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Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Getragen von einer Vielzahl technischer Innovationen hat sich die medizinische Endoskopie rasant fortentwickelt und die minimalinvasive Chirurgie zu einem bedeutenden und wachsenden Segment der medizinischen Versorgung gemacht.
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Der Einblick in einen medizinischen Hohlraum ist für das medizinische Personal dabei zunehmend nur durch eine Videokette möglich. Neben einer elektronischen Kamera zur Bewegtbilderfassung, die im Weiteren allgemein als „bildgebende Einrichtung” bezeichnet wird, wird auch ein Bildschirm benötigt. Darüber werden verschiedenste Einrichtungen zur Verarbeitung der Bewegtbildsignale – im Weiteren „Bildsignale” oder „Bilder” genannt – und zu deren Speicherung und Übertragung eingesetzt.
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Ein Endoskop nach dem Stand der Technik ist in 1 abgebildet. Ein vorderes, sich in einem medizinischen Hohlraum 100 befindliches Ende des Endoskops 103 wird als distales Ende 102 bezeichnet, das dem medizinischen Personal zugewandte Ende 104 ist das „proximales Ende” des Endoskops. Die bildliche Darstellung eines medizinischen Objekts 101 erfolgt mittels einer bildgebenden Einrichtung 105. Diese ist über elektrische Leitungen mit einer Verarbeitungseinrichtung 108 verbunden, an die ein erster Bildschirm 120 angeschlossen ist. Die Beleuchtung des medizinischen Hohlraums erfolgt mittels einer elektrischen Lichtquelle 111.
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Nicht dargestellt ist hier, dass im Endoskop in manchen Fällen Kanäle von einem Ende zum anderen vorhanden sind, um mit chirurgischen Arbeitsgeräten Zugang zum medizinischen Objekt 101 zu erlangen. Weiterhin sei erwähnt, dass das Endoskop 103 sowohl aus starrem Metall als auch aus flexiblem Material bestehen kann.
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Das Dokument
DE 10 2013 102 309 A1 beschreibt ein Beispiel eines solchen Endoskops nach dem Stand der Technik.
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Endoskope, bei denen sich die bildgebende Einrichtung so wie beschrieben am distalen Ende befindet, werden oft als „Chip-on-the-Tip Endoskope” bezeichnet. Flexible Endoskope, wie sie insbesondere im Bereich der gastrointestinalen Medizin verwendet werden, sind nach dem derzeitigen Stand der Technik überwiegend von diesem Typ. Insbesondere in der Vergangenheit wurden aber auch flexible Endoskope mit geordneten Bündeln von Glasfasern realisiert, die eine optische Bildweiterleitung bewirken. Die Beleuchtung des medizinischen Hohlraums erfolgt entweder über Lichtleitkabel aus Glasfasern oder zunehmend über Halbleiterleuchtdioden (LED), die am distalen Ende des Endoskops angebracht sind.
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Die Verwendung der „Chip-on-the-Tip” Technologie ist auch bei starren Endoskopen zunehmend, derzeit werden aber noch überwiegend Konstruktionen aus einer Vielzahl von Stablinsen eingesetzt, die eine Weiterleitung des optischen Bildes vom distalen Ende zum proximalen Ende bewirken, wo ein Okular und gegebenenfalls eine bildgebende Einrichtung befestigt ist.
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In der Regel befindet sich an der Spitze eines „Chip-on-the-Tip Endoskops” genau eine bildgebende Einrichtung 105. Eine solche bildgebende Einrichtung ist schematisch in 2 abgebildet. Sie enthält insbesondere ein Objektiv 210 und einen Bildsensor 200.
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Ein Bildsensor ist eine spezielle integrierte Schaltung. Es handelt sich also um ein Halbleiterbauelement, das heute in der Regel auf Siliziumbasis gefertigt wird. CCD oder CMOS Schaltungstechnologien sind bekannt. Die ausgelesene lichtempfindliche Fläche des Bildsensors wird im Weiteren als Sensorfläche 205 bezeichnet. Das von dem Bildsensor ausgegebene Bildsignal ist ein Abbild der Sensorfläche 205.
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Die gezeigte Anordnung entspricht dem Regelfall, bei dem das Objektiv 210 mit seiner optischen Achse senkrecht auf der Oberfläche des Bildsensors 200 steht. Ein auf die Sensorfläche 205 projizierte Teilbild 201 muss die Sensorfläche nicht vollständig ausnutzen. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine Blickrichtung 213, die korrespondierend zur optischen Achse des Objektivs 210 senkrecht zur Oberfläche des Bildsensors 200 ist. Die elektrischen Signale vom und zum Bildsensor sind über Kontaktflächen 206 und Anschlussdrähte 207 an eine Vorrichtung 208 zur Weiterleitung der Signale angeschlossen, zum Beispiel an einen Steckverbinder. Sogenannte Bondpads sind gebräuchliche Kontaktflächen, die durch Drahtbonden meist mit Leiterplatten oder Gehäusen verbunden werden.
