DE102021132567A1 - Endoskop und Endoskopsystem für Cardio-Float Anwendungen - Google Patents

Abstract

Ein Endoskop für Cardio-Float Anwendungen umfasst einen Endoskopkopf und eine flexible Umhüllung. Im Endoskopkopf ist eine Kamera mit distaler Blickrichtung angeordnet. Der Endoskopkopf weist eine schirmende, erdbezogene, elektrische leitende Schutzhülse auf, innerhalb welcher ein Bildsensor und ein Kameratreiber angeordnet sind. Der Endoskopkopf weist ebenso eine Isolierung auf, die zumindest die Schutzhülse vollständig umschließt und eine Durchschlagsspannung von zumindest 1 kV aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Endoskop und ein Endoskopsystem für Cardio-Float Anwendungen.
• Ein Endoskopsystem umfasst sowohl das Endoskop selbst als auch einen äußeren Katheter, sowie Anzeige- und Steuervorrichtungen für diese.
• Endoskope sind in der Chirurgie ein unerlässliches Mittel, um Vorgänge im Inneren von menschlichen oder tierischen Körpern zu verstehen. Seit langem sind bildgebende Verfahren bekannt, indem mit Hilfe einer Kamera die Zustände im menschlichen oder tierischen Körper erfasst werden. So sind Bildaufnahmen, zum Beispiel bei einer Darmspiegelung, üblich.
• Jedoch ist nicht jedes Endoskop für jeden Körperbereich gleichermaßen verwendbar. So ist ein Endoskop für eine Darmspiegelung nicht für eine Herzoperation geeignet.
• Es sind starre Endoskope bekannt, z.B. aus der US 2020/0 113 429 A1 , der US 11,039,738 , und der US 2014/0 155 758 A1 , die eine Kamera am proximalen Ende aufweisen. Diese Endoskope zeichnen sich durch eine starre kurze Wegstrecke von der proximalen Endoskopspitze bis zum distalen Ende auf. Sie weisen keine oder nur eine vorgegebene Krümmung auf. Diese Endoskope sind nicht geeignet, um mit einem elastischen Katheter in einem gekrümmten Hohlraum eines Patienten eingeführt zu werden.
• Es sind auch flexible Endoskope bekannt, bei denen Bildleiter Bilder vom distalen zum proximalen Ende leiten, an deren Ende sich ein Bildsensor befindet. Nachteilig hier ist die geringe Auflösung, die durch das System erzielt werden kann. Bildleiter aus Glas sind auch häufig spröde und können leicht brechen. Sie sind auch nur bis zu einem gewissen Grad biegsam.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Endoskop bereit zu stellen, bei dem Bereiche des menschlichen Körpers, die sehr empfindlich gegenüber externen elektrischen Strömen sind, im lebenden Zustand (in situ) optisch mit einer hohen Auflösung zu erfassen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Endoskop bereit zu stellen, welches biegsam ist, um auch unzugängliche Stellen im menschlichen oder tierischen Körper zu erreichen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Endoskop bereit zu stellen, welches sehr dünn ist, um auch in engen Hohlräumen, wie z.B. Venen, zu gelangen.
• Eine oder mehrere Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
• Ein Endoskop für Cardio-Float Anwendungen umfasst einen Endoskopkopf und eine flexible Umhüllung. Im Endoskopkopf ist eine Kamera mit distaler Blickrichtung angeordnet. Der Endoskopkopf weist eine schirmende, erdbezogene, elektrische leitende Schutzhülse auf, innerhalb welcher ein Bildsensor und ein Kameratreiber angeordnet sind. Der Endoskopkopf weist ebenso eine Isolierung auf, die zumindest die Schutzhülse vollständig umschließt und eine Durchschlagsspannung von zumindest 1 kV aufweist.
• Distal bedeutet hier, sofern nicht anders ausgeführt, weiter von einem Kameracontroller, bzw. vom Anschluss an diesen, entfernt liegend. Es ist somit aus Sicht des Endoskops gebildet.
• Proximal bedeutet dann dementsprechend, etwas, dass näher an einem Kameracontroller, bzw. vom Anschluss an diesen, liegt.
• Cardio-Float Anwendungen sind Anwendungen, bei denen die zu verwendeten Werkzeuge die Cardio-Float Bedingung erfüllen muss. Sie sind für Körperbereiche geeignet, die nur einen sehr geringen externen Strom vertragen, ohne geschädigt zu werden. Dies sind zum Beispiel das Herz, das Hirn und/oder das Rückenmark. Geschädigt kann hier sowohl eine Funktionsbeeinträchtigung als auch die teilweise oder vollständige Zerstörung des Gewebes durch den Stromfluss bedeuten.
• Das Endoskop kann derart ausgebildet sein, dass ein Ableitstrom nicht größer als 50 µA wird, wenn die Bezugsspannung, z.B. 264 V bei 50 Hz, anliegt.
• Das Endoskop darf bis zur Höhe der Durchschlagsspannung keine Betriebsstörung erfahren, wie z.B. ein Software-Absturz, endgültiger Bildausfall, Standbild, usw. Es darf jedoch im Bild eine Störung die zum Zeitpunkt der Einwirkung sichtbar wird, vorhanden sein.
