DE102010049890A1

DE102010049890A1 - Hochflexibles Endoskop aus Silikon und dessen Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102010049890A1
Application number: DE102010049890A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Müller Jörg; Dipl.-Ing. Kaiser Kristina; André Born; Dr.med. Zehlicke Thorsten
Original assignee: Individual
Current assignee: Kaiser Kristina Dipl-Ing De; MUELLER, JOERG, PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2012-05-03
Also published as: WO2012059082A9; WO2012059082A2; WO2012059082A3

Abstract

Flexibles Endoskop bzw. Endoskopaufsatz und Verfahren zu seiner Herstellung Für Untersuchungen von kleinsten mechanisch oder sensorisch hochempfindlichen Kanälen insbesondere in der Medizin, wie z. B. der Tuba auditiva, existieren bislang nur Glasfaser-Endoskope. Diese sind flexibel, aber immer noch zu starr, z. B. um schmerzfrei ins Mittelohr eingeführt werden zu können. Damit bergen sie die Gefahr von Blutungen und Verletzungen der Schleimhaut, die u. a. zu Narbenbildung mit nachfolgender chronischer Mittelohrentzündung führen können. Ein weiches, hochflexibles Endoskop aus Silikon würde diese Probleme lösen und Operationen, wie sie derzeit zu diagnostischen Zwecken durchgeführt werden, in vielen Fallen erübrigen. Das Endoskop erreicht seine Flexibilität durch die Verwendung von Silikon als bildgebendem Material. Die Lichtleiter werden aus hochflexiblem, weichem, im für die Anwendung benötigten Lichtspektrum hochtransparenten Silikon durch schichtweises Aufbringen, Pressen und Aushärten von zunächst flüssigen Silikonen hergestellt, wobei jede Schicht von jeweils nur wenigen Mikrometern Dicke aus wenige Mikrometer breiten und hohen Rippenwellenleitern aus einem hochbrechenden Silikon (Kern) umgeben von einer niederbrechenden Silikonschicht (Mantel) besteht und jede der Streifenwellenleiter der hochbrechenden, strukturierten Schicht ein Bildpixel erzeugt. Eine weiche Silikonlinse 2, welche durch die Aushärtung eines Silikontropfens auf einem antihaftbeschichteten Substrat hergestellt werden kann, fokussiert das Bildsignal auf die Wellenleitermatrix 1 Die Wellenleitermatrix 1 und die Linse 2 werden mit einem optisch hochtransparenten, niederbrechenden Mantel 3 umhüllt. Ein optisch isolierendes, weiches Material 4, bspw. Silikon, wird anschließend durch Aufspruhen, Aufpinseln o. Ä. aufgebracht und ausgehärtet. In dieser optisch isolierenden Schicht 4 können weitere Funktionen realisiert werden, beispielsweise eine durch dünne Metallbänder realisierte mechanische Steuerung, mit deren Hilfe das distale Ende des Endoskops abgeknickt werden kann, oder Kanäle zum Zuführen und Absaugen von Flüssigkeiten. Zum Schluss wird das Endoskop mit einem optisch leitenden Mantel überzogen, der zur Lichtzuführung zum Beleuchten des zu beobachtenden Objekts dient, welcher aus einer optisch transparenten Silikonschicht besteht bzw. aus einem Schichtsystem optisch transparenter nieder- und hochbrechenden Silikonschichten, wobei sich eine hochbrechende 6 zwischen zwei niederbrechenden Schichten 5 und 7 befindet, sodass das Licht im hochbrechenden Bereich 6 geführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochflexibles Endoskop aus Silikon, das

– als Bildübertragungseinheit eine Wellenleitermatrix 1 aus Silikon besitzt, die aus hochtransparenten Silikonen mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebaut ist, wobei die hochbrechenden Schichten 8 als Streifenwellenleiter zur Signalübertragung dienen und die niederbrechenden Schichten 9 die Isolation zwischen den einzelnen Streifenwellenleiterschichten bilden und jede Schicht nur wenige Mikrometer hoch ist, und
– als Lichtzuführung ein Dreischichtsystem aus nieder- 5, hoch- 6 und niederbrechenden 7 hochtransparenten Silikonen besitzt, wobei das Licht in der hochbrechenden, sich in der Mitte befindlichen Schicht geführt wird, wobei
– sich zwischen Bildübertragungseinheit und Lichtzufuhrkanal eine optisch isolierende Silikonschicht 4 befindet, die die beiden optischen Signale voneinander trennt und die zur Integration weiterer Funktionen genutzt werden kann, wie beispielsweise eines Systems zur Steuerung des distalen Endes des Endoskops oder Kanäle zum Einleiten und Absaugen von Flüssigkeiten, wobei
– das Bildsignal von einer Linse 2 aus hochbrechendem Silikon auf die Wellenleitermatrix fokussiert wird, wobei die Linse zum Schutz vor Lichteinfall durch die Lichtzuführung in eine Schicht niederbrechen Silikons 3 eingelassen wird.

