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Die Erfindung betrifft ein Endoskop.
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Endoskope werden unter anderem im medizinischen Umfeld in der Regel für minimal- oder nichtinvasive Diagnose- oder Behandlungsverfahren verwendet. Insbesondere minimalinvasive Eingriffe nehmen im Bereich der klinischen Chirurgie einen zunehmend größeren Stellenwert ein. Wurden für kleine chirurgische Eingriffe noch vor wenigen Jahren relativ große Bereiche des Situs eröffnet, um eine Navigation des Chirurgen durch natürliche Landmarken zu ermöglichen, so lässt sich beobachten, dass eine Vielzahl dieser Eingriffe heute mittels Laparoskopie und optischer Unterstützung in Form von Endoskopie durchgeführt wird.
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Dieser Trend wird sich, gestützt durch die unmittelbaren Vorteile minimalinvasiver Eingriffe, weiter fortsetzen. Bei näherer Untersuchung bereits am Markt befindlicher Endoskopiesysteme fällt auf, dass ein Schlüssel zum Erfolg minimalinvasiver Eingriffe in der Darstellung optischer Informationen über das aktuelle Interventionsfeld im Situsinnenraum liegt.
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Hersteller von Endoskopen sind daher bemüht, trotz oftmals starrem Aufbau des Endoskops dem Chirurgen für einzelne Arbeitsschritte jeweils den besten Blickwinkel bzw. die beste Blickrichtung auf das Operationsgeschehen bereitzustellen. Der Sichtwinkel, d. h. der in einem vom Endoskop gelieferten Bild abgebildete Raumwinkel – heute bekannter Endoskope beträgt hierbei etwa zwischen 45° und 90°. Z. B. bei einer Laparoskopie wird das Endoskop durch die Bauchdecke in den Patienten eingeführt. Der abzubildende Bauchraum nimmt dabei z. B. einen Raumwinkel bzw. erforderlichen Sichtwinkel von etwa 120° bis 180° ein. Der Operateur muss daher – um verschiedene Stellen des Bauchraumes bzw. den gesamten Bauchraum inspizieren zu können – das Endoskop mehrmals verschwenken. Insbesondere muss z. B. für verschiedene Arbeitsschritte im Inneren des Patienten das Endoskop während einer medizinischen Maßnahme mehrmals geschwenkt werden, um jeweils entsprechende Bereiche des Patienteninneren in einem Bild abzubilden.
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Das Endoskop weist zur Bildgebung einen Arbeitskopf auf, welcher in den Patienten einführbar ist. Im Arbeitskopf ist eine Kamera enthalten, welche im Betrieb des Endoskops ein Bild vom Inneren des Patienten liefert. Einer entsprechenden Kamera ist in der Regel eine Optik vorgeschaltet, die z. B. eine Fokussierung auf das abzubildende Objekt ermöglicht bzw. in Form einer Linse überhaupt einen flüssigkeitsdichten Lichteinfall zur Kamera hin ermöglicht.
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Um den Chirurgen optimale Sicht während verschiedenster Arbeitsabläufe zu gewähren, sind heute von Endoskopherstellern verschiedene Optiken angeboten. Diese unterscheiden sich in der Regel durch den Sichtwinkel und den relativ zur Endoskopachse orientierten Blickwinkel, also den Mittelstrahl des Blickwinkels, unter dem das Operationsfeld zu betrachten ist. Zur Verschaffung eines Überblicks wählt der Chirurg in der Regel z. B. zuerst eine Weitwinkellinse. Für Detailarbeiten wechselt er dann die Optik in eine hochauflösende Optik mit kleinem bzw. engem Sichtwinkel.