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Mit dieser Konstruktion ist wie bei jedem gewöhnlichen optischen Instrument eine Einschränkung der Blickrichtung und des Bildwinkels verbunden. Die Blickrichtung des Endoskops ist durch die Ausrichtung des starren Endoskops oder, bei einem flexiblen Endoskop, durch die Ausrichtung des starren Kopfsegments vorgegeben.
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Bei bildgebenden Einrichtungen in der Endoskopie sind auch Anordnungen gebräuchlich, die ein optisches Umlenkprisma enthalten und so eine Umlenkung des optischen Pfads zum Beispiel um 90 Grad ermöglichen. Eine derartige Konstruktion ist in der Schrift
US4598980 beschrieben.
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Dem Fachmann ist geläufig, dass die Funktion eines solchen Umlenkprismas – auch Reflexionsprisma genannt – prinzipiell auch durch einen optischen Spiegel realisiert werden kann.
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Aus Sicht des medizinischen Personals kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, interessante medizinische Objekte aus verschiedenen Perspektiven betrachten zu können, um zum Beispiel die Erkennungssicherheit in der Diagnostik zu erhöhen. Eine volle Rundumsicht würde auch die Orientierung im medizinischen Hohlraum verbessern.
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Weiterhin kann die exakte Handhabung chirurgischer Instrumente in manchen Situationen einfacher sein, wenn eine Beobachtung der Arbeitsvorgänge aus einer anderen Perspektive möglich ist.
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Verschiedene technische Lösungsvorschläge für Verbesserungen der Endoskopietechnik mit diesen Zielen sind bekannt.
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In
US6537209B1 ist ein Endoskop mit einem drehbar angeordneten Prismenkopf beschrieben, sodass die Blickrichtung immer seitlich ist und um 360 Grad gedreht werden kann.
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Das in
US20130044361A1 beschriebene Endoskop enthält zwei Umlenkprismen. Damit wird eine Schwenkbarkeit des vorderen Teils der Optik um die optische Achse zwischen den beiden Prismen ermöglicht, sodass die Blickrichtung der bildgebenden Einrichtung bei unveränderter Lage des Endoskops geschwenkt werden kann und auch ein Blick nach vorn, in Richtung der Endoskopachse, möglich ist.
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US6560013B1 ist konstruktiv anders gestaltet aber prinzipiell der vorherigen Lösung ähnlich.
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DE 10 2009 059 004 A1 zeigt eine Lösung auf, bei der zwei in unterschiedliche Richtungen weisende Objektive eingesetzt werden. Das Endoskop enthält einen Bildsensor. Im optischen Pfad zwischen den Objektiven und dem Bildsensor befindet sich eine optische Umschaltvorrichtung. Mittels eines Aktuators kann ein besonders konstruiertes Umlenkprisma mechanisch so verschoben werden, sodass das Bild von einem der beiden Objektive ausgewählt werden kann.
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EP0347140B1 beschreibt eine Variante, die ebenso auf zwei Objektiven und einem Bildsensor basiert. Hier erfolgt die Umschaltung jedoch durch Flüssigkristallelemente, die als elektrisch steuerbare Lichtventile wirken.
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Ebenso sind Varianten mit schwenkbaren optischen Spiegeln bekannt.
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Die gleichzeitige Erfassung von mehreren Bildern ist mittels mehrerer bildgebende Einrichtungen am distalen Ende des Endoskops möglich. In
3 ist vereinfacht das Kopfsegment eines flexibles Endoskop dargestellt, wie es aus
WO2012056453A2 bekannt ist. In einem Kopfsegment
300 des Endoskops, das sich am distalen Ende befindet, sind drei bildgebende Einrichtungen
310,
320,
330 angeordnet, die drei verschiedene Blickrichtungen erfassen. Die rechte bildgebende Einrichtung
310 besteht aus einem rechten Objektiv
311 und einem rechten Bildsensor
312. Der rechten bildgebenden Einrichtung
310 ist eine rechte Lichtquelle
313 zugeordnet. Entsprechend sind eine stirnseitige bildgebenden Einrichtungen
320 und eine linke bildgebende Einrichtung
330 vorhanden, denen die Lichtquellen
323 bzw.
333 zugeordnet sind. Als weiteres Element ist eine Arbeitskanal
301 realisiert. Dieses Endoskop kann gleichzeitig Bilder der drei bildgebenden Einrichtungen liefern, die sich z. B. auf drei Bildschirmen betrachten lassen. Dies stellt unter den Gesichtspunkten der Beobachtung aus verschiedenen Perspektiven und der Orientierung im medizinischen Hohlraum eine signifikante Verbesserung dar.
