DE29613103U1 - Endoscope head - Google Patents
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Description
Endoskopkopf
BeschreibungEndoscope head
Description
Die Erfindung betrifft einen Endoskopkopf für ein für diagnostische oder therapeutische Zwecke in Körperhohlräumen geeignetes Endoskop mit Beleuchtungseinrichtung, einer Endoskopoptik, einer Bilderfassungseinrichtung und Signalübertragungsleitungen.The invention relates to an endoscope head for an endoscope suitable for diagnostic or therapeutic purposes in body cavities with a lighting device, an endoscope optics, an image capture device and signal transmission lines.
Bei Endoskopen wird ein Endoskopschlauch zur Untersuchung oder Behandlung von Objekten in Körperkavernen und -tuben, wie beispielsweise Lunge, Magen und Darmtrakt, in denen kein Außenlicht vorhanden ist, insbesondere auch zur Erkennung von Krebs im Frühstadium, verwendet.In endoscopes, an endoscope tube is used to examine or treat objects in body cavities and tubes, such as the lungs, stomach and intestinal tract, where there is no outside light, especially for the detection of early-stage cancer.
Dabei ist bekannt, mittels einer fotosensitiven Substanz, die eine Affinität zu Tumoren hat, beispielsweise einem Hematoporphyrin - Derivat (HpD), das sich um die Krebszellen herum anlagern kann und bei Bestrahlung mit Laseriicht fluoresziert, Untersuchungen von Krebs im Frühstadium vorzunehmen. Dieses &ogr; Verfahren ist aber wegen der Nebenwirkungen einer Substanz wie ein Hematoporphyrin - Derivat für den menschlichen Körper nicht ratsam. Außerdem ist beim Einsatz von Laseriicht ein teurer Laseriichtgenerator erforderlich, sowie ein speziell für diesen Einsatz konstruiertes Endoskop. Ein derartiges System ist folglich sehr teuer. Darüber hinaus spielt die mögliche selektive Schädigung des Gewebes durch das gepulste Farbstofflaserlicht eine besondere Rolle. Deshalb werden derartige Geräte optimal zur Behandlung von Gefäßverengungen verwendet.It is known that a photosensitive substance that has an affinity for tumors, such as a hematoporphyrin derivative (HpD), can be used to examine cancer in the early stages. However, this method is not advisable due to the side effects of a substance such as a hematoporphyrin derivative on the human body. In addition, the use of laser light requires an expensive laser light generator and an endoscope specially designed for this purpose. Such a system is therefore very expensive. In addition, the possible selective damage to the tissue by the pulsed dye laser light plays a special role. This is why such devices are ideal for treating vascular constrictions.
Aus der DE-OS 41 33 493 ist ein diagnostisches Gerät zur Erkennung von &ogr; Krebs im Frühstadium bekannt, das ein Endoskop aufweist, bei welchem von einer externen Beleuchtungslichtquelle ausgehendes Beleuchtungslicht über ein am distalen Ende eines Einführteils angeordnetes Beleuchtungsfenster auf ein Objekt geworfen wird und bei welchem ein Objektbild, welches von einemFrom DE-OS 41 33 493 a diagnostic device for the detection of &ogr; cancer in the early stages is known, which has an endoscope in which illumination light emanating from an external illumination light source is projected onto an object via an illumination window arranged at the distal end of an insertion part and in which an object image which is generated by a
am distalen Ende des Einführteils angeordneten optischen Objektivsystems gebildet wird, über ein Bildübertragungsmittel aus dem Einführteil heraus übertragen wird, so daß eine Bildbetrachtung möglich ist.optical lens system arranged at the distal end of the insertion part, is transmitted out of the insertion part via an image transmission means so that image viewing is possible.
Die für ein Anregungslicht erforderliche Wellenlänge zwischen 400 nm und nm für das Beleuchtungslicht, bei der ein lebender Organismus fluoreszierendes Licht erzeugt, wird mitteis eines in dem Beleuchtungsweg zwischen der Beleuchtungslichtquelle und dem Objekt angeordneten Welleniängen-Auswahlfilter erhalten. Ein zweiter Wellenlängen-Auswahlfilter, der derart ausgelegt ist, daß er das fluoreszierende Licht zwischen 500 nm und 600 nm überträgt, nicht jedoch das über den ersten Filter übertragene Licht, ist im Betrachtungsiichtweg am äußeren Ende des Okulars vorgesehen. In einer Variante des Geräts ist das Bildübertragungs-mittel als Festkörper-Bilderzeugungseinrichtung ausgebildet, die das zu betrachtende Bild in Form von elektrischen Signalen überträgt. Der Hauptnachteil dieses Geräts besteht in der Verwendung einer externen Lichtquelle und von Lichtleiterfaserbündeln zur Übertragung des Beieuchtungslichts und des Bildübertragungslichts, was neben einer geringen Bildauflösung und Piatzmange! im Endoskopschlauch zur Folge hat, daß der Endoskopschlauch verhältnismäßig dick ausgebildet sein muß und seine Biegsamkeit gering ist.The wavelength required for an excitation light between 400 nm and 100 nm for the illumination light at which a living organism produces fluorescent light is obtained by means of a wavelength selection filter arranged in the illumination path between the illumination light source and the object. A second wavelength selection filter, designed to transmit the fluorescent light between 500 nm and 600 nm, but not the light transmitted via the first filter, is provided in the viewing path at the outer end of the eyepiece. In a variant of the device, the image transmission means is designed as a solid-state image generating device which transmits the image to be viewed in the form of electrical signals. The main disadvantage of this device is the use of an external light source and optical fiber bundles for transmitting the illumination light and the image transmission light, which, in addition to low image resolution and lack of space, results in a lack of image resolution and a lack of space. in the endoscope tube means that the endoscope tube must be relatively thick and its flexibility is low.
