DE2951765A1

DE2951765A1 - Endoskop

Info

Publication number: DE2951765A1
Application number: DE19792951765
Authority: DE
Inventors: Takashi Tsukaya
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-09-11
Also published as: US4273111A; JPS5586435A; JPS6137926B2; DE2951765C2

Description

Dipl. Phys. Dr. rer. nat. Wolfgang Kempe

ι-ΆΤΰ NTA N WA _T

Poetfach 1273 O 6.1O

D-68OO Mannheim 1

Farnsprecher (O6 21) 381-47

18. Dezember 1979 Su 8

OLYMPUS OPTICAL CO. LTD. Tokyo, Japan

Endoskop

Die Erfindung betrifft ein Endoskop mit einem flexiblen

Schlauch, einem ein optisches Beobachtungssystem aufweiden

sender. Endstück und einem/Schlauch und das Endstück verbindenden frei biegbaren Schlauchstück.

Ein derartiges Endoskop wird insbesondere zur Untersuchung von Darmabschnitten im menschlichen Körper verwandt und dann Rectcskop genannt.

Konten: Deutsche Bank Mannheim 05/O9S3O · Stadtsparkasee Mannheim 7496 896 Privatanschrift: 694O WelnhelmU. AUbUnVtrAa/(V ürtirniprecher (O 62 CI) 7 32 12

18, Dezember 1979 Su 8

Beim Einführen eines derartigen Recto skops in den Verdauungstrakt eines lebenden Körpers ergeben sich häufig Schwierigkeiten, die ins- besondere durch die kompliziert verschlungene Form des Verdauungstraktes,beispielsweise des Dickdarmes, bedingt sind. Deshalb war es bisher notwendig, die Richtung, in der das Endstück des Rectoskops in den Dickdarm eingeführt wird, häufig zu kontrollieren, um eine möglichst schmerzlose, weiche Einführung des Instrumentes zu erreichen. Gerade durch diese häufige Kontrolle wird das Endstück des Rectoskops jedoch gelegentlich gewaltsam gegen die innere Wandung des Colons gedrückt, was dem Patienten Schmerzen bereitet und die Untersuchungszeit beträchtlich verlängert.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das bekannte Endoskop der eingaig s beschriebenen Art so zu verbe-ssern, daß sein Endstück beim Einführen in den Dickdarm stets so überwacht werden kann, daß es in das Zentrum des Darmquerschnittes gerichtet bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch' gelöst, daß an der Mantelfläche des Endstückes eine Mehrzahl von Ultraschallübertragern im Abstand voneinander angeordnet sind und daß ein Biegewinkel-Steuergerät vorgesehen ist, daß den Biegewinkel des frei biegbaren Schlauchstückes in Übereinstimmung mit den Ausgangssignalwerten der Ultraschallübertrager einstellt, so daß das Endstück in das Querschnittszentrum eines zu untersuchenden Darmabschnittes lenkbar ist.

030037/0587

18. Dezember 1979 Su δ

Beim Einführen des erfindungsgemäßen Endoskops in den Darm wird das Endstück also durch die Biegewinkel-Steuervorrichtung automatisch in das Zentrum des Darmquerschnittes gerichtet, so daß es die innere Wand des Darmes, nicht oder jedenfalls nicht gewaltsam berührt. Der Patient muß infolgedessen so gut wie kein unangenehmes Gefühl oder Schmerzen ertragen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung, die die automatische Steuerung des Endstückes des Endoskops betrifft, ist im Unteranspruch angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Endoskops;

Figur 2: einen Querschnitt durch das Endstück des Endoskops gem. Fig. 1 entlang der Linie II - II, das in einen Dickdarmabschnitt eingeführt ist;

Figur 3: ein Blockschaltbild einer Biegewinkel-Steuervorrichtung für das frei biegbare Schlauchstück des Endoskops gem. Fig. 1;

Figur 4A - 4G: Zeitdiagramme, die den Ablauf der Biegewinkel -Steurvor richtung gem. Fig. 3 verdeut-1ichen;

Figur 5: einen Längsschnitt einer Verstellvorrichtung zur Betätigung des frei biegbaren Schlauchstükkes des Endoskops gem. Fig. 1;

030037/0587

18. Dezember 1979 Su 3

-b-

Figur 6 : eine perspektivische Ansicht eines Servomotors zum Antrieb der Verstellvorrichtung gem. Fig. "5 und

Figur 7 : ein Blockschaltbild entsprechend demjenigen gem. Fig. 3 in modifizierter Form.

