DE102017102178B3

DE102017102178B3 - Endoskop und Fertigungsverfahren für ein Kameraboard mit Längsstiften mit drei Funktionen

Info

Publication number: DE102017102178B3
Application number: DE102017102178.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Fieber; Felix Abicht; Günter Schütz
Original assignee: Invendo Medical GmbH
Current assignee: Invendo Medical GmbH
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2037-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft Endoskop (1) mit einem Endoskopschaft (20), an dessen distalem Ende sich ein Endoskopkopf mit einer Optik (11) zur Bildübertragung mittels eines Bildsensors (12) sowie zumindest einem Beleuchtungselement (14) vorgesehen ist, die über Funktions- und/oder Versorgungskanäle (21) innerhalb des Endoskopschafts (20) an eine Betriebseinheit oder Betriebsstation angeschlossen oder anschließbar sind. Erfindungsgemäß sind dabei in dem Endoskopkopf zumindest zwei in Längsrichtung des Endoskops beabstandete Platinenebenen (15.1, 15.3, 15.5) vorgesehen und am Rand oder Außenumfang der distalen Ebene (15.5) sind zumindest zwei Stifte (16) fixiert, die sich in Richtung hin zur proximalen Ebene (15.1, 15.3) erstrecken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endoskop mit einem Endoskopschaft, an dessen distalem Ende zur Bildübertragung eine Optik mit einem Bildsensor sowie zumindest ein Beleuchtungselement angeordnet ist, die über Funktions- und/oder Versorgungskanäle innerhalb des Endoskopschafts an eine Betriebseinheit oder Betriebsstation angeschlossen oder anschließbar sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Bildgebermoduls für ein solches Endoskop.
Hintergrund der Erfindung
Endoskope sind medizinische Arbeitsgerätschaften, mittels denen das Innere von in der Regel lebenden Organismen aber auch technischen Hohlräumen untersucht und/oder manipuliert werden kann. Ursprünglich für die humanmedizinische Diagnostik entwickelt, werden sie heute auch für minimal-invasive operative Eingriffe an Mensch und Tier sowie in der Industrie zur Sichtprüfung schwer zugänglicher Hohlräume eingesetzt. Zu den Endoskopen zählen die starren und flexiblen Endoskope und deren Unterarten.
Ein starres Endoskop leitet die Bildinformationen des zu untersuchenden Objekts bzw. Raums durch ein Linsensystem im Inneren des Endoskopschafts bzw. im distalen Endoskopkopf an ein proximal angeordnetes Okular weiter. Beispiele hierfür sind das technische Boreskop und medizinisch das Arthroskop und Zystoskop.
Das für die Untersuchung/Inspektion notwendige Licht wird entweder durch ein distales Leuchtmittel (z.B. LED) im Endoskopkopf bereitgestellt oder über einen an ein proximales Leuchtmittel angeschlossenen Lichtleiter, ebenfalls im Inneren des Schafts, durch Glasfaserbündel an die distale Spitze des Endoskops transportiert.
Bei einem flexiblen Endoskop werden Bild und Licht ebenfalls häufig über Glasfaserbündel übertragen. Beispiele sind das technische Flexoskop und das medizinische Gastroskop, Koloskop und Bronchoskop.
Ab einem praktikablen Durchmesser sind flexible (und auch starre) Endoskope auch mit auswechselbaren statt festmontierten Objektiven (Vor/Seit oder Rückwärts) sowie zusätzlichen Arbeitskanälen zum Einführen von mikromechanischen Geräten (kleine Zangen oder Greifer) in den Untersuchungs- bzw. Inspektionsraum erhältlich. Flexible Endoskope besitzen meist eine über eingebaute Bowdenzüge oder Hydraulik-Stellantriebe fernsteuerbare Gerätespitze (Endoskopkopf). Diese kann je nach Modell und Durchmesser nach 2 (auf-ab) oder nach 4 Seiten (auf-ab und rechts-links) teilweise bis zu 180° abgewinkelt werden. Die Länge dieser abwinkelbaren Spitze kann je nach Durchmesser zwischen 30 und 70 mm liegen. Im proximalen Handgriff des Geräts/Endoskops ist eine Mechanik eingebaut, die über Kippbügel oder Handräder auf die Bowdenzüge/Stellantriebe einwirkt und die Bewegung der Spitze ermöglicht.
Die jüngste Unterart der flexiblen Endoskope bilden die Videoendoskope, oft auch Videoskope genannt. Videoendoskope eröffnen ein neues Kapitel in der modernen Endoskopie, da sie zur Bilderzeugung und -übertragung digitale Technologien nutzen. Ein am distalen Objektiv des Videoendoskops angebrachter CCD- bzw. CMOS-Chip erzeugt ein digitales Bild des Untersuchungsobjekts und leitet es an die folgenden Baugruppen des Videoendoskops weiter. Meist bereitet dann ein Prozessor diese Daten auf, sendet sie zur Ausgabe an einen Monitor, oder legt sie auf einer Festplatte oder anderen Datenspeichern ab. Videoendoskope ermöglichen je nach Ausstattungsvariante das Einfrieren und Speichern von Bildern sowie mehrstündige Videoaufzeichnungen für eine nachträgliche Aufbereitung/Optimierung oder auch das Vermessen eines Bildes bzw. Objektes. Auch diese Gerätetechnik besitzt eine fernsteuerbar, abwinkelbare Gerätespitze, nach 2 oder 4 Richtungen. Diese können mechanisch oder elektronisch/hydraulisch gesteuert werden. Die mechanische Steuerung erfolgt über ein kleines Getriebe über Kipphebel oder Drehräder. Einige Videoskope haben anstelle der Mechanik kleine Elektromotoren oder Hydraulikbalge eingebaut, die beispielsweise über einen Joystick ansteuerbar sind.