Die DE-PS 41 10 228 beschreibt eine Anordnung zum endoskopischen Erkennen von kanzerösem Gewebe, das durch einen durch Licht zur Fluoreszenz anregbaren Stoff markiert ist, mit einem ersten Lichtleiter, der an eine externe Lichtquelle angeschlossen ist und über den das Gewebe intermittierend beleuchtbar ist, und einem zweiten Lichtleiter, über den das durch das Licht angeregte Fluoreszenziicht einem optoelektronischen Wandler in Form einer Videokamera zugeführt wird an den eine Auswertevorrichtung mit wenigstens zwei Videospeichern angeschlossen ist. Durch die für das &ogr; Einzelbild zur Verfügung stehenden Gesamtbelichtungszeiten und damit Gesamtaufnahmezeit für die Fluoreszenz kann bei ausreichender Dynamik auch mit niedrigeren HpD-Gaben und so mit einer geringeren Belastung des Patienten gearbeitet werden. Als Lichtquelle zur Anregung der Farbstoff-DE-PS 41 10 228 describes an arrangement for the endoscopic detection of cancerous tissue marked by a substance that can be excited to fluorescence by light, with a first light guide that is connected to an external light source and via which the tissue can be illuminated intermittently, and a second light guide via which the fluorescence light excited by the light is fed to an optoelectronic converter in the form of a video camera to which an evaluation device with at least two video memories is connected. Due to the total exposure times available for the individual image and thus the total recording time for the fluorescence, with sufficient dynamics it is also possible to work with lower HPD doses and thus with less stress on the patient. The light source for exciting the dye
Fluoreszenz kann ein Argon-ionen-Laser mit den beiden Hauptiinien 514 und 488 nm verwendet werden. Diese beiden Wellenlängen im grünen Bereich regen einen Ein-Photonen-Prozeß an, der in einem Welleniängenbereich von 600 bis 700 nm fluoresziert und das grüne Licht weist noch eine gute Eindringtiefe auf. Der Hauptnachteil auch dieses Gerätes besteht in der Verwendung einer externen Lichtquelle und von Lichtleiterfaserbündein. zur Übertragung des Beieuchtungslichts und des Bildübertragungslichts und damit verbunden in einer geringen Bildauflösung sowie einem dicken Endoskopschlauch mit geringer Biegsamkeit.An argon ion laser with the two main lines 514 and 488 nm can be used for fluorescence. These two wavelengths in the green range stimulate a one-photon process that fluoresces in a wavelength range of 600 to 700 nm and the green light still has a good penetration depth. The main disadvantage of this device is the use of an external light source and fiber optic bundles to transmit the illumination light and the image transmission light, resulting in low image resolution and a thick endoscope tube with little flexibility.
Die Firma Olympus Optical Co GmbH, Hamburg, DE bietet derzeit in zahlreichen Prospekten eine Vielzahl von Endoskopen in Form von Coloskopen, Duodenoskopen, Gastroskopen und Bronchoskopen an, die zum Teil auch zur elektronischen Erfassung, Speicherung und Auswertung der Beobachtungsergebnisse mittels einer extrakorporaien Videokamera, zum Beispiel der Olympus- Videokamera OTV-F2 betrieben werden können. Die Kamera ist mit CCD- Elementen (charge coupled devices) ausgerüstet, um eine kleine Bauform bei hohem Auflösungsvermögen der Bilder zu erreichen, aber die verwendeten Endoskope haben auch bei diesem Gerät den Nachteil der Verwendung einer externen Lichtquelle und der Verwendung von Lichtleiterfaserbündein zur Übertragung des Beleuchtungslichts und des Bildübertragungslichts, was trotz der angegebenen Vielzahl von Lichtleiterfasem eine verhältnismäßig geringe Bildauflösung zur Folge hat. Auch bestehen hier weiterhin die zuvor beschriebenen Probleme mit dem Endoskopschlauch und den Gerätekosten.The company Olympus Optical Co GmbH, Hamburg, DE currently offers a large number of endoscopes in the form of colonoscopes, duodenoscopes, gastroscopes and bronchoscopes in numerous brochures, some of which can also be used for electronic recording, storage and evaluation of the observation results using an extracorporeal video camera, for example the Olympus video camera OTV-F2. The camera is equipped with CCD elements (charge coupled devices) in order to achieve a small design with high image resolution, but the endoscopes used in this device also have the disadvantage of using an external light source and the use of optical fiber bundles to transmit the illumination light and the image transmission light, which results in a relatively low image resolution despite the stated large number of optical fibers. The problems with the endoscope tube and the device costs described above still exist here.
Aus der DD-Patentschrift 233 299 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Augenuntersuchung theoretisch beschrieben, bei denen Emitter für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von UV-Strahlung bis zu 0 infraroter Strahlung, deren Frequenz stufenlos veränderbar ist, vorgesehen sind. Ein optisches System, das optoelektronische Bauelemente, in unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet, als Empfänger aufweist, um Reflexe, speziell bei der Untersuchung von Augenabschnitten, zu erfassen undThe DD patent specification 233 299 theoretically describes a device and a method for eye examination, in which emitters for electromagnetic waves in the frequency range from UV radiation to 0 infrared radiation, the frequency of which can be continuously changed, are provided. An optical system that has optoelectronic components, arranged in different configurations, as receivers in order to detect reflections, especially when examining sections of the eye, and
nachfolgend elektronisch weiterzuverarbeiten, ist ebenfalls genannt. Die Vorrichtung kommt jedoch nicht ohne ein zusätzliches optisches System und auch nicht ohne Lichtleiterfasern aus, so daß auch hier die im vorangegangenen erörterten Nachteile der Lichtverluste vorhanden sind. Auch würden hier bei einer Verwendung dieses Systems in einem endoskopartigen Gerät die genannten Nachteile einer geringen Bildauflösung und des . Platzmangels im Endoskopschlauch auftreten.The possibility of subsequently processing the data electronically is also mentioned. However, the device cannot function without an additional optical system or without optical fibers, so that the disadvantages of light loss discussed above also apply here. If this system were used in an endoscope-like device, the disadvantages of low image resolution and lack of space in the endoscope tube would also occur.
