DE3629435A1

DE3629435A1 - Endoskopanordnung

Info

Publication number: DE3629435A1
Application number: DE19863629435
Authority: DE
Inventors: Osamu Takami
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1987-03-12
Also published as: DE3629435C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Endoskopanordnung, mit welcher die Größe eines Untersuchungsobjekts, beispielsweise eines erkrankten Teils des Körpers eines Patienten o. dgl., meßbar ist.

In neuerer Zeit sind Endoskopanordnungen verbreitet für die Diagnose und medizinische Behandlung in Körperhöhlen von Patienten eingesetzt worden.

Bei einer solchen Diagnose und Behandlung unter Verwendung einer Endoskopanordnung ist es außerordentlich wichtig, die Größe eines Untersuchungsobjekts, z. B. eines befallenen oder erkrankten Teils, und den Abstand von einem distalen Abschnitt eines Einführteils eines Endoskops zum Untersuchungsobjekt zu messen.

Zu diesem Zweck sind bisherige Endoskopanordnungen so ausgelegt, daß die Größe des Untersuchungsobjekts und der Abstand vom Endoskop zum Untersuchungsobjekt durch Messung der optischen Position und der Vergrößerung eines in bestimmter Weise angeordneten Linsensystems mittels eines hochentwickelten optischen Systems bestimmt werden können. Andererseits weisen solche Anordnungen ggf. einen Detektor oder eine andere spezielle Einrichtung für die Abstandsmessung auf.

Von der ersteren Meßmethode unter Verwendung des optischen Systems kann aber keine große Meßgenauigkeit erwartet werden. Die zweitgenannten Anordnungen sind dagegen unweigerlich kompliziert aufgebaut und daher mit dem Nachteil höherer Fertigungskosten behaftet. Zudem müssen bei Endoskopanordnungen dieser Art die komplizierten Einrichtungen, wie optisches System oder Detektor, für Größen- und Abstandsmessung in den Einführteil des Endoskops eingebaut sein. Letzterer ist daher so sperrig, daß seine Handhabung darunter leidet und dadurch der Diagnose- oder Untersuchungsbereich eingeschränkt ist.

Demzufolge besteht ein zunehmender Bedarf nach der Entwicklung eines verbesserten Meßsystems für Endoskopanordnungen.

Die in der JP-Patentveröffentlichung 58 67 230 beschriebene Endoskopanordnung ist ein Beispiel für Anordnungen, mit denen die Größe des erkrankten Teils und anderer Untersuchungsobjekte einfach gemessen werden kann. Mit dieser Anordnung kann jedoch nicht der Abstand zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem distalen Ende des Einführteils des Endoskops gemessen werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Endoskopanordnung, mit welcher durch nur teilweise Verbesserung oder Abwandlung der Konstruktion des Endoskops und ohne Vergrößerung der Abmessungen des Einführteils sowohl die Größe eines Untersuchungsobjekts als auch der Abstand vom distalen Ende eines Einführteils des Endoskops zum Untersuchungsobjekt meßbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Endoskopanordnung, umfassend ein Endoskop mit einem Einführteil und einem distalen Abschnitt am einen Ende des Einführteils sowie ein am distalen Abschnitt vorgesehenes optisches Objektivsystem zum Beobachten oder Betrachten eines vor dem distalen Abschnitt befindlichen Untersuchungsobjekts, erfindungsgemäß gelöst durch eine Meßstrahl- Projektionseinrichtung zum Projizieren von Meßstrahlen aus von der optischen Achse des optischen Systems versetzten Positionen an dessen distalem Abschnitt und zum Einführen der Meßstrahlen unter beliebigen (any) Winkeln in das Sehfeld des optischen Objektivsystems.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden Meßstrahlen projiziert, welche unter beliebigen Winkeln aus von der optischen Achse des optischen Systems versetzten Stellen in das Sehfeld des optischen Objektivsystems eintreten. Auf diese Weise können die Größe des Untersuchungsobjekts und der Abstand vom distalen Ende des Einführteils des Endoskops zum Untersuchungsobjekt mittels einer Anordnung gemessen werden, die durch nur teilweise Verbesserung oder Abwandlung des Endoskops, ohne daß dabei der Einführteil sperrig wird, realisiert ist. Infolgedessen können Wirksamkeit und Genauigkeit der Anordnung bei ihrer Verwendung für Diagnose oder medizinische Behandlung erheblich verbessert werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus des distalen Abschnitts eines Endoskops und des Meßprinzips bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sehfeldbilds,