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Aufgabenstellung
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Es besteht Bedarf an einem Endoskop mit geringen Abmessungen, das eine gleichzeitige Sicht in verschiedene Blickrichtungen bei guter Bildqualität ermöglicht.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
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Ein Endoskop nach der Erfindung weist an seinem distalen Ende Lichtquellen und genau eine bildgebende Einrichtung auf. Die bildgebende Einrichtung enthält mehrere optische Pfade und genau einen Bildsensor mit einer Sensorfläche. Auf die Sensorfläche wird eine erste Anzahl von Teilbildern projiziert wird, welche zusammen die Sensorfläche im Wesentlichen ausfüllen. Die erste Anzahl soll dabei zwei oder größer sein. Jedes der ersten Anzahl von Teilbildern wird durch einen zugeordneten optischen Pfad projiziert. Weiterhin ist jedem der ersten Anzahl von Teilbildern genau eine Lichtquelle zugeordnet. Jeder der optischen Pfade enthält ein Objektiv und ein Umlenkprisma.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Nebenansprüche beziehen sich auf ein Verfahren zur Belichtungssteuerung und ein Verfahren zur Verarbeitung und Darstellung eines erfassten Bildsignals.
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Ein Verfahren zur Belichtungssteuerung des erfindungsgemäßen Endoskops ist angegeben. Dabei erzeugt eine Verarbeitungseinrichtung Informationen über den Belichtungszustand der Teilbilder. Davon ausgehend werden die Beleuchtungsintensitäten der einzelnen, jeweils einer Blickrichtung und damit einem Teilbild zugeordneten Lichtquellen individuell eingestellt. So kann eine korrekte Belichtung aller Teilbilder erreicht werden, auch wenn ein gegebener Bildsensor eine gleiche Belichtungszeit für alle Teilbilder bedingt.
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Ein Verfahren zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals von dem erfindungsgemäßen Endoskop ist angegeben. In einer Verarbeitungseinrichtung werden dem empfangenen Bildsignal Teilbilder der verschiedenen Blickrichtungen entnommen, durch geeignete Bildverarbeitungsoperationen aufbereitet, zum Beispiel gedreht oder gespiegelt und optional zu einem kombinierten Bild zusammengefügt. Die visuelle Darstellung auf einem oder mehreren Bildschirmen erfolgt anschließend, genauso ist auch eine Speicherung der verarbeiteten Teilbilder oder des kombinierten Bildes auf einem Speichermedium möglich.
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Anwendbarkeit und Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Endoskop erlaubt die gleichzeitige Bilderfassung von medizinischen Objekten, die sich in verschiedenen Richtungen relativ zum distalen Ende des Endoskops befinden.
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Damit entfallen die bei den bekannten Umschaltlösungen erforderliche Auswahl einer in der jeweiligen Situation geeigneten Blickrichtung und die damit verbundene Zusatzbelastung des medizinischen Personals. Auch die hierbei mögliche Desorientierung des medizinischen Teams ist ausgeschlossen, die sich ja ergäbe, wenn eine Einzelperson nach eigenem Ermessen auf demselben Bildschirm wechselnde Blickrichtungen darstellt.
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Das Endoskop verwendet nur eine bildgebende Einrichtung mit nur einem Bildsensor. Damit wird eine mechanisch sehr kompakte Konstruktion des Endoskops, insbesondere an seinem distalen Ende, ermöglicht.
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Der Bildsensor wird hier über das proximale Ende des Endoskops einerseits mit Stromversorgungs- und Steuerungseinrichtungen, andererseits mit Vorrichtungen, die das elektrische Bildsignal empfangen und weiterverarbeiten, verbunden. Die Anzahl der notwendigen elektrischen Leitungen ist mit der erfindungsgemäßen Lösung dann natürlich entsprechend geringer, als dies bei einer Lösung mit einer Vielzahl von Bildsensoren der Fall wäre. Weniger Leitungen erfordern auch weniger Platz und ermöglichen kleinere Steckverbinder mit weniger Anschlüssen. Auch Folgeaufwände in der Verarbeitungseinrichtung bei der Erfassung der Bilder von ggf. mehreren Bildsensoren sind reduziert.
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Jeder Bildsensor benötigt im Betrieb eine elektrische Stromversorgung und er erzeugt Verlustwärme. Dementsprechend erwärmt sich das distale Ende des Endoskops. Die Begrenzung der Temperatur am distalen Ende erfordert immer geeignete technische Maßnahmen zur Wärmeabführung. Ein einziger Bildsensors erzeugt weniger Verlustwärme als drei, sodass sich diese konstruktive Aufgabenstellung erheblich vereinfacht. Die Temperaturen auf der Außenseite und im Inneren des Endoskops lassen sich auf akzeptable Werte beschränken.
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Es ist bekannt, dass jede Temperaturerhöhung bei einem Bildsensor die Bildqualität praktisch immer verschlechtert. Ebenso bekannt reduzieren hohe Temperaturen oder Temperaturzyklen die Lebensdauer eines Halbleiterbauelements. Mit dem erfindungsgemäßen Endoskop vermeidet man diese beiden Probleme oder kann sie entscheidend abmildern.
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Die zwei oder mehreren Teilbilder in den verschiedenen Blickrichtungen werden mit voller Bildrate erfasst, sodass medizinische Beobachtungen und Arbeitsvorgänge nicht wegen einer eingeschränkten Bewegungsauflösung behindert werden.