Bekannt ist aus der DD-Patentschrift 233 463 auch ein kombiniertes optoelektronisches Bauelement, in dem lichtemittierende Dioden oder Laserdioden mit CCD-Elementen in einem gemeinsamen Bauelement angeordnet und gemeinsam in Gruppen oder einzeln ansteuerbar und ausiesbar sind. Mit Hilfe der in vielen verschiedenen möglichen Konfigurationen kombiniert angeordneten Bauelemente soll es möglich sein, farbige Schirmbilder im multispektralen Bereich zu erhalten, die im medizinischen Bereich zur Erkennung und Beobachtung pathologischer Erscheinungsformen anwendbar sind und auch elektronisch gespeichert werden können. Dieses Bauelement dient zur Erkennung und Abtastung von Strukturformen oder zur Betrachtung von außen zugänglicher Beobachtungsobjekte und ist für eine Verwendung in Endoskopen weitgehend ungeeignet. Es ist insbesondere zur Messung von Reflexwinkeln gedacht und nicht für die Betrachtung von Objekten in Körperkavernen und -tuben, in denen kein Außenlicht vorhanden ist.A combined optoelectronic component is also known from DD patent specification 233 463, in which light-emitting diodes or laser diodes are arranged with CCD elements in a common component and can be controlled and read out together in groups or individually. With the help of the components arranged in many different possible configurations, it should be possible to obtain colored screen images in the multispectral range, which can be used in the medical field to recognize and observe pathological manifestations and can also be stored electronically. This component is used to recognize and scan structural shapes or to view objects that can be accessed from the outside and is largely unsuitable for use in endoscopes. It is intended in particular for measuring reflection angles and not for viewing objects in body cavities and tubes where there is no external light.
Beide DD-Schriften beschreiben theoretisch Systeme die in der Praxis nicht erprobt sind und unter mangelnder Ausführbarkeit litten.Both DD documents describe theoretical systems that have not been tested in practice and suffer from a lack of feasibility.
Der vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, herkömmliche Endoskope der genannten Bauarten zu verbessern, die 0 Bildauflösung zu erhöhen und die Kosten gegenüber bekannten Vorrichtungen, zum Beispiel solchen mit Laserlichteinrichtungen, erheblich zu senken.The present invention is therefore based on the problem of improving conventional endoscopes of the types mentioned, increasing the image resolution and significantly reducing the costs compared to known devices, for example those with laser light devices.
Das Problem wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.The problem is solved by the features of claims 1 and 14. Advantageous further developments of the invention are covered in the subclaims.
Der erfindungsgemäße, zum Anbau an ein handelsübliches Endoskop geeignete Endoskopkopf ist an seiner distalen Stirnseite mit lichtemittierenden Elementen sowie mit einer integrierten, z.B. opto-elektronischen Erfassungseinrichtung zur Bilderzeugung, einer vorgelagerten. Endoskopoptik und in speziellen Ausführungsformen mit einem Polarisationsfilter versehen. Er weist zudem Kanäle zum Hindurchleiten eines Fluids zur Kühlung der Bilderzeugungseinrichtung auf.The endoscope head according to the invention, which is suitable for attachment to a commercially available endoscope, is provided on its distal end with light-emitting elements as well as with an integrated, e.g. opto-electronic detection device for image generation, an upstream endoscope optics and, in special embodiments, with a polarization filter. It also has channels for passing a fluid through to cool the image generation device.
Als lichtemittierende Elemente werden vorteilhaft lichtemittierende Dioden (LED) verwendet, es können aber auch Elektroluminiszenzlampen (ELL) als lichtemittierende Elemente verwendet werden. Diese können ohne handelsübliche Gehäuse oder Glaskapseln direkt als Halbleiterteil eingebaut werden.Light-emitting diodes (LEDs) are advantageously used as light-emitting elements, but electroluminescent lamps (ELL) can also be used as light-emitting elements. These can be installed directly as semiconductor components without the need for commercially available housings or glass capsules.
Die Bilderzeugungseinrichtung ist vorteilhaft als CCD-Element, zweckmäßig in Form einer CCD-Matrix oder anderen gruppenweisen Anordnung ausgeführt. Als CCD-Element wird generell eine Baugruppe oder ein Chip mit CCD-Zellen zur pixelorientierten Erfassung von Lichtimmissionen definiert.The image generation device is advantageously designed as a CCD element, expediently in the form of a CCD matrix or other group-based arrangement. A CCD element is generally defined as an assembly or a chip with CCD cells for pixel-oriented detection of light emissions.
Durch den Verzicht auf ein Lichtleiterfaserbündel ist eine um etwa den Faktor 10 höhere Bildauflösung zu erreichen, weil die gesamte eng mit z.B. 1032 CCD's bestückte Pixel-Oberfläche des Chips genutzt werden kann.By dispensing with an optical fiber bundle, an image resolution that is about 10 times higher can be achieved because the entire pixel surface of the chip, which is densely packed with 1032 CCDs, can be used.
Es können aber auch hochwertige dicht gestaffelte Fotodiodenanordnungen mit unterteilten Strukturen und hoher Bildauflösung als Bilderzeugungseinrichtung Verwendung finden. Hierfür sind Differenz-, Quadranten-, Kreis-, und &ogr; Kreisringfotodioden und Arrays zweckmäßig anwendbar.However, high-quality, densely staggered photodiode arrays with subdivided structures and high image resolution can also be used as image generation devices. Differential, quadrant, circular, and ϳ circular ring photodiodes and arrays can be used for this purpose.
