DE102022120505A1

DE102022120505A1 - Beleuchtungseinrichtung für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie und chirurgisches Instrument

Info

Publication number: DE102022120505A1
Application number: DE102022120505.3A
Authority: DE
Inventors: Konrad Anders; Matthias Dissel; Jens Klinder; Sven Pabst; Timo PFANDER
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US20240053526A1; US11940642B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung (4) für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie und ein chirurgisches Instrument (2). Die Beleuchtungseinrichtung (4) weist einen Glasstab (12), einen Mischstab (32) und eine Mehrzahl von Glasfasern (22) auf, die eine Umfangsfläche (16) des Glasstabs (12) umgeben. Eine erste Mischstabstirnfläche (34a) des Mischstabs (32) stößt an eine zweite Stabstirnfläche (15a) des Glasstabs (12) und an Stirnflächen (25a) der Glasfasern (22), so dass Weißlicht (11) und Anregungslicht (21) in dem Mischstab (32) geführt und homogenisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie. Die Erfindung betrifft ferner ein chirurgisches Instrument, das eine solche Beleuchtungseinrichtung aufweist.
Fluoreszenzbildgeführte Chirurgie ist eine Technik, die verwendet wird, um bestimmte Bereiche oder Anhäufungen von Interesse während einer Operation hervorzuheben, um die Navigation zu unterstützen. Bei dieser Technik werden fluoreszierende Farbstoffe und/oder fluoreszierende Proteine verwendet, um bestimmte Moleküle im Operationsbereich zu markieren. Wenn sie mit Anregungslicht von entsprechender Wellenlänge bestrahlt werden, geben die so markierten Moleküle Fluoreszenzlicht ab. Das Fluoreszenzlicht kann entweder direkt durch den Chirurgen oder durch ein Kamerasystem erfasst werden, wenn die Wellenlänge des fluoreszierenden Lichts außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt.
Fluoreszenz kann sowohl bei offenen als auch bei minimalinvasiven Operationen verwendet werden. Bei beiden Arten benötigt der Chirurg zusätzlich zu dem Anregungslicht eine Weißlichtquelle. Das Weißlicht ist notwendig, um den chirurgischen Bereich zu beleuchten, so dass er den die markierten Moleküle umgebenden Bereich wahrnehmen kann.
Sowohl das Anregungslicht als auch das Weißlicht werden häufig in den gleichen Lichtleiter eingekoppelt, beispielsweise in Form eines Glasfaserkabels. Dieses Glasfaserkabel, das als externes Glasfaserkabel bezeichnet wird, wird dann benutzt, um das Licht in den chirurgischen Bereich zu leiten und ihn sowohl mit dem Weißlicht als auch mit dem Anregungslicht zu beleuchten.
Um das Licht in das externe Glasfaserkabel einzukoppeln, werden das Weißlicht und das Anregungslicht häufig in separaten, internen Glasfasern zu der Schnittstelle mit dem externen Glasfaserkabel geführt. An dieser Schnittstelle besteht jedoch das Risiko eines Verlusts an Lichtintensität, der dadurch verursacht wird, dass die Stirnflächen der einzelnen Fasern nicht vollständig ausgerichtet sind. Außerdem können die internen Glasfasern, die verwendet werden, das Weißlicht zu leiten, beschädigt werden, wenn sie hohen Energieintensitäten von hellen Weißlichtquellen ausgesetzt werden. Außerdem ist die Ausgabe am Ende des externen Glasfaserkabels in der Regel nicht homogen, da die Intensität des Weißlichts und des Anregungslichts an der Stirnfläche Minima und Maxima aufweist. Dies kann zu sehr hellen Lichtpunkten führen. Bei Verwendung von Laserlicht als Anregungslicht erfordert dies eine höhere Laserklasse für die Beleuchtungsbaugruppe, als es andernfalls erforderlich wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine helle und homogene Beleuchtung für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie gelöst, aufweisend einen Weißlicht-Führungsabschnitt, einen Anregungslicht-Führungsabschnitt und einen Mischlicht-Führungsabschnitt, wobei der Weißlicht-Führungsabschnitt einen Glasstab aufweist, der sich in einer Längsrichtung von einem ersten Stabende, das ausgebildet ist, Weißlicht aufzunehmen, zu einem zweiten Stabende erstreckt, das ausgebildet ist, das Weißlicht auszustrahlen, wobei der Glasstab eine erste Stabstirnfläche an dem ersten Stabende, eine zweite Stabstirnfläche an dem zweiten Stabende und eine sich zwischen der ersten Stabstirnfläche und der zweiten Stabstirnfläche erstreckende Umfangsfläche aufweist, wobei der Anregungslicht-Führungsabschnitt eine Mehrzahl von Glasfasern aufweist, die sich jeweils von einem ersten Faserende, das ausgebildet ist, Anregungslicht aufzunehmen, zu einem zweiten Faserende erstrecken, das ausgebildet ist, das Anregungslicht auszustrahlen, wobei die zweiten Faserenden der Mehrzahl von Glasfasern die Umfangsfläche des Glasstabs an dem zweiten Stabende umgeben, wobei der Mischlicht-Führungsabschnitt einen optischen Mischstab aufweist, der sich in Längsrichtung von einem ersten Mischstabende, das ausgebildet ist, das Weißlicht und das Anregungslicht aufzunehmen, zu einem zweiten Mischstabende erstreckt, das ausgebildet ist, das Mischlicht auszustrahlen, wobei der Mischstab eine erste Mischstabstirnfläche an dem ersten Mischstabende, eine zweite Mischstabstirnfläche an dem zweiten Mischstabende und eine sich zwischen der ersten Mischstabstirnfläche und der zweiten Mischstabstirnfläche erstreckende Umfangsfläche aufweist, wobei der Glasstab angeordnet ist, das in dem Glasstab geführte Weißlicht über die zweite Stabstirnfläche des Glasstabs und die erste Mischstabstirnfläche des Mischstabs in den Mischstab einzukoppeln, wobei jede der Glasfasern angeordnet ist, das in den Glasfasern geführte Anregungslicht über Stirnflächen an den zweiten Faserenden der Glasfasern und die erste Mischstabstirnfläche des Mischstabs in den Mischstab einzukoppeln.