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Bei den meisten Bildsensoren kann die Sensorfläche durch Programmierung auf eine gewünschte Teilfläche aller physikalisch vorhandenen Pixelzellen beschränkt werden. Es wird dann nur ein Abbild dieser gewählten Teilfläche ausgegeben, hier z. B. nur eines der mehreren Teilbilder. Damit ist die nach dem Stand der Technik bekannte Umschaltung zwischen verschiedenen Objektiven und Blickrichtungen auch mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, hier aber mittels einer bloßen Umprogrammierung des Bildsensors.
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Mit der bei Bedarf so verkleinerten Sensorfläche lässt sich die Bildrate weiter erhöhen, sodass man sehr schnelle Bewegungsvorgänge mit z. B. einem Teilbild wie mit einer Zeitlupenkamera erfassen kann.
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Das erfindungsgemäße Endoskop enthält keine mechanisch bewegten Teile. Die Anzahl der Komponenten ist gegenüber bekannten Lösungen deutlich verringert, insbesondere ist nur ein Bildsensor statt möglicherweise dreien vorhanden. Folgerichtig erwartet der Fachmann entsprechend verringerte Herstellungskosten, kleinere Ausfallraten und niedrige Wartung- und Reparaturkosten.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele weisen nur gleichartige optische Pfade auf. Jeder optische Pfad enthält neben einem Objektiv ein Umlenkprisma. Die gleichartige Ausführung aller optischen Pfade ermöglicht eine kostengünstige Großstückzahlfertigung nach dem Baukastenprinzip und garantiert gleichartige Teilbilder.
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Zusammengefasst werden kompakte Abmessungen, eine hohe Lebensdauer, Wartungsfreundlichkeit und niedrige Herstellungskosten bei dem erfindungsgemäßen Endoskop mit verbesserter Rundumsicht und Bildqualität erreicht.
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Zeichnungen
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Die Zeichnungen stellen den Stand der Technik dar oder gehören zu den unten erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Endoskops mit einer bildgebenden Einrichtung am distalen Ende nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung einer bildgebenden Einrichtung für ein Endoskop nach dem Stand der Technik,
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3 eine schematische Darstellung eines Endoskops mit drei bildgebenden Einrichtungen nach dem Stand der Technik,
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4 ein Ausführungsbeispiel eines Endoskops nach der Erfindung,
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5 eine erstes Ausführungsbeispiel einer bildgebenden Einrichtung,
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer bildgebenden Einrichtung,
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7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer bildgebenden Einrichtung – in der Ansicht von der Seite,
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8 das dritte Ausführungsbeispiel einer bildgebenden Einrichtung – in der Ansicht von oben,
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9 Abbildung einer bildgebende Einrichtung und steuerbare Lichtquellen zur Erläuterung des Verfahrens der Belichtungssteuerung,
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10 Abbildung zur Erläuterung von Verfahren zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals,
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11 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Belichtungssteuerung dargestellt als Flussdiagramm,
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12 Ausführungsbeispiel eines ersten Verfahrens zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals, dargestellt als Flussdiagramm,
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13 Ausführungsbeispiel eines zweiten Verfahrens zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals, dargestellt als Flussdiagramm.
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Ausführungsbeispiele
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Endoskops 103 nach der Erfindung dargestellt. In einem medizinischen Hohlraum 100 befinden sich ein erstes medizinisches Objekt 101 und ein zweites medizinisches Objekt 110. An einem distalen Ende 102 des Endoskops 103 ist eine bildgebende Einrichtung 105 angeordnet, die Bilder des ersten medizinischen Objekts 101 und des zweiten medizinischen Objekts 110 erfasst. Die Handhabung des Endoskops 103 erfolgt mit einem proximalen Ende 104. Die bildgebenden Einrichtung 105 ist mit ersten elektrischen Leitungen 106 über das proximale Ende 104 des Endoskops 103 und zweiten elektrischen Leitungen 107 mit einer Verarbeitungseinrichtung 108 verbunden ist. An der Verarbeitungseinrichtung 108 sind ein erster Bildschirm 120 und ein zweiter Bildschirm 121 angeschlossen.
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Weiterhin sind an dem distalen Ende 102 des Endoskops 103 eine erste Lichtquelle 111 und eine zweite Lichtquelle 112 angeordnet. Die erste Lichtquelle 111 und die zweite Lichtquelle 112 beleuchten das erste medizinische Objekt 101 bzw. das zweite medizinische Objekt 110. Die Lichtquellen 111, 112 leuchten in deutlich verschiedene Richtungen. Die Lichtquellen 111, 112 sind über endoskopseitige Ansteuerleitungen 115 und benutzerseitige Ansteuerleitungen 116 mit einer Ansteuereinrichtung 117 verbunden. Die Ansteuereinrichtung 117 ist an eine Stromversorgungsvorrichtung 118 angeschlossen.
