bézier-Kurve oder die Spline-Kurve zur Darstellung des flexiblen Abschnittes 25A angewandt, so wird für den Punkt P2 der Interpolationskurve des flexiblen Abschnittes 12A' ein Kontrollpunkt aus den geometrischen Parametern wie der Tangentiallinie und der Krümmung für den Biegeabschnitt 12B' ausgewählt.
In dem dritten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu den technischen Wirkungen, die oben für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, die Form des Biegeabschnittes auch ohne Verwendung eines Biegesensors präzise bestimmt. Durch die Verwendung der separaten Sensoreinheit 500, die aus dem Instrumentenkanal 14 entnehmbar ist, kann das System nach drittem Ausführungsbeispiel bei jedem herkömmlichen Endoskop eingesetzt werden.
In dem dritten Ausführungsbeispiel dient der Positionsdetektor dazu, Daten, die die Form eines Einführteils darstellen, zu ermitteln. Das Bildanzeigegerät ist dabei direkt mit dem Positionsdetektor verbunden. Es ist jedoch ebenso möglich, die Positionsdaten der Spulen an ein externes Computersystem zu senden und die Form des Einführteils auf einem Bildschirm dieses Computersystems darzustellen.
In dem dritten Ausführungsbeispielen wird vorausgesetzt, dass die Biegezustände des Biegeabschnittes eindeutig durch den Abstand zwischen den Spulen S1 und S2 festgelegt sind, so dass nur der vorstehend genannte Abstand zur Bestimmung des Zustands oder der Form des Biegeabschnitts herangezogen und auf die entsprechenden Formdaten Bezug genommen wird. Es können jedoch auch die Ausrichtungen der Spulen zur Bestimmung des Zustands des Biegeabschnitts genutzt werden, wenn die Unter schiede zwischen den vorstehend genannten Abständen nicht ausreichen, den Biegezustand festzulegen.
In dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Formdaten in einem Speicher gespeichert, der sich in dem Anschluss der Sensoreinheit befindet. Die Formdaten können jedoch auch in einem Speicher gespeichert werden, der in der Prozessoreinrichtung oder in einem Computersystem vorgesehen ist, das mit dem Endoskopsystem kombiniert wird. In diesem Fall können die Daten anhand des Typs (für jede Modellnummer) der Sensoreinheit oder des Endoskops in dem Speicher gespeichert werden. Die Modellnummern der Sensoreinheit oder des Endoskops können dann auf dem Bildschirm aufgelistet und die Daten abgerufen werden, indem die entsprechende Modellnummer aus der Liste ausgewählt wird. Die Modellnummer kann beispielsweise in dem Speicher der Sensoreinheit gespeichert werden. Die Formdaten, die auf diese Modellnummer bezogen sind, können automatisch aus einem Speicher ausgewählt werden, der in einem anderen Gerät als der Sensoreinheit vorgesehen ist.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen wird das magnetische Wechselfeld außerhalb des Endoskops von dem Magnetfeldgenerator erzeugt, der sich außerhalb des zu untersuchenden Objektes befindet, während die Spulen und damit die magnetischen Sensoren innerhalb des Einführteils angeordnet sind. Es ist jedoch ebenso möglich, innerhalb des Einführteils Spulen zum Erzeugen eines Magnetfeldes und außerhalb des Einführteils magnetische Sensoren anzuordnen.

Claims

System zum Erfassen der Form eines flexiblen Einführteils (12) eines Endoskops (10), umfassend: – ein Positionserfassungssystem, das die Positionen beider Enden eines Biegeabschnittes (12B) des Einführteils (12) erfasst; – ein Mittel zum Bestimmen des Biegezustandes des Biegeabschnittes (12B); und – einen Formwiedergabeprozessor zur Wiedergabe des Biegeabschnittes (12B) entsprechend den erfassten Positionen und dem Biegezustand.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Richtungsdetektor zum Erfassen der Biegerichtung des Biegeabschnittes (12B).
System nach Anspruch 2, bei dem der Richtungsdetektor an einem Winkelhebel (11A) des Endoskops (10) angeordnet und einen Sensor (11B) zum Erfassen der Richtung aufweist, in der der Biegehebel (11A) betätigt wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Positionserfassungssystem ein magnetisches Wechselfeld anwendet.
System nach Anspruch 4, bei dem das Postionserfassungssystem einen Magnetfeldgenerator (42), der das magnetische Wechselfeld erzeugt, und mehrere magnetische Sensoren (S1 bis S3) zum Erfassen des magnetischen Wechselfeldes umfasst, die innerhalb des Einführteils (12) angeordnet sind.
System nach Anspruch 5, ferner umfassend: – einen Richtungsdetektor zum Erfassen der Biegerichtung des Biegeabschnittes (12B), – einen Dehnungsmessstreifen (20), der sich längs des Biegeabschnittes (12B) erstreckt; – einen Signalwähler (234), der selektiv Signale ausgibt, die von den magnetischen Sensoren (S1 bis S3), dem Richtungsdetektor und dem Dehnungsmessstreifen (20) stammen; und – einen A/D-Wandler (400), der die aus dem Signalwähler (234) ausgegebenen analogen Signale in digitale Signale wandelt.
