DE102009036030B3

DE102009036030B3 - Endoskop zum Erfassen von optischen Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationssignale an einem proximalen Ende

Info

Publication number: DE102009036030B3
Application number: DE102009036030A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dr. Mokwa; Hoc Khiem Dr. Trieu
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-08-05

Abstract

Ein Endoskop zum Erfassen von Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationssignale an einem proximalen Ende mit einer am distalen Ende zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche, und einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung, die an der Trägeroberfläche angeordnet ist, wobei die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung zumindest bereichsweise der gekrümmten Trägeroberfläche angepasst ist, und wobei das Endoskop ausgebildet ist, um mittels der Bilderfassungsanordnung am distalen Ende optische Bildinformationen der Umgebung zu erfassen und an einem proximalen Ende entsprechende elektronische Bildinformationssignale bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Endoskop zum Erfassen von Bildinformationen an einem distalen Ende des Endoskops und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Die Endoskopie ist eine wichtige, zerstörungsfreie Inspektionsmethode zur Untersuchung oder gar Manipulation von im Allgemeinen schwer zugänglichen, kleinen Hohlräumen z. B. in der Medizin und in der Technik. Bei einem Endoskop wird ein distales Ende von einem proximalen Ende unterschieden. Das distale Ende bezeichnet das „entfernte Ende” eines Endoskops, das in ein Objekt oder in einen Hohlraum zur Beobachtung innerer Strukturen eingeführt wird, währenddessen das proximale Ende grundsätzlich außerhalb des zu untersuchenden Hohlraums verbleibt.
Das Einsatzspektrum der Endoskopie ist breit gefächert. So ergeben sich vor allem Einsatzmöglichkeiten in der Medizintechnik oder auch in der Qualitäts- oder Prüftechnik von Gebäuden, Maschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, etc. Die Endoskopie kann auch für minimal invasive operative Eingriffe an Mensch und Tier, sowie in industriellen Anwendungen zur Sichtprüfung oder auch mittels Sonden zur Prüfung schwer zugänglicher Hohlräume eingesetzt werden.
Herkömmliche Endoskope weisen einen starren oder einen flexiblen Schaft auf, in dem beispielsweise über Lichtwellenleiter oder einer entsprechenden Optik Licht an einen am distalen Ende des Endoskops befindlichen Bereich geleitet wird, sowie eine Optik zum Übertragen eines Umgebungsbildes vom distalen Ende des Endoskops zu einem proximalen Ende des Endoskops. Typischerweise haben solche Endoskope oder Katheter an ihrer Spitze ein optisches System zur Bildaufnahme, das es jedoch nur gestattet, Bilder aus dem Bereich vor der Spitze des Endoskops aufzunehmen. Neuere Endoskope, auch Videoendoskope genannt, benutzen auch Charge-Coupled-Devices(CCD)-Chips oder Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)-Chips zur digitalen Bildübertragung. Die Größe der einzelnen CCD- oder CMOS-Kamerachips ist abhängig von der Anzahl der Bildpunkte oder Pixel und kann mehrere cm² betragen. Die Dicke dieser Kamera- bzw. Bilderfassungschips liegt typischerweise zwischen 400 μm und 800 μm. Aufgrund der Dicke stellt der Kamerachip ein starres Gebilde dar, weshalb deren Einsatz in der Endoskopie jedoch sehr eingeschränkt und wenig flexibel hinsichtlich der Anpassung an eine zu untersuchende Kavität ist.
Die US 2006/0262461 A1 bezieht sich auf einen nicht-planaren Röntgensensor. Der nicht-planare Röntgensensor weist ein Szintillator-beschichtetes, gedünntes, photoelektrisches Sensor-Array auf einem flexiblen Halbleiterchip auf, dessen Größe mit einer nichtplanaren gedruckten Schaltungsplatine übereinstimmt und der an derselben befestigt ist. Die nicht-planare gedruckte Schaltungsplatine stellt elektrische Verbindungen zu dem photoelektrischen Sensor-Array bereit. Der Sensor ist insbesondere als ein Innensensor für die Mundhöhle zur Erzeugung digitaler dentaler Röntgenbilder anwendbar.
Die US 7,044,908 B1 bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum dynamischen Einstellen eines Sichtfelds bei einem Kapselendoskop. Das Kapselendoskop umfasst einen Illuminator, der als optischer oder akustischer Illuminator ausgebildet sein kann und entworfen ist, um den Wandbereich eines Gastrointestinal-Traktes auszuleuchten. Ein Scanner, wie z. B. ein MEMS-Scanner, kann verwendet werden, um die Ausleuchtquelle auf der Wandung auszulenken. Der Scanner kann gesteuert werden, um das Sichtfeld dynamisch einzustellen. Ein Linsen-Array kann ferner verwendet werden, um die Ausleuchtung zu fokussieren. Der Sensor ist derart ausgebildet, um entsprechend einer Kontur gekrümmt werden zu können, und umfasst einen Träger mit einer ausreichenden Flexibilität, so dass derselbe an der Kontur angeordnet werden kann. Das Substrat umfasst den Sensor und ist ausreichend dünn ausgebildet, so dass derselbe entsprechend der Kontur geformt werden kann. Das Substrat ist mit dem Träger gekoppelt, so dass die Kombination entsprechend der Kontur ausgebildet werden kann.
Die US 5,800,341 A bezieht sich auf ein elektronisch lenkbares Endoskop. Das Mehrfachansichts-Endoskop liefert auf Befehl Bilder aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Sichtfeldern, die das distale Ende des Endoskops umgeben, ohne dabei das Endoskop von einer anfangs eingerichteten Position für einen Zugang zu den unterschiedlichen Sichtfeldern wegzubewegen. Dabei bildet ein CCD-Element, das eine Mehrzahl von CCD-Zellen aufweist, ein Umfangsband um den distalen Abschnitt des Endoskops. Darüber hinaus kann die Mehrzahl von CCD-Zellen im Wesentlichen die gesamte äußere Seitenwand des Schafts benachbart zu dem distalen Ende bedecken. Ferner ist eine Verarbeitungsvorrichtung wirksam, um entweder die Ausgangssignale von allen CCD-Zellen zu verwenden, um eine Display-Anzeige zu erzeugen, oder um die Ausgangssignale lediglich von ausgewählten CCD-Zellen zu verwenden, um ein Anzeigebild eines ausgewählten Abschnitts des gesamten Bildes, das von dem CCD-Element erfasst wird, zu erzeugen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Endoskop zum Erfassen von Bildern an einem distalen Ende mit einer Bilderfassungsanordnung zu schaffen, welche die oben genannten Einschränkungen überwinden kann und darüber hinaus verbesserte Eigenschaften hinsichtlich einer Formanpassung an unterschiedliche zu untersuchende Hohlraumgeometrien ermöglicht. Dadurch können zum einen Bilder oder Filme von sonst schwer oder nicht zugänglichen Stellen erfasst werden und zudem eine hohe Qualität dieser Bilder erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß Anspruch 17 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschreiben ein Endoskop zum Erfassen von optischen Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationen an einem proximalen Ende. Das Endoskop weist eine am distalen Ende zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche auf und eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung, die an der Trägeroberfläche angeordnet ist, wobei die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung zumindest bereichsweise an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche angepasst ist. Die Anpassung an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche kann also vollständig den gesamten Bereich der gekrümmtem Trägeroberfläche umfassen oder aber auch nur Teilbereiche der zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche. Das Endoskop ist ferner ausgebildet, um mittels der Bilderfassungsanordnung am distalen Ende eine optische Bildinformation der Umgebung zu erfassen und an einem proximalen Ende entsprechende elektronische Bildinformationssignale bereitzustellen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche in ihrer Größe, Form oder Lage veränderbar, so dass die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung an die Form oder Geometrie eines zu untersuchenden Hohlraums angepasst werden kann und so optische Bildinformationen auch von schwer zugänglichen Hohlräumen in guter Bildqualität erzielt werden können. In anderen Ausführungsbeispielen ist die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche, die in ihrer Größe und Form oder Lage veränderbar ist, Teil eines elastisch verformbaren Körpers, wobei die sich als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung einer Formänderung der bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche zumindest teilweise anpassen kann.
Die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele gedünnte Kamera-Halbleiterchips zur optischen Bildinformationserfassung aufweisen. Bei diesen Halbleiterchips kann es sich beispielsweise um gedünnte CCD- und/oder CMOS-Bildsensoren-Chips handeln, die eine so geringe Dicke aufweisen, dass sie mechanisch biegbar und flexibel sind, ähnlich wie eine dünne Kunststofffolie. Durch die Verwendung von einer solchen, als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung, die an eine gekrümmte Trägeroberfläche angepasst ist, können unterschiedlichste Bilderfassungsgeometrien am distalen Ende eines Endoskops ermöglicht werden. Dadurch ist es gemäß einiger Ausführungsbeispiele möglich, eine Bilderfassung mit einem Bilderfassungswinkel von bis zu 360° bzw. mit einem Raumwinkel von bis zu 4π sr zu schaffen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele können in die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung gedünnte anorganische oder organische Leuchtdioden integriert sein, die zur Ausleuchtung der Szenerie am distalen Ende zu einer verbesserten Bilderfassung dienen. Erfindungsgemäß kann somit in einigen Ausführungsbeispielen ein Endoskop zur optischen Bilderfassung mittels einer als Folie ausgebildeten Bilderfassungseinrichtung geschaffen werden, wobei die Bilderfassung variabel an die Geometrie unterschiedlicher zu untersuchender Kavitäten oder Hohlräume angepasst werden kann.