Vorteilhafterweise sieht die Beleuchtungseinrichtung eine helle und homogene Lichtausgabe vor. Die Beleuchtungseinrichtung kann für minimalinvasive Operationen, beispielsweise mit einem Endoskop, verwendet werden. Außerdem kann die Beleuchtungseinrichtung für offene Operationen verwendet werden.
Das Weißlicht wird in den Glasstab anstatt eine Glasfaser eingekoppelt, was den Vorteil hat, höheren Intensitäten als eine Glasfaser standzuhalten, ohne beschädigt zu werden. Somit kann für die Operation Weißlicht mit höherer Intensität verwendet werden. Außerdem homogenisiert der Glasstab das im Inneren geführte Weißlicht, so dass die Intensität des Weißlichts gleichmäßig über die zweite Stabstirnfläche des Glasstabs verteilt ist.
Das Anregungslicht wird in den Glasfasern geleitet. Die zweiten Faserenden der Glasfasern, an denen das Anregungslicht ausgestrahlt wird, sind angeordnet, um die Umfangsfläche des Glasstabs an dem zweiten Stabende, an dem das Weißlicht ausgestrahlt wird, zu umgeben. Mit anderen Worten, das Anregungslicht wird insbesondere ringförmig um die zweite Stabstirnfläche herum ausgestrahlt, an der das Weißlicht ausgestrahlt wird.
Sowohl das Weißlicht als auch das Anregungslicht werden in die erste Mischstabstirnfläche eingekoppelt. Anschließend werden beide innerhalb des Mischstabs geführt, wo die Intensität sowohl des Weißlichts als auch des Anregungslichts homogenisiert wird. An der zweiten Mischstabstirnfläche treten sowohl das Weißlicht als auch das Anregungslicht in homogenisiertem Zustand aus dem Mischstab aus und werden danach als Mischlicht bezeichnet. Da die Intensität des Weißlichts und die Intensität des Anregungslichts gleichmäßig über die zweite Mischstabstirnfläche verteilt sind, ist das resultierende Mischlicht homogen und weist keine hellen Lichtpunkte auf.
Sowohl der Glasstab als auch der Mischstab erstrecken sich entlang der Längsrichtung. Die zweiten Faserenden sind insbesondere angeordnet, um das Anregungslicht im Wesentlichen in Längsrichtung auszustrahlen. Im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung ist die Längsrichtung die Richtung, in die das Mischlicht ausgestrahlt wird.
Der Glasstab ist aus einem Glas hergestellt oder weist ein Glas auf. Der optische Mischstab ist insbesondere transparent und ist insbesondere aus einem Glas und/oder einem transparenten Kunststoffmaterial, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Cyclo-Olefin-Polymer oder Cyclo-Olefin-Copolymer, hergestellt.
Das Anregungslicht ist insbesondere sichtbares Licht und/oder Infrarotlicht und/oder UV-Licht und/oder Licht anderer geeigneter Wellenlängen für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie.
Vorzugsweise weist/weisen der Glasstab und/oder der Mischstab eine zylindrische Form auf, wobei insbesondere die zweiten Faserenden der Mehrzahl von Glasfasern angeordnet sind, um die Umfangsfläche an dem zweiten Stabende des Glasstabs vollständig zu umgeben. Die zylindrische Form ist vorteilhaft, um das Licht von den ersten Stirnflächen zu den zweiten Stirnflächen zu leiten und gleichzeitig die Intensität des geführten Lichts zu homogenisieren. Insbesondere ist die Umfangsfläche des Glasstabs und/oder des Mischstabs eine zylindrische Fläche. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist/weisen der Glasstab und/oder der Mischstab einen sechseckigen Querschnitt auf. Sechseckige Stäbe erzielen auch gute Lichtmischergebnisse. Der Glasstab und/oder der Mischstab kann/können auch eine andere Stabform als zylindrisch oder sechseckig aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist/weisen der Glasstab und/oder der Mischstab einen Stabkern und eine Ummantelung auf, wobei die Ummantelung den Stabkern entlang eines Umfangs des Stabkerns umgibt und einen niedrigeren Brechungsindex als der Stabkern aufweist. Der Stabkern leitet das Licht innerhalb des Stabs. Die Ummantelung, die den Stabkern umgibt, reflektiert das Licht zurück in den Stabkern, wenn es auf die Grenzfläche zwischen Stabkern und Ummantelung trifft. Prinzipiell ist eine vollständige Reflexion auch ohne die Ummantelung möglich, da Licht vollständig an der sich entlang des Umfangs des Stabkerns und der ihn umgebenden Umgebungsluft erstreckenden Oberfläche reflektiert werden kann. Die Ummantelung vereinfacht jedoch den Einbau des Glasstabs und/oder des Mischstabs in eine Hülse, da die Ummantelung in der Hülse fixiert, beispielsweise verklebt, werden kann, ohne die vollständige Reflexion an der Grenzfläche zwischen Stabkern und Ummantelung zu beeinträchtigen.