Weitere Vorteile können durch den Einsatz von wellenlängensensitiven Avalanche-Fotodioden gegeben sein, insbesondere durch den Vorteil einerFurther advantages can be provided by the use of wavelength-sensitive avalanche photodiodes, in particular through the advantage of
preiswerten bild-verstärkerähnlichen Wirkung, die Modulationen bis zu 200 MHz und unter Umständen darüber erlauben. Dabei werden die Fotodioden mit einer sinusförmig modulierten Spannung versorgt, die je nach angelegter Frequenz zu einem kurzzeitigen elektronischen Verschluß der Diode führt. Mit Hilfe dieser Modulation im Bereich von vorzugsweise 10 bis 100 MHz ist die Trennung von schnell und langsam abklingenden Fluoreszenzen möglich. Durch den Einsatz von Fotodioden ist es durch deren potentiell hohe Auslesegeschwindigkeit möglich, auch Streuphänomene des Lichtes quantitativ zu erfassen und so bei Bedarf ballistische Photonen nachzuweisen. Bei &iacgr;&ogr; höherfrequenten Modulationen kann das Streulicht, das infolge seiner Ablenkung einen längeren Weg zurücklegt, von direkt auf die Diode treffenden Photonen getrennt werden, um so beispielsweise eine biologische Probe in einer milchig-trüben Flüssigkeit nachzuweisen.inexpensive image-intensifier-like effect, which allows modulations up to 200 MHz and in some cases even higher. The photodiodes are supplied with a sinusoidally modulated voltage, which, depending on the frequency applied, leads to a short-term electronic closure of the diode. With the help of this modulation in the range of preferably 10 to 100 MHz, the separation of fast and slow decaying fluorescence is possible. By using photodiodes, it is possible to quantitatively record light scattering phenomena due to their potentially high readout speed and thus to detect ballistic photons if necessary. With higher frequency modulations, the scattered light, which travels a longer path due to its deflection, can be separated from photons that hit the diode directly, for example to detect a biological sample in a milky, cloudy liquid.
Die Fluoreszenzanregung kann mit einfarbigen, zum Beispiel blauen, grünen oder roten LED-Chips in Verbindung mit einem Schwarz-Weiß-CCD-Chip mit dichroichen Filtern (Durchlässigkeit > 56 nm) vorgenommen werden. Mit Hilfe der genannten farbigen LED-Chips ist eine Fluoreszenzanregung von natürlichen oder verabreichten Porphyrinen möglich und zwar in den jeweiligen Absorptionsbanden im blauen, grünen und roten Bereich. Damit ist die Fluoreszenzemission im Bereich von 680 nm über den mit dem genannten Filter versehenen Schwarz-Weiß-CCD-Chip möglich. Eine Hochfrequenzansteuerung der LED erlaubt, in Verbindung mit dem ebenfalls angesteuerten CCD-Chip, die Trennung der verschiedenen Fluoreszenzen nach ihrer Abkiingzeit. Bevorzugtes Ziel ist die quantitative Messung der roten Porphyrinfluoreszenz mit Halbwertzeiten zwischen 10 und 15 ns.The fluorescence excitation can be carried out with single-color, for example blue, green or red LED chips in conjunction with a black and white CCD chip with dichroic filters (transmission > 56 nm). With the help of the colored LED chips mentioned, fluorescence excitation of natural or administered porphyrins is possible in the respective absorption bands in the blue, green and red range. This enables fluorescence emission in the range of 680 nm via the black and white CCD chip equipped with the filter mentioned. A high-frequency control of the LED, in conjunction with the also controlled CCD chip, allows the separation of the various fluorescences according to their decay time. The preferred goal is the quantitative measurement of red porphyrin fluorescence with half-lives between 10 and 15 ns.
Durch Kombination und Einzelansteuerung verschiedener Chipfarben können 0 zusätzliche Informationen erkennbar werden. So ist die Eindringtiefe des grünen beziehungsweise roten Lichtes erheblich höher, als die des blauen Lichtes, wodurch zum Beispiel submukös wachsende Tumoren sichtbar gemacht oder die Tiefenausdehnung oberflächlich bereits mit blauem LichtBy combining and individually controlling different chip colors, additional information can be identified. The penetration depth of the green or red light is considerably higher than that of the blue light, which makes it possible, for example, to make submucosal tumors visible or to show the depth extension superficially with blue light.
darstellbarer Tumore nichtinvasiv erfaßt werden kann.visualizable tumors can be detected noninvasively.
Eine weitere bevorzugte Anwendung stellt der Einsatz verschiedenfarbiger, roter, grüner und blauer LED in Verbindung mit einem Schwarz- Weiß-CCD-Chip ohne Filter dar. Durch sequentielle Beleuchtung mit den Farben rot, grün und blau und einer entsprechend synchronisierten Auslösung des Schwaz-Weiß-CCD-Chips ist die Erzeugung sehr hoch auflösender Farbbilder möglich, da jeweils der gesamte CCD-Chip für eine Spektralfarbe zur Verfügung steht.Another preferred application is the use of different colored, red, green and blue LEDs in conjunction with a black and white CCD chip without a filter. By sequentially illuminating with the colors red, green and blue and a correspondingly synchronized triggering of the black and white CCD chip, it is possible to generate very high-resolution color images, since the entire CCD chip is available for one spectral color at a time.
&iacgr;&ogr; Zwar sind endoskopische Anordnungen bekannt, in denen ebenfalls Schwarz-Weiß-CCD-Chips eingesetzt werden, die Beleuchtung erfolgt jedoch konventionell über einen Faseriichtleiter und eine Xenon-Lichtquelle, zwischen denen ein Filterrad mit Rot-, Grün- und Blaufiitem angeordnet ist. Der vorgesehene Einsatz von farbigen LED würde somit den Verzicht auf teure analoge Lichtquellen und deren Bildübertragungsieiter erlauben. Die frei wählbaren, sehr kurzen, Verschlußzeiten der LED verhindern zudem das Auftreten von Bewegungsartefakten.&iacgr;&ogr; Although endoscopic arrangements are known in which black and white CCD chips are also used, the illumination is conventionally provided by a fiber optic cable and a xenon light source, between which a filter wheel with red, green and blue filters is arranged. The intended use of colored LEDs would thus make it possible to dispense with expensive analog light sources and their image transmission cables. The freely selectable, very short shutter speeds of the LED also prevent the occurrence of motion artifacts.