Für Untersuchungen von kleinsten mechanisch oder sensorisch hochempfindlichen Kanälen insbesondere in der Medizin, wie z. B. der Tuba auditiva, existieren bislang nur Glasfaser-Endoskope, wie sie beispielsweise aus US 000003010357 A und DE 000001901484 U bekannt sind. Diese sind flexibel, aber immer noch zu starr, z. B. um schmerzfrei ins Mittelohr eingeführt werden zu können. Damit bergen sie die Gefahr von Blutungen und Verletzungen der Schleimhaut, die u. a. zu Narbenbildung mit nachfolgender chronischer Mittelohrentzundung führen können. Obwohl einige Endoskop-Modelle eigens fur solche Anwendungen entwickelt worden sind, werden sie in der Praxis aufgrund der geschilderten möglichen Komplikationen und der hohen Schmerzbelastung während der Untersuchung, nicht zur Mittelohruntersuchung eingesetzt, sondern haben ihren Weg in die Neurochirurgie und in den industriellen und den Sicherheits-Sektor gefunden. Da computertomographische Aufnahmen vom Mittelohr keine eindeutige Diagnose erlauben, werden deshalb immer noch chirurgische Eingriffe (Tympanoskopie) durchgeführt, die eine lange Genesungsphase des Patienten nach sich ziehen und mit denen hohe unmittelbare und Folge-Kosten verbunden sind. Ein weiches, hochflexibles Endoskop aus Silikon würde diese Probleme lösen und Operationen, wie sie derzeit zu diagnostischen Zwecken durchgeführt werden, in vielen Fällen erübrigen
Mit der Erfindung wird ein solches Endoskop sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung geschaffen.
Die in [0001] beschriebene Wellenleitermatrix 1 wird durch sequentielle Pressung und Aushärtung optisch hochbrechender 8 und niederbrechender 9, wenige Mikrometer hoher Silikonschichten hergestellt, wobei zur Abformung jeder einzelnen Silikonschicht ein antihaftbeschichteter und ein nicht antihaftbeschichteter Abformstempel aus Silikon dienen, zwischen denen die auszuhärtende dünne Silikonschicht mittels einer Dosiereinheit in der benötigten Menge homogen verteilt und vorzugsweise unter geringem Vakuum bzw. Druckaufwand verpresst und mit den für das jeweilige Silikon zur Aushärtung benötigen Parametern (Temperatur und Aushärtezeit) beaufschlagt wird. Nach dem Aushärteprozess wird der antihaftbeschichtete Silikonstempel von der frisch gepressten Schicht abgezogen, welche auf der nicht antihaftbeschichteten Silikonschicht stehen bleibt. Damit eine optimale Signalübertragung stattfinden kann, müssen alle hochbrechenden Streifenleiterschichten 8 parallel zueinander angeordnet sein, d. h. vor dem Pressvorgang einer hochbrechenden Schicht muss der strukturierte und antihaftbeschichtete Silikonstempel parallel zu den schon gepressten Schichten auf dem nicht antihaftbeschichteten Silikonsubstrat ausgerichtet werden. zeigt einen möglichen Aufbau zum Pressen und Aushärten dünner Silikonschichten. Die Wellenleitermatrix 1 kann nach Fertigstellung auf die gewünschten Abmessungen mittels einer scharten Klinge zugeschnitten werden. Der Außendurchmesser eines Tubenendoskops für Erwachsene sollte maximal 0,8 mm betragen, der für Kinder 0,5 mm. Damit sind die Abmessungen der Wellenleitermatrix 1 auf etwa 0,5 × 0,5 mm² fur ein Erwachsenenendoskop begrenzt, und die für ein Kinderendoskop auf etwa 0,35 × 0,35 mm² Bei einem Querschnitt von etwa 4 μm² pro Streifenleiter 10 – ausreichende Größe, um eine genügend hohe Leistung innerhalb des Streifens zu führen – und einem Isoliermantel 9 mit 2 μm Abstand zur nächsten Streifenleiterschicht 8 ist eine Auflösung von etwa 15.600 Pixeln beim Erwachsenenendoskop und 7 600 Pixeln beim Kinderendoskop zu realisieren, wobei jeder der Streifenleiter ein Bildpixel realisiert. Das distale Ende der Matrix kann nach Fertigstellung auf einen gewünschten Blickwinkel geschnitten werden, üblich sind 0°, 30° und 45°, siehe