Eine Länge des Mischstabs ist vorzugsweise mindestens fünfmal größer als ein Durchmesser des Mischstabs. Indem der Mischstab mit eine Länge vorgesehen wird, die fünf Mal größer ist als sein Durchmesser, werden das im Mischstab geführte Weißlicht und Anregungslicht gleichmäßig homogenisiert. Insbesondere ist die Länge des Glasstabs mindestens fünf Mal größer als ein Durchmesser des Glasstabs.
Gemäß einer Ausführungsform sind die zweiten Faserenden angeordnet, um einen ringförmigen, ebenen Emitter um das zweite Stabende des Glasstabs zu bilden. Indem die Faserenden angeordnet sind, um einen ringförmigen, ebenen Emitter zu bilden, wird das Anregungslicht ringförmig ausgestrahlt. Insbesondere sind die zweiten Faserenden gleichmäßig um den ringförmigen, ebenen Emitter verteilt. Auf diese Weise wird das Anregungslicht bereits gleichmäßiger verteilt, bevor es in den Mischstab gelangt.
Vorzugsweise stößt die erste Mischstabstirnfläche, insbesondere direkt, an die zweite Stabstirnfläche des Glasstabs und/oder an die Stirnflächen an den zweiten Faserenden jeder Glasfaser. Indem die zweite Stabstirnfläche und/oder die Stirnflächen an den zweiten Faserenden angeordnet ist/sind, um an die erste Mischstabstirnfläche zu stoßen, wird eine platzsparende Ausführung der Beleuchtungseinrichtung erzielt, die einen Verlust an Intensität verhindert. Insbesondere ist die Mischstabstirnfläche bündig mit der zweiten Stabstirnfläche und/oder den Stirnflächen an den zweiten Faserenden jeder Glasfaser und berührt diese. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stößt die erste Mischstabstirnfläche direkt an die Stirnflächen an den zweiten Faserenden jeder Glasfaser Dies verbessert die Einkopplung oder Einspeisung des Anregungslichts in den Mischstab. Insbesondere ist die erste Mischstabstirnfläche mit der zweiten Stabstirnfläche des Glasstabs und/oder den Stirnflächen an den zweiten Faserenden jeder Glasfaser mit einem optischen Klebstoff verklebt. Der optische Klebstoff, auch als optischer Kleister oder optischer Kitt bekannt, hält den Glasstab, die Glasfasern und den Mischstab zusammen und reduziert Lichtintensitätsverluste an der Grenzfläche.
Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die zweiten Faserenden mit der Umfangsfläche des Glasstabs verklebt. Insbesondere bilden die mit der Umfangsfläche des Glasstabs verklebten zweiten Faserenden den ringförmigen, ebenen Emitter. Die Stirnflächen der zweiten Faserenden werden insbesondere nach Verkleben der zweiten Faserenden mit der Umfangsfläche des Glasstabs poliert. Gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die zweiten Faserenden miteinander verschmolzen, um eine Ringform zu bilden, bevor sie auf der Umfangsfläche des Glasstabs angeordnet werden. Mit anderen Worten werden die zweiten Faserenden zuerst miteinander verschmolzen, um eine Ringform zu bilden. Anschließend wird die Ringform auf der Umfangsfläche des Glasstabs angeordnet. Bei der zweiten Ausführungsform können die zweiten Faserenden poliert werden, bevor oder nachdem sie miteinander verschmolzen sind, um die Ringform zu bilden,. Während es bei der ersten Ausführungsform nicht erforderlich ist, dass der Ring im Voraus geformt wird, sieht die zweite Ausführungsform eine einfachere Montage vor, sobald die zweiten Faserenden miteinander verschmolzen sind.
Vorzugsweise ist ein Flächeninhalt der ersten Mischstabstirnfläche des Mischstabs mindestens so groß wie ein Flächeninhalt der zweiten Stabstirnfläche des Glasstabs zuzüglich eines ringförmigen Faserstirnflächeninhalts, wobei der ringförmige Faserstirnflächeninhalt die zweite Stabstirnfläche umgibt und die Stirnflächen der zweiten Faserenden aller Glasfasern aufweist. Indem die erste Mischstabstirnfläche so groß ausgebildet wird, ist der Mischstab in der Lage, die Intensität des Weißlichts und des Anregungslichts ohne signifikante Verluste aufzunehmen. Der ringförmige Faserstirnflächeninhalt ist insbesondere der ringförmige, ebene Emitter. Mit anderen Worten ist es der Flächeninhalt, der das Anregungslicht ausstrahlt. Insbesondere weist der ringförmige Faserstirnflächeninhalt die Stirnflächen der zweiten Faserenden aller Glasfasern und den Raum dazwischen auf.
Der Glasstab, der Mischstab und die zweiten Faserenden sind vorzugsweise von einer äußeren Hülse umgeben. Die äußere Hülse hält die Komponenten der Beleuchtungseinrichtung zusammen und kann auch die in der Beleuchtungseinrichtung erzeugte Wärme abführen. Gemäß einer Ausführungsform umgibt die äußere Hülse direkt die Umfangsfläche des Mischstabs und ein Teilstück der entlang der Umfangsfläche des Glasstabs verlaufenden Glasfasern. Gemäß einer alternativen Ausführungsform umgibt eine innere Hülse direkt das Teilstück der entlang der Umfangsfläche des Glasstabs verlaufenden Glasfasern. Auf diese Weise umhüllt die innere Hülse sowohl die Glasfasern als auch den Glasstab. Bei der alternativen Ausführungsform umgibt die äußere Hülse direkt die innere Hülse und die Umfangsfläche des Mischstabs. Insbesondere ist/sind die äußere und/oder die innere Hülse eine Metallhülse. Vorteilhafterweise bietet Metall eine hohe Stabilität und gute Wärmeleitung.