Gleiche oder gleichwirkende Teile in den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 weist einen flexiblen Schlauch 10 auf, der ein Bedienungsteil 8 mit einem Endstück 14 über einen freibiegbaren Schlauchabschnitt 12 verbindet. Die Spitze des Endstückes 14 ist mit einer Lichtführung 16 und einem optischen Beobachtungssystem 18 ausgerüstet. Die Mantelfläche des Endstückes 14 weist vier Ultraschallübertrager 20 auf, die in gleichen Winkelabständen von 90 in Umfangsrichtung angeordnet sind. Das Endstück 14 wird in einen Darmabschnitt, beispielsweise den Dickdarm eingeführt.

Fig. 2 zeigt das in den Darmabschnitt 22 eingeführte Endstück 14 im Querschnitt. Die Ultraschallübertrager 2O., 20_?, 2O₃ und 20. besitzen zu den ihnen gegenüberliegenden Punkten der Innenwand des Darmabschnittes 22 die Abstände

I₁, 1_, 1, bzw. 1_Λ, wie von den von den Ultraschallübertra-12 3 4

gern mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit ν ausgehenden Ultraschallwellen gemessen wurde. Die Zeitabstände zwischen den Zeitpunkten, an denen die Ultraschallwellen erzeugt wurden und an denen ihre Reflektionen empfangen wurden, be-

030037/0587

18. Dezember 1979

Su 8

— £ —

tragen also 2I₁A, - 2 ljA, 2 l₃/v bzw. . 2,l₄/v. Zur Vereinfachung wird die Betriebsweise des Endoskops im folgenden nur in Bezug auf die x-Achse, das heißt die gerade Verbindungslinie zwischen dem Ultraschallubertrager 2O₁ und dem Ultraschallübertrager 20, beschrieben. Die Betriebsweise kann jedoch ebenso bezüglich der y-Achse wie auch jeder anderen Betätigungsrichtung in der x-y-Ebene beschrieben werden.

Das Blockschaltbild gem. Fig. 3 zeigt eine Biegewinkel-Steuervorrichtung lOO zur Steuerung der Lage des Endstückes 14 entlang der x-Achse in Fig. 2. Der zeitliche Verlauf des Betriebes der Biegewinkel-Steuervorrichtung 100 wird anhand der Figuren 4A bis 4G erläutert. Ein Zeitgeber 3O sendet Impulse Ea mit einem Tastverhältnis T-: T„, das heißt,der Zeitgeber wird durch einen Impulsgenerator gebildet, der Impulse Ea mit einer Impulsbreite T und einer Pausendauer T_? erzeugt. Die Impulse Ea werden dem ersten und dritten Ultraschallübertrager 20. und 2O₃ und monostabilen Multivibratoren 3 2 und 34 zugeführt. Wenn der Impuls Ea zu einem Zeitpunkt t- empfangen wird, geben die Ultraschallübertrager 20- und 20., je einen Ultraschallimpuls an die Innenwand des Darmabschnittes 22. Zu diesem Zeitpunkt sind die monostabilen Multivibratoren 3 2 und 24 durch den Anstieg des Impulses Ea getriggert. Dann erzeugen sie Torimpulse Ec bzw. Ef. Diese Torimpulse Ec und Ef werden zu elektronischen Schaltern 36 bzw. 38 gleitet, die von einem Schalterkreis mit einem Feldeffekttransistor gebildet werden.