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Weiterhin tauscht die Ansteuereinrichtung 117 Informationen über einen Übertragungsweg 119 mit der Verarbeitungseinrichtung 108 aus.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der im Endoskop 103 enthaltenen bildgebenden Einrichtung 105 ist in 5 dargestellt. Sie besteht aus genau einem Bildsensor 200, auf dem sich eine Sensorfläche 205 befindet. Mittels eines ersten Objektivs 210 wird auf die Sensorfläche 205 ein erstes Teilbild 201 projiziert. Das eingezeichnete erste Teilbild 201 entspricht einer willkürlich angenommenen, rechteckig begrenzten Bildvorlage. Die optische Achse des ersten Objektivs 210 korrespondiert mit einer ersten Blickrichtung 213. Diese steht senkrecht auf der Oberfläche des Bildsensors 200.
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Weiterhin beinhaltet dieses Ausführungsbeispiel ein zweites Objektiv 520 und ein zweites Umlenkprisma 521. Die vom zweiten Objektiv 520 gelieferten Lichtstrahlen werden von dem zweiten Umlenkprisma 521 um 90 Grad umgelenkt. Es wird ein zweites Teilbild 502 auf die Sensorfläche 205 projiziert. Die optische Achse des zweiten Objektivs 520 korrespondiert mit einer zweiten Blickrichtung 523. Diese ist parallel zur Oberfläche des Bildsensors 200. Das zweite Objektiv 520 und das zweite Umlenkprisma 521 sind Teile eines zweiten optischen Pfads.
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In der Zeichnung 5 sind die Abstände zwischen den Elementen übertrieben groß, in Art einer Explosionszeichnung, dargestellt. In der Praxis wird dagegen das zweite Umlenkprisma 521 sehr nah über der Oberfläche des Bildsensors 200 angeordnet sein. Das zweite Objektiv 520 kann auch direkt am zweiten Umlenkprisma 521 befestigt sein. Es ist auch möglich, dass ein Objektiv und ein Prisma, wie beispielsweise das zweite Objektiv 520 und das zweite Umlenkprisma 521, als eine feste mechanische Einheit vorliegen.
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Die zweite Blickrichtung 523 kann verschieden von der Darstellung sein. So kann beispielsweise die Kombination des zweiten Objektivs 520 und des zweiten Umlenkprismas 521 in der Ebene der Oberfläche des Bildsensors geschwenkt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel bewirkt das Umlenkprisma eine Lichtumlenkung mit einem Winkel von 90 Grad. Technisch sind ohne weiteres auch Umlenkprismen realisierbar, die andere Winkel als 90 Grad und damit andere Blickrichtungen als im ersten Ausführungsbeispiel ermöglichen.
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Es ist in 5 erkennbar, dass das erste Teilbild 201 einen Teil der Sensorfläche 205 belegt und das zweite Teilbild 502 einen anderen Teil der Sensorfläche 205.
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In 10 ist dargestellt, dass das erste Teilbild 201 und das zweite Teilbild 502 in einem Bildsignal 1000 enthalten sind. Die Teilbilder 201, 502 sind nebeneinander angeordnet und stören sich nicht gegenseitig. Das Bildsignal 1000, dass aus der Bilderfassung der Sensorfläche 205 resultiert, wird von dem Bildsensor 200 elektrisch ausgegeben und über die ersten elektrische Leitungen 106 und die zweiten elektrischen Leitungen 107 an die Verarbeitungseinrichtung 108 übertragen.
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Bedingt durch die Verwendung des zweiten Umlenkprismas 521 ist das zweite Teilbild 502 horizontal oder vertikal gespiegelt. Denn der Bildsensor 200 liest die Sensorfläche 205 üblicherweise zeilensequentiell nach einem gleichen Richtungsschema aus.
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Es ist ersichtlich, dass das erste Teilbild 201 und das zweite Teilbild 502 die Sensorfläche 205 ausfüllen, insbesondere dass keine Platz für ein weiteres, beispielsweise anderweitig erzeugtes Teilbild vorhanden ist.
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Die Abbildung 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Gegenüber 5 ist ein erster optischer Pfad mit dem ersten Objektiv 210 ergänzt um ein erstes Umlenkprisma 611. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht, dass die erste Blickrichtung 213 und die zweite Blickrichtungen 523 beide parallel zur Oberfläche des Bildsensors 200 sind.
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Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad gleich ausgeführt sind. Weiterhin können ein Objektiv und ein zugehöriges Umlenkprisma als gemeinsame optische Einheit vorliegen. Von dieser Einheit werden dann zwei gleiche eingesetzt.
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Daraus resultieren erhebliche Vorteile. Einerseits ist die Herstellung wegen der höheren Stückzahl und geringeren Typenvielfalt kostengünstiger. Weiterhin sind alle optischen Einheiten nominell gleich hinsichtlich der Farbwidergabe, der Bildverzerrungen und anderer optischer Eigenschaften. Dies vereinfacht die Korrektur und das Zusammenfügen der Teilbilder in der nachfolgenden Signalverarbeitung.
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Vereinfacht und funktional betrachtet hat ein erfindungsgemäßes Endoskop an seinem distalen Ende eine bildgebende Einrichtung, die genau einen Bildsensor enthält. Bilder von zwei oder mehr Blickrichtungen werden mittels Objektiven und Umlenkprismen auf die Sensorfläche des Bildsensors projiziert und so gleichzeitig erfasst.