Da bei endoskopischen Anwendungen in engen Hohlräumen der Platzbedarf eine wichtige Rolle spielt, ist die flexible und veränderbare Formgebung des distalen Endes eines Endoskops mit der als flexiblen Folie und damit mechanisch verbiegbaren Bilderfassungsanordnung von hervorragender Bedeutung.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele benötigt die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung kein zusätzliches optisches Abbildungssystems, wie z. B. Linsen zur Fokussierung des Umgebungslichts auf die Bilderfassungseinrichtung, da die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung mit Hilfe einer Formänderungssteuereinrichtung zur Veränderung der Große, der Form oder der Lage der zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche am distalen Endes des Endoskops an eine zu untersuchende Stelle beliebig nahe herangebracht werden kann, weshalb eine optikfreie Bilderfassung möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Endoskop zum Erfassen von Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationen an einem proximalen Ende gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ausbildungsform eines distalen Endes eines Endoskops gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung mit verschiedenen Biegewinkeln gemäß einiger Ausführungsbeispiele;
4a–4d Schematische Darstellungen einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung mit unterschiedlichen Bilderfassungswinkel α;
5a–5b einen Ballon, der die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche bildet, auf die zumindest eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
6a–6b eine Bilderfassungsanordnung mit mehreren Bilderfassungssensoren und entsprechenden Steuer- und Versorgungsleitungen, die auf einem faltbaren Polyemidträger angeordnet sind und deren Anordnung auf einer vierkantförmigen Trägeroberfläche am distalen Ende eines Endoskops gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
7a–7b eine weitere schematische Zeichnung einer Spitze eines Endoskops oder eines Katheders, die eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
8a–8h verschiedene mögliche Ausführungsformen einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung an einem distalen Ende des erfindungsgemäßen Endoskops gemäß einiger Ausführungsbeispiele;
9a–9b ein distales Ende eines Endoskops mit einer Bilderfassungsanordnung, die sich nach Einbringen in einem Hohlraum entfalten lässt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10a–10b eine schematische Ansicht eines distalen Endes mit einem elastisch verformbaren Ballon und einer Mehrzahl von flexiblen Bilderfassungsanordnungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11a– 11b weitere Ausführungsbeispiele eines distalen Ende des erfindungsgemäßen Endoskops mit einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungseinrichtung;
12 ein distales Ende eines Endoskops zum Erfassen von Bildinformationen in einem Hohlraum mit integrierten Lichtquellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 eine Bildererfassungsanordnung mit zugeordneten Mikrolinsen am distalen Ende eines erfindungsgemäßen Endoskops gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
14 ein Flussdiagramm zu dem Verfahren zur Herstellung eines Endoskops zum Erfassen von Bildinformationen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird bzw. Erläuterungen dieser Elemente in den verschiedenen Figuren entsprechend aufeinander anzuwenden oder austauschbar sind.
1 zeigt die schematische Darstellung eines Endoskops 10 zum Erfassen von optischen Bildinformationen an einem distalen Ende 10a und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationen an einem proximalen Ende 10b des Endoskops 10. Das Endoskop 10 weist eine am distalen Ende 10a zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 auf und eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8, die an der Trägeroberfläche 5 angeordnet ist, wobei die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 zumindest bereichsweise der gekrümmten Trägeroberfläche 5 angepasst ist. Das Endoskop 10 ist ausgebildet, um mittels der Bilderfassungsanordnung 8 am distalen Ende 10a eine optische Bildinformation der Umgebung zu erfassen und an einem proximalen Ende 10b entsprechende gewandelte elektronische Bildinformationssignale 14 bereitzustellen.
Das Endoskop 10 kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung einen flexiblen Schaft oder Endoskopkörper 10c aufweisen, wie in 1 angedeutet ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Endoskop 10 aber auch einen starren Schaft 10c mit einem distalen Ende 10a und einem proximalen Ende 10b aufweisen. Das distale Ende 10a bezeichnet das „entfernte Ende” eines Endoskops, das in einen Hohlraum zur Beobachtung innerer Strukturen eingeführt wird, währenddessen das proximale Ende 10b grundsätzlich außerhalb des untersuchten Hohlraums verbleibt. In Ausführungsbeispielen kann die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung beispielsweise einen oder mehrere CMOS-Bildsensorchips oder CCD-Bildsensorchips aufweisen, die ein digitales Bild des zu untersuchenden Objektes oder des zu untersuchenden Hohlraumes aufnehmen und die entsprechende elektronische Bildinformation beispielsweise über Leitungen 14 an das proximale Ende 10b des Endoskops 10 weiterleiten.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in 1 weist das distale Ende 10a eine zumindest bereichsweise zylindrisch gekrümmte Trägeroberfläche 5 auf. Die Bilderfassungsanordnung 8 mit den oben genannten CCD- bzw. CMOS-Sensorchips kann folienartig und damit mechanisch biegbar ausgebildet sein, so dass sie an die gekrümmte zylindrische Trägeroberfläche 5 angepasst werden kann. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann bündig zur zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche 5 aufgebracht sein. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann also in Ausführungsbeispielen auf die gekrümmte Trägeroberfläche formschlüssig, beispielsweise aufgeklebt, mechanisch befestigt oder aufgelötet sein. Die Krümmung der Bildererfassungsanordnung 8 kann zumindest bereichsweise der Krümmung der Trägeroberfläche 5 entsprechen oder dieser zumindest bereichsweise in ihrem Verlauf folgen. Die Krümmung der Trägeroberfläche 5 und/oder der Bilderfassungsanordnung 8 kann dabei in zwei Dimensionen als eine nicht mikroskopische Abweichung von einer ebenen Fläche angesehen werden.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Bilderfassungsanordnung 8 einen oder mehrere CCD-Sensorchips oder CMOS-Sensorchips aufweisen, wobei der entsprechende Halbleiterchip so stark gedünnt ist, also eine Dicke D2 aufweist von beispielsweise kleiner als 100 μm, dass er flexibel und biegbar wird. Bei dem Halbleiterchip, kann es sich beispielsweise um einen Silizium-Halbleiterchip handeln, der eine Dicke D2 kleiner als 50 μm aufweist also beispielsweis zwischen 1 μm und 50 μm.
Steuer- und Signalleitungen 14 sowie Strom-/Spannungsversorgungsleitungen 12 der Bilderfassungsanordnung können beispielsweise im Innern des Schafts 10c des Endoskops 10 bis an die Bilderfassungsanordnung 8 herangeführt werden und mit dieser elektrisch gekoppelt sein. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann also über Strom-/Spannungsversorgungsleitungen 12 z. B. mit einer Strom-/Spannungsquelle 7 verbunden sein. Die von der Bilderfassungsanordnung 8, also z. B. den CMOS- oder den CCD-Bildsensoren, erfassten optischen Bildinformationen können dann in elektrische Bildinformationssignale umgewandelt werden, die dann über Signalleitungen 14 an das proximale Ende 10b des Endoskops geführt werden und dort bereitgestellt werden. Dort können diese elektrischen Bildinformationssignale beispielsweise mit Hilfe eines Prozessors 2 aufbereitet werden, und dann zur Ausgabe an einen Monitor 3 weitergeleitet werden oder auch auf entsprechenden digitalen Speichermedien, wie z. B. Festplatte, CD, DVD, Blu-Ray Disk etc., gespeichert oder zu einer möglichen Weiterverarbeitung und Aufbereitung an weitere Bildaufbereitungseinrichtungen weitergeleitet werden.
Durch die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 und ihre zumindest bereichsweise mechanische Anpassung an die gekrümmte Trägeroberfläche 5, ist es u. a. möglich, optische Bildinformationen mit einen größeren Bilderfassungswinkel α zu erfassen, als eine entsprechend, aufgrund ihrer Dicke und damit verbundenen starren Bauweise, weniger biegbare Bilderfassungsanordnung. In dem Ausführungsbeispiel in 1 kann also durch die zylindrische Form der Trägeroberfläche 5 und der an die zylindrische Form angepassten flexiblen der Bilderfassungsanordnung 8 eine zylindrische Rundum-Bildinformationserfassungseinrichtung mit einem Bilderfassungswinkel von 360° realisiert werden.
Mit der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung 8 an einem distalen Ende 10a eines Endoskops kann also auf relativ einfache und kostengünstige Weise eine schnellere, flexiblere, genauere und auch qualitativ hochwertigere Diagnose oder Untersuchung eines zu untersuchenden Hohlraums oder Objekts ermöglicht werden.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist das Endoskop an einem distalen Ende 10a eine zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 auf. Diese Trägeroberfläche weist eine Oberfläche oder tragende Kontur auf, die zur mechanischen Auflage, Abstützung oder Befestigung, der als flexible Folien ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 dient. Die mechanische Auflage, Abstützung oder Befestigung der Bilderfassungsanordnung 8 an diese Trägeroberfläche 5 kann dabei punktweise, abschnittsweise, bereichsweise oder auch vollständig erfolgen. Das heißt, die flexibel ausgebildete Bilderfassungsanordnung kann vollständig an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 angepasst sein und mit dieser bündig verbunden sein oder auch nur in bestimmten Teilbereichen und in anderen Bereichen beispielsweise lose anliegen, oder diese nur berühren, aber mechanisch nicht fixiert sein. Das heißt, in einigen Ausführungsbeispielen können Abschnitte oder Teile der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung 8 mechanisch nicht starr mit der an dem distalen Ende 10a zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche verbunden sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Bilderfassungsanordnung 8 bzw. eine Rückseite der Bilderfassungsanordnung vollständig mechanisch an die bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche des distalen Endes befestigt sein.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer am distalen Ende 10a zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche 5 dargestellt. In diesem Beispiel weist das distale Ende 10a eine halbzylinderförmige Ausgestaltung auf, wobei das distale Ende 10a eine ebene oder nicht gekrümmte Trägeroberfläche 5b aufweist und eine zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5. Eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 ist an die zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche 5 oberflächenschlüssig angepasst, so dass die Bilderfassungsanordnung 8 eine Krümmung bzw. einen Krümmungsradius oder Biegewinkel aufweist, die der Krümmung bzw. dem Krümmungsradius oder dem Biegewinkel der bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche 5 entspricht.