Parallel zum elektronischen Schalter 36 liegt ein Integrationskondensator C₁₀, der seinerseits zwischen dem

030037/0587 - 6 -

18. Dezember 1979 Su 8

Ausgang und invertierten Eingang eines Verstärkers 40 liegt. Der invertierte Eingang ist über einen Widerstand R, mit dem negativen Pol einer Stromquelle E₁₀ verbunden, deren positiver Pol an Erde liegt. Der nicht invertierte Eingang des Verstärkers 14 liegt über einem Widerstand R₁₄ an Erde. Der Verstärker 40, der Kondensator C₁ , die Widerstände R₁₀ und R₁₄ und die Stromquelle E- bilden zusammen einen Miller-Integrator 41. In der gleichen Weise bilden ein Verstärker 42,ein Kondensator C₁₀, Widerstände R₁₀ und R₁- und eine Stromquelle E-_ einen Integrator 43, wobei der Kondensator C₁ parallel zum elektronischen Schalter 38 liegt.

SObald dem elektronischen Schalter 36 der Impuls Ec zugeführt wird, öffnet dieser. Damit beginnt der Integrator 41 zu integrieren. Zum Zeitpunkt t.. steigt also die Spannung eines integrierten Ausgangssignales Ed₇ das vom Integrator 41 ausgesandt wird, stetig linear an. In der gleichen Weise öffnet der elektronische Schalter 38, wenn ihm der Impuls Ef zugeführt wird. Dann beginnt der Integrator 43 unter Bildung eines Ausgangssignales Eg zu integrieren. Die Ausgangssignale Ed und Eg werden je einem Abfrage- und Speicherschaltkreis 44 bzw..46 zugeführt. Diese Abfrage- und Speicherschaltkreise 44 und 46 halten die Spannungsspitzen der Ausgangssignale Ed und Eg, die mit der Zeit zunehmen.

Wenn zum Zeitpunkt t₂ eine von dem Darmabschnitt 22 reflektierte Ultraschallwelle zum ersten Ultraschallübertrager 2O₁ zurückkehrt, erzeugt dieser Ultraschallübertrager einen Löschimpuls Eb, der den monostabilien Multivibrator 32 zurückstellt. Infolgedessen wird der Torimpuls Ec gelöscht. Beim Erlöschen des Torimpulses Ec

030037/0587

18. Dezember 1979 Sit 8

295Ί765

wird der elektronische Schalter 36 wieder geschlossen, so daß das Ausgangssignal Ed des Integrators 41 auf Null gestellt wird. In anderen WOrten, die Integrationszeit des Integrators 41 beträgt t₂ -ti· Diese Zeitdauer t~ - t.. entspricht dem vorgenannten Wert Z 1-i/v, Die Spannung V₁ des Ausgangssignales Ed unmittelbar vor dem Zeitpunkt t„ wird in dem Abfrage- und Speicherschaltkreis 44 gehalten. Sie ist proportional der Zeitdauer t„

- t. und infolgedessen 2. Ii/v. Der Abstand I₁ kann also durch die Spannung V₁ dargestellt werden.

Entsprechend erzeugt zum Zeitpunkt t_. eine am Darmabschnitt 22 reflektierte und zum dritten Ultraschallübertrager 20, zurückgekehrte Ultraschallwelle einen Löschimpuls Ee. Wenn dieser dem monostabilen Multivibrator 34 zugeführt wird, wird die Integration des Integrators 33 beendet. Die Integrationszeit des Integrators 43 beträgt t₃ - t.. Diese Zeitdauer entpricht dem vorgenannten Wert 21->/v. Die Spannung V- des Ausgangsignales Eg unmittelbar vor dem Zeitpunkt t₃ wird im Abfrage- und Speicherschaltkreis 46 gehalten. Da sie dem Wert 21^/v proportional ist, kann der Abstand K durch die Spannung V₃ dargestellt werden.