Neuerdings kommen bei Videoskopen anstelle der externen Lichtprojektoren, LED-Leuchtkörper zum Einsatz, welche in der Gerätespitze eingebaut sein können. Zusammenfassend sind demnach starre wie auch flexible Endoskope der einschlägigen Gattung (einschließlich des vorliegenden Erfindungsgegenstands) gekennzeichnet durch einen Endoskopschaft (flexibel oder starr), an dessen distalem Ende (Endoskopkopf) eine Beleuchtung (ein Leuchtkörper) sowie eine Optik (lichtempfindlicher Chip) angeordnet sind. Innerhalb des Endoskopschafts sind diverse Funktions-/Versorgungskanälen für die Optik, die Beleuchtung und/oder die eventuell vorhandene Abkrümmeinrichtung der Instrumentenspitze angeordnet. Optional kann auch ein Arbeitskanal ausgeformt sein, der dafür vorgesehen und angepasst ist, chirurgische Instrumente durch das Endoskop hindurch in den Patientenkörper einzuführen, um unter visueller Kontrolle über die Optik und die Beleuchtung (minimalinvasive) Operationen/Behandlungen vorzunehmen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Endoskope bekannt in deren distalen Spitze ein lichtempfindlicher Chip bzw. Fotosensor sowie (elektrische) Beleuchtungselemente angeordnet sind, welche über Funktions-/Versorgungskanäle im Endoskopschaft zur elektrischen Leistungs- und Informationsübertragung an eine proximale Betriebsstation angeschlossen werden können.
Ein Problem dieser Endoskope besteht darin, dass die elektrischen Beleuchtungselemente Verlustwärme erzeugen. Diese muss aus der Endoskopspitze abgeführt werden, da eine erhöhte Temperatur in der Endoskopspitze zum einen die Funktion des Bildsensors beeinträchtigen kann und zum anderen eine Übertragung der Verlustwärme auf Innenflächen der zu untersuchenden Hohlräume zu Gewebeschäden führen kann. Dies ist insofern kritisch, dass Gewebeschäden bereits ab einer Temperatur von etwa 42 °C auftreten können und die zu untersuchenden Hohlräume nicht zwangsläufig innerviert sind, d.h. der Patient unter Umständen eine Gewebeschädigung durch ein zu heißes Endoskop nicht bemerkt.
Dieses Problem wird im Stand der Technik bislang so gelöst, dass im Endoskopkopf ein von einem Kühlmedium durchflossener Wärmetauscher integriert ist. So offenbart beispielsweise die Druckschrift US 2014 /0 142 384 A1 einen Wärmetauscher in einem Endoskopkopf, an welchem LEDs direkt angeordnet sind um einen möglichst effizienten Wärmeaustausch bereitzustellen. Das Kühlmedium wird dabei über den Arbeitskanal sowie einen Kühlkanal zirkuliert.
Die Druckschrift EP 2 018 043 A1 offenbart die Verwendung faltbarer Leiterplatten in einem Endsokopkopf eines flexiblen Endoskops. Aus den US 5 754 313 A und DE 103 33 566 A1 ist die Verwendung von Stiften zum mechanischen Verbinden von Leiterplatten mit dem Ziel die mechanische Stabilität zu erhöhen bekannt.
Bei Endoskopen besteht stets die Forderung nach einem möglichst geringen Querschnitt der Außenkontur des Endoskopkopfes. Die im Stand der Technik beschriebenen Lösungen zur Kühlung der Lichtquellen mittels Wärmetauscher inklusive Kanälen für Kühlflüssigkeit ziehen jedoch einen großen Platzbedarf nach sich.
Ein weiterer Nachteil solcher Lösungen ist der Fertigungsaufwand der nötig ist, um entsprechende Wärmetauscher mit komplexer Geometrie herzustellen. Gerade für den Einsatzbereich der Ein-Weg-Endoskopie besteht deshalb Bedarf nach Lösungen zur Kühlung des Endoskopkopfes bei denen Kühlelemente mit einfacher Geometrie oder sogar im freien Handel erwerbliche Massenprodukte zum Wärmeabtransport verwendet werden können.
Weiter sind aus dem Stand der Technik Videoendoskope bekannt, deren Elektronik auf eine gefaltete flexible Leiterplatte gedruckt/montiert ist, z.B. aus der Druckschrift DE 199 24 189 A1 . Solche bedruckten Leiterplatten bestehen in der Regel aus mehreren schwenkbar miteinander verbundenen und miteinander in elektrischem Kontakt stehenden Teilflächen, welche aus einer flachen Grundposition in eine räumliche, gefaltete Position überführt werden. Derartige Faltkonstruktionen ermöglichen es den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum effizient zu nutzen, erfordern aber oft komplexe Handhabungsschritte während der Montage. Auch hier besteht demnach ein Bedarf im Stand der Technik, die Handhabung solcher flexiblen Leiterplatten bei der Montage zu verbessern.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Angesichts dieser von der vorliegenden Anmelderin erkannten Problematik, ist es die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Endoskop bereitzustellen, welches einen besonders hohe mechanische Stabilität gegen äußere Krafteinwirkungen aufweist.
Weiter ist es eine bevorzugte Aufgabe der Erfindung einen effizienten Abtransport der Verlustwärme von im Endoskopkopf befindlichen Beleuchtungselementen/Lichtquellen gewährleistet, bei gleichzeitiger Reduktion des benötigten Bauraums.