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Ein von dem Bildsensor bereitgestelltes Bildsignal ist ein Abbild der gesamten Sensorfläche. Das Bildsignal enthält also zwei oder mehr mosaikartig nebeneinander angeordnete Teilbilder, die von den zwei oder mehr optischen Pfaden abgebildet werden.
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In 7 und 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel abgebildet. 7 ist dabei die Ansicht von der Seite, 8 die Ansicht von Oben.
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Die bildgebende Einrichtung 105 in dem erfindungsgemäßen Endoskop 103 enthält wiederum den Bildsensor 200, auf dem die Sensorfläche 205 und die elektrischen Kontaktflächen 206 vorhanden sind. Letztere sind hier nur zur Orientierung dargestellt.
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Das erstes Objektiv 210 und das erstes Umlenkprisma 311 projizieren das erste Teilbild 201 auf die Sensorfläche 205, wobei die erste Blickrichtung 213 parallel zur Oberfläche des Bildsensors 200 ist, und zwar in einer Längsrichtung.
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Das zweite Objektiv 520 und das zweite Umlenkprisma 521 projizieren das zweite Teilbild 502 auf die Sensorfläche 205, wobei die zweite Blickrichtung 523 parallel zur Oberfläche des Bildsensors 200 ist, und zwar senkrecht zu der Längsrichtung.
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Ein drittes Objektiv 730 und eine drittes Umlenkprisma 731 projizieren ein drittes Teilbild 703 auf die Sensorfläche 205, wobei eine dritte Blickrichtung 733 parallel zur Oberfläche des Bildsensors 200 ist, und zwar entgegengesetzt zu der zweiten Blickrichtung 523. Das dritte Objektiv 730 und das dritte Umlenkprisma 731 sind Teile eines dritten optischen Pfads.
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Beim Ausführungsbeispiel in 8 werden die drei Teilbilder der verschiedenen Blickrichtungen in einer Reihe nebeneinander auf die Sensorfläche 205 projiziert. Auch erscheinen die drei Teilbilder gleich groß. Jedoch können auch Varianten des Ausführungsbeispiels, die eines oder beide der genannten Merkmale nicht aufweisen, technisch vorteilhaft sein. Als Beispiel könnten zwei der drei projizierten Teilbilder kleiner und damit von geringerer relativer Auflösung sein. Und gerade bei dieser Variante ist auch eine andere Platzierung der projizierten Teilbilder auf der Sensorfläche als die lineare Anordnung möglich und sinnvoll.
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Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele von Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Endoskops 103 beschrieben. Die Verfahren beinhalten eine Verarbeitung des Bildes 1000 von dem Endoskop 103, eine Steuerung der Belichtung und eine Darstellung von Bildern auf den Bildschirmen 120, 121.
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In 9 ist schematisch und beispielhaft ein Teil des Endoskops 103 nach der Erfindung dargestellt, um ein Verfahren zur Belichtungssteuerung zu beschreiben. Die bildgebende Einrichtung 105 wurde in und zu 5 weiter oben bereits beschrieben. Dem ersten Objektiv 210 und dem zweiten Objektiv 520 sind die erste Lichtquellen 111 bzw. die zweite Lichtquelle 112 zugeordnet. Die erste Lichtquelle 111 strahlt in eine erste Richtung 973, die der ersten Blickrichtung 213 entspricht. Die zweite Lichtquelle 112 strahlt in eine zweite Richtung 983, die der zweiten Blickrichtung 523 entspricht.
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Die erste Lichtquelle 111 ist über eine erste Ansteuerleitung 975 mit der Ansteuereinrichtung 117 verbunden. Die zweite Lichtquelle 112 ist über eine zweite Ansteuerleitung 985 mit der Ansteuereinrichtung 117 verbunden. Die Ansteuereinrichtung 117 gibt für die erste Lichtquelle 111 erste elektrische Parameter und für die zweite Lichtquelle 112 verschiedene zweite elektrische Parameter vor. Es ist so eine getrennte Helligkeitseinstellung jeder Lichtquelle möglich.
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Bildsensoren sind im Regelfall so konstruiert, dass das Bildsignal 1000 – also das gesamte Abbild der Sensorfläche 205 – mit einer gleichen Belichtungszeit erfasst wird.
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Nun kann aber die Helligkeit der medizinischen Objekte 101, 110 in den verschiedenen Blickrichtungen 213, 523 unterschiedlich sein. Falls vorhanden, kann die Blendeneinstellung der Objektive 210, 520 hier eingesetzt werden, um die Belichtung aller Teilbilder 201, 502 korrekt zu gestalten. Oft werden miniaturisierte Objektive aber ohne Blendeneinstellung ausgeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Belichtungssteuerung ist im Folgenden beschrieben und in 11 als Flussdiagramm dargestellt.