Die Herstellung eines in [0004] beschriebenen Abformstempels aus Silikon erfolgt vorzugsweise mittels eines Pressvorgangs zwischen zwei antihaftbeschichteten Siliziumscheiben, die vorher mit Photolithographie und nasschemischen und insbesondere auch trockenchemischen isotropen und anisotropen Ätzprozessen strukturiert worden sind.
Die Antihaftschicht aller in der Erfindung mit ,antihaftbeschichtet' referenzierten Flächen kann z. B. eine monomolekulare Schicht eines kurz- oder langkettigen Halogensilans bzw. einer Mischung aus kurz- und langkettigen Halogensilanen sein, wobei sich in der Praxis die Abscheidung einer Mischung aus dem langkettigen 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorsilane und dem kurzkettigen Dichlorodimethylsilan aus der Gasphase bewährt hat (, wobei zunächst das langkettige und dann das kurzkettige Gas und anschließend ein kleiner Wasserdampfanteil in den Rezipienten geleitet werden).
Die Silikonlinse 2 zur Fokussierung des Bildsignals auf die Wellenleitermatrix 1 wird durch Platzierung und Aushärtung eines Silikontropfens definierten Volumens auf einem antihaftbeschichteten Substrat, beispielsweise aus Silikon oder Silizium, realisiert. Der Radius und die Kurvenform der Linse kann durch die Güte der Antihaftschicht eingestellt werden, die durch den Kontaktwinkel zwischen Tropfenmaterial und Substratoberfläche charakterisiert werden kann.
Die Silikonlinse 2 kann durch Aushärtung einer dünnen Zwischenschicht des gleichen hochbrechenden Silikonmaterials auf der Wellenleitermatrix 1 fixiert werden.
Damit keine Einkopplung des Lichts aus dem Lichtzufuhrring 5–7 durch die Silikonlinse 2 in die Wellenleitermatrix 1 stattfindet, ragen die Isolationsschicht 4 und der Lichtzufuhrring über die Silikonlinse hinaus. Zur Fertigung wird vor dem Aufbringen der Isolationsschicht das Endoskop vorzugsweise vollständig oder nur der Endoskopkopf in niederbrechendes Silikon getaucht und kopfuber ausgehärtet, sodass die Silikonlinse 2 vollständig von dem Material 3 bedeckt wird und die gesamte Einheit eine Zylinderform bildet.
Der Zylinder 1–3 wird im Folgeschritt in ein optisch isolierendes Silikon 4 getaucht und zum Aushärten aufgehängt, sodass sich wiederum eine Zylinderform bildet. Auf gleiche Weise werden nacheinander eine niederbrechende 5, eine hochbrechende 6 und eine niederbrechende 7 Silikonschicht aufgebracht, die die Lichtzuführung zum zu beobachtenden Objekt realisieren.
In die optische Isolationsschicht 4 können weitere Funktionen integriert werden, beispielsweise können dünne, hochflexible Metallbänder zur Steuerung des distalen Endes des Endoskops in die Schicht eingebracht werden, wie sie bei anderen Endoskopmodellen üblich sind, genauso wie Kanäle zum Einleiten und Absaugen von Flüssigkeiten.
Im letzten Schritt wird das distale Ende des Endoskops auf den gewünschten Blickwinkel zurechtgeschnitten, wobei die Schnittkante vorzugsweise etwas oberhalb der Linsenspitze verläuft.
Am proximalen Ende des Silikonendoskops kann die gleiche Signalauswerteeinheit wie bei handelsüblichen Endoskopen zum Einsatz kommen
Bezugszeichenliste