Ferner soll gemäß einem bevorzugten Ziel der Erfindung die Geometrie und somit die Herstellbarkeit der zur Kühlung eingesetzten Mittel im Vergleich mit bisherigen Lösungen deutlich vereinfacht werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Handhabung der gefalteten Leiterplatte während der Montage des Endoskops zu vereinfachen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Endoskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt weist das erfindungsgemäße Endoskop einen Endoskopschaft auf, an dessen distalem Ende ein Endoskopkopf angeordnet ist, in welchem eine Optik zur Bildübertragung mittels eines Bildsensors sowie zumindest ein Beleuchtungselement bzw. Leuchtkörper vorgesehen ist. Sowohl die Optik als auch die Beleuchtung sind erfindungsgemäß über Funktions- und/oder Versorgungskanäle innerhalb des Endoskopschafts an eine Betriebseinheit oder Betriebsstation anschließbar. In dem erfindungsgemäßen Endoskopkopf sind zumindest zwei in Längsrichtung des Endoskops beabstandete Platinenebenen vorgesehen und am Rand bzw. Außenumfang der distalen Platinenebene sind zumindest zwei (starre) Stifte fixiert, die sich in Richtung hin zur proximalen Platinenebene erstrecken. Eine Platinenebene ist in diesem Fall so definiert, dass sie auch aus mehreren separaten Leiterplattenabschnitten bestehen kann, die im Wesentlichen in ein und derselben räumlichen Ebene angeordnet sind.
Durch die den Stiften eigene Festigkeit kann so die empfindliche Elektronik im Inneren des Endoskopkopfes mechanisch stabilisiert werden. Die Stifte sind vorzugsweise lateral im Endoskopkopf angeordnet, um nach Art eines Schutzkäfigs zusätzliche Stabilität und Schutz gegen seitliche Krafteinwirkungen zu bieten, wie auch im Folgenden noch genauer erläutert wird. Weiter sind erfindungsgemäß zumindest einige der Stifte zumindest mittelbar mit dem zumindest einen Beleuchtungselement wärmeleitend kontaktiert und aus einem wärmeleitenden Material gefertigt, um im Beleuchtungselement anfallende Verlustwärme in proximaler Richtung des Endoskops abzutransportieren
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das zumindest eine Beleuchtungselement auf der distalen Platinenebene, genauer gesagt auf dessen in distale Richtung gewandte Oberfläche, montiert und/oder elektrisch kontaktiert sein und der Bildsensor kann auf der dazu proximal beabstandeten Platinenebene montiert und/oder elektrisch kontaktiert sein. Auf diese Weise ist die lassen sich der Bildsensor und die Verlustwärme erzeugende Beleuchtung räumlich trennen und der Bildsensor bzw. die Optik wird in proximale Richtung verlagert, sodass die lateral angeordneten Stifte ihre Schutzwirkung entfalten können.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann zumindest der Bildsensor, insbesondere die gesamte Optik, von den Stiften umstellt bzw. lateral abgeschirmt sein. Dies hat den Zweck die empfindlichsten Komponenten des Endoskopkopfs vor äußerer Krafteinwirkung während der Montage und im Gebrauch zu schützen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die Stifte an der zumindest einen proximalen Ebene fixiert sein oder diese relativbeweglich durchdringen oder radial außenseitlich an ihr vorbeigeführt sein. Auf diese Weise kann der gesamten Elektronik im Endoskopkopf zusätzliche Stabilität gegeben werden. Zudem können die Leiterplatten der Platinenebenen auf diese Weise in einem Vormontageschritt formstabil miteinander verbunden werden, um anschließend als fertige Baugruppe in den Endoskopkopf eingebaut werden zu können.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das zumindest eine Beleuchtungselement am Rand bzw. Außenumfang der distalen Platinenebene angeordnet sein, insbesondere in distaler Verlängerung zu zumindest einem der Stifte. Dies hat den Effekt die Verlustwärme erzeugende Beleuchtung noch weiter vom Bildsensor zu beabstanden und ist insbesondere in Bezug auf den nachfolgend beschriebenen Aspekt der Erfindung von Bedeutung.
Ein Kerngedanke eines weiteren bevorzugten Aspekts der Erfindung ist es, die Längsstifte zusätzlich zur elektrischen Anbindung der zumindest ein Beleuchtungselement aufweisenden Beleuchtung im Endoskopkopf zu nutzen. In anderen Worten können erfindungsgemäß die Stifte die elektrischen Zu- und Ableitung(en) der Beleuchtung bilden und zusätzlich zumindest mittelbar mit einem Kühlkanal verbunden und so dimensioniert sein, dass sie eine ausreichende Wärmeleitung bereitstellen. Durch die Integration dieser zwei Funktionen in den Stiften, kann wertvoller Bauraum in der distalen Spitze des Endoskops eingespart werden. Eine solche Lösung ist einfach umzusetzen, da für jedes Beleuchtungselement lediglich zwei sich (proximal) in Axialrichtung erstreckende Stifte aus einem Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit sowie guten thermischen Leiteigenschaften (bspw. Eisenlegierungen, Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold) benötigt werden.
Der Endoskopkopf kann vorzugsweise ein Gehäuse aufweisen (bzw. von einer Kapsel umschlossen sein), in welchem die Elektronik der Endoskopspitze im Wesentlichen untergebracht ist.