Fig. 3 eine schematische, teilweise in Blockschaltbildform gehaltene Darstellung einer elektronischen Endoskopanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der End- oder Stirnfläche eines distalen Abschnitts,

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus des distalen Abschnitts und des Meßprinzips,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines ersten Speicherteils und einer Systemsteuerung,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm der Meßvorgänge,

Fig. 8 eine graphische Darstellung einer Betriebssequenz der Meßfunktion,

Fig. 9A eine schematische Darstellung eines optischen Bilds eines Meßstrahls,

Fig. 9B eine schematische oder graphische Darstellung von Analogsignaldaten am optischen Bild,

Fig. 9C eine schematische oder graphische Darstellung einer binären Version der optischen Bilddaten,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Lage der Zentralposition des optischen Bilds,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Monitoranzeige,

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Beispiels für die Monitoranzeige,

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines anderen abgewandelten Beispiels für die Monitoranzeige,

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer Abwandlung der Kombination aus erstem Speicherteil und Systemsteuerung,

Fig. 15 eine graphische Darstellung einer Betriebssequenz oder -folge der Meßfunktion bei der Abwandlung nach Fig. 14,

Fig. 16 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Aufnahmebild und einem Anzeige- oder Wiedergabebild in der Sequenz bei der Abwandlung nach Fig. 14,

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Abwandlung, bei welcher ein Bild (picture image) über einen Okularteil eines Endoskops abgenommen wird, und

Fig. 18 eine schematische Darstellung einer Abwandlung unter Verwendung eines Pinzettenkanals (forceps channel).

Nachstehend ist anhand der Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 2 ein distaler Abschnitt eines Einführteils 6 eines Endoskops 4 bezeichnet. In den distalen Abschnitt 2 ist ein optisches Objektivsystem 8 eingebaut, das eine Objektiv-Linse 10 und eine optische Apertur (oder Blende) 12 aufweist. Ein Bild (eine Abbildung) eines vorderhalb des Abschnitts 2 befindlichen Untersuchungsobjekts wird durch die Linse 10 gesammelt, durch die Apertur 12 verengt (constricted) und dann durch einen Bildleiter 14 zu einem nicht dargestellten Okularteil geleitet. Der Einführteil 6 ist mit einem Pinzettenschlauch (forceps tube), einem Luftschlauch, einem Wasserschlauch usw. (sämtlich nicht dargestellt) versehen, die sämtlich an der End- oder Stirnfläche des distalen Abschnitts 2 münden. Durch den Einführabschnitt 6 ist ein nicht dargestellter Beleuchtungslichtleiter hindurchgeführt, über den ein Bereich innerhalb einer Körperhöhle vom Ende des Abschnitts 2 zum Untersuchungsobjekt und seiner Umgebung reichend, beleuchtbar ist.

Gemäß Fig. 1 sind an Ober- und Unterseite der Objektiv- Linse 10 im distalen Abschnitt 2 zwei Kollimator- Linsen 16 bzw. 18 zum Projizieren bzw. Ausstrahlen zweier paralleler Meßstrahlen angeordnet. Die durch Lichtleiter 20 und 22 zu den Linsen 16 bzw. 18 gelieferten Lichtstrahlen werden in Form zweier paralleler Meßstrahlen L _a und L _b, die parallel zur optischen Achse L ₀ der Linse 10 liegen, durch die Linsen 16 bzw. 18 in das Sehfeld der Objektiv-Linse 10 projiziert.

Eine Kollimator-Linse 24 zum Projizieren oder Ausstrahlen eines schrägen Meßstrahls ist an der der Objektiv- Linse 10 zugewandten Seite der Kollimator-Linse 16 angeordnet. Ein über einen Lichtleiter 26 der Linse 24 zugeführter Lichtstrahl wird als schräger, die Strahlen L _a und L _b (schräg) schneidender (slanting) Meßstrahl L _c durch die Linse 24 in das Sehfeld der Objektiv- Linse 10 geworfen.