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Das von dem Endoskop 103 geliefertes Bildsignal 1000 wird empfangen 1100. Dem Bildsignal 1000 wird ein erstes Teilbild 201 entnommen 1101 und ein zweites Teilbild 502 entnommen 1102. Das erste Teilbild 201 und das zweite Teilbild 502 werden analysiert und Belichtungszustandsinformationen ausgegeben 1103. Aus den Belichtungszustandsinformationen wird ein erster Steuerwert für die erste Lichtquelle 111 und ein zweiter Steuerwert für die zweite Lichtquelle 112 bestimmt 1104.
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Die genannten Schritte werden beispielsweise in der Verarbeitungseinrichtung 108 durchgeführt. Der erste Steuerwert und der zweite Steuerwert werden an die Ansteuereinrichtung 117 übertragen 1105. Diese setzt den ersten Steuerwert in erste elektrische Parameter für die erste Lichtquelle 111 und den zweiten Steuerwert in zweite elektrische Parameter für die zweite Lichtquelle 112 um 1106.
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Als Lichtquellen werden vorteilhaft Halbleiterleuchtdioden verwendet. Dann erfolgt die Ansteuerung z. B. durch Vorgabe des Stromes oder des Puls-Pausenverhältnisses. Aber auch andere Typen von Lichtquellen sind einsetzbar.
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In 9 ist jedem Objektiv eine Lichtquelle zugeordnet. Dies soll keine Einschränkung bedeuten. Ebenso kann die einem Objektiv zugeordnete Lichtquelle aus einer Gruppe von lichtemittierenden Elementen bestehen. Effektiv soll nur die Beleuchtungsintensität in jeder Blickrichtung gezielt einstellbar sein.
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Ohne Aufwand kann die Ansteuereinrichtung 117 auch einzelne Lichtquellen, alle Lichtquellen oder die Lichtquellen für eine oder mehrere Blickrichtungen ganz abschalten, wenn diese für die aktuelle Betriebsart des Endoskops nicht erforderlich sind.
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Auch die getrennte Ansteuerung von lichtemittierenden Elementen mit unterschiedlichen Eigenschaften ist möglich.
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So kann man eine Lichtquelle durch eine Gruppe von Halbleiterleuchtdioden mit verschiedenen Spektren der elektromagnetischen Emission realisieren. Das Prinzip ermöglicht beispielsweise eine farbsequentielle Bilderfassung, eine Fluoreszenzanregung der Bildobjekte, einen Einstellung der Farbtemperatur oder auch eine verbesserte Bilderfassung durch einen erweiterten Farbraum. Beispielsweise könnten drei Halbleiterleuchtdioden in den Farben: Rot, Grün, Blau verwendet werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von zwei Verfahrens zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals 1000 dargestellt, das das erfindungsgemäße Endoskop 103 liefert. Das Verfahren wird mit der Verarbeitungseinrichtung 108 durchgeführt, verarbeitete Bilder werden auf dem ersten Bildschirm 120 und dem zweiten Bildschirm 121 dargestellt.
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10 zeigt anschaulich das vom Endoskop 103 empfangene Bildsignal 1000. Das Bildsignal 1000 enthält das erste Teilbild 201 und das zweites Teilbild 502, die entsprechend den angeordneten optischen Pfaden auf die Sensorfläche 205 des Bildsensors 200 projiziert werden.
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Ein Umlenkprisma bewirkt eine zusätzliche Achsenspiegelung, die in einem optischen Pfad ohne Umlenkprisma nicht gegeben ist. Auch können bedingt durch unterschiedliche Objektive die Abbildungsmaßstäbe der Teilbilder unterschiedlich sein. Auch eine Verdrehung der Teilbilder relativ zueinander oder relativ zur Wunschorientierung des medizinischen Personals kann vorliegen.
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In 10 ist dargestellt, wie das erste Teilbild 201 horizontal gespiegelt wird. Das zweite Teilbild 502 wird gedreht und in der Größe skaliert. Ausgehend von dem ersten Teilbild 201 und dem zweiten Teilbild 502 ergibt sich ein erstes verarbeitetes Teilbild 1011 bzw. ein zweites verarbeitetes Teilbild 1012. In einem optionalen Folgeschritt werden die verarbeiteten Teilbilder 1011, 1012 zu einem kombinierten Bild 1020 zusammengefügt.
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In 12 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erstes Verfahren zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals als Flussdiagramm dargestellt. Das von einem Endoskop 103 gelieferten Bildsignal 1000 wird empfangen 1100. Dem Bildsignal 1000 wird das erste Teilbild 201 entnommen 1101 und das zweite Teilbild 502 entnommen 1102. Das erste Teilbild und das zweite Teilbild werden in der Folge zunächst getrennt verarbeitet. Auf das erste Teilbild 201 wird eine definierte Bildverarbeitungsoperation angewandt, die eine Spiegelung oder eine Drehung um einen Winkel ist 1202. Aus dem ersten Teilbild 201 wird auf diese Weise ein erstes verarbeitetes Teilbild 1011 erzeugt.