Die Stifte können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entweder direkt an einen oder mehrere Kühlkanäle im Endoskopschaft wärmeleitend angeschlossen oder mittelbar z.B. über einen (proximal) der Optik vorgelagerten Wärmetauscher an solche angebunden sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, können sowohl der Bildsensor als auch das Beleuchtungselement auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein. Vorzugsweise kann es sich dabei um eine flexible Leiterplatte, mit verschiedenen, relativ zueinander schwenkbar verbundenen Abschnitten/Teilflächen handeln. Weiter vorzugsweise befindet sich die Leiterplatte in einem, von den (axial sich erstreckenden) Stiften umstellten Raum.
Bei einer solchen Ausführungsform können die Stifte dazu dienen, die gefaltete Struktur zu stabilisieren und somit die Montage der Leiterplatte im Endoskop zu vereinfachen. In anderen Worten kann die flexible Leiterplatte bei einer solchen Ausführungsform in die gewünschte Endgeometrie gefaltet und anschließend mittels der Stifte in dieser Endgeometrie gehalten/stabilisiert werden. Die derart vormontierte Leiterplatte ist in sich mechanisch stabil und kann anschließend in eine zu ihrer Aufnahme vorbereitete Endoskopspitze bzw. ein Gehäuse/Kapsel des Endoskopkopfs eingebaut bzw. montiert werden, ohne dass weitere Bearbeitungs- oder Montageschritte an der Leiterplatte selbst nötig wären. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Stifte (in einem im Endoskop eingebauten Zustand) die am weitesten distal gelegenen Teilfläche(n) der Leiterplatte (auf welchen vorzugsweise auch die Beleuchtung angeordnet ist) mit der oder den am weitesten proximal angeordneten Teilflächen der Leiterplatte verbinden, um dem gesamten gefalteten Leiterplattensystem Stabilität zu verleihen. Und gleichzeitig die Leiterplatte gegen seitliche Krafteinwirkungen zu schützen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können der Bildsensor und die Beleuchtungselemente auf verschiedenen solcher Leiterplatten-Abschnitte angeordnet sein, insbesondere derart, dass der Bildsensor und die Beleuchtung axial voneinander beabstandet sind, vorzugsweise derart beabstandet, dass die Beleuchtung näher an der distalen Spitze des Endoskops angeordnet ist als der Bildsensor. Besonders bevorzugt befinden sich die Beleuchtungselemente im eingebauten Zustand in unmittelbarer Nähe der distalen Spitze des Endoskops. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Teilabschnitte der flexiblen Leiterplatte auf denen der Bildsensor und die Beleuchtung angeordnet sind, im Wesentlichen quer zur Axialrichtung des Endoskops orientiert sind. Zum Erzeugen des axialen Versatzes zwischen dem Bildsensor und den Beleuchtungselementen, können zwischen einem ersten Abschnitt, auf dem der Bildsensor angeordnet ist und einer Anzahl an Beleuchtungsabschnitten, auf denen die Beleuchtungselemente angeordnet sind, axial bzw. in Längsrichtung ausgerichtete Verbindungsabschnitte der Leiterplatte vorgesehen sein, welche jeweils an gegenüberliegenden Enden schwenkbar mit dem ersten Abschnitt und einem Beleuchtungsabschnitt verbunden sind. In anderen Worten können der Leiterplattenabschnitt mit dem Bildsensor und die Verbindungsabschnitte, bei einer beispielhaften Ausführungsform mit zwei Beleuchtungselementen, im gefalteten Zustand eine U-Form annehmen, während die Beleuchtungsabschnitte im Wesentlichen quer zu den U-Schenkeln an deren Enden angeordnet sind.
Vorzugsweise können die Beleuchtungselemente der Beleuchtung dabei seitlich (also in Richtung des lateralen Randes des Endoskops) zum Bildsensor versetzt angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass Raum für ein Linsensystem geschaffen wird, welches sich vom Bildsensor aus in distaler Richtung erstreckt. Bei oben genanntem U-förmigem System, kann das Linsensystem also z.B. in distaler Verlängerung zum Bildsensor und zwischen den Schenkeln der U-Form positioniert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, kann die Leiterplatte zudem einen dritten Abschnitt aufweisen, welcher am proximalen Ende des Endoskopkopfes angeordnet ist. In anderen Worten, ist bei einer solchen Ausführungsform der Fotosensor distal zu dem dritten Abschnitt beabstandet und der Abschnitt, an welchem die Beleuchtung angeordnet ist, ist noch weiter in distaler Richtung beabstandet als die zuvor genannten Abschnitte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der oben genannte proximale Leiterplattenabschnitt über einen weiteren Verbindungsabschnitt mit dem ersten Leiterplattenabschnitt verbunden sein. Dabei ist es von Vorteil, wenn der erste und der dritte Leiterplattenabschnitt im Wesentlichen parallel, insbesondere quer zur Axialrichtung des Endoskops ausgerichtet sind. Der Verbindungsabschnitt kann bei einer solchen Ausführungsform entgegengesetzte Enden des ersten und dritten Leiterplattenabschnitts verbinden, sodass (von der Seite betrachtet) eine Z-förmige Anordnung bzw. eine ziehharmonikaartige Struktur entsteht. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, ein gewisses Axiales Spiel der gesamten Leiterplattenanordnung bereitzustellen. Zudem kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die im Endoskopschaft geführte elektrische Verkabelung an der proximalen Seite des proximalen Leiterplattenabschnitts kontaktiert sein. In Kombination mit der oben beschriebenen Z-förmigen Anordnung lässt sich auf diese Weise durch die Flexibilität der Z-Anordnung in Längsrichtung eine Zugentlastung der Verkabelung verwirklichen.