Vorzugsweise ist die Mehrzahl von Glasfasern zu einer Mehrzahl von Fasergruppen gebündelt, wobei jede Fasergruppe mehrere Glasfasern aufweist, wobei die ersten Faserenden der Glasfasern jeder Fasergruppe miteinander verschmolzen sind, um ein kombiniertes erstes Faserende für jede Fasergruppe zu bilden. Die kombinierten ersten Faserenden der Fasergruppen werden benutzt, um das Anregungslicht in die Glasfasern einzukoppeln. Häufig werden die ersten Faserenden miteinander verklebt, anstatt miteinander verschmolzen. Wenn der Kleber jedoch einer hohen Energiedichte eines gebündelten Lasers ausgesetzt wird, kann er schmelzen. Der Vorteil des Miteinanderverschmelzens mehrerer Glasfasern, anstatt sie miteinander zu verkleben, besteht darin, dass das kombinierte erste Faserende viel widerstandsfähiger gegenüber hohen Temperaturen aufgrund hoher Energiedichten ist. Die Intensität des eingehenden Anregungslichts wird auf die Glasfasern verteilt, wodurch Beschädigung an den ersten Faserenden verhindert wird, wenn Anregungslicht von leistungsstarken Anregungsquellen aufgenommen wird. Insbesondere weist jede Fasergruppe mindestens zehn, insbesondere mindestens hundert Glasfasern auf. Jede Fasergruppe weist beispielsweise hundert bis zweihundert Glasfasern auf.
Der Anregungslicht-Führungsabschnitt weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Anregungslichtquellen auf, die angeordnet sind, um das Anregungslicht in die ersten Faserenden der Glasfasern einzukoppeln, wobei die Mehrzahl von Anregungslichtquellen insbesondere Laserquellen, insbesondere Laserdioden, aufweist, wobei die Mehrzahl von Anregungslichtquellen insbesondere Lichtquellen mit mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, individuellen, unterschiedlichen Wellenlängen aufweist. Indem eine Mehrzahl von Anregungslichtquellen vorgesehen wird, kann das Anregungslicht effizient und homogen in die Glasfasern eingekoppelt werden. Laserquellen, insbesondere Laserdioden, sind als Anregungsquellen für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie vorteilhaft, da sie die für dieses Verfahren erforderlichen individuellen Wellenlängen und hohe Intensität vorsehen. Indem mindestens zwei oder drei individuelle, unterschiedliche Wellenlängen des Anregungslichts vorgesehen werden, können während derselben Operation verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe benutzt werden, was die Klarheit und den Kontrast des Bildes verbessert. Außerdem kann die gleiche Beleuchtungseinrichtung für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe benutzt werden, ohne die Anregungsquellen zu wechseln. Insbesondere ist die Mehrzahl von Anregungslichtquellen vor den ersten Faserenden angeordnet. Insbesondere ist eine Linse zwischen jeder der Mehrzahl von Anregungslichtquellen und den jeweiligen ersten Faserenden angeordnet. Auf diese Weise wird das Anregungslicht auf die ersten Faserenden gebündelt und in sie eingekoppelt.
Vorzugsweise ist jede Lichtquelle der Mehrzahl von Anregungslichtquellen angeordnet, um das Anregungslicht in ein unterschiedliches kombiniertes erstes Faserende einzukoppeln, wobei insbesondere die Mehrzahl von Anregungslichtquellen mindestens zwei Anregungslichtquellen mit identischer Wellenlänge aufweist, die angeordnet sind, um das Anregungslicht in unterschiedliche kombinierte erste Faserenden einzukoppeln. Dementsprechend ist für jedes kombinierte erste Faserende eine einzelne Anregungslichtquelle vorgesehen Dies ermöglicht eine effiziente Übertragung des Anregungslichts in die Glasfasern. Indem mindestens zwei Lichtquellen mit identischer Wellenlänge vorgesehen werden, kann die Intensität dieser speziellen Wellenlänge in einfacher Weise erhöht werden, ohne die Intensität einzelner Lichtquellen anpassen zu müssen.
Der Weißlicht-Führungsabschnitt weist vorzugsweise mindestens eine Weißlichtquelle auf, wobei die mindestens eine Weißlichtquelle angeordnet ist, um das Weißlicht in das erste Stabende des Glasstabs einzukoppeln, wobei die mindestens eine Weißlichtquelle insbesondere eine Weißlicht-LED und/oder eine auf laserangeregtem Phosphor basierende Weißlichtquelle, insbesondere eine Mehrzahl von Weißlicht-LEDs und/oder auf laserangeregtem Phosphor basierenden Weißlichtquellen aufweist.
Weißlicht-LEDs liefern vorteilhafterweise die erforderliche Intensität und sind langlebig. Eine auf laserangeregtem Phosphor basierende Weißlichtquelle, manchmal als Weißlichtlaser bekannt, liefert auch eine hohe Intensität. Insbesondere ist die mindestens eine Weißlichtquelle vor dem ersten Stabende angeordnet.
Vorzugsweise weist der Weißlicht-Führungsabschnitt mindestens eine Linse innerer Totalreflexion auf, die angeordnet ist, um Weißlicht aufzunehmen und das Weißlicht in das erste Stabende des Glasstabs einzukoppeln, wobei insbesondere die mindestens eine Linse innerer Totalreflexion zwischen der mindestens einen Weißlichtquelle und dem ersten Stabende des Glasstabs angeordnet ist. Eine Linse innerer Totalreflexion, auch als TIR-Linse bekannt, bietet einen sehr hohen Einkopplungswirkungsgrad. In der Regel kann diese hohe Intensität problematisch sein, wenn das Weißlicht von der TIR-Linse direkt in eine Glasfaser eingekoppelt wird. Da jedoch das Weißlicht stattdessen in den Glasstab eingekoppelt wird, besteht keine Notwendigkeit, die Intensität des Weißlichts zu begrenzen.