Eine dritte mögliche bevorzugte Anwendung stellt die Kombination verschiedenfarbiger, roter, grüner und blauer LED in Verbindung mit einem Farb-CCD-Chip dar. Da der CCD-Chip bereits über Farbfilter verfügt, ist es möglich, durch Auslesen des roten Kanals nach Blau- und Grünanregung ein Fluoreszenzbild auszuwerten, beziehungsweise durch gleichzeitige Rot-, Grün- und Blauanregung ein konventionelles Farbbild zu erhalten. Vorteil einer solchen Anordnung wäre das einfache Umschalten zwischen Färb- und Fluoreszenzdarstellung. Nachteilig ist jedoch eine im Vergleich zum Schwarz-Weiß-CCD-Chip um den Faktor 5 verminderte Lichtempfindlichkeit sowie eine geringere Auflösung, da sich die Farbbilder bereits auf dem Chip befinden und somit die effektive Auflösung um den Faktor 3 vermindern.A third possible preferred application is the combination of different colored red, green and blue LEDs in conjunction with a color CCD chip. Since the CCD chip already has color filters, it is possible to evaluate a fluorescence image by reading the red channel after blue and green excitation, or to obtain a conventional color image by simultaneously exciting red, green and blue. The advantage of such an arrangement would be the easy switching between color and fluorescence display. The disadvantage, however, is that the light sensitivity is reduced by a factor of 5 compared to the black and white CCD chip, as well as a lower resolution, since the color images are already on the chip and thus reduce the effective resolution by a factor of 3.
Zweckmäßig werden die lichtemittierenden Elemente kranzförmig um die CCD- oder Fotodioden-Anordnung herum angeordnet, um eine gute Ausleuchtung des zu betrachtenden Objekts zu gewährleisten.The light-emitting elements are conveniently arranged in a ring around the CCD or photodiode arrangement to ensure good illumination of the object to be viewed.
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Unter besonderen Gesichtspunkten kann es vorteilhaft sein, die lichtemittierenden Elemente einzeln, in Gruppen oder alle gleichzeitig anzusteuern, zum Beispiel segmentmäßig, um durch eine Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen einen räumlichen Eindruck zu erhalten, oder sie einzeln oder in Gruppen wechselweise oder nach der Art eines umlaufenden Lichtes anzusteuern.From a particular point of view, it may be advantageous to control the light-emitting elements individually, in groups or all at the same time, for example in segments in order to obtain a spatial impression by illuminating them from different directions, or to control them individually or in groups alternately or in the manner of a circulating light.
Das zur Kühlung der Biiderzeugungseinrichtung durch den Endoskopkopf hindurchgeleitete Fluid kann sowohl ein Gas sein, als auch eine Flüssigkeit.The fluid passed through the endoscope head to cool the image generation device can be either a gas or a liquid.
&iacgr;&ogr; Dabei kann das hindurchgeleitete gasförmige Fluid durch einen Kanal ein- und durch einen anderen Kanal ausströmen und dabei die Elemente im Endoskopkopf frei umströmen. 1st das hindurchgeleitete Fluid eine Flüssigkeit, muß diese in einem geschlossenen Kreislauf durch den Endoskopkopf geführt werden. Dann ist es sinnvoll, die Bilderzeugungseinrichtung mit thermischen Ableiteinrichtungen zu versehen, die in den Kühlungsfluidkreislauf eingeführt sind oder zumindest an entsprechende Wärmetauscherflächen angekoppelt werden. Diese thermische Ableitung kann zweckmäßig als Draht oder Band aus gut wärmeleitendem Material ausgebildet sein, vorzugsweise aus Silber oder Kupfer, welche mittels üblicher Bond- oder Lötverbindungen mit dem Chip &ogr; und dem Wärmetauscher verbindbar sind..&iacgr;&ogr; The gaseous fluid passed through can flow in through one channel and out through another channel, flowing freely around the elements in the endoscope head. If the fluid passed through is a liquid, it must be guided through the endoscope head in a closed circuit. It is then sensible to provide the image generation device with thermal dissipation devices that are introduced into the cooling fluid circuit or at least coupled to corresponding heat exchanger surfaces. This thermal dissipation can be expediently designed as a wire or strip made of a good heat-conducting material, preferably silver or copper, which can be connected to the chip &ogr; and the heat exchanger using conventional bonding or soldering connections.
Zur Zuführung des Kühlmittels zum Endoskopkopf können vorteilhaft die ursprünglich oder bei Endoskopen nach dem Stand der Technik für die Lichtleiter im Endoskopschlauch vorgesehenen Kanäle Verwendung finden, ohne daß der Schlauch seine Biegsamkeit verliert.To supply the coolant to the endoscope head, the channels originally provided for the light guides in the endoscope tube or in endoscopes according to the state of the art can be used advantageously, without the tube losing its flexibility.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der in den zugehörige Figuren
schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the preferred embodiments shown schematically in the accompanying figures.
Show it:
0 Fig. 1 einen ersten erfindungsgemäßen Endoskopkopf mit Gaskühlung und0 Fig. 1 a first endoscope head according to the invention with gas cooling and
CCD-Elementen sowie LED-Beleuchtung; Fig. 2 einen zweiten erfindungsgemäßen Endoskopkopf mit Flüssigkeitskühlung und Fotodioden sowie ELL-Beleuchtung.CCD elements and LED lighting; Fig. 2 shows a second endoscope head according to the invention with liquid cooling and photodiodes and ELL lighting.
Identische oder gleichwirkende Teile sind im folgenden mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or equivalent parts are provided with the same reference symbols below.