Gemäß einer Ausführungsform wie oben beschrieben, können zudem die Stifte, welche die Beleuchtung mit Elektrizität versorgen und Wärme ableiten, elektrisch mit dem proximalen Leiterplattenabschnitt gekoppelt sein. Bei einer solchen Ausführungsform, erreicht die elektrische Energie der Betriebseinheit über Kabel im Inneren des Endoskopschaftes den proximalen Leiterplattenabschnitt und wird von dort über die Stifte an die Beleuchtungselemente verteilt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, steht zudem der proximale Leiterplattenabschnitt über den Verbindungsabschnitt in elektronischem Kontakt mit dem ersten Leiterplattenabschnitt und somit mit dem Bildsensor, sodass der proximale Leiterplattenabschnitt die Schnittstelle zwischen der auf der Leiterplatte montierten Elektronik und den in den Funktions- und/oder Versorgungskanälen im Endoskopschaft geführten elektrischen Leitungen darstellt.
Der Innenraum des Endoskopkopfes kann vorteilhafter Weise zumindest teilweise mit einer nichtleitenden Füllmasse mit vorzugsweise geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt werden, um eine größere mechanische Stabilität in der Endoskopspitze zu erzeugen und um sicherzustellen, dass der Großteil der Verlustwärme über die Stifte abgeführt wird. Hierzu lässt sich beispielsweise ein aushärtendes Harz verwenden (z.B: ein Epoxidharz).
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, kann das Endoskop neben dem Optikmodul/Kameraboard und der Beleuchtung auch einen Arbeitskanal aufweisen, welcher sich durch Endoskopschaft und Endoskopkopf zieht und eine räumliche Verbindung zwischen der proximalen (anwendernahen) Seite und der distalen (anwenderfernen) Spitze schafft, durch welche beispielsweise chirurgische Instrumente und/oder ein Fluid in den Patienten transportiert/geführt werden können. Zudem kann das Endoskop eine Düse zur Insufflation aufweisen, mittels derer Gase, Dämpfe oder Pulver in den Patienten bzw. dessen Körperhöhlen eingeblasen werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann eine solche Düse in den Arbeitskanal integriert (integral mit diesem gefertigt) sein.
Die Erfindung umfasst auch ein Herstellungsverfahren zur Montage eines Kameraboards bzw. eines Bildgebermoduls mit einer flexiblen Leiterplatte, einem Bildsensor und einer Anzahl an Beleuchtungselementen, vorzugsweise eines Kameraboards für ein Endoskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

- einen Leiterplattenrohling aus einem planaren Zustand in einen gefalteten Zustand, in welchem er zur Montage in einem Endoskop vorbereitet ist zu überführen; und
- die flexible Leiterplatte mittels Stiften in diesem gefalteten Zustand zu stabilisieren/fixieren.

Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass das Kameraboard in seinem gefalteten Zustand in sich stabil ist, was insbesondere die Handhabung während der Montage erleichtert, da z.B. keine zusätzlichen Fixierungselemente zum Fixieren des gefalteten Zustands nötig sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, kann in einem oder mehreren weiteren Schritten mittels der Stifte zusätzlich ein leitender Kontakt zwischen verschiedenen Teilflächen der Leiterplatte hergestellt werden.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt kann das so gefaltete und stabilisierte Bildgebermodul/Kameraboard zunächst in einem zu dessen Aufnahme vorbereiteten Endoskopkopf-Gehäuse aufgenommen/fixiert werden und in einem weiteren Schritt der Endoskopkopf mit dem darin aufgenommenen Bildgebermodul mit einem Füllmnaterial aufgefüllt werden, wie bereits oben erwähnt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Stifte zudem in einem weiteren Verfahrensschritt wärmeleitend mit Kühlkanälen im Endoskopschaft kontaktiert werden.
Zusammenfassend hat das erfindungsgemäße Endoskop einen Endoskopkopf, in welchem eine Anzahl elektrischer Bauteile untergebracht ist, die zumindest teilweise auf ein und derselben Leiterplatte/Platine montiert und/oder elektrisch angeschlossen sind. Die Leiterplatte/Platine bildet (z.B. durch ihre Faltbarkeit) zumindest zwei in Längsrichtung des Endoskops/Endoskopkopfs beabstandete (Platinen-) Ebenen. An die distale Ebene sind an deren Rand/Außenumfang eine Anzahl (mindestens zwei) von (starren) Längsstiften fixiert, die sich in Richtung hin zur proximalen Ebene erstrecken, um so den Zwischenraum zwischen den zumindest beiden Ebenen zu umstellen und so gegen Seitenaufprall zu schützen. Die Längsstifte sind bevorzugt aus einem wärmeleitenden und/oder elektrisch leitenden Material (Metall), um z. B. elektrische Energie Leuchtkörpern auf der distalen Platinenebene zuzuführen und/oder Wärmeenergie von den Leuchtkörpern auf der distalen Platinenebene abzuleiten. Weiter bevorzugt sind die Längsstifte an der proximalen Ebene fixiert oder durchdringen diese relativbeweglich oder sind an der proximalen Ebene radial außenseitig vorbeigeführt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen

1 eine perspektivische Darstellung des Innenlebens eines Endoskopkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
2 eine Explosionsansicht der flexiblen Leiterplatte bzw. des Kameraboards sowie des Endoskopkopfgehäuses; und
3 eine Seitenansicht der flexiblen Leiterplatte im Endoskopkopf inklusive Optik und Beleuchtung.