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Ein schwerwiegender Nachteil dieses Vorgehens liegt zum Einen in der Tatsache, dass bei gewünschter Blickwinkeländerung die gesamte Optik, oder sogar das gesamte Endoskop getauscht werden muss. Dies bringt erhebliche Nachteile für den medizinischen Workflow. Zum Anderen kann der Wechsel zu einem zweiten, jedoch wiederum fest vorgegebenen Blickwinkel bzw. Sichtwinkel hinsichtlich der Flexibilität einer Bildgebung für sich auch wieder nur eine suboptimale Lösung darstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Endoskop anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Endoskop gemäß Patentanspruch 1. Das Endoskop enthält einen in einen Patienten einführbaren Arbeitskopf, der eine im Betrieb ein Bild vom Inneren des Patienten liefernde Kamera mit einer vorgeschalteten Optik enthält. Bei dem erfindungsgemäßen Endoskop ist jedoch die Optik eine Fischaugenoptik mit einem Sichtwinkel von mindestens 120°. Durch eine solche Fischaugen- oder Fisheye-Optik ist es möglich, sehr große Winkelbereiche der Umgebung des Endoskops optisch zu erfassen. Z. B. kann ein vollständiges Abbild des gesamten Bauchraumes eines Patienten ins Innere des Endoskops, d. h. zur Kamera hin, projiziert werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für ein sehr breites Blickfeld ein starres Endoskop nicht mehr gewechselt werden muss.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fischaugenoptik einen Sichtwinkel von mindestens 180° auf. Der Sichtwinkel bezieht sich hier auf die Bilddiagonale des resultierenden Bildes. Der Sichtwinkel entspricht in diesem Fall mit anderen Worten einer Halbkugel. Eine Fischaugenoptik ist im Extremfall in der Lage auch bis zu 220° Sichtwinkel abzubilden. Dies ermöglicht z. B. bei Interventionen durch die Bauchdecke eines Patienten die Abbildung des gesamten Bauchraumes in das Endoskop, d. h. zur Kamera hin.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Endoskop eine Recheneinheit, welche eine Entzerrung des von der Kamera gelieferten Bildes durchführt. Mit anderen Worten werden so bereits innerhalb des Endoskops die im Bild durch die Fischaugenoptik verursachten Verzerrungen kompensiert. Das Endoskop als System gesehen liefert ein herkömmliches Bild, z. B. zur Anzeige an den Operateur. Die Verzerrungen sind hauptsächlich radiale Distorsionen. Zur Entzerrung eignen sich beispielsweise Verfahren aus dem Bereich der Photogrammmetrie. Mit anderen Worten wird also eine an die Fischaugenoptik angepasste Bildverarbeitung bereits im Endoskop bzw. -system integriert, so dass dann das vom Endoskop gelieferte Bild mit dem für den Chirurgen gewohnten Bild eines herkömmlichen Endoskops vergleichbar ist.
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Für das erfindungsgemäße Endoskop kann unter zwei Ausführungsformen unterschieden werden. Das Entscheidungskriterium für die jeweilige Ausführungsform ist die benötigte Bildqualität der vom Endoskop gelieferten Bilder.
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In einer ersten alternativen Ausführungsform weist die Kamera einen Bildsensor auf, der den Gesamtbereich eines durch die Optik einfallenden Abbildes abdeckt. Mit anderen Worten wird das gesamte, durch die Fischaugenoptik einfallende Licht, also der gesamte Abbildungsbereich auch tatsächlich auf dem Bildsensor der Kamera abgebildet, und somit als Bild erzeugt bzw. ausgegeben. Diese Ausführungsform wird auch Vollbildansatz genannt. Der Bildsensor ist dann beispielsweise ein hochauflösender Sensor, der die gesamte von der Fischaugenlinse aufgenommene optische Information empfängt und weitergibt. Mit anderen Worten erzeugt die Kamera als Bild ein Panoramabild.
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Ein eventuell vom Chirurgen gewünschter Bildausschnitt im entstehenden Panoramabild kann anschließend durch eine Bildverarbeitung, also per Software ausgewählt, entzerrt vergrößert oder rotiert dargestellt werden. Diese Aufgabe kann wieder eine im Endoskopsystem integrierte Auswerteeinheit übernehmen. So liefert das Endoskop am Ende ein herkömmliches Detailbild. Vorteilhaft ist hier, dass für einen Perspektivenwechsel nur ein anderer Bildausschnitt des von der Kamera aufgenommenen Bildes verarbeitet werden muss. Hierfür muss das Endoskop weder gewechselt noch bewegt werden. Auch ist z. B. eine Bildvergrößerung, d. h. der Übergang von einem Detail- zu einem Überblicksbild, also die Veränderung des Sichtwinkels möglich.