• Dadurch, dass das Endoskop eine flexible Umhüllung aufweist, kann das Endoskop auch in lang gestreckten, gekrümmten Hohlräumen eingeführt werden. Dadurch sind andere Untersuchungen und Operationen möglich als bei starren Endoskopen. Ein Endoskop mit einer flexiblen Umhüllung kann so in Körperbereiche vordringen, die mit einem starren Katheter nicht oder nur sehr schwer oder mit einer größeren Wunde möglich sind. Mit einer flexiblen Umhüllung kann beispielsweise auch der Endoskopkopf durch Venen und Arterien geführt werden. Die Umhüllung kann beispielsweise ein Schlauch sein, aber es ist auch vorstellbar, dass die innen liegende Endoskopelemente umwickelt oder eingegossen werden.
• Dadurch, dass im Endoskopkopf ein Bildsensor mit distaler Richtung angeordnet ist, kann ein hochauflösendes Bild des zu untersuchenden Organs aufgenommen werden. Im Gegensatz zu Systemen, bei denen über Bildleiter ein Bild durch die Umhüllung zu einem Bildsensor außerhalb des Körpers geleitet wird, hat ein System, bei welchem der Bildsensor am distalen Ende des Endoskops angeordnet ist (Chip-on-tip, auch COT genannt), eine deutlich verbesserte Auflösung gegenüber Endoskopen, die mit Fasern arbeiten. So sind in den Systemen mit einem Bildsensor außerhalb des Körpers bei denen das Bild über Bildleiter übertragen wird lediglich wenige Pixel Auflösungen möglich und ein Operateur kann nur grobe Strukturen und Helligkeitsunterschiede erkennen. Bei einer Kamera im Körper vor dem zu untersuchenden Objekt kann hingegen ein scharfes Bild betrachtet werden.
• Ein Endoskop mit Bildsensor wird auch Videoskop oder Videoendoskop genannt.
• Die distale Blickrichtung der Kamera umfasst hier nicht nur die Blickrichtung in gerade Linie parallel zur Achse der Schutzhülse aus der Umhüllung heraus, sondern kann auch bis zu 90° abgewinkelt sein.
• Bildleiter sind auch in der Regel nicht so elastisch, weil metallische Kabel biegsamer sind. Bildleiter sind zumeist Glasleiter und sind somit auch spröde und können bei einer zu starken Biegung brechen.
• Die erdbezogene, elektrisch leitende Schutzhülse sorgt dafür, dass jeglicher elektromagnetische Abstrahlung, der durch die Kamera und deren Kameratreiber entstehen könnte, abgeschirmt wird, ohne die vorgegebenen Grenzwerte zu überschreiten und ohne das Umfeld zu stören. Das Umfeld ist z.B. die Störung anderer Geräte und Systeme.
• Die erdbezogene, elektrisch leitende Schutzhülse ist im Wesentlichen starr und maximal 2 cm, vorzugsweise maximal 1 cm und insbesondere maximal 0,5 cm lang.
• Bei der Zulassung derartiger Endoskope wird ein erster Fehlerfall angenommen. Ein erster Fehlerfall ist der Ausfall einer einzelnen Schutzmaßnahme ohne Berücksichtigung weiterer Folgefehler. Der schwerwiegendste erste Fehlerfall für ein solches Endoskop ist, dass die Isolierung beschädigt wird. Sollte der erste Fehlerfall eintreten dann ist durch die Begrenzung des Ableitstroms immer noch gewährleistet, dass der Patient nicht zu Schaden kommt. Für Cardio-Float-Anwendungen ist es vorgeschrieben, dass die Ableitströme im ersten Fehlerfall maximal 50 µA beträgt.
• Die Isolierung ist derart gewählt, dass, selbst wenn die Schutzhülse auf Spannung liegt, der Grenzwert des Ableitstroms nicht überschritten wird, um einen Patienten einen ausreichenden Schutz vor Verletzungen zu bietet.
• Die Durchschlagsfestigkeit der Isolierung beträgt vorzugsweise zumindest 75 kV/mm, vorzugsweise zumindest 150 kV/mm und insbesondere zumindest 250 kV/mm.
• Die Isolierung hat eine Wandstärke von vorzugsweise zumindest 0,025 mm, vorzugsweise zumindest 0,035 mm und vorzugsweise zumindest 0,050 mm.
• Die Isolierung hat eine Wandstärke von vorzugsweise maximal 0,5 mm vorzugsweise maximal 0,3 mm und vorzugsweise maximal 0,2 mm.
• Der kurze starre Abschnitt verursacht bei Führung im menschlichen oder tierischen Körper keine Probleme und durch die starre Schutzhülse wird eine gute elektrische und mechanische Abschirmung bewirkt.
• Vorzugsweise bildet dir flexible Umhüllung die Isolierung.
• Dir flexible Umhüllung erstreckt sich vom distalen Ende bis zum proximalen Ende und ist zumindest 1m, vorzugsweise zumindest 1,5 m und insbesondere zumindest 2,5 m lang.
• Hierdurch müssen keine zwei getrennten Umhüllungen miteinander verbunden werden und die Isolierung dient gleichzeitig als Isolierung der elektrischen Leitungen vom Endoskopkopf zu einem Kamera-Controller.