Gemäß der 1 bis 3 hat das erfindungsgemäße Endoskop 1 einen Endoskopkopf 10, der sich an der distalen Spitze eines nicht detailliert dargestellten Endoskopschafts 20 befindet. Der Endoskopschaft 20 des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist einen biegeflexiblen Schaftabschnitt auf, der dafür geeignet ist, beim Einführen in einen Hohlraum (z.B. den Darm eines Patienten) Hohlraumkrümmungen/-windungen passiv nachzuverfolgen. Zudem weist der Endoskopschaft 20 ggf. einen per Stellantrieb aktiv betätigbaren Abwinklungsabschnitt unmittelbar vor dem Endoskopkopf 10 auf. Insoweit entspricht der Endoskopschaft der vorliegenden Erfindung dem bekannten Stand der Technik und braucht nicht näher beschrieben zu werden.
Im Endoskopschaft 20 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Anzahl von Versorgungs-/Funktionskanälen 21 ausgebildet. In den Versorgungs-/Funktionskanäle 21 sind zum Beispiel (elektrische) Leitungskabel, Hydraulikflüssigkeit führende Versorgungs-/Funktionskanäle oder ein Kühlmedium führende Kühlkanäle 22 enthalten.
Diese Versorgungs-/Funktionskanäle 21 erstrecken sich ausgehend vom Endoskopkopf 10 durch den biegeflexiblen Endoskopschaft 20 und enden in einer Anschlusseinrichtung bzw. Funktionsanschlüssen (z.B. kombinierte Elektrik/Hydraulik-Steckdose; nicht weiter dargestellt) am proximalen Ende des Endoskops, wo sie an eine Betriebseinheit oder Betriebsstation (nicht weiter dargestellt) angeschlossen oder anschließbar sind.
Der Endoskopkopf 10, wird von einem (in 1 durchsichtig dargestellten) Gehäuse bzw. einer Kapsel 19 eingeschlossen, in dessen Inneren eine Anzahl von Funktionen verbaut ist. Ein großer Teil des Innenraums des Gehäuses 19 wird im gezeigten Beispiel von einem Optik- bzw. Bildgebermodul eingenommen. Dieses weist einen Bildsensor 12, z.B. einen CCD- oder CMOS-Chip, und ein Linsensystem bzw. Objektiv 13 auf. Das Objektiv 13 dient zum Projizieren eines scharfen Bildes auf die Sensorfläche des Bildsensors 12, welcher dann ein digitales Signal mit der Bildinfomation zur Verarbeitung über entsprechende Versorgungskanäle 21 an die Betriebseinheit sendet und ist deshalb in unmittelbarer distaler Verlängerung zum Bildsensor 12 angeordnet. Weiter befindet sich im Endoskopkopf 10 eine Beleuchtung 14, welche im vorliegenden Beispiel aus zwei LEDs der SMD-Bauform besteht, die im Wesentlichen in derselben Ebene wie die distale Linse des Linsensystems 13 liegen und zu dessen beiden Seiten angeordnet sind.
Sowohl der Bildsensor 12 als auch die LEDs 14 sind im vorliegenden Beispiel auf eine flexible bedruckte Leiterplatte 15 (PCB) montiert. Diese besteht, wie in 2 zu sehen ist, aus sieben einzelnen Teilflächen bzw. Leiterplattenabschnitten (15.1 bis 15.5), welche mit jeweils benachbarten Teilflächen schwenkbar (und gegebenenfalls auch elektronisch) verbunden sind. Erfindungsgemäß liegt zur Montage zunächst ein planarer Leiterplattenrohling (vgl. 2) vor, welcher dann, wie im Folgenden genauer erläutert, in seine montagebereite Form gefaltet wird.
Auf einem ersten, zentralen Leiterplattenabschnitt 15.1 des planaren Rohlings ist der Bildsensor 12 angeordnet. Von diesem ersten Leiterplattenabschnitt 15.1 aus, erstrecken sich in drei Richtungen jeweils zwei hintereinander angeordnete Leiterplattenabschnitte, quasi T-förmig. Im gefalteten/montierten Zustand ist der erste Leiterplattenabschnitt 15.1 im Wesentlichen quer zur Axialrichtung des Endoskopkopfes angeordnet, um zur Aufnahme eines Bildes von der Stirnseite des Endoskops aus optimal ausgerichtet zu sein. Von gegenüberliegenden Enden des ersten Leiterplattenabschnitts aus, erstrecken sich im montierten Zustand der Leiterplatte 15 Verbindungsabschnitte 15.4, an deren von der ersten Teilfläche 15.1 abgewandten Enden wiederum die Beleuchtungsabschnitte 15.5 der flexiblen Leiterplatte 15 angebunden sind. Die Verbindungsabschnitte 15.4 erstrecken sich im montierten Zustand der Leiterplatte 15 im Wesentlichen in Axialrichtung des Endoskops 1, während die Beleuchtungsabschnitte 15.5 wie der erste Leiterplattenabschnitt quer zur Axialrichtung angeordnet sind, um den Aufnahmebereich gut ausleuchten zu können. In anderen Worten, bildet die erste Teilfläche 15.1 von der Seite aus betrachtet zusammen mit den Verbindungsabschnitten 15.4 eine U-Form (vgl. 3) und die Beleuchtungsabschnitte 15.5 der Leiterplatte 15 schließen serifenähnlich an den distalen Enden der Verbindungsabschnitte 15.4 quer zu diesen ab.