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Mit anderen Worten kann der Chirurg per Software nach einer Bildentzerrung stufenlos einen gewünschten Bildausschnitt bzw. Sichtwinkel vom Patienten darstellen. Die Bildqualität ist hierbei stark vom durch die Fischaugenoptik gesamt abgedeckten Winkelbereich bzw. Sichtwinkel und der Auflösung des Bildsensors abhängig.
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In einer alternativen Ausführungsform enthält die Kamera einen Bildsensor, der nur einen Teilbereich des durch die Optik einfallenden Abbildes abdeckt. Mit anderen Worten stellt dann das von der Kamera gelieferte Bild stets nur einen Teilbereich des durch die Fischaugenoptik erfassbaren Bildfeldes dar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Alternative ist der Bildsensor innerhalb des Gesamtbereiches eines durch die Optik einfallenden Abbildes durch eine Steuerung verschiebbar und drehbar angeordnet. Mit anderen Worten wird bei einer derartigen Teilbildansatz genannten Variante – ein Sensor, der kleiner ist als der Bereich des in das Endoskop einfallenden Abbildungsbereiches bzw. Gesamtbildes innerhalb dieses Gesamtbildes rotiert und verschoben. So wird ein gewünschter Bildausschnitt als Kamerabild erzeugt. Erst im Anschluss wird dann das digitalisierte Kamerabild entzerrt. Die Bildqualität ist bei diesem Ansatz auf Kosten des höheren Aufwandes und des bewegten Sensors höher. Die Größe des Bildausschnittes aus dem theoretisch möglichen Gesamtbild der Fischaugenoptik ist hier fest eingestellt und von der Größe des Bildsensors im Verhältnis zum einfallenden Bild abhängig.
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Die oben genannten Vergrößerungen bzw. Nachbearbeitungen sind natürlich auch hier bei ausreichender Sensorauflösung möglich.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 einen Ausschnitt aus einem Patienten mit erfindungsgemäßem Endoskop während einer medizinischen Intervention,
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2 ein vom Endoskop geliefertes Bild mit verschiedenen Bildnachbearbeitungen,
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3 den Arbeitskopf des Endoskops nach einem Gesamtbildansatz,
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4 das Endoskop aus 3 in einer Ausführungsform nach einem Teilbildansatz.
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1 zeigt einen Teil eines Patienten 2, nämlich dessen Bauchraum 4, welcher von der Bauchdecke 6 umgeben ist, mit darin liegenden Organen 8, 10. Am Patienten wird als medizinische Maßnahme eine Laparoskopie durchgeführt. Hierzu wird mit Hilfe eines durch eine erste Öffnung in der Bauchdecke 6 eingeführten Werkzeuges 12 ein Teil des Organs 8 entfernt. Der Eingriff erfolgt minimalinvasiv, weshalb durch eine zweite Öffnung in der Bauchdecke 6 ein Endoskop 14 eingeführt ist. Das Endoskop 14 weist an seinem in den Patienten 2 eingeführten Ende einen Arbeitskopf 15 auf. Dieser enthält eine Kamera 16 mit einem Bildsensor 18. Der Kamera 16 ist eine Optik 20 vorgeschaltet. Diese bildet im wesentlichen eine den Arbeitskopf flüssigkeitsdicht aber lichtdurchlässig am vorderen Ende abschließende Linse. Erfindungsgemäß ist die Optik 20 eine Fischaugenoptik.
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Durch die Optik 20 tritt Licht aus dem durch eine nicht dargestellte Lichtquelle beleuchteten Bauchraum 4 in das Endoskop 14 ein und trifft auf den Bildsensor 18, welcher daraufhin ein Kamerabild 22 in Form eines Bilds liefert.
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Durch eine zum Endoskop 14 gehörende Recheneinheit 26 wird hieraus ein Bild 28 erzeugt, welches schließlich einem nicht dargestellten Chirurgen auf einem nicht dargestellten Bildschirm angezeigt wird.