Die Strahlen L _a, L _b und L _c liegen jeweils auf derselben Ebene. Der die Strahlen L _a und L _b schneidende Strahl L _c kreuzt oder schneidet den Strahl L _b an einem Punkt D 3, der durch Änderung des Neigungswinkels des Strahls L _c oder des Abstands zwischen den Strahlen L _a und L _b beliebig eingestellt werden kann. Vorzugsweise befindet sich der Punkt D 3 an der fernsten Stelle innerhalb der durch die Objektiv-Linse 10 und die optische Apertur 12 bestimmten Schärfentiefe.

Die parallelen Meßstrahlen L _a und L _b sowie der schräge Meßstrahl L _c erzeugen ihre entsprechenden optischen Bilder oder Abbildungen (U _x, S _x, D _x), z. B. Bilder (U ₁, S ₁, D ₁) oder (U ₃, S ₃, D ₃), auf einer Objektebene P _x in einer beliebigen Position, z. B. der Position P ₁ oder P ₃. Diese optischen Bilder (oder Abbildungen) erscheinen gemäß Fig. 2 in einem Feldbild, vom Okularteil aus gesehen. Der Abstand a _x zwischen den Bildern U _x und S _x und der Abstand zwischen den Bildern S _x und D _x variieren in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Objektebene P _x und dem Ende des distalen Abschnitts 2.

Es sei angenommen, daß die Abstände vom Ende des distalen Abschnitts 2 zum vorbestimmten Schnittpunkt D ₃ und zur Objektebene P _x an jeder Stelle gleich ℓ₀ bzw. ℓ_x und der Abstand zwischen den parallelen Meßstrahlen L _a und L _b gleich b ₀ sind. Da ℓ₀ und b ₀ bekannte konstante Größen sind, kann der Abstand ℓ_x, der sich zu bestimmt, durch Bestimmung des Verhältnisses zwischen b ₀ und dem Abstand a _x zwischen den optischen Bildern U _x und S _x auf der Objektebene P _x ermittelt werden.

Mit anderen Worten: der Abstand ℓ_x kann nach obiger Gleichung ohne weiteres im Kopf berechnet werden, nachdem das Verhältnis a _x/b ₀ mit dem Auge auf dem Feldbild (field image) abgeschätzt worden ist. Wenn somit die Strahlen L _a, L _b und L _c als optische Bilder (oder Abbildungen) auf das Untersuchungsobjekt geworfen werden, kann der Abstand vom Ende des distalen Abschnitts 2 zum Untersuchungsobjekt, z. B. zu einem erkrankten oder befallenen Teil, ohne weiteres anhand der Abstände zwischen den optischen Bildern U _x, D _x und S _x bestimmt werden.

Wenn sich das optische Bild S ₄ des schrägen Strahls L _c unterhalb des optischen Bilds D ₄ des parallelen Strahls L _b, d. h. außerhalb des Strahls L _b befindet, ist das resultierende Bild unscharf. In diesem Fall läßt sich jedoch der Abstand ℓ₄ ebenfalls einfach bestimmen, so daß das Endoskop 4 in den folgenden Betriebsvorgängen zweckmäßig bewegt werden kann.

Bei der Betrachtung eines Polypen innerhalb der Schärfentiefe kann dessen Höhe dadurch gemessen werden, daß der schräge Meßstrahl L _c auf einen vorstehenden Teil des Polypen und die Körperwand geworfen wird. In diesem Zustand fällt nämlich das optische Bild S _x des Strahls L _c auf den vorstehenden Teil des Polypen, während die optischen Bilder U _x und D _x der parallelen Meßstrahlen L _a und L _b auf der Körperwand liegen. Wenn die Bildebene der Objektiv-Linse 10 und das Bild S _x des Strahls L _c konjugiert sind und die Bilder (oder Abbildungen) U _x, D _x und S _x als Objektivpunkte der Linse 10 betrachtet werden, erscheinen die betrachteten oder beobachteten Versionen der Bilder U _x und D _x der Strahlen L _a bzw. L _b unscharf. Wenn die Bildebene der Linse 10 so verschoben wird, daß sie mit den optischen Bildern U _x und D _x der Strahlen L _a bzw. L _b konjugiert oder zusammenfällt, erscheint eine betrachtete Version des Bilds S _x des schrägen Strahls L _c unscharf. Die Höhe des Polypen kann mithin mittels der Verschiebung der Bildebene der Objektiv-Linse 10 ermittelt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Kollimator- Linsen 16 und 18 zum Projizieren der parallelen Meßstrahlen an Ober- bzw. Unterseite der Objektiv- Linse 10 angeordnet. Wahlweise können sie jedoch auch jeweils an linker bzw. rechter Seite der Objektiv-Linse 10 angeordnet sein. Ebenso kann die Kollimator-Linse 24 für den schrägen Meßstrahl nicht an der Innenseite der Linsen 16 und 18, sondern an deren Außenseite angeordnet sein.