Über einen dritten Verbindungsabschnitt 15.2, ist der erste Leiterplattenabschnitt 15.1 mit einem proximalen Leiterplattenabschnitt 15.3 verbunden. Der erste Leiterplattenabschnitt 15.1 und der proximale Leiterplattenabschnitt 15.3 sind dabei im Wesentlichen parallel ausgerichtet, während der dritte Verbindungsabschnitt 15.2 die beiden vorgenannten Leiterplattenabschnitt z-förmig verbindet, wenn von der Seite betrachtet (Quer zur Betrachtungsrichtung der 3). Eine solche Z-Form bietet den Vorteil, dass die gesamte Leiterplatte 15 in Axialrichtung des Endoskops flexibel ist und gewisse Toleranzen ausgleichen kann.
Im gezeigten Beispiel sind die durch die Versorgungs-/Funktionskanäle 21 im Endoskopschaft geführten Leitungskabel an der proximalen Seite des proximalen Leiterplattenabschnitt 15.3 angeschlossen und die elektrischen Ströme und Signale werden von dort aus an die auf der Leiterplatte 15 angeordneten Funktionseinheiten (z.B. Beleuchtung 14, Bildsensor 12) verteilt.
Wie auch den Figuren zu entnehmen ist, kann die elektrische Verbindung zwischen den LEDs auf den Beleuchtungsabschnitten 15.5 der flexiblen Leiterplatte 15 und dem proximalen Leiterplattenabschnitt 15.3 über elektrisch leitfähige Stifte 16 (jeweils zwei pro LED) erfolgen. D.h. zwischen den im Wesentlichen parallelen Leiterplattenabschnitten 15.3, 15.5 der flexiblen Leiterplatte 15, erstrecken sich in Axialrichtung elektrisch leitfähige Stifte 16, welche mit den jeweiligen Teilflächen 15.3, 15.5 elektrisch kontaktiert sind. Die Stifte 16 stellen auf diese Weise die elektrische Anbindung der Beleuchtung 14 an die Leitungskabel 21 sicher (über den proximalen Leiterplattenabschnitt 15.3) und sorgen zugleich dafür, dass die Leiterplatte 15 im gefalteten Zustand in sich (form-)stabil ist.
Darüber hinaus dienen die Stifte 16 zum Ableiten von Verlustwärme aus dem Endoskopkopf 10, wozu sie erfindungsgemäß aus einem Werkstoff mit guten thermischen Leiteigenschaften (z.B. Kupfer, Aluminium, Silber) gefertigt und an ihrem proximalen Ende entweder direkt oder mittelbar an Kühlkanäle 22 im Endoskopschaft 20 angebunden sind. Der mittels den Kühlkanälen 22 erzeugte Temperaturgradient in Kombination mit der thermischen Leitfähigkeit der Stifte sorgt so für einen effizienten Abtransport der im Endoskopkopf 10 anfallenden Verlustwärme direkt an deren Entstehungsort - den LEDs 14. Als synergistischer Effekt, sorgt die Kühlung der Stifte 16 zugleich für eine Reduktion des elektrischen Widerstands in den Stiften 16. Durch ihre laterale Positionierung, bieten die Stifte 16 zudem einen mechanischen Schutz gegen seitliche Stöße gegen den Endoskopkopf 10.
Von dem proximalen Leiterplattenabschnitt 15.3 der Leiterplatte 15 abgesehen, sind die restlichen Leiterplattenabschnitte hauptsächlich einseitig bestückt bzw. bedruckt, sodass der Großteil der Elektronik im gefalteten Zustand der Leiterplatte 15 nach innen weist, die Elektronik also sozusagen von der Platine selbst eingekapselt und somit zusätzlich vor Beschädigung geschützt ist.
Die zur Montage gefaltete Leiterplatte kann, durch die Stifte 16 in Position gehalten, in das Gehäuse 19 des Endoskopkopfes 10 eingesetzt und fixiert werden. Als abschließender Fertigungsschritt kann das Innere des Endoskopkopfes 10 mit einem aushärtenden Füllmaterial (nicht weiter dargestellt) aufgefüllt werden, das im ausgehärteten Zustand den gesamten Aufbau der flexiblen Leiterplatte 15 verfestigt. Dieses muss nichtleitend sein und wirkt optimaler Weise auch wärmeisolierend, um zu gewährleisten, dass der Großteil der Verlustwärme über die Stifte 16 aus dem Endoskopkopf 10 abgeleitet wird.
Zusätzlich zu den vorgenannten Merkmalen und Funktionen, weist das beispielhaft dargestellte Endoskop 1 einen Arbeitskanal 17 auf, durch welchen z.B. chirurgische Instrumente in den Patienten eingeführt werden können. Da chirurgische Instrumente für minimalinvasive Eingriffe eine Mindestgröße aufweisen, hat der Arbeitskanal 17 einen entsprechenden Durchmesser, der das Einführen der chirurgischen Instrumente erlaubt. Dieser Durchmesser ist in der Regel deutlich größer als der der Funktions-/Versorgungskanäle 21.
Neben der vorstehend beschriebenen Funktion hat der Arbeitskanal 17 aber auch die Aufgabe, beispielsweise Behandlungsflüssigkeiten (Medikamentlösungen, etc.) zu fördern oder Patientengewebe und/oder Körperflüssigkeiten abzutransportieren. Außerdem kann über den Arbeitskanal Spülflüssigkeit an die Behandlungsstelle im Patientenkörper gepumpt werden.
Der Arbeitskanal kann zudem eine integrierte bzw. integral gefertigte Düse 18 aufweisen, die z.B. zur Insufflation verwendet werden kann. Unter einer Insufflation versteht man in der Medizin die Einblasung von Gasen, Dämpfen oder Pulvern in eine Körperhöhle bzw. ein Hohlorgan. So kann beispielsweise bei einem Pneumoperitoneum im Rahmen einer Laparoskopie Kohlendioxid oder Helium in die Bauchhöhle insuffliert werden, um bessere Sichtverhältnisse zu schaffen.