Die Dicke D1 der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung 8 kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kleiner oder gleich 1 mm, kleiner oder gleich 500 μm, kleiner oder gleich 100 μm, kleiner oder gleich 10 μm oder kleiner oder gleich 1 μm sein. Die Dicke D1 der als flexiblen Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung kann also beispielsweise zwischen 50 nm und 1 mm, zwischen 200 nm und 100 μm oder auch beispielsweise zwischen 1 μm und 50 μm liegen.
Die Bilderfassungsanordnung 8 kann beispielsweise einen Bilderfassungshalbleitersensorchip, z. B. einen CCD-Chip oder einen CMOS-Chip, zur Bilderfassung aufweisen. Dieser Bilderfassungshalbleiterchip kann beispielsweise durch Dünnen eines entsprechenden Wafers hergestellt werden. Die Dicke D2 eines solchen Bilderfassungshalbleiterchips kann dann beispielsweise kleiner oder gleich 100 μm, kleiner oder gleich 50 μm, kleiner oder gleich 10 μm oder auch kleiner oder gleich 1 μm sein. Das heißt, in Ausführungsbeispielen kann die Dicke D2 des Bilderfassungshalbleitersensorchips, der Teil der Bilderfassungsanordnung ist, sehr gering sein, beispielsweise also eine Dicke D2 von 100 nm bis 100 μm, von 500 nm bis 50 μm oder aber auch beispielsweise von 1 μm bis 30 μm aufweisen.
Wie in 2 schematisch durch die Pfeile dargestellt ist, kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch einen Nutzer des Endoskops die Lage der Trägeroberfläche 5 und damit auch die Bilderfassungsanordnung 8 und die entsprechend erfassbare optische Bildinformation am distalen Ende z. B. mit einer Drehbewegung verändert werden.
In 3, ist die schematische Seitenansicht einer Bilderfassungsanordnung 8 mit der Dicke D1 und unterschiedlichen Biegewinkeln β dargestellt. Beispielsweise weist eine makroskopische ebene Bilderfassungsanordnung einen Biegewinkel β1 von 0° auf, d. h. sie ist nicht verbogen und weist keine makroskopische Krümmung auf. Andere Bilderfassungsanordnungen können beispielsweise einen Biegewinkel β2–β6 größer oder kleiner gleich 5°, größer oder gleich 45°, größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120° oder auch größer oder gleich 150° aufweisen.
Der Biegewinkel β kann über den Schnittpunkt zweier an der Oberfläche der Bilderfassungsanordnung 8 anliegenden tangentialen Ebenen, z. B. 17a, 17b, definiert sein und dem Außenwinkel zwischen den tangentialen Ebenen, wie in 3 dargestellt, entsprechen. Die mechanische Biegbarkeit oder Flexibilität der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung 8 kann aber auch über einen Krümmungsradius oder Biegeradius r beschrieben werden. Dieser Biegeradius r kann von der Dicke D1 bzw. der Dicke D2, der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung abhängen. Die Bilderfassungsanordnung kann eine von Null verschiedene Krümmung aufweisen, so dass sie als gewölbte Fläche eine nach außen quadratisch zunehmende Abweichung der Fläche von ihrer Tangentialebene aufweist. Der erreichbare Krümmungsradius bzw. die Krümmung der Bilderfassungsanordnung 8 hängt von der Dicke D1 ab.
Dasselbe gilt für den Bilderfassungshalbleitersensorchip 20 (20, vgl. 7a, b), der Teil der Bilderfassungsanordnung 8 sein kann. Demnach kann z. B. eine Bilderfassungsanordnung 8, die einen Halbleiterbildsensorchip 20 aufweist, zumindest in dem bereichsweise an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 angepassten Bereich ebenfalls einen Biegewinkel β größer oder kleiner gleich 0°, größer oder gleich 5°, größer oder gleich 45°, größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120° oder auch größer oder gleich 150° aufweisen. Die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungseinrichtung kann also gute mechanische Biegeeigenschaften aufweisen, so dass Biegewinkel β von beispielsweise über 5°, z. B. also zwischen 5° und 100° erreichbar sind und Biegeradien oder Krümmungsradien von z. B. 100 μm bis 5 mm oder 500 μm und 2 mm. Diese Biegewinkel und Biegeradien von Bilderfassungsanordnungen mit Halbleitersensorchips können beispielsweise durch Dünnen der Halbleitersensorchips erzielt werden. Die Biegewinkel und Biegeradien der Bilderfassungsanordnung können zudem ohne mechanische Beschädigungen oder signifikante Veränderung der Bilderfassungseigenschaften realisiert werden.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Bilderfassungsanordnung 8 ein flexibles Trägersubstrat 22, z. B. eine Polyimidfolie 22, mit einem darauf befindlichen gedünnten Bilderfassungshalbleitersensorchip 20, z. B. einen CCD-Kamerchip oder einen CMOS-Kamerachip auf. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist das flexible Trägersubstrat 22 an die Trägeroberfläche 5 zumindest bereichsweise angepasst und daher mit einem Biegewinkel β gekrümmt oder aber, wie in einigen anderen Ausführungsbeispielen, das Trägersubstrat 22 zusammen mit den darauf befindlichen Bilderfassungshalbleitersensorchip 20. Das heißt, auch der gekrümmte Bilderfassungshalbleitersensorchip 20 kann zumindest in dem bereichsweise an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 angepassten Bereich einen Biegewinkel β größer oder gleich 5°, größer oder gleich 45°, größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120° oder größer oder gleich 150° aufweisen.
Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8, zumindest bereichsweise so an eine zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 am distalen Ende 10a des Endoskops 10 angepasst sein, dass ein flexibles Trägersubstrat 22 der Bilderfassungsanordnung 8 einen Biegewinkel von beispielsweise 90° ± 3° aufweist und ein Bereich der Bilderfassungsanordnung 8 mit dem gedünnten und flexiblen Bilderfassungshalbleitersensorchip 20 einen Biegewinkel von 0° ± 3° aufweist, also in erster Näherung eben oder flach auf einer Oberfläche am distalen Ende 10a angeordnet ist (siehe z. B. Ausführungsbeispiel 6b).
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Bilderfassungsanordnung 8 so ausgebildet sein, dass aufgrund der zumindest bereichsweisen Anpassung an eine gekrümmte Trägeroberfläche am distalen Ende eines Endoskops optische Bildinformation mit einem Bilderfassungswinkel α, der größer ist als ein Bilderfassungswinkel einer vergleichbaren, nicht gekrümmten oder ebenen Bilderfassungsanordnung zu erfassen und entsprechende elektrische Bildinformationssignale am proximalen Ende des Endoskops bereitzustellen.
In 4a–4c ist ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung anhand einer schematischen Querschnittsdarstellung für unterschiedliche gebogene Bilderfassungsanordnungen 8 dargestellt. Die Verwendung einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung und deren zumindest bereichsweise Anpassung an eine gekrümmte Trägeroberfläche am distalen Ende eines Endoskops kann dazu genutzt werden, ohne Verwendung von optischen Abbildungssystemen, wie z. B. Linsen, optische Bildinformationen der Umgebung am distalen Ende mit einem größeren Bilderfassungswinkel α zu erhalten als entsprechende Bilderfassungsanordnungen, die nicht gekrümmt oder eben angeordnet sind.
Beispielsweise kann eine ebene Bilderfassungsanordnung 8, wie schematisch in 4a dargestellt ist, einen Bilderfassungswinkel α1 von bis zu 90° aufweisen, so dass nur Objekte, die im Öffnungswinkel der ebenen Bilderfassungsanordnung 8 angeordnet sind, erfasst werden können. Wie schematisch in 4b gezeigt ist, kann jedoch bereits durch eine leichte Krümmung der Bilderfassungsanordnung 8 der Bilderfassungswinkel α ohne der Zuhilfenahme von Linsen, Mikrolinsen oder sonstigen optischen Abbildungssystemen vergrößert werden. Beispielsweise kann also der Bilderfassungswinkel α2 in diesem Beispiel größer oder gleich 90°, z. B. also 120°, sein. Durch eine stärkere Krümmung oder Verbiegung der Bilderfassungsanordnung 8 können dann beliebig große Bilderfassungswinkel, z. B. bis zu 180°, wie in 4c schematisch dargestellt ist, erzielt werden. Das heißt, wenn die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 an eine zumindest bereichsweise entsprechend gekrümmte Trägeroberfläche 5 angepasst wird, können Bildinformationen mit einem großen Bilderfassungswinkel α, der beispielsweise größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120°, größer oder gleich 180°C, größer oder gleich 270° oder größer oder gleich 350° ist, erfassbar sein.
Wenn die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 an eine halbkreisförmige Trägeroberfläche 5, wie in 2 dargestellt ist, angepasst ist, kann eine Bilderfassungsanordnung 8 mit einen Bilderfassungswinkel α von beispielsweise bis zu 180° oder 190° realisiert werden. Ist eine Bilderfassungsanordnung 8 dementsprechend um eine zylinderförmig gekrümmte Trägeroberfläche 5 an einem distalen Ende 10a eines Endoskops gewickelt (4d), so kann der Bilderfassungswinkel α beispielsweise auch größer oder gleich 350°, hier beispielsweise bis zu 360°, sein.
Die Bilderfassungsanordnung kann also ausgebildet sein, aufgrund der zumindest bereichsweisen Anpassung an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 eine bereichsweise kontinuierliche Aufweitung eines Bilderfassungswinkels α für optische Bildinformationen der Umgebung am distalen Ende zu erhalten, so dass Bildinformationen mit einem Bilderfassungswinkel α großer oder gleich 90°, größer oder gleich 120°, größer oder gleich 180°, größer oder gleich 270° oder größer oder gleich 350° erfassbar sind.