Der erfindungsgemäße Endoskopkopf 1 gemäß Fig. 1 mit Kupplung 20 für einen nicht dargestellten Endoskopschlauch ist an seiner dem zu untersuchenden Objekt 18 zugewandten Stirnseite 2 mit lichtemittierenden Elementen 3 und einer Bilderzeugungseinrichtung 4, zum Beispiel einer CCD-Matrix, versehen, und weist eine Endoskopoptik 5 und eine transparente Abdeckung, hierein Polarisationsfilter 6, auf. Durch einen Kanal 7 sind die Zuleitungen 8 zu den lichtemittierenden Elemente 3, hierein Kranz von LED-Dioden, und die Signal- oder Ausleseleitung 9 der CCD-Matrix 4, welche mit einer extrakorporalen Elektronik verbunden ist, zu diesen geführt. Weiterhin sind Kanäle 10 und 11 zum Hindurchleiten eines gasförmigen Fluids zur Kühlung der Bilderzeugungseinrichtung 4 vorgesehen. Dabei kann das hindurchgeleitete gasförmige Fluid durch einen der Kanäle 10 ein- und durch den anderen Kanal 11 rückströmen - zu einer ebenfalls extrakorporalen Aufbereitungs- und Speiseeinrichtung. Die Elemente der Bilderzeugungseinrichtung 4 im Endoskopkopf 1 werden frei umströmt oder an wenigstens einer Seite kontaktiert, um die entstehende Wärme abzuführen, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Als Kühlmittelkanäle 10, 11 können beim Anbau des Endoskopkopfes 1 an einen konventioneilen Endoskopschlauch 12 mit einem Manipuiatorkanal 13, durch den zum Beispiel eine Biopsiezange 14 an das Objekt 18 geführt werden kann, die bei Endoskopen nach dem Stand der Technik für die Lichtleiter vorgesehenen Kanäle Verwendung finden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, ein an einer Organoberfläche 18 vorhandenes Frühkarzinom 19 zu diagnostizieren und mit der Biopsiezange 14 eine Gewebeprobe zu entnehmen.The endoscope head 1 according to the invention according to Fig. 1 with coupling 20 for an endoscope tube (not shown) is provided with light-emitting elements 3 and an image generation device 4, for example a CCD matrix, on its front side 2 facing the object 18 to be examined, and has an endoscope optics 5 and a transparent cover, here a polarization filter 6. The supply lines 8 to the light-emitting elements 3, here a ring of LED diodes, and the signal or readout line 9 of the CCD matrix 4, which is connected to extracorporeal electronics, are led to them through a channel 7. Furthermore, channels 10 and 11 are provided for passing a gaseous fluid through to cool the image generation device 4. The gaseous fluid passed through can flow in through one of the channels 10 and back through the other channel 11 - to a processing and feeding device that is also extracorporeal. The elements of the image generation device 4 in the endoscope head 1 are freely flowed around or contacted on at least one side in order to dissipate the heat that is generated, as indicated by the arrows. When the endoscope head 1 is attached to a conventional endoscope tube 12 with a manipulator channel 13, through which, for example, a biopsy forceps 14 can be guided to the object 18, the channels provided for the light guides in endoscopes according to the state of the art can be used as coolant channels 10, 11. With the aid of the device according to the invention, it is possible to diagnose an early carcinoma 19 present on an organ surface 18 and to take a tissue sample with the biopsy forceps 14.
Alternativ zur Gasrückführung kann vorgesehen sein, inertes Flüssiggas zu verwenden und durch die Leitung 10 andie Biiderfassungseinrichtung zu führen 0 und dort im Raum 22 zu expandieren. Anstelle einer Rückströmung durch den Kanal 11 kann das entstandene Gas durch den Abwzeig 21 via Kanal 13 an das Objekt 18 geführt werden. Dadurch ergeben sich zwei Anwendungszwecke. Das Gas kann der lokalen Vereisung für eineAs an alternative to gas recirculation, inert liquid gas can be used and fed through line 10 to the image capture device and expanded there in space 22. Instead of a return flow through channel 11, the resulting gas can be fed through branch 21 via channel 13 to object 18. This results in two applications. The gas can be used to prevent local icing for a
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anschließende Therapie dienen oder die veränderten Emission des lokal gekühlten Objektes in eine Beobachtung einbezogen werden. Dadurch ergibt sich ein Kontrastbild zu einem Objekt unter Normaltemperaturbedingungen, wobei zusätzlich auch Polfilter 6 mit geeigneten Polarisationsebenen unterstützend wirken können.subsequent therapy or the changed emission of the locally cooled object can be included in an observation. This results in a contrast image to an object under normal temperature conditions, whereby polarizing filters 6 with suitable polarization planes can also have a supporting effect.
Additiv kann durch Kühlung eine lokale Erwärmung des Objektes durch die Beleuchtung kompensiert werden.Additionally, local heating of the object caused by the lighting can be compensated by cooling.
Gemäß Fig.2 umfassen die optisch-elektronischen Elemente des Endoskopkopfes 25, hier ELL-Arrays 23 neben einem nur den Optikblock 5 abdeckenden Polarisationsfilter 26 sowie einen Fotodiodenchip 24. Das Kühlfluid ist hier eine Flüssigkeit, z.B. Kühlwasser. Es wird in einem geschlossenen Kreislauf 15 durch den Endoskopkopf 1 geführt werden. Dabei ist es sinnvoll, daß die Fotodioden-Anordnung mit einer thermischen Ableitung, zum Beispiel in Form von Kühlkörpern oder Kühlblechen 16 versehen ist, von denen thermische Ableitvorrichtungen 17 zum Wärmeaustausch in den Kühlungskreislauf 15 eingeführt sind, wenn das Kühlfluid nicht direkt an den Kühlkörpern oder Kühlblechen vorbeiströmen kann. Diese thermischen Ableitungen können zweckmäßig als Draht oder Band aus gut wärmeleitendem Material ausgebildet sein, vorzugsweise aus Silber oder Kupfer.According to Fig. 2, the optical-electronic elements of the endoscope head 25, here ELL arrays 23, comprise a polarization filter 26 that only covers the optics block 5, and a photodiode chip 24. The cooling fluid here is a liquid, e.g. cooling water. It is guided through the endoscope head 1 in a closed circuit 15. It is useful for the photodiode arrangement to be provided with a thermal dissipation, for example in the form of heat sinks or cooling plates 16, from which thermal dissipation devices 17 are introduced into the cooling circuit 15 for heat exchange when the cooling fluid cannot flow directly past the heat sinks or cooling plates. These thermal dissipations can be expediently designed as a wire or strip made of a good heat-conducting material, preferably silver or copper.