• Dieser Umhüllung hat nicht nur die Funktion den Patienten vor den elektrischen Leitungen elektrisch, sondern auch mechanisch zu schützen.
• Vorzugsweise weist die Kamera ein optisches Modul auf, das an den Bildsensor gekoppelt ist.
• Das optische Modul weist eine oder mehrere Linsen auf, um die Umgebung auf den Sensor scharf abzubilden.
• Durch das optische Modul, welches eine Linsenanordnung aufweisen kann und im Folgenden auch Optik genannt wird, können entsprechende Organe bei einer Operation fokussiert betrachtet werden.
• Vorzugsweise ist der distale Endbereich des optischen Moduls außerhalb der Schutzhülse angeordnet, sodass angrenzend zum optischen Modul distale Endbereiche von Lichtleitern zum Ausleuchten eines Sichtfeldes angeordnet sind.
• Das vorgelagerte optische Modul bildet eine elektrische Isolierung an der distalen Stirnseite des Endoskops.
• Durch die Lichtleiter kann hierdurch ansonsten das dunkle Körperinnere ausgeleuchtet werden. Die Lichtleiter bringen hierbei Lichtstrahlen, die außerhalb des Körpers erzeugt werden, zum Beispiel durch LEDs nach vorne zur Spitze des Endoskops.
• Lichtleiter können im Gegensatz zu Bildleitern auch aus Kunststoff gefertigt sein. Außerdem ist es nicht so kritisch, wenn ein einzelner Lichtleiter ausfällt. Bei einem Ausfall würde lediglich die Beleuchtung geschwächt werden, während bei einem Ausfall eines Bildleiters das Bild zumindest teilweise nicht übertragen werden kann.
• Vorzugsweise ist das optische Modul in Öffnungsrichtung in einen elektrisch isolierenden Kleber eingegossen, welcher vorzugsweise das optische Modul mit einer Innenfläche der flexiblen Umhüllung verbindet.
• Vorzugsweise ist der Kleber ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz.
• Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kamera nicht nach vorne austritt und den Patienten beschädigt. Harzschichten sind bekannt, für eine hohe Festigkeit, sowie für die Ungiftigkeit. So wird beispielsweise Epoxidharz als Innenflächenverkleidung von Nahrungsmitteltanks und für Prothesen verwendet. Des Weiteren ist die Durchschlagsfestigkeit von Harz sehr hoch.
• Vorzugsweise ist der Bildsensor ein Flächensensor mit vorzugsweise zumindest 150x150 Pixel.
• Der Bildsensor kann auch ein Flächensensor mit einer nicht quadratischen Fläche sein und z.B. ein Seitenverhältnis von 2:1, 3:2, 64:27, 16:9, 5:3, 14:9, 4:3, 8:5, 3:2, 4:3, oder 5:4 aufweisen.
• Die kürzere Seite hat vorzugsweise zumindest, 500 Pixel, vorzugsweise zumindest 750 Pixel und vorzugsweise zumindest 1250 Pixel.
• Die Pixelgröße ist zumindest kleiner 1,8 µm × 1,8 µm, vorzugsweise zumindest kleiner 1,4 µm × 1,4 µm und vorzugsweise zumindest kleiner 1,0 µm × 1,0 µm, wobei die quadratische Form nicht zwingend erforderlich ist.
• Der Bildsensor hat vorzugsweise eine Kantenlänge von maximal 2,5 mm, 1,5 mm, 1,0mm, vorzugsweise von maximal 0,75 mm und vorzugsweise von maximal 0,5 mm.
• Hierdurch ist ein ausreichend scharfes Bild gegeben, um Strukturen der Organe zu erkennen.
• Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Flächensensor ein Farbsensor ist, sodass eine Orientierung noch stärker vereinfacht wird.
• Im einfachsten Fall ist der Kameratreiber eine Leiterplatte, welche an die Kamera angebracht ist und diese mit den elektrischen Daten- und Versorgungsleitungen verbindet.
• Vorzugsweise ist der Kameratreiber ausgebildet, um Bildvorverarbeitung auszuführen.
• Kameratreiber wandeln die Signale des Bildsensors derart um, dass sie als Informationspakete durch die elektrischen Leitungen des Endoskops an den Kamera-Controller gesendet werden können.
• Vorzugsweise ist die Schutzhülse mit einem erdbezogenen Kabel verbunden. Dies ist vorzugsweise an ihrem proximalen Ende mit einem elektrisch leitenden Kunststoffkörper ausgeführt.
• Hierdurch ist die Schutzhülse, welche selbst elektrisch leitend ist, erdbezogen . Elektrische Ströme können durch dieses Kabel abfließen.
• Elektrisch leitende Kunststoffkörper bestehen beispielsweise aus Epoxidharz, die mit Silberpartikeln versetzt sind. Dieses leitende Epoxidharz ist äußerst robust und kann wie gewöhnlicher Kunststoffharz vergossen werden. Des Weiteren ist Kunststoffharz äußerst inert, das heißt es ist nicht giftig und reagiert auch nicht, wenn es mit organischem Material in Kontakt kommt.
• Im einfachsten Fall wird beim Herstellen das erdbezogene Kabel auf die elektrisch leitende Schutzhülse gelegt und anschließend mit einem Tropfen des leitenden Kunststoffharzes verbunden. Dieser Tropfen schließt die gesamte proximale Öffnung der Schutzhülse dicht ab.