Entsprechende Überlegungen sind auch auf einen dreidimensionalen Bilderfassungsraumwinkel Ω anzuwenden. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der Bilderfassungsanordnung und der Anpassung an eine gekrümmte Trägeroberfläche kann beispielsweise die Bilderfassungsanordnung 8 auch eine kugelförmige Ausgestaltung annehmen. Dementsprechend kann dann der räumliche Bilderfassungswinkel bis zu 4π sr betragen, also optische Bildinformationen von der gesamten, um die Bilderfassungsanordnung gedachte Kugeloberfläche erfasst werden. Eine halbkugelförmige Bilderfassungsanordnung 8 kann dann beispielsweise Bildinformationen mit einen Bilderfassungsraumwinkel Ω von bis zu 2π sr erfassen.
In 5, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Endoskops zum Erfassen von optischen Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationssignale an einem proximalen Ende dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist an einem distalen Ende 10a eine Bilderfassungsanordnung 8 mit mehreren Bilderfassungssensoren 8a, 8b, 8c und entsprechende Zuleitungen 12 und Signalleitungen 14 an einen aufblasbaren bzw. elastisch verformbaren Ballon 15 angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel stellt die Oberfläche des Ballons 15 die gekrümmte Trägeroberfläche 5 dar, an die die flexible ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 angepasst ist. Der aufblasbare Ballon 15 stellt dann einen in seiner Größe, Form oder auch Lage veränderbaren Trägerkörper dar und seine Oberfläche eine in ihrer Größe, Form und Lage veränderbare zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 dar. Wie in 5b zu sehen ist, kann der Ballon dann über ein proximales Ende 10b aufgeblasen werden, so dass sich seine Größe und seine Form ändert. Allgemein kann also das erfindungsgemäße Endoskop auch eine Formänderungssteuereinrichtung 18 am proximalen Ende 10b aufweisen, wie in 5a, b schematisch dargestellt ist. Mit Hilfe dieser Formänderungseinrichtung 18 kann dann die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 am distalen Ende 10a des Endoskops in ihrer Größe, Form oder Lage verändert werden.
In dem vorliegenden Beispiel stellt also die Oberfläche des Ballons 15 die gekrümmte Trägeroberfläche 5 dar. Diese kann dann beispielsweise, durch einfaches Aufblasen des Ballons an die Form einer zu untersuchenden Kavität angepasst werden. Dadurch kann die als flexible Folie ausgestaltete Bilderfassungsanordnung 8 mit den entsprechenden Sensoren 8a, 8b, 8c näher an eine zu untersuchende Stelle in der Kavität gebracht werden, so dass aufgrund der Möglichkeit der Veränderung der Trägeroberfläche in Größe, Form oder Lage optische Bildinformationen auch von unzugänglichen Stellen mit hoher Qualität erzielt werden können. Da die Bilderfassungsanordnung 8 als flexible Folie ausgebildet ist, kann sie sich entsprechend der veränderten Größe und Form des Trägerkörpers 15, hier also des Ballons, anpassen. Die Zuleitungen zu den einzelnen Bildsensoren 8a, 8b, 8c können beispielsweise meanderförmig aufgebaut sein, so dass sie einer Oberflächenvergrößerung des Ballons 15 bis zu einem gewissen Grad folgen können. In anderen Ausführungsbeispielen können die Steuer- und Signalleitungen 14 und Versorgungsleitungen 12 im Innern des Ballons 15 verlaufen und so einerseits die Bilderfassungsanordnung mit Strom bzw. Spannung vom proximalen Ende 10b des Endoskops 10 versorgen und andererseits entsprechende elektronische Bildinformationssignale an das proximale Ende 10b des Endoskops weiterleiten.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ersichtlich, dass ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung darin zu sehen ist, dass durch den Einsatz einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung beispielsweise eine Endoskopspitze oder ein distales Ende 10a in eine schmale zu untersuchende Hohlraumöffnung eingeführt werden kann, und danach beispielsweise mit Hilfe der oben beschriebenen Formänderungssteuereinrichtung die Trägeroberfläche 5 eines Trägerkörpers 15, auf dem die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 angeordnet ist, an die Form und Größe einer zu untersuchenden Kavität angepasst werden, um dadurch optische Bildinformationen mit hoher Qualität auch von unzugänglichen Stellen in einer zu untersuchenden Kavität zu ermöglichen.
Wie in 5a und 5b schematisch dargestellt ist, kann der Trägerkörper 15 auf einen Schaft 10c des Endoskops 10 an einem distalen Ende 10a beispielsweise aufgesteckt 15c, aufgeschraubt oder in einer sonstigen Weise mechanisch, magnetisch etc. befestigt sein. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann also der Trägerkörper 15 mit der Bilderfassungsanordnung am distalen Ende 10a unterschiedliche, den zu untersuchenden Kavitäten angepasste geometrische Formen oder auch sonstige unterschiedliche Ausführungsformen aufweisen. Diese unterschiedlichen Trägerkörper können dann auf an dem Endoskopschaft 10c fixiert werden. Das Endoskop, das distale Ende 10a bzw. der Schaft 10c des Endoskops kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,2 mm bis 3 cm, oder auch zwischen 1 mm und 10 mm aufweisen. Die elektrischen Steuer- und Versorgungsleitungen 12, 14, können im Inneren des starren oder auch flexiblen Schafts 10c bis zum proximalen Ende 10b des Endoskops geführt sein.
Durch eine geeignete Formgebung der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung kann also beispielsweise durch Biegen oder Falten der Folie eine Anpassung an unterschiedliche Geometrien erreicht werden. Wie in der schematischen Draufsicht in 6a gezeigt ist, kann eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 mehrere Bildsensoren 20 aufweisen. Diese Bildsensoren 20 können beispielsweise gedünnte Bilderfassungshalbleitersensorchips, also z. B. CMOS-Kamerachips oder CCD-Kamerachips sein, die auf einem flexiblen Trägersubstrat 22 angeordnet sind. Bei dem Trägersubstrat 22 kann es sich beispielsweise um einen Kunststoffträger, wie z. B. einen Polyimidträger handeln. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann zudem Steuerleitungen 14 und Strom-/Spannungsversorgungsleitungen 12 aufweisen, mit denen die Sensorchips untereinander gekoppelt sind und/oder mit dem proximalen Ende eines Endoskops. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann es sich also bei der Bilderfassungsanordnung 8 auch um eine faltbare Bilderfassungsanordnung 8 handeln, bei der beispielsweise ein faltbarer Polyimidträger 22 mehrere Sensorchips 20 aufweist, die mittels Leiterbahnen 12, 14 untereinander verbunden sind. Die Sensorchips 20 sind ausgebildet, um optische Bildinformationen der Umgebung zu erfassen und entsprechende elektrische Signale an ein proximales Ende des Endoskops weiterzuleiten und dort bereitzustellen. Dies kann in einigen Ausführungsbeispielen auch drahtlos erfolgen.
Die in 6a in Draufsicht gezeigte faltbare Bilderfassungsanordnung 8 kann dann an einem proximalen Ende 10a eines Endoskops an einem entsprechend würfelförmig ausgebildeten Trägerkörper 15 angepasst sein. Mit der in 6a gezeigten Anordnung können also beispielsweise fünf Seiten eines Vierkants 15 mit Bildsensoren 20 ausgestattet werden. Dementsprechend können Bildinformationen aus diesen fünf Raumrichtungen erfasst werden und entsprechende elektronische Bildinformationssignale am proximalen Ende 10b des Endoskops 10 bereitgestellt werden. Wie in 6b gezeigt ist, kann in diesem Ausführungsbeispiel die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche der Kante 5 des Vierkants 15 entsprechen. Die Anpassung der als flexiblen Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung 8 an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 wird hier also durch das Anpassen des Trägersubstrats 22, hier also beispielsweise des Polyimids an die Kanten 5 des Trägerköpers 15 erzielt. Um eine praktikable Lösung für den Einsatz in der Endoskopie zu erreichen, sollten die entsprechenden Bildsensoren 20 der Bilderfassungsanordnung 8 ebenfalls dünn und bis zu einer gewissen mechanischen Beanspruchung auch biegbar sein. Bei den Bildsensoren kann es sich insbesondere auch um gedünnte Siliziumhalbleiterbilderfassungssensoren 20 handeln, die beispielsweise eine Dicke D2 aufweisen, wie sie oben bereits definiert wurde. Die Bildsensoren 20 können auf das Trägersubstrat 22 der Bilderfassungsanordnung 8 beispielsweise aufgeklebt oder eingeschweißt sein.
Der flexible Aufbau dieser Kamerachips 20 eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten, die noch nicht einmal eine abbildende Optik, also zum Beispiel Linsen, benötigt. Wie in 7a und 7b dargestellt ist, kann eine als eine flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 um das distale Ende 10a oder die Spitze eines Endoskops oder eines Katheders gewickelt werden, wobei die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 beispielsweise einen an die Stirnfläche 10d des Endoskops angepassten Bildsensor 20 aufweisen kann und zudem an das zylinderförmige distale Ende 10a angepasst ist, so dass sowohl stirnseitig als auch aus einem zylinderförmigen Umgebungsbereich des distalen Endes optische Bildinformationen erfasst werden können. Durch die Integration eines flexiblen Bildsensorsystems 8 können somit optische Bildinformationen des kompletten Raums, also auch die Seitenbereiche des Endoskops oder Katheders erfasst werden.
In anderen Ausführungsformen des Endoskops kann beispielsweise ein auf der Stirnfläche 10d angebrachtes Bildsensorarray 20 mit Hilfe einer Mikrolinse oder Mikrooptik (nicht gezeigt in 7b) einen in Richtung der Stirnfläche liegenden Raumrichtungsteil erfassen. Allgemein können also in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch Mikrolinsen oder Mikrooptiken eingesetzt werden, wobei die Mikrolinsen ausgebildet sein können, um Umgebungslicht am distalen Ende auf die Bilderfassungsanordnung zu fokussieren oder abzubilden bzw. um einen größeren Bilderfassungswinkel zu ermöglichen.