Die Aufgabe wird ferner durch ein chirurgisches Instrument für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie gelöst, das eine Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehend diskutierten Ausführungsformen aufweist, wobei das chirurgische Instrument insbesondere ein Endoskop ist.
Für das chirurgische Instrument gelten die gleichen oder ähnliche Vorteile, wie sie vorstehend in Bezug auf die Beleuchtungseinrichtung angeführt wurden.
Die Beleuchtungseinrichtung ist besonders nützlich für ein Endoskop oder andere chirurgische Instrumente für minimalinvasive Chirurgie, da sie homogenisiertes Mischlicht hoher Intensität liefert.
Weitere Ausprägungen der Erfindung werden aus der Beschreibung der Ausführungsformen gemäß der Erfindung zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Ausführungsformen gemäß der Erfindung können einzelne Ausprägungen oder eine Kombination mehrerer Ausprägungen erfüllen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben, wobei bezüglich der Offenlegung aller im Text nicht näher erläuterten Einzelheiten gemäß der Erfindung ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Die Zeichnungen zeigen in:

1 eine schematische, vereinfachte Darstellung eines chirurgischen Instruments mit einer Beleuchtungseinrichtung,
2 eine schematische, vereinfachte Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit einem Weißlicht-Führungsabschnitt, einem Anregungslicht-Führungsabschnitt und einem Mischlicht-Führungsabschnitt,
3 eine schematische, vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Beleuchtungseinrichtung,
4 eine schematische, vereinfachte perspektivische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung,
5 eine schematische, vereinfachte Darstellung eines kombinierten ersten Faserendes und einer Anregungslichtquelle und
6 eine schematische, vereinfachte Darstellung eines Glasstabs und eines Mischstabs mit einem Stabkern und einer Ummantelung.

In den Zeichnungen sind gleiche oder gleichartige Elemente oder jeweils entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.
1 zeigt eine schematische, vereinfachte Darstellung eines chirurgischen Instruments 2, beispielsweise eines Endoskops. Das chirurgische Instrument 2 weist einen Körper 3 mit einem distalen Ende 3a auf, das ausgebildet ist, in eine Kavität eines Patienten einzudringen. Eine Beleuchtungseinrichtung 4 ist vorgesehen, die mit dem Körper 3 verbunden ist, um eine Beleuchtung während einer Operation vorzusehen, beispielsweise in Form von Weißlicht 11.
Bei fluoreszenzbildgeführter Chirurgie werden bestimmte Regionen in dem Operationsbereich mit speziellen Fluoreszenzfarbstoffen markiert, die fluoreszierendes Licht ausstrahlen, wenn sie Anregungslicht einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt werden. Auf diese Weise werden die markierten Regionen hervorgehoben, um den Chirurg während der Operation zu unterstützen. Um die fluoreszierenden Farbstoffe zu stimulieren, muss jedoch zusätzlich zu dem Weißlicht 11 Anregungslicht 21 in den Operationsbereich geführt werden.
2 zeigt eine schematische, vereinfachte Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung 4, die imstande ist, sowohl Weißlicht 11 als auch Anregungslicht 21 auszustrahlen. Die Beleuchtungseinrichtung 4 weist einen Weißlicht-Führungsabschnitt 10, einen Anregungslicht-Führungsabschnitt 20 und einen Mischlicht-Führungsabschnitt 30 auf. Der Weißlicht-Führungsabschnitt 10 und der Anregungslicht-Führungsabschnitt 20 leiten das Weißlicht 11 und das Anregungslicht 21 und koppeln es in den Mischlicht-Führungsabschnitt 30 ein. In dem Mischlicht-Führungsabschnitt 30 werden sowohl das Weißlicht 11 als auch das Anregungslicht 21 geführt, bis sie als Mischlicht 31 ausgestrahlt werden.
Beispielsweise können der Weißlicht-Führungsabschnitt 10 und der Anregungslicht-Führungsabschnitt 20 jeweils Glasfasern sein und der Mischlicht-Führungsabschnitt 30 kann ein Glasfaserkabel sein, das bündig mit den oder in der Nähe der Glasfasern des Weißlicht-Führungsabschnitts 10 und des Anregungslicht-Führungsabschnitts 20 ist. Die Ausbildung aller Führungsabschnitte 10, 20, 30 als Glasfasern hat jedoch Nachteile. Beispielsweise können die Glasfasern in den Führungsabschnitten 10, 20 beschädigt werden, wenn sie hohen Lichtintensitäten ausgesetzt werden. Es kann auch zu einem Intensitätsverlust an der Grenzfläche zwischen dem Weißlicht-Führungsabschnitt 10 und dem Anregungslicht-Führungsabschnitt 20 einerseits und dem Mischlicht-Führungsabschnitt 30 andererseits kommen. Schließlich kann die Intensität des Weißlichts 11 und des Anregungslichts 21 in dem Mischlicht-Führungsabschnitt 30 nicht gleichmäßig verteilt sein, was zu unnötigen hellen Flecken in dem Mischlicht 31 führt.