• Vorzugsweise ist das Endoskop derart flexibel, dass es einen Kreis mit einem Radius von zumindest nicht mehr als 3 cm gebogen werden kann. Ausgenommen ist hier die starre Schutzhülse, die im Wesentlichen den Bereich der Kamera umschließt.
• Besonders bevorzugt ist das Endoskop derart flexibel, dass er einen Kreis mit einem Radius von zumindest nicht mehr als 10 cm und insbesondere von zumindest nicht mehr als 5 cm gebogen werden kann. Durch diese Flexibilität kann der Umhüllung derart stark gebogen werden, dass die vom Operateur beabsichtigten Operationsorte, wie zum Beispiel das Herz, erreicht werden können, ohne dass unnötige Schnitte am menschlichen Körper gemacht werden müssen.
• Durch die Flexibilität kann der Umhüllung beispielsweise der Biegung von Venen folgen.
• Vorzugsweise ist der Durchmesser des Endoskopkopfs maximal 3,5 mm, vorzugsweise maximal 2,0 mm und insbesondere maximal 1,2 mm.
• Auch wenn ein solch dünnes Endoskop prinzipiell auch für Körperbereiche geeignet ist, die größere Durchmesser ermöglichen, wie z.B. der Darm, ist das hier vorgestellte Endoskop für den Einsatz in engeren Bereichen ausgelegt, wie z.B. bei bestimmten Arterien, dem Herz oder dem Hirn.
• Durch diese sehr geringe Größe können auch schwierige Regionen des tierischen oder menschlichen Körpers erreicht werden, wie zum Beispiel das Herz, das Hirn oder das Rückenmark, um den Patienten minimal invasiv zu behandeln.
• Deshalb kann das Endoskop auch durch kleinere Arterien und Venen geführt werden.
• Vorzugsweise sind Entstörkondensatoren zwischen der Schutzhülse und der elektrischen Erde angeordnet, die derart ausgestaltet sind, dass ein Ableitstrom des Endoskopkopfs maximal 50 µA, vorzugsweise maximal 25 µA und insbesondere vorzugsweise maximal 10 µA beträgt.
• Die Entstörkondensatoren sind elektrische Kondensatoren welche hochfrequente Störsignale gegen die elektrische Erde ableiten.
• Ein Ursprung dieser Störsignale kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass das Endoskop selbst als Antenne wirkt und äußere elektrische Signale dann über diese Entstörkondensatoren abfließen.
• Vorzugsweise haben die Entstörkondensatoren Werte zwischen 1 nF bis 100 nF.
• Durch die Wahl der Kondensatoren limitiert sich der Ableitstrom auf maximal 50 µA bei vorgegebener Spannung von z.B. 230 V. Die Kapazität der Kondensatoren definieren den Wechselstromwiderstand, dieser wirkt strombegrenzend und begrenzt damit den Ableitstrom.
• Vorzugsweise ist der Umhüllung zumindest 1 m, vorzugsweise zumindest 1,5 m und insbesondere zumindest 2,5 m lang.
• Hierdurch ist es möglich, zu den zu untersuchenden Organen zu gelangen, ohne in unmittelbarer Nähe einen Einschnitt in den Körper vornehmen zu müssen. Hierbei kann eine Körperöffnung oder ein minimalinvasiver Einschnitt verwendet werden, die etwas weiter entfernt liegt und weniger gefährlich ist. Der Zugang zu dem zu untersuchenden Organ kann dann durch die flexible Umhüllung problemlos erreicht werden.
• Vorzugsweise liegt die Durchschlagsspannung bei zumindest 2 kV, vorzugsweise bei zumindest 4 kV und insbesondere bei zumindest 6 kV.
• Hierdurch kann sichergestellt werden, dass es zu keinem erhöhten Ableitstrom kommt und der Patient geschädigt wird.
• Ein Endoskopsystem umfasst ein Endoskop, wie es oben beschrieben ist, und einen Kamera-Controller, wobei dieser galvanisch-getrennte elektrische Verbindungen, wie Stromversorgung und Datenleitungen, zum Endoskopkopf aufweist.
• Der Kamera-Controller empfängt die Bilddaten des Bildsensors, welche durch den Kameratreiber vorverarbeitet wurden. Anschließend wandelt der Kamera-Controller die Bilddaten derart um, dass sie von einem Nutzer interpretiert werden können. Hierzu gehört beispielsweise das Umwandeln in ein gängiges Videoformat, mit Ausgabe z.B. wie zum Beispiel HDMI. Es kann aber auch derart ausgebildet sein, dass die Bilddaten direkt über z.B. USB zu einem PC übertragen werden. Alternativ kann das Bild analog ausgegeben werden, z.B. über YCbCr oder über Standard Video (SD-Video).
• Bei der galvanischen Trennung wird der Stromkreis des Endoskops und der Stromkreis des Kamera-Controllers nicht durch elektrische Leitungen verbunden, sondern die Informationen werden über elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder verbunden, um die Informationen des Endoskopkopfs an den Kamera-Controller zu senden.