Alternative Ausführungsformen aus der Kombination der Funktionen Beleuchtung, Polarisation, Bilderzeugung und Kühlung - gegebenenfalls auch weiterer Komponenten in Unterkombination können vom Fachmann ebenfalls vorgesehen werden, z.B. ELL-Beleuchtung, CCD-Eiente, FlüssigkeitsKühlung, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.Alternative embodiments combining the functions of illumination, polarization, image generation and cooling - possibly also other components in sub-combination can also be provided by the person skilled in the art, e.g. ELL illumination, CCD element, liquid cooling, without departing from the scope of the invention.
Diese Endoskopausführungen bzw. Diagnoseverfahren bieten im 0 Zusammenwirken mit einem nicht dargestellten Steuer- und Regelkreis für die Lichtsteuerung und die Signalauswertung der Biiderzeugungseinrichtung 4 sowie die sonstigen Geräteparameter folgende Vorteile: Durch den Verzicht auf Lichtleiterfaserbünde! wird eine höhere Bildauflösung,These endoscope designs or diagnostic procedures offer the following advantages in conjunction with a control and regulating circuit (not shown) for the light control and the signal evaluation of the image generation device 4 as well as the other device parameters: By dispensing with fiber optic bundles! a higher image resolution is achieved,
etwa um den Faktor 10 erreicht. Durch den Einsatz von Hochleistungs-LED, die sich im Bereich bis zu 15 MHz modulieren lassen, im Endoskopkopf, ist eine extrem preisgünstige Fluoreszenz-anregung möglich, da auch keine Lichtverluste in den Lichtleiterfasern auftreten. Die LED werden direkt durch das Anlegen einer hochfrequenten sinusförmig modulierten Spannung betrieben. Je nach Bauart der LED läßt sich so eine sehr kurze Lichtabgabezeit (Blitz) realisieren. Die direkte Modulation der Lichtquelle bedarf sonst eines erheblich höheren Aufwandes. Es ist beispielsweise üblich, in einen kollimierten Laserstrahl sogenannte akusto-optische Modulationen einzubringen, derenby a factor of 10. By using high-performance LEDs, which can be modulated in the range of up to 15 MHz, in the endoscope head, extremely inexpensive fluorescence excitation is possible, since there are no light losses in the optical fibers. The LEDs are operated directly by applying a high-frequency sinusoidally modulated voltage. Depending on the design of the LED, a very short light emission time (flash) can be achieved. The direct modulation of the light source otherwise requires a considerably higher effort. For example, it is common to introduce so-called acousto-optical modulations into a collimated laser beam, the
&iacgr;&ogr; Lichtbeugungsverhalten durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung verändert wird. Diese Änderungen des Beugungsverhaltens lassen sich in der Modulation des Laserlichts ausnutzen. Vorteil dieser hier beschriebenen LED ist die direkte Modulation des Halbleiters ohne weitere technische Hilfsmittel. Ähnliches ist bei verschiedenen Halbleiterlasern, die sich entsprechend modulieren lassen, ebenfalls möglich.&iacgr;&ogr; Light diffraction behavior is changed by applying a high-frequency voltage. These changes in the diffraction behavior can be used to modulate the laser light. The advantage of this LED described here is the direct modulation of the semiconductor without any additional technical aids. Something similar is also possible with various semiconductor lasers that can be modulated accordingly.
Die LED selbst und nicht nur die Optik können mit Polarisationsfiltern versehen werden. Hierdurch werden zeitaufgelöste Anisotropiemessungen von Fluoreszenzmarkem möglich.The LED itself and not just the optics can be fitted with polarization filters. This enables time-resolved anisotropy measurements of fluorescence markers.
Mit der Weiß-Licht-Endoskopie nach dem Stand der Technik sind häufig keine Veränderungen des Gewebes zu erkennen. Der Vorteil variabler Eindringtiefen erfindungsgemäß nutzbaren verschiedenfarbigen Lichtes wurde bereits beschrieben.z.B. zur Erkennung präinvasiver Bronchialkarzinome, die durch eine fluoreszenz-endoskopische Darstellung nach Exitation mit blauem Licht diagnostiziert werden.With state-of-the-art white light endoscopy, it is often not possible to detect any changes in the tissue. The advantage of variable penetration depths of different colored light that can be used according to the invention has already been described, e.g. for the detection of preinvasive bronchial carcinomas, which are diagnosed by fluorescence endoscopic imaging after excitation with blue light.
Durch die sequentielle Beleuchtung mit den Farben rot, grün und blau und einer entsprechend synchronen Auslösung des Schwarz-Weiß-Chips ist die Erzeugung sehr hochauflösender Farbbilder für spezielle Messungen möglich. Zeitaufgelöste Anisotropiemessungen beziehen sich auf die gleichzeitige &ogr; Bestimmung der Depolarisation der Fluoreszenz sowie deren zeitliches Verhalten. Da die Depolarisation fluoreszierender Moleküle stark von der Molekülgröße beziehungsweise von einer möglichen Bindung an Zellstrukturen abhängt, ist es möglich, mit Hilfe zeitaufgelöster Anisotropiemessungen auchThe sequential illumination with the colors red, green and blue and a correspondingly synchronous triggering of the black and white chip makes it possible to generate very high-resolution color images for special measurements. Time-resolved anisotropy measurements refer to the simultaneous determination of the depolarization of the fluorescence and its temporal behavior. Since the depolarization of fluorescent molecules depends strongly on the molecule size or on a possible binding to cell structures, it is possible to use time-resolved anisotropy measurements to also
Rotations-Polarisations-Halbwertzeiten zu bestimmen. Durch die Messung der Depoiarisation von fluoreszinmarkierten monoklonaien Antikörpern ist folglich indirekt über die Bestimmung von Fluoreszenzrotationshalbwertzeiten eine Aussage über eine erfolgte Antikörperbindung möglich. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die direkte in-vivo-Quantifizierung von membranständigen Zeilantigenen am Patienten, wobei zum Beispiel Informationen über lungenepitheliale Entzündungsvorgänge sowie deren medikamentöse Beeinflussung mögiich werden. Damit erübrigen sich die möglicherweise zu verfälschenden Ergebnissen führenden in-vitro-Quantifizierungen. To determine rotation polarization half-lives. By measuring the depolarization of fluorescein-labeled monoclonal antibodies, it is therefore possible to indirectly determine whether an antibody has bound by determining fluorescence rotation half-lives. One possible area of application is the direct in-vivo quantification of membrane-bound cell antigens in patients, which makes it possible to obtain information about lung epithelial inflammation processes and their drug-induced influence, for example. This eliminates the need for in-vitro quantifications, which could potentially lead to falsified results.