Bei den Mikrooptiken oder Mikrolinsen kann es sich um flexible, also in einem gewissen Bereich biegbare Mikrolinsen handeln. Diese Mikrolinsen können beispielsweise aus Silikon hergestellt sein. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann jedem Pixel eines Bildsensors 20 eine flexible Mikrolinse zugeordnet sein. Diese Mikrolinsen können als abbildende Optik Verwendung finden. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch optikfrei, das heißt, ohne den Einsatz von Mikrolinsen, eine optische Bildinformation am distalen Ende des Endoskops erfasst werden.
Im Folgenden sind in den Ausführungsbeispielen 8a bis 8h eine Reihe von möglichen Ausführungsformen des distalen Endes 10a eines erfindungsgemäßen Endoskops 10 mit unterschiedlichen Trägerkörpern 15 für die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 dargestellt. Diese in den 8a bis 8h schematisch gezeigten Ausführungsformen stellen lediglich eine Auswahl aus einer großen Vielzahl von möglichen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Endoskops dar. So kann beispielsweise die am distalen Ende zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche unterschiedliche Formen, Materialien und Abmessungen aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche, auf die die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung zumindest bereichsweise angepasst wird, in Größe, Form oder Lage verändert werden. Diese Änderung der bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche 5 am distalen Ende 10a des Endoskops 10 kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Größe, Form oder Lage der Trägeroberfläche 5 beispielsweise durch mechanische, pneumatische, hydraulische, elektrische, magnetische oder elektromagnetische Kräfte oder Krafteinwirkung oder eine Kombination derselbigen verändert werden. Beispielsweise können mikromechanische Aktuatoren zum Einsatz kommen, um eine Veränderung der Größe, Form oder Lage der Trägeroberfläche zu erzielen und damit auch eine Veränderung der Form oder Lage der Bilderfassungsanordnung. Die Form der bereichsweisen gekrümmten Trägeroberfläche kann so an eine entsprechende zu untersuchende Stelle oder Kavität angepasst werden und optische Bildinformationen von unterschiedlichen Stellen einer zu untersuchenden Kavität bzw. aus unterschiedlichen Entfernungen und Bilderfassungswinkeln aufgenommen werden.
Beispielsweise ist in 8a ein distales Ende 10a eines Endoskops 10 dargestellt, bei dem die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 gebogene Lamellen aufweist. Die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 kann nun an diese gekrümmte lamellenartige Trägeroberfläche angepasst sein. Beispielsweise kann nun über eine mechanische bzw. mikromechanische Einrichtung 19, welche vom proximalen Ende 10b des Endoskops 10 gesteuert werden kann, diese lamellenartige Trägeroberfläche 5 ähnlich einem Regenschirm, aufgespannt werden, nachdem das Endoskop in eine zu untersuchende Kavität im „eingeklappten” Zustand eingeführt wurde. Dadurch kann beispielsweise die Bilderfassungsanordnung, ähnlich wie ein Regenschirm entfaltet werden, und optische Bildinformationen mit einem größeren Bilderfassungswinkel erfasst und entsprechende elektrische Bildinformationssignale an das proximale Ende 10b des Endoskops übermittelt werden. Der Trägerkörper 15 kann prinzipiell die unterschiedlichsten zwei- und dreidimensionalen Formen und Ausgestaltungen annehmen, die an einen jeweils zu untersuchenden Ort, z. B. einem Hohlraum, angepasst sein können.
In 8b ist eine weitere mögliche Ausführungsform dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel kann das distale Ende 10a einen „fußballartig” ausgebildeten Trägerkörper 15 aufweisen, dessen Oberfläche zumindest teilweise mit der als flexiblen Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung 8 überzogen ist. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann ein Trägersubstrat und eine Mehrzahl von Bildsensoren, z. B. CMOS-Kamerachips oder CCD-Kamerachips, aufweisen, wobei diese Bildsensoren auf den jeweiligen Flächen der Vielecke des „fußballartigen” Trägerkörpers 15 angeordnet sind. Dadurch kann es ermöglicht werden, optische Bildinformationen von einem Raumwinkel bis zu 4π sr an das proximale Ende zu übertragen. Die Schnittkanten 5a der verschiedenen Vielecke des Trägerkörpers 15 entsprechen in diesem Ausführungsbeispiel der zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche, an die die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung angepasst wird.
Wie in 8c schematisch dargestellt ist, kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 um ein distales Ende 10a aufgewickelt sein. In aufgewickelter Form kann das distale Ende des Endoskops durch dünne Zugänge in entsprechende Kavitäten eingeführt werden. Die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung kann dann, nachdem sie durch die dünnen Zugänge in eine Kavität eingeführt wurde, entfaltet werden, so dass dann Bilder aus der Kavität aufgenommen werden können. Das distale Ende 10a mit der aufgewickelten Bilderfassungsanordnung weist also im „aufgewickelten” Zustand einen geringeren Durchmesser auf als in einem „entfalteten” Zustand.
Dazu kann die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung auf eine gekrümmte Trägeroberfläche 5 aus einem Formgedächtnismaterial aufgebracht sein. Nach dem Einführen in eine Kavität im gefalteten oder aufgewickelten Zustand wird die Bilderfassungsanordnung beispielsweise durch Temperaturerhöhung des Formgedächtnismaterials 5 und einer damit einhergehenden mechanischen Veränderung entfaltet (siehe 8d), so dass dann Bilder aus der Kavität aufgenommen werden können. Durch Abkühlen der entsprechenden Formgedächtnismaterialien 5, auf denen die Bilderfassungsanordnungen angebracht sind, kann dann die flexible Bilderfassungsanordnung wieder eingerollt oder eingeklappt werden. Nach der Beendigung der Untersuchung kann dann das distale Ende des Endoskops mit der eingeklappten Bilderfassungsanordnung wieder aus der untersuchten Kavität entfernt werden. Als entsprechende Formgedächtnismaterialien können beispielsweise Metalle, wie z. B. CuZn, CuZnAl, CuAlNi, FeNiAl, oder auch Formgedächnis-Polymere bzw. Kunststoffe eingesetzt werden.
Wie in 8e schematisch dargestellt ist, kann die flexible Bilderfassungsanordnung beispielsweise durch (mikro-)hydraulischen oder (mikro-)pneumatischen Druck entfaltet werden. Dazu kann beispielsweise die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 aus einem elastisches mit einem Fluid (Gas, Flüssigkeit) aufblasbaren oder aufpumpbaren Kanalsystem 5 bestehen, welches als Trägerkörper 15 dient. Dieses Kanalsystem 5 kann ähnlich wie in 8e dargestellt ist, den Verästelungen eines Blattes nachempfunden sein. Im drucklosen Zustand ist die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung am distalen Ende 10a aufgewickelt. Durch Erhöhung eines fluidischen Drucks in dem Festkörper 15, der beispielsweise den Verästelungen eines Blattes nachempfunden sein kann, kann die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung entfaltet werden. Diese entfaltete Bilderfassungsanordnung 8 kann dann vom proximalen Ende her gesteuert um bis zu 360° gedreht werden, um so von allen Raumrichtungsseiten optische Bildinformationen liefern zu können.
In 8f ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bilderfassungsanordnung 8 am distalen Ende 10a eines Endoskops im Querschnitt dargestellt. In diesem schematischen Querschnitt durch einen Katheter bzw. einem Endoskop 10 weist das distale Ende 10a zusätzliche mechanische Strukturen 28, ähnlich einem „Facettenauge” auf. Diese Strukturen 28 können beispielsweise aus Kunststoff bestehen. Optische Bildinformationen können dann aus einem bestimmten Raumwinkel, der u. a. durch die genaue Ausgestaltung der Strukturen 28 bestimmt ist, auf einen oder mehrere Bildpixelpunkte der Bilderfassungsanordnung 8 abgebildet bzw. geleitet werden. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann beispielsweise ein Trägersubstrat 22 und einen darauf befindlichen gedünnten Bildsensor 20 mit einem oder mehreren Bildpixelpunkten aufweisen. Das distale Ende 10a ist in diesem Ausführungsbeispiel wieder eine gekrümmte zylinderförmige Trägeroberfläche 5, um die das Trägersubstrat 22 mit dem darauf befindlichen gedünnten Bildsensor 20 gewickelt ist. Die Bereiche 27, zwischen den konischen Öffnungen 29 der Strukturen 28 können optisch undurchlässig sein, um ein Übersprechen zwischen den unterschiedlichen Bereichen 20a–20f zwischen den mechanischen Strukturen 28 auf dem Bildsensor 20 zu vermeiden.
Diese Anordnung könnte beispielsweise noch durch Mikrolinsen (nicht gezeigt in 8b), die vor den jeweils konischen Öffnungen 29 angeordnet sind, erweitert werden. Diese Mikrolinsen könnten dann eine verbesserte Abbildung einer zu untersuchenden Kavität ermöglichen. Bei den Mikrolinsen kann es sich beispielsweise um flexible Mikrolinsen aus Silikon handeln.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann es sich bei dem distalen Ende auch um ein optikfreies distales Ende handeln. Das heißt, gemäß einiger Ausführungsbeispiele sind keine Mikrolinsen oder abbildende optische Systeme nötig, um optische Bildinformationen auf die Bilderfassungsanordnung 8 zu fokussieren. Dazu kann beispielsweise ein distales Ende 10a mit einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung sehr nahe an eine zu untersuchende Wand einer Kavität herangeführt werden oder diese sogar berühren, wie in einigen Ausführungsbeispielen gezeigt ist.