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Die Optik 20 weist einen Sichtwinkel WF von 180° auf. So stellt das Kamerabild 22 den gesamten Bauchraum 4 des Patienten zusammen mit beiden Organen 8, 10, sowie das Werkzeug 12 in einem einzigen Bild dar. Der Sichtwinkel WF ist in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
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Erfindungsgemäß liefert daher das Endoskop 14 mit seinem Sichtwinkel WF ein Bild eines wesentlich weiter gefassten Abbildungsbereiches als ein herkömmliches Endoskop gemäß Stand der Technik. Ein solches weist z. B. nur einen Sichtwinkel WH von ca. 45° auf, wie es in 1 zur Verdeutlichung nochmals dargestellt ist. Ein derartiges Endoskop gemäß Stand der Technik würde damit lediglich ein Kamerabild 22 eines Teils des Organs 8 liefern. Da in einem nächsten Arbeitsschritt der medizinischen Maßnahme auch ein Teil des Organs 10 entfernt werden soll, müsste gemäß Stand der Technik das Endoskop 14 in Richtung des Pfeils 24 geschwenkt werden, um das Organ 10 in Reichweite des Sichtwinkels WH zu bekommen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Endoskop 14 ist dies nicht notwendig, da auch das Organ 10 im Sichtwinkel WF erfasst ist.
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2 zeigt ein Beispiel eines Bildes 22 vom Bauchraum 4 des Patienten. Zu erkennen ist insbesondere die verzerrte Darstellung der Organe 8 und 10 und des an sich geraden Werkzeugs 12. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird in der Recheneinheit 26 daher eine Bildverarbeitung am Kamerabild 22 durchführt. Diese erzeugt damit als bearbeitetes Bild 28 ein entzerrtes Bild. Im Bild 28 sind daher nach Bearbeitung durch die Recheneinheit 26, d. h. nach Entzerrung, sowohl die Organe 8 und 10 also auch das Werkzeug 12 in ihrer ursprünglichen, d. h. realen entzerrten Form dargestellt.
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In einer alternativen Ausführungsform extrahiert eine alternative Recheneinheit 26 (gestrichelt dargestellt) durch Bildverarbeitung nur einen Teilbereich 27 des Kamerabildes 22 (punktiert dargestellt). Sie stellt diesen Teilbereich 27 als Bild 28 in vergrößerter und entzerrter Darstellung dar.
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3 zeigt vergrößert den in den Patienten 2 eingeführten Arbeitskopf 15 des Endoskops 14 mit der Optik 20 und der Kamera 16 mit Bildsensor 18. Der Bildsensor deckt den Gesamtbereich 30 des durch die Optik 20 einfallenden Abbildes ab. Mit anderen Worten wird also alles in die Optik 20 einfallende Licht bzw. die gesamte Bildinformation durch die Kamera 16 erfasst. Das Kamerabild zeigt damit ein Bild des gesamten Abbildungsbereiches der Optik 20, also des gesamten Sichtwinkels WF.
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In einer alternativen Ausführungsform gemäß 4 deckt der Bildsensor 18 hier nur einen Teilbereich 32 des innerhalb des Gesamtbereiches 30, also des in die Optik 20 einfallenden Bildes bzw. Lichtes ab. Mit anderen Worten liefert der Bildsensor 18 nur einen Ausschnitt des Sichtwinkels WF als Kamerabild 22. Um dennoch ohne Verschiebung bzw. Replatzierung des Endoskops 14 im Patienten 2 den gesamten Sichtwinkel WF abdecken zu können, ist dem Bildsensor 18 ein Motor als Steuerung 34 zugeordnet. Mit Hilfe dieser ist der Bildsensor 18 bzw. der Teilbereich 32 über den Gesamtbereich 30 verschiebbar und drehbar. Dies ist durch die Pfeile 36 angedeutet. Somit kann ebenfalls der gesamte Sichtwinkel WF – jeweils ausschnittsweise – in verschiedenen Kamerabildern 22 abgebildet werden, ohne dass das Endoskop 14 selbst bewegt werden muss.
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In 2 ist zusätzlich für eine derartige Ausführungsform gezeigt, wie zwei verschiedene Teilbereiche 32 in zwei verschiedene Kamerabilder 22 abgebildet werden. Diese Kamerabilder 22 sind gestrichelt in das o. g. Kamerabild 22 des Gesamtbereiches 30 eingezeichnet.
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Die gewonnenen Kamerabilder 22 werden ebenfalls durch eine alternative Recheneinheit (nicht dargestellt) entzerrt und sind gestrichelt als Bilder 28 ebenfalls in 3 dargestellt. So werden die Ausschnitte der Organe 8, 10 und des Werkzeugs 12 wieder in originaler, d. h. naturgetreuer Geometrie angezeigt.