Vergleichbare Untersuchungen sind heute in der Regel nur durch Biopsien und entsprechende Immunfluoreszenzfärbungen beim Pathologen möglich. Durch Kombination der zeitaufgelösten Fluoreszenzmessung nach dem heterodynen "box car-Verfahren", das sich auf ein "frequency-domain fluorescence lifetime imaging-Verfahren" zur phasenselektiven Darstellung bestimmter Fluoreszenzanteile bezieht (erläutert in: G. Wagnieres u.a., Endoscopic Frequency-Domain Fluorescence Lifetime Imaging for Clinical Cancer Photodetection: Apparatus Design in: Progress in Biomedical Optics, Volume 2392, deren Offenbarungsgehalt durch Zitat einbezogen wird) und den oben beschriebenen Polarisationsmessungen, ist eine zusätzliche Steigerung der Meßempfindlichkeit, zum Beispiel durch Streulichtunterdrückung, möglich.Today, comparable examinations are generally only possible through biopsies and corresponding immunofluorescence staining by the pathologist. By combining the time-resolved fluorescence measurement according to the heterodyne "box car method", which refers to a "frequency-domain fluorescence lifetime imaging method" for the phase-selective representation of certain fluorescence components (explained in: G. Wagnieres et al., Endoscopic Frequency-Domain Fluorescence Lifetime Imaging for Clinical Cancer Photodetection: Apparatus Design in: Progress in Biomedical Optics, Volume 2392, the disclosure content of which is included by citation) and the polarization measurements described above, an additional increase in the measurement sensitivity is possible, for example by suppressing scattered light.
Endogene Porphyrine können mit der Erfindung nicht nur in Folge ihrer verzögerten Fluoreszenzabklingzeit selektiv erfaßt werden, sondern es können sogar Aussagen über ihre intrazelluläre Aggrigierung gemacht werden. Hierbei geht es um die Bildung von Mikroaggregaten aus Porphyrin-Derivaten, die andere Fluoreszenz-Halbwertzeiten aufweisen, als frei bewegliche Porphyrin-Derivate. The invention not only allows endogenous porphyrins to be selectively detected as a result of their delayed fluorescence decay time, but also allows statements to be made about their intracellular aggregation. This involves the formation of microaggregates from porphyrin derivatives that have different fluorescence half-lives than freely mobile porphyrin derivatives.
0 Durch Kühlung des bei der Erfindung vorzugsweise verwendeten Interline-Transfer-CCD-Sensors auf ca. 4 ° C ist eine effektive Steigerung der Auflösung von 8 auf 12 Bit, bei gleichzeitiger drastischer Verringerung des photonen Dunkelstromes möglich. Beim Interline-Transfer-System handelt es0 By cooling the interline transfer CCD sensor preferably used in the invention to approx. 4 ° C, an effective increase in resolution from 8 to 12 bits is possible, while at the same time drastically reducing the photon dark current. The interline transfer system is
sich um ein Ausleseverfahren, das im Gegensatz zum Frame-Transfer-Verfahren einzelne Schieberegisterreihen ansprechen kann und somit eine Voraussetzung für die direkte Substrat-Modulation des CCD-Chips ermöglicht. Mit Frame-Transfer-CCD ist dies nicht erreichbar.It is a readout method that, in contrast to the frame transfer method, can address individual shift register rows and thus enables a prerequisite for the direct substrate modulation of the CCD chip. This cannot be achieved with frame transfer CCD.
Insgesamt ersetzt die Anordnung im Frequenzbereich bis 40 MHz einen Laser sowie einen Muitikanalplattenverstärker und dessen Phosphorschirm. Es wird hierdurch der Preis etwa um den Faktor 10 gemindert. Besonders vorteilhaft äst die Tatsache, daß die Standardansteuerung eines Farb-CCD-Chips parallel erhalten bleiben kann, so daß dem untersuchenden Arzt durch das gleiche Instrument zwei Betrachtungsmöglichkeiten (Fluoreszenz- und Nativbild) zur Verfügung stehen. Durch eine Umschaltung des CCD-Chips oberhalb der Verschmelzungsfrequenz des menschlichen Auges können somit zwei Monitore gleichzeitig bei einer Untersuchung betrieben werden. Das einzige bekannte, in der EPA 512 965 beschriebene System der Firma Xillix Technologies Inc. bietet hier erstens keine Zeitauflösung, zweitens keine digitale Bildverstärkung und drittens muß der untersuchende Arzt das Bronchoskop während der Untersuchung wechseln, um ein geeignetes Nativbild zu betrachten.Overall, the arrangement replaces a laser in the frequency range up to 40 MHz, as well as a multi-channel plate amplifier and its phosphor screen. This reduces the price by a factor of around 10. A particularly advantageous feature is the fact that the standard control of a color CCD chip can be retained in parallel, so that the examining doctor has two viewing options (fluorescence and native image) available using the same instrument. By switching the CCD chip above the fusion frequency of the human eye, two monitors can be operated simultaneously during an examination. The only known system described in EPA 512 965 by Xillix Technologies Inc. offers firstly no time resolution, secondly no digital image amplification and thirdly the examining doctor has to change the bronchoscope during the examination in order to view a suitable native image.
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