1: Wellenleitermatrix
2: Linse
3: Optisch niederbrechende Umhüllung der Linse und der Wellenleitermatrix
4: Optisch isolierende Schicht
5: Optisch niederbrechender Silikonmantel
6: Optisch hochbrechender Silikonmantel
7: Optisch niederbrechender Silikonmantel
8: Optisch hochbrechende Streifenleiterschicht
9: Optisch niederbrechende Isolierschicht
10: Einzelne Rippenwellenleiter
11: Strukturierter Silikonstempel
12: Unstrukturierter Silikonstempel
13: Flüssiges auszuhärtendes Silikon
14: Siliziumwafer zur Stabilisierung des flexiblen Silikonstempels
15: Unterer Teil der Pressvorrichtung
16: Oberer Teil der Pressvorrichtung
17: Schraube zum Einnstellen des Druckes
18: Vakuumanschluss zur Fixierung des Siliziumwafers und des oberen Silikonstempels
19: Vakuumanschluss zum Abpumpen der Kammer vor dem Pressvorgang zum Ausschluss von Lufteinschlüssen beim Pressen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 000003010357 A [0002]
DE 000001901484 [0002]

Claims

Flexibles Endoskop bzw. Endoskopaufsatz und Verfahren zu seiner Herstellung zur Untersuchung von kleinsten insbesondere mechanisch oder sensorisch empfindlichen Kanälen, dessen Bildübertragung durch Lichtleiter aus hochflexiblem, weichem, im für die Anwendung benötigten Lichtspektrum hochtransparenten Silikon erfolgt und das eine Bildubertragungseinheit bildet, die durch schichtweises Aufbringen, Pressen und Aushärten von zunächst flussigen Silikonen hergestellt wird, wobei jede Schicht von jeweils nur wenigen Mikrometern Dicke aus wenige Mikrometer breiten und hohen Rippenwellenleitern aus einem hochbrechenden Silikon (Kern) umgeben von einer niederbrechenden Silikonschicht (Mantel) besteht und jede der Streifenwellenleiter der hochbrechenden, strukturierten Schicht ein Bildpixel erzeugt.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Wellenleitermatrix unterschiedliche Querschnittsformen haben können, z. B. halbkreis-, trapez-, rechteck-, dreieckförmig, quadratisch, rund oder oval.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer flüssigen Silikonschicht vorzugsweise mittels Aufsprühens oder Aufschleuderns oder Absetzens eines Tropfen definierten Volumens realisiert wird.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen des flüssigen Silikons unter vorzugsweise geringem Druck oder Vakuum zwischen einem antihaftbeschichteten und einem nicht antihaftbeschichteten Silikonstempel erfolgt, wobei die Antihaftbeschichtung vorzugsweise aus der Gasabscheidung einer Mischung lang- und kurzkettiger Halogensilane realisiert wird
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der Silikonschichten unter vorzugsweise geringem Druck oder Vakuum bei der für das jeweilige Silikon nötigen Temperatur und Aushärtezeit erfolgt
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aushärten der antihaftbeschichtete Silikonstempel vorzugsweise an einer Seite gefasst und abgezogen wird, sodass die ausgehärtete dünne Silikonschicht auf dem nicht antihaftbeschichteten Stempel und ggf. den in den vorherigen Schritten abgeformten Wellenleitermatrix-Schichten stehen bleibt.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiche Silikonlinse, welche durch die Aushärtung eines Silikontropfens auf einem antihaftbeschichteten Substrat hergestellt werden kann, das Bildsignal auf die Wellenleitermatrix fokussiert.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleitermatrix und die Linse mit einem optisch hochtransparenten, niederbrechenden Mantel umgeben werden, der die Linse gerade noch vollständig plan einhüllt.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in 1 bis 8 beschriebene Signalempfangseinheit mit einem optisch isolierenden, weichen Material, bspw. Silikon, umhüllt wird, welches durch Aufsprühen, Aufpinseln o. Ä. aufgebracht und ausgehärtet werden kann und diese weitere Funktionen beherbergen kann, beispielsweise eine durch dünne Metallbänder realisierte mechanische Steuerung, mit deren Hilfe das distale Ende des Endoskops abgeknickt werden kann, oder Kanäle zum Zuführen und Absaugen von Flüssigkeiten.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Anspruchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einem optisch leitenden Mantel überzogen wird, der zur Lichtzufuhrung zum Beleuchten des zu beobachtenden Objekts dient, welcher aus einer optisch transparenten Silikonschicht besteht bzw. aus einem Schichtsystem optisch transparenter nieder- und hochbrechenden Silikonschichten, wobei sich eine hochbrechende zwischen zwei niederbrechenden Schichten befindet, sodass das Licht im hochbrechenden Bereich geführt wird.
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es beliebige Blickwinkel zwischen 0° und etwa 45° haben kann, wobei der Blickwinkel durch einen Schnitt der Wellenleitermatrix auf den gewunschten Blickwinkel mittels eines scharfen Schneidewerkzeugs und nach Ausführen der in den Ansprüchen 7 bis 10 beschriebenen Schritte auch des gesamten distalen Endes des Endoskops realisiert werden kann, wobei der letztere Schnitt vorzugsweise parallel zum Schnitt der Wellenleitermatrix und etwas oberhalb der Linsenspitze verläuft
Endoskop und dessen Herstellungsweise nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Form für die Herstellung der Wellenleiter durch das Strukturieren von Siliziumsubstraten mit Hilfe von Photolithographie und nasschemischen und insbesondere auch trockenchemischen isotropen und anisotropen Ätzverfahren erzeugt wird.