In den 8g und 8h ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch in einem Längsquerschnitt dargestellt. Ein distales Ende 10a eines Endoskops 10 kann beispielsweise eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 aufweisen, die aus einem Bildsensorarray 20, welches auf einem Trägersubstrat 22 aufgebracht ist, besteht. Diese Bilderfassungsanordnung 20 kann über die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 eines vom proximalen Ende her in seiner Größe und Form steuerbaren elastischen Bolzens 15, der hier als Trägerkörper fungiert, angepasst sein. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann nun, wie in 8h zu sehen ist, abhängig von der Stellung des elastischen Bolzens 15 ein- oder ausgefahren werden und so in ihrer Form, Größe oder Lage gezielt verändert werden. Das Ein- und Ausfahren des elastischen Bolzens kann von einem proximalen Ende 10b aus gesteuert werden und beispielsweise wieder durch eine pneumatische, hydraulische, mechanische, elektrische, magnetische oder elektromagnetische Krafteinwirkung hervorgerufen werden. Dazu kann das distale Ende einen Aktuator aufweisen mit dessen Hilfe das Aus- und Einfahren des elastischen Bolzens durchgeführt wird.
Durch das Aus- und Einfahren des elastischen Bolzens und damit verbunden der Änderung der Lage und Form der flexiblen Bilderfassungsanordnung können, je nach Steuerung, gezielt unterschiedliche Bildinformationen von der Umgebung am distalen Ende des Endoskops erfasst werden. Die Bilderfassungsanordnung 8 mit dem Trägersubstrat 22 kann fluiddicht und zugleich beweglich in dem Schaft 10c am distalen Ende 10a des Endoskops eingebaut sein.
Wie die vorhergehenden Beispiele zeigen, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, um die Größe, Form, Lage, Ausdehnung einer zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche zu verändern und damit auch die Größe, Form, Lage, Ausdehnung einer an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche angepassten Bilderfassungsanordnung. Die Veränderung der Größe, Form oder Lage der zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche 5 kann beispielsweise durch mechanische, mikromechanische, pneumatische, mikropneumatische, hydraulische, mikrohydraulische, elektrische, magnetische oder rheologische Krafteinwirkung erreicht werden. Dementsprechend können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Einrichtungen aufweisen, die geeignet sind, durch Anwendung derselbigen Kräfte eine Änderung der bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche in Größe, Form und/oder Lage und dadurch auch eine Änderung der Größe, Form oder Lage der zumindest bereichsweise an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 angepassten Bilderfassungsanordnung 8 hervorzurufen. Dazu können beispielsweise Mikroaktuatoren verwendet werden.
In den 9a und 9b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Ein Trägerkörper 15 an einem distalen Ende 10a eines Endoskops 10 kann gummielastische Bereiche 15a aufweisen, wohingegen andere Bereiche 15b eine geringere Elastizität aufweisen, also z. B. auch starr sein können. An den gekrümmten gummielastischen Bereichen 15a, die als Trägeroberflächen 5 des Trägerkörpers 15 dienen, können wieder flexible als Folien ausgebildete Bilderfassungsanordnungen 8 angepasst sein. Die gummielastischen Bereiche 15a kennen in einem drucklosen Zustand erschlafft sein und eine geringere räumliche Ausdehnung als in einem Zustand (siehe 9b), in dem sie unter Druck bzw. aufgeblasen sind, aufweisen. Dementsprechend kann in einem drucklosen Zustand das distale Ende 10a eines Endoskops auch durch eine schmale Öffnung 50a in eine Kavität 50 eingeführt werden. Wie schematisch nun in 9b dargestellt ist, kann dann, nachdem das distale Ende 10a in die Kavität 50 eingeführt wurde, beispielsweise durch Aufpumpen der elastischen Bereiche 15a des Trägerkörpers 15, deren Volumen vergrößert werden. Dementsprechend können die als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnungen, die an die gekrümmte Trägeroberfläche 5, des nun aufgeblasenen gummielastischen Teils 15a des Trägerkörpers angepasst sind, entfaltet bzw. ausgerichtet werden. Je nach Formgebung des Trägerkörpers 15 und der gummielastischen Bereiche 15a können dann prinzipiell unterschiedliche Geometrien einer zu untersuchenden Kavität 50 optisch erfasst werden und entsprechende elektrische Bildinformationen über entsprechende Zuleitungen (nicht gezeigt in 9a, b) an einem proximalen Ende 10b des Endoskops bereitgestellt werden. Dort können diese elektrischen Bildinformationssignale dann wieder als Bilder dargestellt, weiterverarbeitet oder auch gespeichert werden.
In 10a und 10b, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines distalen Endes 10a eines erfindungsgemäßen Endoskops dargestellt. Auf einem Schaft 10c des Endoskops kann eine Ballonhülle 15 angeordnet sein, deren Oberfläche die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 für die Bilderfassungsanordnung bildet. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Bilderfassungsanordnung 8 beispielsweise drei Bilderfassungssensoren 8a, 8b und 8c auf. Diese Sensoren sind als flexible Folie ausgebildet, die nur in bestimmten Bereichen 35 mit der Trägeroberfläche 5 des Ballons 15 verbunden sind und in einem unaufgepumpten Zustand Überlappungsbereiche 37 aufweisen. Die Bilderfassungssensoren 8a, b, c können beispielsweise gedünnte CMOS-Kamerachips oder gedünnte CCD-Kamerachips sein. Wird nun nach dem Einbringen des Endoskops in einen zu untersuchenden Hohlraum der Ballon 15 aufgepumpt und damit die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 in ihrer Form und Größe verändert, so können sich die als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungssensoren 8a, 8b und 8c an diese neue bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 anschmiegen bzw. anlegen. Das heißt, rückwärtige Teile der Bilderfassungsanordnung 8a, 8b, 8c können in den Bereichen 35 mit der Trägeroberfläche 5 mechanisch verbunden sein, während die restlichen Bereiche der Bilderfassungsanordnung 8a, 8b, 8c nur an der Trägeroberfläche 5 anliegen und von dieser mechanisch abgestützt werden. Die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche 5 dient also als mechanische Auflage für die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung. Der Ballon kann so weit aufgepumpt werden, dass es keine Überlappungsbereiche 37 der einzelnen Bilderfassungssensoren 8a, b, c mehr in diesem aufgepumpten Zustand gibt. Zuleitungen, wie Steuersignale oder Versorgungsspannungsleitungen 14, 12, können dann beispielsweise im Innern des Ballons über die mechanisch fest verbundenen Bereiche 35 an die Bilderfassungssensorchips 8a, 8b und 8c elektrisch gekoppelt werden.
11a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel weist ein distales Ende 10a eines Endoskops 10 eine als flexible Folie um das distale Ende 10a gewickelte flexible Bilderfassungsanordnung 8 auf. Daneben kann beispielsweise das distale Ende 10a eine Lichtquelle 32 aufweisen, die ausgebildet ist die Szenerie am distalen Ende für eine optische Bilderfassung zu beleuchten. Bei der Lichtquelle 32 kann es sich beispielsweise um Leuchtdioden (LEDs) handeln, die am distalen Ende integriert sind, oder aber auch um Licht aus einer Lichtquelle, das mittels Lichtwellenleiter oder eines optischen Abbildungssystems von einem proximalen Ende des Endoskops zu dem distalen Ende 10a geleitet wird, um dort eine zu untersuchende Kavität zumindest teilweise auszuleuchten.
In dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel in 11b kann ein distales Ende 10a eines Endoskops 10 beispielsweise einen aufblasbaren Ballon 15 aufweisen, an dessen Oberfläche teilweise eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 angepasst ist. Der Ballon 15, der als Trägerkörper dient, kann Bereiche 15b aufweisen, die weniger elastisch oder starr sind als der Rest des Ballons 15. Dieser weniger elastische oder starre Trägerkörperbereich 15b kann beispielsweise wiederum eine Lichtquelle 32 bzw. einen Bereich 32, aus dem Licht einer Lichtquelle zur Erleuchtung der Szenerie am distalen Ende austreten kann, aufweisen. Daneben kann in diesem Ausführungsbeispiel das Endoskop 10 auch einen Arbeitskanal 34 aufweisen, über den dann beispielsweise Werkzeuge, wie beispielsweise kleine Zangen, Greifer, aber auch Laser in eine Kavität eingebracht werden können, um dort Arbeiten auszuführen, wie beispielsweise minimal invasive operative Eingriffe an Mensch und Tier. Die Bilderfassungsanordnung 8 kann dabei, nachdem der Ballon 15 aufgepumpt wurde und die Szenerie durch die Lichtquelle oder Beleuchtung 32 entsprechend beleuchtet wird, optische Bildinformationen mit hoher Qualität und einem ausreichenden Bilderfassungswinkel als entsprechende elektronische Bildinformationssignale an ein proximales Ende liefern, so dass dort die Arbeiten am distalen Ende verfolgt und kontrolliert werden können.
12 zeigt ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel eines distalen Endes, welches als aufblasbarer Ballon 15 ausgebildet ist. Auf der Trägeroberfläche 5 des Ballons 15 ist eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8 mit einer Mehrzahl von Bilderfassungssensoren 8a–8e dargestellt. Das distale Ende mit dem erschafften Ballon 15 und der darauf befindlichen flexiblen Bildererfassungsanordnung 8 kann durch eine Öffnung 50a eines Hohlraums 50 in denselbigen eingeführt werden und danach beispielsweise aufgeblasen werden, so dass sich die Größe und Form des Ballons ändert und sich die flexiblen Bilderfassungssensoren 8a–8e an die gekrümmte Trägeroberfläche 5 des Ballons anschmiegen. Die Oberfläche dient also als mechanische Auflage für die flexiblen Bilderfassungssensoren 8a–8e. In diesem Ausführungsbeispiel kann die als flexible Folie ausgebildete Bildererfassungsanordnung 8 ferner integrierte Leuchtdioden 25 aufweisen. Bei diesen Leuchtdioden 25 kann es sich beispielsweise um anorganische Leuchtdioden handeln, die ebenfalls, wie die Bilderfassungssensoren 8a–8e, in den gedünnten Halbleitersubstrat integriert sind. Dementsprechend können auch die anorganischen Leuchtdioden, wie die Bilderfassungssensoren, eine Dicke D2 aufweisen, wie sie oben beschrieben ist. In alternativen Ausführungsbeispielen können als Leuchtdioden aber auch organische Leuchtdioden verwendet werden, die aufgrund ihrer Beschaffenheit aus Polymerketten oder niedermolekularen organischen Verbindungen in einfacher Weise auf flexible Folien aufgebracht werden können.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung also entweder integrierte oder auch separate flexible Leuchtdioden als Lichtquellen für die Erfassung von optischen Bildinformationen aufweisen.