Bezugszeichenliste

Endoskop: 1
Endoskopkopf: 10
Endoskopschaft: 20
Funktions- und/oder Versorgungskanäle: 21
Kühlkanal: 22
Optik: 11
Bildsensor: 12
Linsensystem: 13
Beleuchtungselement/LED: 14
flexible Leiterplatte: 15
zentraler Abschnitt: 15.1
Verbindungsabschnitt: 15.2
proximaler Abschnitt: 15.3
Verbindungsabschnitt: 15.4
Beleuchtungsabschnitt/ distaler Abschnitt: 15.5
Stift: 16
Arbeitskanal: 17
Düse: 18
Kapsel/ Gehäuse: 19

Claims

Endoskop (1) mit einem Endoskopschaft (20), an dessen distalem Ende ein Endoskopkopf angeordnet ist, in welchem eine Optik (11) zur Bildübertragung mittels eines Bildsensors (12) sowie zumindest ein Beleuchtungselement (14) vorgesehen ist, die über Funktions- und/oder Versorgungskanäle (21) innerhalb des Endoskopschafts (20) an eine Betriebseinheit oder Betriebsstation angeschlossen oder anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Endoskopkopf zumindest zwei in Längsrichtung des Endoskops beabstandete Platinenebenen (15.1, 15.3, 15.5) vorgesehen sind und am Rand bzw. Außenumfang der distalen Platinenebene (15.5) zumindest zwei Stifte (16) fixiert sind, die sich in Richtung hin zur proximalen Platinenebene (15.1, 15.3) erstrecken und so den Raum zwischen den Platinenebenen gegen radial von außen wirkende Kräfte abschirmen und dass zumindest einige der Stifte (16) zumindest mittelbar mit dem zumindest einen Beleuchtungselement (14) wärmeleitend kontaktiert und aus einem wärmeleitenden Material gefertigt sind, um im Beleuchtungselement (14) anfallende Verlustwärme in proximaler Richtung des Endoskops (1) abzutransportieren.
Endoskop gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beleuchtungselement (14) auf der distalen Platinenebene (15.5), insbesondere auf dessen in distale Richtung gewandte Oberfläche, montiert und/oder elektrisch kontaktiert ist und der Bildsensor (12) auf der dazu proximal beabstandeten Platinenebene (15.1, 15.3) montiert und/oder elektrisch kontaktiert ist.
Endoskop (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bildsensor (12), insbesondere die gesamte Optik (11), von den Stiften umstellt bzw. lateral abgeschirmt ist.
Endoskop (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (16) an der zumindest einen proximalen Ebene (15.1, 15.3) fixiert sind oder diese relativbeweglich durchdringen oder radial außenseitlich an ihr vorbeigeführt sind.
Endoskop (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beleuchtungselement (14) am Rand bzw. Außenumfang der distalen Platinenebene (15.5) angeordnet ist, insbesondere in distaler Verlängerung zu zumindest einem der Stifte (16).
Endoskop gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoskopkopf eine faltbare Leiterplatte (15) aufweist, auf der der Bildsensor (12) sowie das zumindest eine Beleuchtungselement (14) montiert und/oder elektrisch kontaktiert sind und die in ihrem eingebauten, gefalteten Zustand die zumindest zwei Platinenebenen (15.1, 15.3, 15.5) ausbildet.
Endoskop (1) gemäß Anspruch 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die faltbare Leiterplatte (15) zumindest einen sich in Längsrichtung des Endoskops erstreckenden Leiterplattenabschnitt (15.4) aufweist und die distale Platinenebene (15.5) durch zumindest einen, von dem sich längs erstreckenden Leiterplattenabschnitt (15.4) radial nach außen abstehenden, Leiterplattenabschnitt (15.5) gebildet wird, insbesondere von einem oder mehreren solcher radial nach außen stehenden Leiterplattenabschnitte (15.5) gebildet wird, welche von den Stiften (16) abgestützt werden und auf welchen zumindest ein Beleuchtungselement (14) montiert und/oder elektrisch kontaktiert ist.
Endoskop (1) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Stifte (16) zumindest mittelbar mit dem zumindest einen Beleuchtungselement (14) elektrisch kontaktiert und dazu ausgebildet sind, dieses elektrisch leitend entweder mit der zumindest einen proximalen Platinenebene (15.1, 15.3) oder mit den entsprechenden Funktions- und/oder Versorgungskanälen (21) innerhalb des Endoskopschafts (20) zu verbinden.
Fertigungsverfahren für ein Kameraboard, insbesondere ein Kameraboard für ein Endoskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Bildsensor (12) und einer Anzahl von Beleuchtungselementen (14), die auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte enthält: - einen Leiterplattenrohling (15) aus einem planaren Zustand in einen gefalteten Zustand zu überführen; - den Leiterplattenrohling (15) in dem gefalteten Zustand durch Stifte (16), welche mit verschiedenen Leiterplattenabschnitten (15.1 bis 15.5) mechanisch verbunden sind, zu stabilisieren.
Fertigungsverfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (16) zudem elektrisch und/oder thermisch mit verschiedenen Leiterplattenabschnitten (15.1 bis 15.5), insbesondere Leiterplattenabschnitten (15.5) auf denen Beleuchtungselemente (14) angeordnet sind, und/oder thermisch mit im Endoskopschaft (1) angeordneten Kühlkanälen (22) kontaktiert werden.