3 zeigt einen schematischen, vereinfachten Querschnitt einer Beleuchtungseinrichtung 4, die diese Probleme löst. Der Weißlicht-Führungsabschnitt 10 der Beleuchtungseinrichtung 4 weist einen zylindrischen Glasstab 12 anstelle einer Glasfaser auf. Der Glasstab 12 erstreckt sich in einer Längsrichtung 50 von einem ersten Stabende 14 zu einem zweiten Stabende 15. An dem ersten Stabende 14 weist der Glasstab 12 eine erste Stabstirnfläche 14a und an dem zweiten Stabende 15 eine zweite Stabstirnfläche 15a auf. Zwischen den Stirnflächen 14a, 15a erstreckt sich eine Umfangsfläche 16. Ein solcher Glasstab 12 ist besser geeignet, hohe Intensitäten von Weißlicht 11 aufzunehmen, und homogenisiert auch das darin geführte Weißlicht 11. Der Weißlicht-Führungsabschnitt 10 weist ferner eine Weißlichtquelle 13, beispielsweise eine oder mehrere weiße LEDs, und eine oder mehrere Linsen 19 innerer Totalreflexion auf. In der Regel ist für jede LED eine Linse 19 innerer Totalreflexion vorgesehen. Das von der Weißlichtquelle 13 ausgestrahlte Weißlicht 11 wird durch die Linse 19 innerer Totalreflexion ausgerichtet und anschließend in die erste Stabstirnfläche 14a des Glasstabs 12 eingekoppelt.
Der Anregungslicht-Führungsabschnitt 20 weist eine Mehrzahl von Glasfasern 22 auf, die sich jeweils von einem ersten Faserende 24 zu einem zweiten Faserende 25 erstrecken. Die ersten Faserenden 24 sind angeordnet, um das Anregungslicht 21 von Anregungslichtquellen 23, beispielsweise Laserquellen, aufzunehmen. Die zweiten Faserenden 25 sind die Umfangsfläche 16 des Glasstabs 12 umgebend angeordnet, so dass die zweiten Faserenden 25 das Anregungslicht 21 im Wesentlichen in Längsrichtung 50 ausstrahlen. Gemäß einer Ausführungsform sind die zweiten Faserenden 25 mit der Umfangsfläche 16 des Glasstabs in ringartiger Weise verklebt. Bei einer anderen Ausführungsform werden die zweiten Faserenden 25 miteinander verschmolzen, um eine Ringform zu bilden, die oben auf der Umfangsfläche 16 platziert wird. In jedem Fall führt die sich ergebende Anordnung zu einem ringförmigen Faserstirnflächeninhalt, der das Anregungslicht 21 in ringartiger Weise ausstrahlt. Dieses ringartige Anregungslicht 21 umgibt das durch den Glasstab 12 ausgestrahlte Weißlicht 11.
Der Mischlicht-Führungsabschnitt 30 weist einen Mischstab 32 auf, der sich von einem ersten Mischstabende 34 mit einer ersten Mischstabstirnfläche 34a zu einem zweiten Mischstabende 35 mit einer zweiten Mischstabstirnfläche 35a erstreckt und zwischen ihnen eine Umfangsfläche 36 aufspannt. Die erste Mischstabstirnfläche 34a stößt sowohl an die zweite Stabstirnfläche 15a des Glasstabs 12 als auch an die Stirnflächen 25a der zweiten Faserenden der Glasfasern 22. Somit wird das Weißlicht 11 und das Anregungslicht 21 in den Mischstab 32 eingekoppelt, wo es gemischt und homogenisiert wird. Das sowohl das Weißlicht 11 als auch das Anregungslicht 21 aufweisende homogenisierte Mischlicht 31 wird von der zweiten Mischstabstirnfläche 35a ausgestrahlt. Dieses Mischlicht 31 weist keinerlei helle Lichtpunkte des Anregungslichts 21 oder des Weißlichts 11 auf, da die Intensität des Mischlichts 31 gleichmäßig um die zweite Mischstabstirnfläche 35a verteilt wird.
Der Mischstab 32 kann aus Glas oder transparentem Kunststoff hergestellt sein, während der Glasstab 12 aus Glas hergestellt ist, um hohen Intensitäten von Weißlicht 11 besser standzuhalten. Der Glasstab 12 und die zweiten Faserenden 2 der optischen Fasern 22 sind mindestens teilweise von einer inneren Hülse 42 umgeben, die beispielsweise aus Metall hergestellt ist. Diese innere Hülse 42 hält die Glasfasern 22 und den Glasstab 12 zusammen und führt Wärme ab. Die innere Hülse 42 ermöglicht auch, dass die Stirnflächen 25a der optischen Fasern 22 in einfacher Weise poliert werden, bevor der Mischstab 32 vor die Stirnflächen 25a platziert wird. Eine äußere Hülse 40 ist angebracht, welche die innere Hülse 42 und eine Umfangsfläche 36 des Mischstabs 32 umgibt. Genau wie die innere Hülse 42 hält die äußere Hülse 40 die Komponenten zusammen und leitet Wärme ab.
4 zeigt eine schematische, vereinfachte perspektivische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung 4 ohne die äußere Hülse 40. Außerdem ist der Mischstab 32 von den anderen Komponenten entfernt dargestellt, um ihre innere Struktur besser sichtbar zu machen. In 4 ist die ringförmige Anordnung der Glasfasern 22 sichtbar. Um die Übersichtlichkeit zu verbessern, ist nur eine der Glasfasern 22 mit Bezugszeichen vorgesehen und sind die ersten Faserenden 24 weggelassen. Außerdem ist die Anzahl der Glasfasern 22 reduziert, da in der Regel Hunderte oder Tausende von Glasfasern 22 um den Glasstab 12 angeordnet sind. Auf jeden Fall zeigt 4, dass die Stirnflächen 25a der zweiten Faserenden 25 einen die zweite Stabstirnfläche 15a des Glasstabs 12 umgebenden ringförmigen, ebenen Emitter bilden. Die erste Mischstabstirnfläche 34a in diesem Beispiel ist mindestens so groß wie ein kombinierter Flächeninhalt der Stirnfläche 15a des Glasstabs 12, der Stirnflächen 25a der Glasfasern 22 und der Stirnfläche der inneren Hülse 42.