• Die Betriebsspannung der Kamera kann von dem Kamera-Controller bereitgestellt werden, wobei die Spannung über DC-DC-Wandler galvanisch getrennt sind.
• Vorzugsweise weist das Endoskopsystem zumindest einen Arbeitskanal auf.
• Durch einen Arbeitskanal können von außerhalb des menschlichen Körper Fluide und Werkzeuge in den menschlichen Körper hinein- oder hinaus befördert werden und/oder Werkzeuge gesteuert werden. Ein solcher Arbeitskanal kann z.B. ein Spülkanal, ein Absaugkanal und/oder ein Führungskanal sein.
• Der Spülkanal kann vorzugsweise sowohl Flüssigkeiten als auch Gas transportieren. So ist es je nach zu untersuchendem Organ unterschiedlich, welcher Stoff zum Spülen verwendet wird. So wird beispielsweise bei Magen- oder Darmuntersuchungen mit Gas, vorzugsweise mit Stickstoff oder gewöhnlicher Luft gespült, während bei Herzoperationen vorzugsweise mit einer Kochsalzlösung gespült wird. Das Spülen bewirkt, dass andere Stoffe des menschlichen Körpers die Sicht der Kamera nicht verdecken. So kann bei einer Herzoperation die Kamera durch Blut verdeckt sein. Dieses verdeckende Blut kann dann durch eine Kochsalzlösung weggespült werden.
• Die verdeckenden Stoffe behindern auch das durch die Lichtleiter austretende Licht, welches das zu untersuchende Objekt und die Umgebung beleuchtet. Der Spülkanal sorgt somit nicht nur für eine klare Sicht der Kamera, sondern auch bis zu einer bestimmten Entfernung vor dem Endoskopkopf.
• Vorzugsweise umfasst das Endoskopsystem Bowdenzüge zum Steuern des Endoskopsystems beim Einführen in einen menschlichen oder tierischen Hohlraum.
• Ein Hohlraum ist ein zum Teil abgegrenzter Bereich, der von einem Endoskop penetriert werden kann, ohne diesen abgesehen von dem Penetrationsloch, zu verletzen. Statt eines operativen Penetrationslochs kann der Zugang aber auch über eine natürliche Körperöffnung, z.B. Nase, Mund oder Anus, erfolgen. Ein Hohlraum ist, z.B. ein Blutgefäß, Darm oder Luftröhre.
• Durch die Bowdenzüge kann die flexible Umhüllung in vorbestimmte Richtungen gelenkt werden.
• Hierdurch ist das Führen des Endoskopkopfs durch den menschlichen Körper beispielsweise durch Venen oder Arterien möglich, ohne dass der Endoskopkopf unnötig Druck auf die entsprechenden Wände des Führungskanals, wie die Arterien, ausübt. Der Chirurg kann hierdurch den Endoskopkopf zielgerichtet zum Ziel führen.
• Vorzugsweise sind die Bowdenzüge in einem separat vom Endoskop ausgebildeten Katheter angeordnet.
• Hierdurch kann je nach Anwendung der geeignetste Katheter mit Bowdenzügen ausgewählt werden. So mag zwar ein Endoskop mit entsprechendem Bildsensor sowohl für Herz-, als auch Hirnoperationen geeignet sein, es könnten aber jedoch andere Katheter mit Bowdenzügen als sinnvoll erachtet werden. Grund hierbei sind die unterschiedlichen Arbeitskanäle.
• Bei einer Herzoperation kann beispielsweise der Katheter über die Aorta zum Herzen gebracht werden.
• Bei Rückenmark- oder Hirnoperationen ist dies nicht möglich und ein anderer externer Katheter mit Bowdenzügen könnte als geeigneter ausgewählt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch:
• 1 ein Endoskopsystem in einem Blockschaltbild,
• 2 ein Schaltbild eines Kamera-Controller und
• 3 einen Endoskopkopf im Längsschnitt.
• Ein Endoskopsystem 1 umfasst eine Auswerteeinheit 2 zum Auswerten der Bilddaten, einen Kamera-Controller 3, um die Bilder zu verarbeiten, einen Außenkatheter 4, für mechanische Steuerungen des Endoskops und ein Endoskop 5 für die Bildgebung (1).
• Das Endoskop 5 ist derart ausgebildet, dass es in einen äußeren Katheter 4 eingeführt werden kann. Im äußeren Katheter 4 sind Bowdenzüge 10 angeordnet, die den Katheter in vorbestimmte Richtungen verbiegen können. Hiermit sind Bewegungen in alle drei Raumrichtungen möglich.
• Des Weiteren sind in dem äußeren Katheter vier Arbeitskanäle 11 vorgesehen, um mit Gas oder einer Flüssigkeit wie zum Beispiel einer Kochsalzlösung, den Bereich unmittelbar vor dem distalen Ende des Endoskops zu spülen.
• Die Bowdenzüge 10 und die Arbeitskanäle 11 werden über eine Außenkatheter-Steuervorrichtung 12 gesteuert. Die Außenkatheter-Steuervorrichtung 12 ist mit der Auswerteeinheit 2 über Datenleitungen verbunden. Die Arbeitskanäle 11 umfassen auch einen Spülkanal.
• Das Endoskop 5 weist einen Endoskopkopf 7 in distaler Richtung zur optischen Erfassung, Lichtleiter 8 zum Ausleuchten der distalen Umgebung des Endoskops und mehrere elektrische Leitungen 9 zum Übertragen von Daten und Strömen auf.