Die Spannungen V₁ und V-. werden einem Komparator 48 zugeführt. Dieser Komparator 48 liefert ein Signal JV. - V₃I proportional zur Differenz zwischen den analogen Spannungslevel V. und V₃ an eine Stellvorrichtung 50. Die Stellvorrichtung 50 steuert den Winkel, um den das freibiegbare Schlauchstück 12 relativ zur x-Achse gebogen oder geschwenkt werden muß, um den

030037/0587

18, Dezember 1979 Su 8

Wert Jv₁ - V,I auf ein Minimum oder auf Null zu reduzieren. Dann ist die Abstandsdifferenz Jl. - I₃J ebenfalls auf ein Minimum reduziert. Infolgedessen ist das Endstück 14 des Endoskops in das Zentrum des Querschnittes des Darmabschnittes 22 gestellt. Diese Lageveränderung des Endoskops oder genauer des freibiegbaren Schlauchabschnittes 12 wird während eines Zeitabschnittes ausgeführt, der sich von dem Zeitpunkt, an welchem der letzte Speichervorgang beendet ist, bis zu demjenigen Zeitpunkt erstreckt, an welchem der Impuls Ea erneut äusgesandt wird, das heißt, während des Zeitintervalles von t₃ bis t.. Die Steuerung des Biegewinkels kann mithilfe eines im Bedienungsteil 8 angeordneten Servomotors erfolgen, der die Stellvorrichtung 50 antreibt, die durch einen Bedienungsknopf mit dem Servomotor verriegelt werden kann.

Fig. 5 zeigt die Vorrichtung zum Verbiegen des Schlauchstückes 12. Das innere Ende der Seitenwand des Endstükkes 14 ist auf einer Seite mit dem äußeren Umfang einer Rillenscheibe 36O auf deren einen Seite durch einen Draht 340 verbunden, während die entgegengesetzte Seite der Seitenwand dr.s Endstückes mit der entgegengesetzten Umfangsseite der Rillenscheibe über einen Draht 380 verbunden ist. Die Rillenscheibe 360 sitzt auf der Welle eines Servomotors 50. . Wenn der Servomotor 50.. in Richtung des Pfeiles A (Fig. 6) rotiert, verbiegt sich das Endstück 14 in Richtung des Pfeiles a (Fig. 5). Entsprechend verbiegt sich das Endstück 14 in Richtung des Pfeiles b, wenn der Servomotor 50. in Richtung des Pfeiles B rotiert. Der Servomotor 50. muß kein elektrisch angetriebener Motor sein, er kann beispielsweise durch Öldruck angetrieben werden. Darüberhinaus muß die Kraft zur Veränderung des Biegewinkels des Endstückes 14 nicht

030037/0587 _g _

18, Dezember 1979 Su 8

durch die Drähte 340 und 380 übertragen werden,

. auch hierfür kann eine Flüssigkeit, beispielsweise Öl verwandt werden. Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung zur Veränderung des Biegewinkels arbeitet in einer zur Zeichenebene parallelen Ebene. Andere Verstellvorrichtungen, die beispielsweise in einer zur Zeichenebene vertikalen Richtung arbeiten, besitzen denselben Aufbau. Eine Kombination von zwei derartigen Winkelsteuervorrichtungen ermöglicht das Verbiegen des Schlauchstückes 12 in jeder gewünschten Richtung. Andere Konstruktionen für derartige Verstellvorrichtungen sind denkbar. Im U.S.-PS 4 054 128 ist ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung angegeben.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Verstellung des Biegewinkels entlang /x-Achse. Die Verstellung entlang der y-Achse erfolgt in der gleichen Weise, so daß bei gleichzeitiger Betätigung beider Stellvorrichtungen die gesamte x-y-Ebene überstrichen werden kann. Beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 2 sind vier Ultraschallübertrager 20., 2O₂, 2O₃ und 2O₄ benutzt worden. Das Konzept, auf dem die Steuerung des Endoskops basiert, kann durch eine Vielzahl von Vorrichtungen realisiert werden, mittels derer der Abstand zwischen den verschiedenen Punkten auf der Mantelfläche des Endstückes 14 und der Innenwand des Darmabschnittes 22 festgestellt wird. Selbst, darin, wenn nur zwei Ultraschallübertrager 20 vorgesehen sind, kann das Endoskop mit größerer Sicherheit in den zu untersuchenden Darm eingeführt werden, als die bekannten von Hand eingeführten Endoskope. Vorzugsweise sollten jedoch drei oder mehr Ultraschallübertrager vorgesehen sein. Sofern auf einen möglichst einfachen