13 zeigt eine Ausführungsform einer zylinderförmig ausgebildeten gekrümmten Trägeroberfläche 5 an einem distalen Ende 10a eines Endoskops 10 mit einer um die zylinderförmigen Trägeroberfläche gewickelten Bilderfassungsanordnung 8. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Bilderfassungsanordnung 8 einen Bildsensor 20 mit einer Matrix von Bildpixelpunkten 20a auf, wobei jedem Bildpixelpunkt oder jeder Gruppe von Bildpixelpunkten 20a ein optisches Abbildungssystem, z. B. eine Mikrolinse 51, zugeordnet ist. Die Mikrolinsen 51 können ausgebildet sein, um eine optische Bilderfassung mit einer höheren Qualität im Vergleich zu einer Bilderfassung ohne optisches Abbildungssystem zu ermöglichen.
In 14 ist ein Flussdiagramm zum Verfahren zur Herstellung eines Endoskops zum Erfassen von Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationen an einem proximalen Ende gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Verfahren zur Herstellung umfasst einen Schritt des Bereitstellens 100 einer an einem distalen Ende eines Endoskopteilelementes zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Anbringens 110 einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche auf, so dass mittels der Bilderfassungsanordnung am distalen Ende eine optische Bildinformation der Umgebung erfassbar ist und an einem proximalen Ende entsprechende elektronische Bildinformationen bereitstellbar sind.
Das Bereitstellen 100 kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele das Bereitstellen eines in seiner Größe, Form oder Lage veränderbaren zumindest teilweise elastischen Endoskopteilelementes umfassen. Das Anbringen 110 einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung kann in einigen Ausführungsbeispielen so durchgeführt werden, dass die Bilderfassungsanordnung bereichsweise auf der Trägeroberfläche aufliegt. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Bildererfassungsanordnung so angebracht werden 110, dass die Bildererfassungsanordnung bereichsweise auf der Trägeroberfläche aufliegt und in anderen Bereichen mit dieser mechanisch fest verbunden ist. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Bilderfassungsanordnung eine Dicke D1 aufweisen, so dass die Bilderfassungsanordnung an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche zumindest bereichsweise anpassbar ist. Das heißt, das Anbringen der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung kann einen Schritt des Auswählens einer Bilderfassungsanordnung mit einer Dicke D1 beinhalten, so dass eine Anpassung der Bilderfassungsanordnung an eine zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche möglich ist. Die Dicke D1 einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung kann so gewählt werden, dass ein Anpassen an einen Krümmungsradius der zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche durchführbar ist.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind Endoskope zum Erfassen von optischen Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationssignale an einem proximalen Ende beschrieben. Dazu können beispielsweise gedünnte CCD- oder CMOS-Kamerachips verwendet werden. Diese CCD- oder CMOS-Kamerachips können eine Auflösung von mehreren Millionen Bildpunkten aufweisen. CMOS-Kamerachips haben gegenüber CCD-Kamerachips den Vorteil, dass Bildauswerteschaltungen auf demselben Chip mit integriert werden können. Die Auswertung der erfassten optischen Bilder kann also in einigen Ausführungsbeispielen direkt am distalen Ende 10 des Endoskops durchgeführt werden. Die in Ausführungsbeispielen verwendeten gedünnten CCD- oder CMOS-Kamerachips können in einer Silizium-Technologie auf Silizium-Wafern hergestellt und anschließend vereinzelt werden. Die Größe der in Ausführungsbeispielen verwendeten CCD- oder CMOS-Kamerachips ist abhängig von der Anzahl der Bildpunkte und kann beispielsweise mehrere cm² betragen. Im Gegensatz zu konventionellen CCD- oder CMOS-Kamerachips, die beispielsweise eine Dicke zwischen 400 μm und 800 μm aufweisen, können die in einigen Ausführungsbeispielen gedünnten CCD- oder CMOS-Kamerachips eine Dicke D2 beispielsweise zwischen 0,2 μm oder 50 μm oder auch zwischen 1 μm und 30 μm aufweisen. Aufgrund der geringen Dicke D2 liegt der CCD- oder CMOS-Kamerachip dann nicht als starres Gebilde vor, sondern eher als flexible Folie, ist also eher folienartig ausgebildet, und kann demzufolge bis zu gewissen Grenzen, die u. a. von der genauen Dicke D2 abhängen, gebogen werden und an entsprechende gebogene oder gekrümmte Oberflächen am distalen Ende angepasst werden. Die CCD- oder CMOS-Kamerachips können auch auf flexiblen Trägersubstraten, z. B. aus Kunststoff, aufgebracht werden. Dadurch, dass die CCD- oder CMOS-Kamerachips gedünnt sind, können sie dann wie die flexiblen Trägersubstrate, z. B. Polyemidfolie, mechanisch verbogen werden. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität ist der erfassbare Sehwinkel oder Bilderfassungswinkel nicht unbedingt von einer verwendeten Optik, die dem Kamerachip vorgeschaltet sein kann, abhängig, sondern auch von deren Grad an mechanischer Verbiegung. Das heißt, der Sehwinkel bzw. Bilderfassungswinkel kann in Ausführungsbeispielen aufgrund der mechanischen Flexibilität unter Anpassung an eine gekrümmte Trägeroberfläche am distalen Ende eines Endoskops einen von der Krümmung der als flexiblen Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung abhängigen Seh- bzw. Bilderfassungswinkel aufweisen. Aufgrund der mechanischen Flexibilität der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung und der damit verbundenen geringen Chipgröße, die beispielsweise durch Zusammenfalten oder Aufrollen erreicht werden kann, ist es auch möglich, Bilder aus Kavitäten bzw. Hohlräumen aufzunehmen, die nur über kleine Öffnungen im Vergleich zur entfalteten Ausdehnung der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung erreicht werden können. Dadurch gibt es für das erfindungsgemäße Endoskop eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsgebiete, wie beispielsweise im medizinischen Bereich, wo beispielsweise die Blase über die Harnröhre erreicht werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung Silizium aufweisen, welches bei geringer Dicke flexibel wird. Dementsprechend kann beispielsweise ein Silizium-Wafer auf 30 μm ± 10 μm gedünnt werden, so dass er dann um mehr als 90° verbiegbar ist. Dementsprechend können beispielsweise CCD- oder CMOS-Kamerachips, welche auf solch einem Silizium-Wafer realisiert werden, ebenfalls flexibel verbogen werden. Gemäß Ausführungsbeispielen können also Bilderfassungsanordnungen, die als flexible Folien ausgebildet sind, durch Dünnen von Wafern oder Chips mit Bildsensoren oder Bildsensor-Arrays hergestellt werden. Werden solche Bildsensorchips 20 z. B. auf Dicken D2 < 50 μm gedünnt und auf einen flexiblen Trägersubstrat 22 aufgebaut, so ist die gesamte Bilderfassungsanordnung flexibel wie eine (Kunststoff-)Folie. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können Bilderfassungs-Halbleitersensorchips aus Silizium beispielsweise eine Dicke D2 von 100 nm bis 5 μm aufweisen. Dadurch können Biegeradien dieser Chips zwischen 0,5 und 5 mm, beispielsweise also zwischen 1 und 2 mm, realisiert werden.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Trägersubstrat 22 beispielsweise eine Polyimid-Trägerfolie sein, die z. B. eine Dicke von 10 μm ± 5 μm aufweist. Solch eine Polyimid-Trägerfolie mit einem darauf befindlichen gedünnten CCD- oder CMOS-Kamerachip kann dann gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung um ein zylinderförmiges distales Ende eines Endoskops gewickelt werden. Der Durchmesser des zylinderförmigen distalen Endes kann beispielsweise zwischen 0,1 mm und 7 mm sein. Die gedünnten Mikrochips können wegen der geringen Dicke D2 ohne mechanische Beschädigung an diese gekrümmte Trägeroberfläche angepasst werden.
Das Verfahren zur Herstellung eines Endoskops kann demzufolge einen Schritt des Dünnens eines Wafers und einen Schritt des Vereinzelns dieser flexiblen Bilderfassungs-Halbleitersensorchips umfassen. Ferner kann das Verfahren zur Herstellung ein Aufbringen dieser flexiblen Chips auf einen flexiblen Träger, beispielsweise aus Polyimid, aufweisen, wobei dieser Träger die notwendigen Zuleitungen für die Signale und Strom-/Spannungsversorgung der flexiblen Chips aufweisen kann. Dadurch ergibt sich ein vollständig flexibles Bildsensor-Array, nämlich die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung 8.
Dieser variable Aufbau eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist gezeigt, dass das Endoskop beispielsweise eine als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung aufweist, die in aufgewickelter Form durch dünne Zugänge und Kavitäten eingeführt werden kann. Diese Bilderfassungsanordnung kann dann, nachdem sie in die Kavität eingeführt wurde, entfaltet werden und entsprechende Bilder bzw. Bildinformationen aus der Kavität aufnehmen und an einem proximalen Ende des Endoskops zur Verfügung stellen.