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Aus dem zweiten Teilbild 502 wird ein zweites verarbeitetes Teilbild 1012 erzeugt 1203. Über die definierte Bildverarbeitungsoperation hinaus ist eine Folge von weiteren Bildverarbeitungsoperationen oder andere als die genannten Bildverarbeitungsoperationen bei einem oder beiden der Teilbilder 201, 502 möglich.
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Auch soll der in diesem Ausführungsbeispiel gegebene Bezug auf das erste Teilbild keine Zuordnung zur Lage auf der Sensorfläche oder zu einem optischen Pfad bedeuten. Die definierte Bildverarbeitungsoperation kann ebenso auch auf das zweite Teilbild angewandt werden.
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Das erste verarbeitete Teilbild 1011 wird auf dem ersten Bildschirm 120 dargestellt 1204. Das zweite verarbeitete Teilbild 1012 wird auf dem zweiten Bildschirm 121 dargestellt 1205.
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13 stellt ein Ausführungsbeispiel für ein zweites Verfahren zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals als Flussdiagramm dar. Die ersten fünf Schritte sind gleich wie bei dem ersten Verfahren zur Verarbeitung und Darstellung des Bildsignals und 12. Anschließend werden hier jedoch das erste verarbeitete Teilbild 1011 und das zweite verarbeitete Teilbild 1012 zu einem kombinierten Bild 1020 zusammengefügt 1305. Das kombinierte Bild 1020 wird auf dem ersten Bildschirm 120 dargestellt 1306.
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Die verarbeiteten Teilbilder 1011, 1012 und das kombinierte Bild 1020 lassen sich auch auf einem Speichermedium speichern.
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Zur besseren Anschaulichkeit wurden oben oft Ausführungsbeispiele mit zwei Blickrichtungen beschrieben. Selbstverständlich ist aber eine Realisierbarkeit mit drei oder mehr Blickrichtungen immer gegeben.
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Die Winkel zwischen den Blickrichtungen der Objektive und die Winkel zwischen den Richtungen, in die die Lichtquellen leuchten, wurden oft als senkrecht bezeichnet. Natürlich sind aber auch andere Winkel als 90 Grad möglich. Nur sollen die Winkel hinreichend unterschiedlich sein, um den Vorteil einer verbesserten Rundumsicht zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- medizinischer Hohlraum
- 101
- erstes medizinisches Objekt
- 102
- distales Ende des Endoskops
- 103
- Endoskop
- 104
- proximales Endes des Endoskops
- 105
- bildgebende Einrichtung
- 106
- erste elektrische Leitungen
- 107
- zweite elektrische Leitungen
- 108
- Verarbeitungseinrichtung
- 110
- zweites medizinisches Objekt
- 111
- erste Lichtquelle
- 112
- zweite Lichtquelle
- 115
- endoskopseitige Ansteuerleitungen
- 116
- benutzerseitige Ansteuerleitungen
- 117
- Ansteuereinrichtung
- 118
- Stromversorgungsvorrichtung
- 119
- Übertragungsweg
- 120
- erster Bildschirm
- 121
- zweiter Bildschirm
- 200
- Bildsensor
- 201
- erstes Teilbild
- 205
- Sensorfläche
- 206
- Kontaktflächen
- 207
- Anschlussdrähte
- 208
- Weiterleitungsvorrichtung
- 210
- erstes Objektiv
- 213
- erste Blickrichtung
- 300
- Kopfsegment des Endoskops
- 301
- Arbeitskanal
- 310
- rechte bildgebende Einrichtung
- 311
- rechtes Objektiv
- 312
- rechter Bildsensor
- 313
- rechte Lichtquelle
- 320
- stirnseitige bildgebende Einrichtung
- 323
- stirnseitige Lichtquelle
- 330
- linke bildgebende Einrichtung
- 333
- linke Lichtquelle
- 502
- zweites Teilbild
- 520
- zweites Objektiv
- 521
- zweites Umlenkprisma
- 523
- zweite Blickrichtung
- 611
- erstes Umlenkprisma
- 703
- drittes Teilbild
- 730
- drittes Objektiv
- 731
- drittes Umlenkprisma
- 733
- dritte Blickrichtung
- 973
- Strahlungsrichtung der ersten Lichtquelle
- 975
- erste Ansteuerleitung
- 983
- Strahlungsrichtung der zweiten Lichtquelle
- 985
- zweite Ansteuerleitung
- 1000
- Bildsignal von der bildgebenden Einrichtung
- 1011
- erstes verarbeitetes Teilbild
- 1012
- zweites verarbeitetes Teilbild
- 1020
- kombiniertes Bild
- 1100–1105
- Bezugszeichen in 11
- 1200–1205
- Bezugszeichen in 12
- 1300–1305
- Bezugszeichen in 13
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Zitierte Patentdokumente
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Zitierte Nicht-Patentdokumente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013102309 A1 [0006, 0105]
- US 4598980 [0013, 0105]
- US 6537209 B1 [0018, 0105]
- US 20130044361 A1 [0019]
- US 6560013 B1 [0020, 0105]
- DE 102009059004 A1 [0021, 0105]
- EP 0347140 B1 [0022, 0105]
- WO 2012056453 A2 [0024, 0105]