• Die Lichtleiter 8 und die elektrischen Leitungen 9 verlaufen in einem Umhüllung 17, welcher auch gleichzeitig die Isolierung des Endoskopkopfs 7 ist. Der Umhüllung 17 ist in diesem Ausführungsbeispiel 1,5 m lang und hat einen Durchmesser von 1,5 mm. Der Umhüllung 17 ist aus Polyimid gefertigt.
• Der Endoskopkopf 7 ist am distalen Ende des Endoskops 5 angeordnet und weist eine Kamera 13, einen Kameratreiber 14, eine Schutzhülse 15, ein Schirm 16, eine Isolierung 17, eine Epoxid Versiegelung 18 und eine elektrisch leitende, versiegelnde elektrisch leitende Verklebung 19 auf.
• Der Schirm 16 schirmt im Bereich hinter der Schutzhülse bei der Versiegelung den inneren Bereich vor elektrischer Strahlung.
• Der Kameratreiber 14 ist als Platine ausgebildet und sitzt direkt hinter der Kamera 13 und beide sind über Lötverbindungen elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass die Bildsignale zum Kameratreiber 14 gelangen. Der Kameratreiber 14 verwaltet die Betriebsspannung der Kamera 13 und stellt die elektrischen Bildsignale der Kamera 13 in einen seriellen Datenstrom zur Verfügung, damit sie über die elektrischen Leitungen 9 an den Kamera-Controller 3 gesendet werden können.
• Die Kamera 13 weist einen Bildsensor (nicht dargestellt) und eine Kameraoptik (nicht dargestellt) auf. Sie weist einen quadratischen Querschnitt auf.
• Der Bildsensor hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Kantenlänge von 0,7 mm. Die Auflösung beträgt 200 x 200 Pixel mit einer Pixelgröße von 1,75 µm × 1,75 µm. Die Betriebsspannung liegt bei 3,3 V und es werden 25 mW benötigt. Der Sensor ist ein Farbsensor und weist ein RGB Bayer Raster auf.
• Die Kameraoptik weist einen diagonalen Sichtfeld von 120° und ein Verhältnis der Brennweite zur Blendenöffnung von 2,8 auf. Die Brennweite liegt bei 0,175 mm.
• Der Bildsensor, der Kameratreiber 14 sowie die Anschlüsse der elektrischen Leitungen 9a - 9c befinden sich innerhalb der elektrisch leitenden Schutzhülse 15. Die Schutzhülse 15 hat einen Durchmesser von 1,3 mm. Sie ist aus Edelstahl gefertigt und hat eine Wandstärke von 0,05 mm.
• Die Kameraoptik ist außerhalb der Schutzhülse 15 in distaler Richtung angeordnet, wodurch die Kamera 13 aus der Schutzhülse 15 herausragt. Die Optik hat einen Durchmesser von 1,3 mm.
• Lichtleiter 8 gehen von einer Lichtquelle 28 durch die Umhüllung des Endoskops 5 und durch den Endoskopkopf 7 innerhalb der Schutzhülse 15 bis zum distalen Ende hinaus und liegen um die Kamera 13 angeordnet an. In diesem Ausführungsbeispiel sind 12 Lichtleiter 8 derart angeordnet, dass an jeder Seite der Kamera 13 jeweils drei Lichtleiter 8 anliegen.
• Außerhalb der Schutzhülse 15 befindet sich die Umhüllung 17, welcher als elektrische Isolierung dient. Er reicht bis zum distalen Ende des Endoskops 5 und schließt mit der Kameraoptik der Kamera 13 und mit den Lichtleitern 8 ab. Er hat eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 150 kV/mm und hat eine Wandstärke von 0.035 mm Somit können Spannungen von bis zu 5,25 kV an der Schutzhülse 15 anliegen, ohne dass ein Patient eine Schädigung erleidet.
• An der distalen Endoskopspitze ist der verbleibende Raum zwischen Kameraoptik und den Lichtleitern 8 mit einem Kunstharz 18 aufgefüllt. An der proximalen Seite des Endoskopkopfes 7 ist die Schutzhülse 15 durch einer elektrisch leitenden Verklebung 19 mit einem Schirmungskabel 27 verbunden. Die elektrisch leitenden Verklebung 19 ist ein Epoxidharz, welches mit Silberpartikeln versetzt ist.
• Die Länge des Endoskopkopfes 7 beträgt 0,7 cm.
• Die elektrischen Verbindungen gehen elektrisch geschirmt durch die elektrisch leitenden Verklebung 19 vom Kameratreiber 14 in Richtung des Kamerakontrollers 3.
• Die elektrischen Leitungen 9a werden durch eine zweiadrige Leistungsübertragung mit einem Kabel auf 3,3 V und eines mit erdbezug gebildet (2).
• Ein zweiadriges Übertragungssystem 9b nutzt zwei Kabel, mit dem ein Low-Voltage-Differential-Signaling (LVDS-Signal) übertragen wird. Dies zeichnet sich dadurch aus, dass ein geringe differenzielle Spannungspegel (maximal 5 V) verwendet werden und die Signale mit einer Konstantstromquelle erzeugt werden. Über diese Schnittstelle werden die Videodaten übertragen.
• Eine weitere zweiadrige Verbindung stellt eine I2C- Leitung 9c dar, mit welcher Befehle an den Kameratreiber 14 gesendet werden können. I2C ist ein weit verbreiteter Standard und zeichnet sich ebenfalls durch einen niedrigen Spannungspegel aus.