030037/0587

- 10

18. Dezember 1979 Su 8

4t

Aufbau des Endoskops geachtet werden muß, empfiehlt es sich, drei oder vier Ultraschallübertrager 2O vorzusehen.

Das Blockschaltbild gem. Fig. 7 stellt eine Modifika-

fiul

tion der Biegewinkel-Steuervorrichtung gem. ^3 dar. Die Ausgangssignale Ed und Eg werden in digitale Werte V. und V₃ durch entsprechende A-G-Umsetzer 44. bzw. 46-umgesetzt. Die digitalen Werte V₁ und V^ werden durch einen Subtraktor 4S₁ in ein Differenzsignal (V₁ - V,) umgewandelt. Dieses Differenzsignal wird in der Stellvorrichtung 50 in ein Analogsignal zurückverwandelt und dem Servomotor 5O₁ zugeführt. Der Servomotor 5O₁ ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Schrittmotor.

Das erfindungsgemäße Endoskop ermöglicht es, das Endstück 14 automatisch in den Darm einzuführen und dabei gewaltsame Drücke auf die Innenwand des Darmes zu vermeiden. Die Richtung der Spitze des Endstückes 14 folgt dabei automatisch der gewundenen Form des Darmes Deshalb kann auch eine ungeübte Person das Endoskop leicht und sicher einführen. Unbehagen und Schmerzen, die der Patient bei Einführen der bekannten Endoskope empfindet, werden dabei fast vollständig ausgeschaltet, selbst dann, wenn das Endoskop in kurzer Zeit in tiefe Bereiche des Darmes eingeführt werden muß.

Veränderungen in der kontruktiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Endoskops führen nicht aus dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung heraus; der Erfindungsgedanke liegt vielmehr in der automatischen Ein-

- 11 -

030037/0587

'.8 , Dezember 1979 Su 8

stellung des Endstückes eines derartigen Endoskops in das Querschnittszentrum eines beliebigen Darmabschnittes.

- 12 -

030037/0 587

L e e r s e i t e

Claims

IB. Dezember 1979 Su 8

Ansprüche

1,' Endoskop mit einem flexiblen Schlauch, einem ein optisches Beobachtungssystem aufweisendes Endstück und einem den Schlauch und das Endstück verbindenden frei'biegbaren Schlauchstück, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mantelfläche des Endstückes (14) eine Mehrzahl von Ultraschallübertragern (20) im Abstand voneinander angeordnet sind und daß ein Biegewinkel-Steieigerät (100) vorgesehen ist, das den Biegewinkel des frei biegbaren Schlauchstückes (12) in Übereinstimmung mit den Ausgangssignalwerten der Ultraschallübertrager einstellt, so daß das Endstück in das Querschnittszentrum eines zu untersuchenden Dannabschnittes lenkbar ist.

2. Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegewinkel-Steuergerät (100) eine Vielzahl von Erfassungsscbaltkreisen(20 , 30 bis 46 ) zur Erzeugung von Ausgangssignalen (V ) (n=3, 4, ...), die proportional zu den Entfernungen der Ultraschall-

030037/0587 ORIGINAL INSPECTED

18. Dezember 1979 Su 8

übertrager (20) von den entsprechenden Wandpunkten des zu untersuchenden Darmabschnittes sind, und eine Vielzahl von Stellvorrichtungen (50 ) aufweist, die das frei biegbare Schlauchstück (12) um einen solchen Winkel verbiegen, daß die Differenz einander zugeordneter Ausgangssignale ( /V₁-V,/ bzw. JV_?-V./ ) auf ein Minimum reduziert wird.

030037/0587