In einigen Ausführungsbeispielen ist gezeigt, dass durch Aufwickeln auf einen Zylinder oder durch andere Geometrien der Trägeroberfläche 5 in Kombination mit/oder ohne Mikrolinsen Aufnahmen der Umgebung mit einem Bilderfassungswinkel von bis zu 360° möglich sind. So können beispielsweise Gefäßwände im menschlichen Körper mit Hilfe eines entsprechend ausgerüsteten Katheters oder Endoskops untersucht werden. Dabei können gemäß einiger Ausführungsbeispiele auch in die Folie integrierte gedünnte Leuchtdioden als Lichtquellen eingebracht werden.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung so ausgebildet sein, dass sie gegenüber elektromagnetischer Strahlung in einem bestimmten Wellenlänge bereich besonders sensitiv ist. Beispielsweise ist es also denkbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Endoskop Krebszellen, z. B. in der Blase, detektiert werden können, die mit einem Fluoreszenzmarker markiert wurden. Die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung kann dann ausgebildet sein, diese in einem bestimmten Wellenlängenbereich emittierte Fluoreszenzstrahlung zu detektieren und dementsprechende Bildinformationen an einem proximalen Ende des Endoskops zur Weiterverarbeitung oder zur Speicherung zur Verfügung zu stellen. Da die Bilderfassungsanordnung als flexible Folie ausgebildet ist, kann durch geeignete Formgebung der Folie, beispielsweise durch Biegen oder Falten, eine Anpassung an unterschiedliche Geometrien eines zu untersuchenden Hohlraums erreicht werden.
Zur Fokussierung des Lichts können in einigen Ausführungsbeispielen Mikrolinsen auf der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung verwendet werden, die aus flexiblen Materialien hergestellt sind, wie z. B. Silikon. Neben der Fokussierung des Lichts mittels Mikrolinsen ist es auch möglich, wie in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, Licht aus der Umgebung des distalen Endes mit Strukturen, die beispielsweise dem Facettenauge von Insekten ähnelt, auf die Bilderfassungsanordnung zu leiten. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele ist jedoch auch gezeigt, dass eine optikfreie Detektion in Hohlorganen oder Hohlräumen realisiert werden kann. So kann beispielsweise mit einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung, die als eine Art dreidimensionaler Bildsensor dienen kann, eine optikfreie Detektion in Hohlräumen, wie z. B. Hohlorganen, realisiert werden, wenn die Bildsensorelemente des dreidimensionalen Bildsensors in unmittelbarer Nachbarschaft des zu untersuchenden Hohlraums, z. B. eines menschlichen Gewebes, angeordnet werden oder diese sogar berühren. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann die flexible Bilderfassungsanordnung auf einem aufblasbaren Träger, wie z. B. einem Ballon, angeordnet sein und an die entsprechende gekrümmte Trägeroberfläche angepasst sein, so dass der „3D-Bildsensor” in unmittelbarer Nachbarschaft eines zu untersuchenden Bereichs in eine Kavität durch Regelung des Drucks in dem Ballon gebracht werden kann. Durch Veränderung eines Aufblasdrucks in solch einem elastischen Trägerkörper, wie z. B. dem Ballon, kann die Bilderfassungsanordnung immer optimal an einen Bereich der Kavität, wie z. B. eine Gewebewand, angelegt werden, um entsprechende Bildaufnahmen durchfahren zu können.
Hier sei als veranschaulichendes Beispiel ein Blasenkarzinom genannt, das aufgrund des erhöhten Stoffwechsels durch Aufnahme entsprechender verabreichter Substanzen eine erhöhte Fluoreszenz zeigt. Der Ort dieser Fluoreszenz kann durch den Kontakt eines Bildsensor-Arrays 20 mit der Blasenwand registriert werden, ohne dass eine Optik benötigt wird. Bei geringem Abstand zur Gefäßwand ist keine abbildende Optik erforderlich. Ein auf der Stirnfläche angebrachtes Bildsensor-Array kann mit Hilfe einer Mikrooptik den vorderen Teil erfassen. In einigen Ausführungsbeispielen ist gezeigt, dass beispielsweise durch zusätzliche Strukturen, wie dem Facettenauge, räumliche Bildinformationen erhalten werden können, auch wenn der Katheter oder das Endoskop nicht die zu untersuchende Wand berührt.

Claims

Endoskop (10) zum Erfassen von optischen Bildinformationen an einem distalen Ende (10a) und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationssignale an einem proximalen Ende (10b) desselben, mit folgenden Merkmalen: einer am distalen Ende (10a) zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche (5), und einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung (8), die an der Trägeroberfläche (5) angeordnet ist, wobei die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung (8) zumindest bereichsweise an die gekrümmte Trägeroberfläche (5) angepasst ist, wobei das Endoskop (10) ausgebildet ist, um mittels der Bilderfassungsanordnung (8) am distalen Ende (10a) optische Bildinformationen der Umgebung zu erfassen und an einem proximalen Ende (10b) entsprechende elektronische Bildinformationssignale bereitzustellen, wobei die Trägeroberfläche (5) an dem distalen Ende (10a) in ihrer Größe, Form oder Lage durch mechanische, pneumatische, hydraulische, elektrische oder magnetische Krafteinwirkung veränderbar ist.
Endoskop gemäß Anspruch 1, wobei die Trägeroberfläche (5) als mechanische Auflage der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung (8) dient.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, die ferner am proximalen Ende eine Formänderungssteuereinrichtung (18) für die Trägeroberfläche (5) aufweist, die ausgebildet ist, die Größe, Form oder Lage der Trägeroberfläche (5) zu ändern.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trägeroberfläche (5) Teil eines in seiner Größe, Form oder Lage veränderbaren Trägerkörpers (15) ist.
Endoskop gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei die Trägeroberfläche (5) Teil eines in seiner Größe, Form oder Lage veränderbaren zumindest teilweise elastischen Trägerkörpers (15a; 15b) ist.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 5, wobei die Trägeroberfläche (5) Teil eines aufblasbaren Ballons ist.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bilderfassungsanordnung (8) ein Sensorträgersubstrat (22) und einen darauf angeordneten Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) aufweist, und wobei die Bilderfassungsanordnung (8) eine Dicke D1 zwischen 10 nm und 1 mm, zwischen 100 nm und 100 μm oder zwischen 1 μm und 50 μm aufweist.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bilderfassungsanordnung (8) einen Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) aufweist, und wobei der Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) eine Dicke D2 zwischen 10 nm und 100 μm, zwischen 100 nm und 50 μm oder zwischen 1 μm und 10 μm aufweist.
Endoskop gemäß Anspruch 8, wobei der Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) ein CMOS-Bildsensorchip oder ein CCD-Bildsensorchip ist.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bilderfassungsanordnung (8) ausgebildet ist, durch die zumindest bereichsweise Anpassung an die gekrümmte Trägeroberfläche (5) einen größeren Bilderfassungswinkel α zum Erfassen einer optischen Bildinformation der Umgebung am distalen Ende aufweist als bei einer zumindest bereichsweisen Anpassung an eine entsprechende makroskopisch ebene Trägeroberfläche (5).
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Bilderfassungsanordnung (8) ausgebildet ist, aufgrund der zumindest bereichsweisen Anpassung an die gekrümmte Trägeroberfläche (5) eine bereichsweise kontinuierliche Aufweitung eines Bilderfassungswinkels α für optische Bildinformationen der Umgebung am distalen Ende zu erhalten, so dass Bildinformationen mit einem Bilderfassungswinkel α größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120°, größer oder gleich 180°, größer oder gleich 270° oder größer oder gleich 350° erfassbar sind.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die als flexible Folie ausgebildete Bilderfassungsanordnung (8) ferner integrierte Leuchtdioden (25) aufweist, die ausgebildet sind, die Umgebung am distalen Ende (10a) zu beleuchten.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, das ferner Mikrolinsen (51) aufweist, die über der Bilderfassungsanordnung (8) angeordnet sind, wobei die Mikrolinsen (51) ausgebildet sind, Umgebungslicht am distalen Ende (10a) auf die Bilderfassungsanordnung (8) zu fokussieren.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Bilderfassungsanordnung (8) zumindest in den bereichsweise an die gekrümmte Trägeroberfläche (5) angepassten Bereichen einen maximalen Biegewinkel β größer oder gleich 5°, größer oder gleich 45°, größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120° oder größer oder gleich 150° aufweist.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Bilderfassungsanordnung (8) zumindest einen gekrümmten Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) aufweist, und wobei der Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) zumindest in den bereichsweise an die gekrümmte Trägeroberfläche (5) angepassten Bereichen einen maximalen Biegewinkel β größer oder gleich 5°, größer oder gleich 45°, größer oder gleich 90°, größer oder gleich 120° oder größer oder gleich 150° aufweist.
Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Bilderfassungsanordnung zumindest einen mechanisch flexiblen Bilderfassungshalbleitersensorchip (20) zum Erfassen der optischen Bildinformationen und elektrische Signalleitungen (14) und Spannungsversorgungsleitungen (12) zum Betreiben des Bilderfassungshalbleitersensorchips (20) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Endoskops zum Erfassen von Bildinformationen an einem distalen Ende und zum Bereitstellen entsprechender elektronischer Bildinformationen an einem proximalen Ende, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (100) einer an einem distalen Ende eines Endoskopteilelements zumindest bereichsweise gekrümmten Trägeroberfläche, wobei die Trägeroberfläche (5) an dem distalen Ende (10a) in ihrer Größe, Form oder Lage durch mechanische, pneumatische, hydraulische, elektrische oder magnetische Krafteinwirkung veränderbar ist, und Anbringen (110) einer als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche, so dass mittels der Bilderfassungsanordnung am distalen Ende eine optische Bildinformation der Umgebung erfassbar ist und an einem proximalen Ende entsprechende elektronische Bildinformationen bereitstellbar sind.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Anbringen (100) der als flexible Folie ausgebildeten Bilderfassungsanordnung an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche so durchgeführt wird, dass die Bilderfassungseinrichtung bereichsweise auf der Trägeroberfläche aufliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die Bilderfassungseinrichtung eine Dicke D1 aufweist, so dass die Bilderfassungseinrichtung an die zumindest bereichsweise gekrümmte Trägeroberfläche zumindest bereichsweise anpassbar ist.