• Die insgesamt sechs elektrische Leitungen 9a, 9b und 9c führen durch das Endoskop 5 von Endoskopkopf 7 zum proximalen Ende des Endoskops 5. Diese sechs elektrischen Leitungen 9a, 9b und 9c weisen einen gemeinsamen Gesamtschirm auf (nicht dargestellt).
• Am proximalen Ende weist das Endoskop 5 einen Endstecker (nicht dargestellt) zum Verbinden des Endoskops 5 mit dem Kamera-Controller 3 auf. Der Endstecker umfasst Verbindungsmöglichkeiten des Schirmungskabels 27, der Lichtleiter 8 und der elektrischen Leitungen 9.
• Der Kamera-Controller 3 weist ein Kamera-Controlboard 26 auf, welches durch galvanische Trennungen 6a - 6c mit dem Endstecker des Endoskops 5 verbunden ist und auf der anderen Seite Ausgänge aufweist für den Stromanschluss einer Spannungsquelle 20, einen Videoausgang 21 für eine Bildanzeigeeinheit 23 sowie einen USB-Anschluss für einen USB-Controller 22. Die Spannungsquelle 20, der Videoausgang 21, der USB-Controller 22, die Bildanzeigeeinheit 23, sowie ein Deserializer 24 sind auf diesem Kamera-Controlboard 26 angeordnet.
• Der Kamera-Controller 3 ist derart ausgebildet, dass er Body-Float (BF)-Anwendungen ausführen kann.
• Die von der Spannungsquelle 20 erzeugte Spannung, die von der Kamera erzeugten Bildinformationen und die Kamerasteuerungssignale werden über galvanische Trennungen 6a, 6b und 6c übertragen. Die galvanischen Trennungen 6a, 6b und 6c bilden die Isolierstrecke, zusammen mit der 4,6mm Kriechstrecke breit ist und aus elektrisch nichtleitendem Material besteht. Diese Isolierstrecke ist zwischen dem Kamera-Controlboard 26 und dem Endoskop 5 angeordnet.
• Die galvanische Trennung für die Spannungsversorgung 6a erfolgt über eine sogenannte DC-DC-Kopplung.
• Der Schirm 16 des Endoskops 5 ist über Entstörkondensatoren 25a, 25b, 25c und 25d mit der elektrischen Masse, auch Erde, Ground, PE oder POAG genannt, verbunden. Durch diese Entstörkondensatoren können Ströme, die eingekoppelt werden, beispielsweise durch Radiowellen, abfließen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Entstörkondensatoren 25a - 25d innerhalb des Kamera-Controllers 3 angeordnet. Sie können jedoch auch an einer anderen Stelle vorgesehen sein. Die Entstörkondensatoren 25a - 25d haben eine Kapazität von 5 nF. Ein elektrischer Leiter 27, welcher die Schutzhülse 15 mit den Entstörkondensatoren 25a - 25d verbindet, ist nicht näher als 2,5 mm in der Luft, an der Erde oder an anderen elektrischen Leitern angeordnet.
• Der Deserializer 24 wandelt die seriellen Bilddaten, die vom Kameratreiber 14 derart um, dass die Daten von der Bildanzeigeeinheit 23 verarbeitet werden können.
• Die Bildanzeigeeinheit 23 verarbeitet die entserialisierten Bilddaten und erzeugt einen Video-Datenstrom, welcher über die Videoschnittstelle 21 an einen externen Monitor einer Auswerteeinheit 2 ausgegeben werden kann.
• Die Auswerteeinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Computer, mit dem auch Befehle über eine USB-Verbindung, welche an den USB-Controller 22 angeschlossen wir, an den Kamera-Controller 3 und das Endoskop 5 geschickt werden können. Die Auswerteeinheit kann auch mit der Außenkatheter-Steuervorrichtung 12 kommunizieren und Befehle übertragen.
• In einer alternativen Ausführungsform sind die Lichtleiter zumindest teilweise durch LEDs ersetzt, die ebenfalls am Endoskopkopf 7 angeordnet sind. Diese Endoskopkopf-LEDs können beim oder am Kameratreiber 14 angeordnet sein. Die LEDs können auch versetzt angeordnet sein. Über kurze Lichtleiter wird Licht distal raus geleitet.
• Die LEDs können auch in etwa der Höhe des Bildsensors angeordnet sein. Hier können Linsen das Licht der LEDs fokussieren oder aufweiten.
• In einer alternativen Ausführungsform sind die Bowdenzüge mit dem Endoskop verbunden.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das Licht für die Lichtleiter 8 über eine separate Zuführung eingekoppelt wird. Es ist auch möglich, dass im Handstück des Anwendeteils LEDs platziert sind, sodass der Endstecker nur die Spannungsversorgung der LEDs verbinden muss.
• In einer alternativen Ausführungsform kann die Schutzhülse aus einem biegsamen Geflecht, z.B. Metallgeflecht, oder aus elektrisch leitendem Kunststoff gefertigt sein.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Auswerteeinheit 2 ein Bildschirm ist, an dem die von der Bildanzeigeeinheit 23 erzeugten Bilder angezeigt werden.
• In einer alternativen Ausführungsform wird lediglich ein einzelner Lichtleiter 8 verwendet.
• Bezugszeichenliste