5 zeigt eine schematische, vereinfachte Darstellung mehrerer erster Faserenden 24 optischer Fasern 22 einer Fasergruppe, die miteinander verschmolzen sind, um ein kombiniertes erstes Faserende 26 zu bilden. Auch hier ist nur eine der Glasfasern 22 mit Bezugszeichen versehen. In 5 sind nur sieben Glasfasern 22 miteinander verschmolzen, in Wirklichkeit können Hunderte von Glasfasern 22 miteinander verschmolzen sein, um das erste Faserende 26 zu bilden. Das kombinierte erste Faserende 26 ist besser geeignet, Anregungslicht 21 mit hoher Intensität von Anregungslichtquellen 23 mit hoher Ausgangsintensität, beispielsweise Laserdioden und/oder LEDs, aufzunehmen. Einkopplung dieser hohen Intensität in ein einzelnes erstes Faserende 24 würde das erste Faserende 24 aufgrund der entstehenden Wärme beschädigen. Indem die ersten Faserenden 24 zu einem kombinierten ersten Faserende 26 kombiniert werden, wird die Intensität jedoch gleichmäßig auf die Glasfasern 22 verteilt, so dass Beschädigung vermieden wird.
6 zeigt eine schematische, vereinfachte Darstellung eines Glasstabs 12 mit einem Stabkern 17 und einer Ummantelung 18 sowie einen Mischstab 32 mit einem Stabkern 37 und einer Ummantelung 38. Die Ummantelungen 18, 38 umgeben den Umfang des jeweiligen Stabkerns 17, 37 und weisen einen niedrigeren Brechungsindex als die Stabkerne 17, 37 auf. Auf diese Weise verhindern die Ummantelungen 18, 38, dass in dem Stabkern 17, 37 geführtes Licht 11, 21 den Stab 12, 32 über die Umfangsfläche 16, 36 verlässt. Außerdem ist die Länge der Stäbe 12, 32 mehr als fünfmal größer als ihr Durchmesser, was zu einer verbesserten Homogenisierung des geführten Lichts führt.
Alle genannten Ausprägungen, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Ausprägungen, die in Kombination mit anderen Ausprägungen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Ausführungsformen gemäß der Erfindung können durch einzelne Ausprägungen oder eine Kombination mehrerer Ausprägungen verwirklicht sein. Merkmale, welche mit der Formulierung „insbesondere“ oder „besonders“ kombiniert sind, sind als bevorzugte Ausführungsformen zu behandeln.
Bezugszeichenliste

2: chirurgisches Instrument
3: Körper
3a: distales Ende
4: Beleuchtungseinrichtung
10: Weißlicht-Führungsabschnitt
11: Weißlicht
12: Glasstab
13: Weißlichtquelle
14: erstes Stabende
14a: erste Stabstirnfläche
15: zweites Stabende
15a: zweite Stabstirnfläche
16: Umfangsfläche
17: Stabkern
18: Ummantelung
19: Linse innerer Totalreflexion
20: Anregungslicht-Führungsabschnitt
21: Anregungslicht
22: Glasfaser
23: Anregungslichtquelle
24: erstes Faserende
25: zweites Faserende
25a: Stirnfläche
26: kombiniertes erstes Faserende
30: Mischlicht-Führungsabschnitt
31: Mischlicht
32: Mischstab
34: erstes Mischstabende
34a: erste Mischstabstirnfläche
35: zweites Mischstabende
35a: zweite Mischstabstirnfläche
36: Umfangsfläche
37: Stabkern
38: Ummantelung
40: äußere Hülse
42: innere Hülse
50: Längsrichtung

Claims

Beleuchtungseinrichtung (4) für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie, aufweisend einen Weißlicht-Führungsabschnitt (10), einen Anregungslicht-Führungsabschnitt (20) und einen Mischlicht-Führungsabschnitt (30), wobei der Weißlicht-Führungsabschnitt (10) einen Glasstab (12) aufweist, der sich in einer Längsrichtung (50) von einem ersten Stabende (14), das ausgebildet ist, Weißlicht (11) aufzunehmen, zu einem zweiten Stabende (15) erstreckt, das ausgebildet ist, das Weißlicht (11) auszustrahlen, wobei der Glasstab (12) eine erste Stabstirnfläche (14a) an dem ersten Stabende (14), eine zweite Stabstirnfläche (15a) an dem zweiten Stabende (15) und eine sich zwischen der ersten Stabstirnfläche (14a) und der zweiten Stabstirnfläche (15a) erstreckende Umfangsfläche (16) aufweist, wobei der Anregungslicht-Führungsabschnitt (20) eine Mehrzahl von Glasfasern (22) aufweist, die sich jeweils von einem ersten Faserende (24), das ausgebildet ist, Anregungslicht (21) aufzunehmen, zu einem zweiten Faserende (25) erstrecken, das ausgebildet ist, das Anregungslicht (21) auszustrahlen, wobei die zweiten Faserenden (25) der Mehrzahl von Glasfasern (22) die Umfangsfläche (16) des Glasstabs (12) an dem zweiten Stabende (15) umgeben, wobei der Mischlicht-Führungsabschnitt (30) einen optischen Mischstab (32) aufweist, der sich in Längsrichtung (50) von einem ersten Mischstabende (34), das ausgebildet ist, das Weißlicht (11) und das Anregungslicht (21) aufzunehmen, zu einem zweiten Mischstabende (35) erstreckt, das ausgebildet ist, das Mischlicht (31) auszustrahlen, wobei der Mischstab (32) eine erste Mischstabstirnfläche (34a) an dem ersten Mischstabende (34), eine zweite Mischstabstirnfläche (35a) an dem zweiten Mischstabende (35) und eine sich zwischen der ersten Mischstabstirnfläche (34a) und der zweiten Mischstabstirnfläche (35a) erstreckende Umfangsfläche (36) aufweist, wobei der Glasstab (12) angeordnet ist, das in dem Glasstab (12) geführte Weißlicht (11) über die zweite Stabstirnfläche (15a) des Glasstabs (12) und die erste Mischstabstirnfläche (34a) des Mischstabs (32) in den Mischstab (32) einzukoppeln, wobei jede der Glasfasern (22) angeordnet ist, das in den Glasfasern (22) geführte Anregungslicht (21) über Stirnflächen (25a) an den zweiten Faserenden (25) der Glasfasern (22) und die erste Mischstabstirnfläche (34a) des Mischstabs (32) in den Mischstab (32) einzukoppeln.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 1, wobei der Glasstab (12) und/oder der Mischstab (32) eine zylindrische Form aufweist/aufweisen, wobei insbesondere die zweiten Faserenden (25) der Mehrzahl von Glasfasern (22) angeordnet sind, die Umfangsfläche (16) an dem zweiten Stabende (15) des Glasstabs (12) vollständig zu umgeben.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Glasstab (12) und/oder der Mischstab einen einen Stabkern (17, 37) und eine Ummantelung (18, 38) aufweist/aufweisen, wobei die Ummantelung (18, 38) den Stabkern (17, 37) entlang eines Umfangs des Stabkerns (17, 37) umgibt und einen niedrigeren Brechungsindex als der Stabkern (17, 37) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Länge des Mischstabs (32) mindestens fünfmal größer ist als ein Durchmesser des Mischstabs (32).