System nach Anspruch 5 oder 6, bei dem zwei der magnetischen Sensoren (S1 bis S3) an den beiden Enden des Biegeabschnittes (12B) angeordnet sind, wobei sich ein erster dieser magnetischen Sensoren auf der Seite des distalen Endes des Einführteils (12) und ein zweiter auf der Seite des flexiblen Abschnittes (12A) des Einführteils (12) befindet.
System nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zum Bestimmen des Biegungszustandes einen Dehnungsmessstreifen (20) umfasst, der sich längs des Biegeabschnittes (12B) erstreckt.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Speicher (130), der eine Information speichert, welche die Entsprechung zwischen dem Ausgangssignal des Dehnungsmessstreifens (20) und der Krümmung des Biegeabschnittes (12B) angibt, wobei der Formwiedergabeprozessor, die Form des Biegeabschnittes (12B) entspre chend der Krümmung wiedergibt.
System nach Anspruch 9, bei dem der Speicher (130) in einem Steckverbinder (13A) des Endoskops (10) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend einen weiteren Formwiedergabeprozessor, der die Form eines flexiblen Abschnittes (12A) des Einführteils (12) in anderer Weise wiedergibt als der zuerst genannte Formwiedergabeprozessor die Form des Biegeabschnittes (12B) wiedergibt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Positionserfassungssystem ferner die Position mindestens eines Punktes innerhalb des Biegeabschnittes (12B) erfasst und das Mittel zum Bestimmen des Biegezustandes letzteren in mehreren Positionen des Biegeabschnittes (12B) bestimmt, so dass der Formwiedergabeprozessor die Form des Biegeabschnitts (12B) entsprechend diesen Positionen und des Biegezustands wiedergibt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – einen Abstandsdetektor, der den Abstand zwischen den beiden Enden des Biegeabschnittes (12B) anhand der Positionen dieser beiden Enden erfasst; und – einen Speicher (130), der Biegeabschnitts-Formdaten in Entsprechung zu dem genannten Abstand speichert, so dass der Biegezustand des Biegeabschnittes (12B) anhand dieses Abstandes bestimmt wird und der Formwiedergabeprozessor die Form des Biegeabschnittes (12B) anhand der zugehörigen Biegeabschnitts- Formdaten wiedergibt.
System nach Anspruch 13, bei dem das Positionserfassungssystem einen Magnetfeldgenerator (42), der das magnetische Wechselfeld erzeugt, und mehrere magnetische Sensoren (S1 bis S5) zum Erfassen des magnetischen Wechselfeldes umfasst, die in einer Sensoreinheit (500) angeordnet sind, die ein flexibles Rohr (21) bildet, und entnehmbar so in einem Endoskopkanal (14) einführbar ist, das zwei der der magnetischen (S1 bis S5) Sensoren an den beiden Enden des Biegeabschnittes (12B) angeordnet sind.
System nach Anspruch 14, bei dem der Speicher (130) in der entnehmbaren Sensoreinheit (500) enthalten ist.
System nach Anspruch 13, bei dem die Biegeabschnitts-Formdaten eine Positionsinformation mindestens eines anderen Punktes als die an den beiden Enden angeordneten Punkte beinhaltet, wobei diese Positionsinformation für jeden Biegezustand vorgegeben ist.
System zum Erfassen der Form eines flexiblen Einführteils (12) eines Endoskops (10), umfassend: – einen Abstandsdetektor, der den Abstand zwischen den beiden Enden eines Biegeabschnittes (12B) des Einführteils (12) erfasst; und – einen Speicher (130), der Biegeabschnitts-Formdaten zur Wiedergabe der Form des Biegeabschnittes (12B) in Abhängigkeit des Abstandes speichert.
System nach Anspruch 17, bei dem der Abstandsdetektor einen Positionsdetektor, der die Positionen der beiden Enden des Biegeabschnittes (12B) erfasst, und ein Rechenmittel zum Berechnen des Abstandes anhand dieser Positionen umfasst; – wobei der Positionsdetektor einen Magnetfeldgenerator (42), der das magnetische Wechselfeld erzeugt; eine Sensoreinheit (500), die das magnetische Wechselfeld erfasst, und ein Positionsrechenmittel umfasst, das die Positionen der beiden Enden anhand von Signalen erfasst, welche die Sensoreinheit (500) liefert.
System nach Anspruch 18, bei dem an dem einen Ende eine erste Spule (S1) und an dem anderen Ende eine zweite Spule (S2) als magnetischer Sensor angeordnet ist.
System nach Anspruch 19, bei dem die Sensoreinheit (500) als flexibles Rohr (21) ausgebildet ist, das entnehmbar in einen Endoskopkanal (14) so einführbar ist, dass die beiden Spulen (S1, S2) an den beiden Enden des Biegeabschnittes (12B) angeordnet sind.
System nach Anspruch 17, ferner umfassend; – einen ersten Formwiedergabeprozessor, der die Form des Biegeabschnittes (12B) anhand der Biegeabschnitts-Formdaten wiedergibt; und – einen zweiten Formwiedergabeprozessor, der die Form eines flexiblen Abschnittes (12A) des Einführteils (12) anhand einer Interpolationskurve wiedergibt, welche die Positionen mehrerer Sensoren (S1 bis S5) miteinander verbindet, die längs der Achse des flexiblen Abschnittes (12A) angeordnet sind.