1

Endoskopsystem

2

Auswerteeinheit

3

Kamera-Controller

4

Außenkatheter

5

Endoskop

6

galvanische Trennung

7

Endoskopkopf

8

Lichtleiter

9

elektrische Leitungen

10

Bowdenzüge

11

Arbeitskanäle

12

Außenkatheter-Steuervorrichtung

13

Kamera

14

Kameratreiber

15

elektrisch leitende Schutzhülse

16

Schirm

17

Umhüllung

18

Epoxid-Versiegelung

19

Verklebung

20

Spannungsquelle

21

Videoausgang

22

USB-Controller

23

Bildanzeigeeinheit

24

Deserializer

25

Entstörkondensatoren

26

Kamera-Controlboard

27

Schirmungskabel

28

Lichterzeugungseinheit

• 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 2020/0113429 A1 [0005]
• US 11039738 [0005]
• US 2014/0155758 A1 [0005]

Claims (17)

1. Endoskop für Cardio-Float-Anwendungen umfassend einen Endoskopkopf und eine flexible Umhüllung, wobei im Endoskopkopf eine Kamera mit distaler Blickrichtung angeordnet ist, wobei der Endoskopkopf eine schirmende, erdbezogene, elektrisch-leitende Schutzhülse aufweist, innerhalb welcher ein Bildsensor und ein Kameratreiber angeordnet sind, und eine Isolierung aufweist, die zumindest die Schutzhülse vollständig umschließt und eine Durchschlagsspannung von zumindest 1 kV besitzt.
2. Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Umhüllung die Isolierung bildet.
3. Endoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera ein optisches Modul aufweist, das an den Bildsensor gekoppelt ist.
4. Endoskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der distale Endbereich des optischen Modules außerhalb der Schutzhülse angeordnet ist, so dass angrenzend zum optischen Modul distale Endbereiche von Lichtleitern zum Ausleuchten eines Sichtfeldes angeordnet sind.
5. Endoskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul in Öffnungsrichtung von einer elektrisch isolierenden Harzschicht umfasst ist, welche vorzugsweise das optische Modul mit einer Innenfläche der flexiblen Umhüllung verbindet.
6. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor ein Flächensensor mit vorzugsweise zumindest 150 x 150 Pixel ist.
7. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kameratreiber ausgebildet ist, um eine Bildvorbearbeitung auszuführen.
8. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülse an ihrem proximalen Ende mit einem elektrisch leitenden Kunststoffkörper mit einem erdbezogenen Kabel verbunden ist.
9. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Umhüllung derart flexibel ist, dass er in einen Kreis mit einem Radius von zumindest nicht mehr als 3 cm gebogen werden kann.
10. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Endoskopkopfes maximal 3,5 mm, vorzugsweise maximal 2,0 mm und insbesondere maximal 1,2 mm ist.
11. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Entstörkondensatoren zwischen der Schutzhülse und der Erde angeordnet sind, die derart ausgestaltet sind, dass ein Ableitstrom des Endoskopkopfs maximal 50 µA beträgt, vorzugsweise maximal 25 µA und insbesondere vorzugsweise maximal 10 µA.
12. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllung zumindest 1m, vorzugsweise zumindest 1,5 m und insbesondere zumindest 2,5 m lang ist.
13. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschlagsspannung bei zumindest 2 kV, vorzugsweise bei zumindest 4 kV und insbesondere bei zumindest 6 kV liegt.
14. Endoskopsystem umfassen ein Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einem Kamerakontroller, wobei dieser galvanisch-getrennte elektrische Verbindungen, wie Stromversorgung und Datenleitung, zum Endoskopkopf aufweist.
15. Endoskopsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskopsystem zumindest einen Arbeitskanal aufweist.
16. Endoskopsystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskopsystem Bowdenzüge zum Steuern des Endoskopsystems beim Einführen in einem menschlichen oder tierischen Hohlraum umfasst.
17. Endoskopsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bowdenzüge in einem separat vom Endoskop ausgebildeten Katheter angeordnet sind.

Images