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweiten Faserenden (25) angeordnet sind, um einen ringförmigen, ebenen Emitter um das zweite Stabende (15) des Glasstabs (12) zu bilden.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Mischstabstirnfläche (34a), insbesondere direkt, an die zweite Stabstirnfläche (15a) des Glasstabs (12) und/oder an die Stirnflächen (25a) an den zweiten Faserenden (25) jeder Glasfaser 22 stößt.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweiten Faserenden (22) mit der Umfangsfläche (16) des Glasstabs (12) verklebt sind oder wobei die zweiten Faserenden (22) miteinander verschmolzen sind, um eine Ringform zu bilden, bevor sie auf der Umfangsfläche (16) des Glasstabs (12) angeordnet werden.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Flächeninhalt der ersten Mischstabstirnfläche (25a) des Mischstabs (32) mindestens so groß wie ein Flächeninhalt der zweiten Stabstirnfläche (15a) des Glasstabs (12) zuzüglich eines ringförmigen Faserstirnflächeninhalts ist, wobei der ringförmige Faserstirnflächeninhalt die zweite Stabstirnfläche (15a) umgibt und die Stirnflächen (25a) der zweiten Faserenden (25) aller Glasfasern (22) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Glasstab (12), der Mischstab (32) und die zweiten Faserenden (25) von einer äußeren Hülse umgeben sind.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Mehrzahl von Glasfasern (22) zu einer Mehrzahl von Fasergruppen gebündelt ist, wobei jede Fasergruppe mehrere Glasfasern (22) aufweist, wobei die ersten Faserenden (24) der Glasfasern (22) jeder Fasergruppe miteinander verschmolzen sind, um ein kombiniertes erstes Faserende (26) für jede Fasergruppe zu bilden.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Anregungslicht-Führungsabschnitt (20) eine Mehrzahl von Anregungslichtquellen (23) aufweist, die angeordnet sind, um das Anregungslicht (21) in die ersten Faserenden (24) der Glasfasern (22) einzukoppeln, wobei die Mehrzahl von Anregungslichtquellen (23) insbesondere Laserquellen, insbesondere Laserdioden, aufweist, wobei die Mehrzahl von Anregungslichtquellen (23) insbesondere Lichtquellen mit mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, individuellen, unterschiedlichen Wellenlängen aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach Ansprüchen 10 und 11, wobei jede Lichtquelle der Mehrzahl von Anregungslichtquellen (23) angeordnet ist,um das Anregungslicht (21) in ein unterschiedliches kombiniertes erstes Faserende (26) einzukoppeln, wobei insbesondere die Mehrzahl von Anregungslichtquellen (23) mindestens zwei Anregungslichtquellen (23) mit identischer Wellenlänge (23) aufweist, die angeordnet sind, um das Anregungslicht (21) in unterschiedliche kombinierte erste Faserenden (26) einzukoppeln.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Weißlicht-Führungsabschnitt (10) eine Weißlichtquelle (13) aufweist, wobei die mindestens eine Weißlichtquelle (13) angeordnet ist, um das Weißlicht (11) in das erste Stabende (14) des Glasstabs (12) einzukoppeln, wobei die mindestens eine Weißlichtquelle (13) insbesondere eine Weißlicht-LED und/oder eine auf laserangeregtem Phosphor basierende Weißlichtquelle, insbesondere eine Mehrzahl von Weißlicht-LEDs und/oder auf laserangeregtem Phosphor basierenden Weißlichtquellen aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Weißlicht-Führungsabschnitt (10) mindestens eine Linse innerer Totalreflexion (19) aufweist, die angeordnet ist, um Weißlicht (11) aufzunehmen und das Weißlicht (11) in das erste Stabende (14) des Glasstabs (12) einzukoppeln, wobei insbesondere mindestens eine Linse innerer Totalreflexion (19) zwischen der mindestens einen Weißlichtquelle (13) und dem ersten Stabende (14) des Glasstabs (12) angeordnet ist.
Chirurgisches Instrument (2) für fluoreszenzbildgeführte Chirurgie, aufweisend eine Beleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei insbesondere das chirurgische Instrument (2) ein Endoskop ist.