Anstelle der Kollimator-Linsen 16, 18 und 24 können zudem auch Lichtleitfasern für die Lichtleiter 20, 22 und 26 verwendet werden. In diesem Fall muß die End- oder Stirnfläche jedes Lichtleiters in Form einer Linsenfläche gekrümmt sein.

Anstatt der getrennten Kollimator-Linse 16 für den parallelen Strahl und der Kollimator-Linse 24 für den schrägen Strahl kann weiterhin auch eine gemeinsame Kollimator-Linse für parallelen und schrägen Meßstrahl vorgesehen werden. In diesem Fall sollten die jeweiligen optischen Achsen der parallelen und schrägen Strahlen vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie einander im Zentrum der gemeinsamen Kollimator-Linse schneiden. Auf diese Weise können die von der Kollimator- Linse emittierten parallelen und schrägen Strahlen miteinander in Flucht gebracht werden.

Anstelle des Bildleiters 14 kann ein Festkörper-Bildaufnahmeelement verwendet werden.

Im folgenden ist anhand der Fig. 3 bis 18 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Ein in Fig. 3 dargestelltes Endoskop 52 weist einen Einführteil 54 und einen Bedienteil 56 auf. Am einen Ende des Einführteils 54 ist ein distaler Abschnitt 58 angebracht, während der Bedienteil 56 mit dem anderen Ende des Einführteils 54 verbunden ist.

Gemäß den Fig. 4 und 5 ist der distale Abschnitt 58 mit einem optischen Objektivsystem 60 versehen, das eine Objektiv-Linse 63 und eine optische Apertur 64 umfaßt. Ein(e) optische(s) Bild (oder Abbildung) eines vor dem Abschnitt 58 befindlichen Untersuchungsobjekts wird durch die Linse 62 gesammelt, durch die Apertur 64 verengt (constricted) und sodann auf ein Festkörper- Bildaufnahmeelement 66, z. B. ein CCD-Element, projiziert. Eine zum Projizieren oder Ausstrahlen eines Meßstrahls dienende Kollimator-Linse 68 ist in einem Abstand von der optischen Achse L ₀ der Objektiv-Linse 62 am distalen Abschnitt 58 angeordnet; sie dient dazu, einen über Lichtleiter 72 von einer noch zu beschreibenden Beleuchtungslichtquelle 70 gelieferten Lichtstrahl in das Sehfeld der Objektiv-Linse 72 zu projizieren bzw. zu werfen. Die Linse 68 wird im voraus so justiert, daß sie einen Meßstrahl L _d unter einem gewünschten Winkel β zur optischen Achse L ₀ der Linse 62 ausstrahlt. Der distale Abschnitt 58 ist mit einer Pinzettenöffnung 74, einer Luftöffnung 76, einer Wasseröffnung 78, Beleuchtungsfenstern 80 usw. versehen. Der Bedienteil 56 ist mit den Lichtleitern 72 verbunden, die ihrerseits an die Licht(strahl)quelle 70 angeschlossen sind. Die Lichtleiter 72 dienen zur Führung eines Lichtstrahls von der Lichtquelle 70 zu den Fenstern 80 und zur Linse 68. Der Bedienteil 56 ist elektrisch mit einer Videosignal-Verarbeitungs/Anzeigeeinheit 82 und einem Aufzeichnungssystem 84 verbunden.

Die Verarbeitungs/Anzeigeeinheit 82 umfaßt eine Videosignal- Verarbeitungsschaltung 86, einen A/D-Wandler 88, einen Speicherteil 90, einen D/A-Wandler 92, einen Monitor 94 für reelles Bild, einen Monitor 96 für photographische Stehbildaufnahme, einen Monitor 98 für angehaltenes/reelles (freezed/real) Bild, eine Systemsteuerung 100, eine Eingabevorrichtung 102 usw.. Die Verarbeitungsschaltung 86 dient zum Umwandeln eines vom Festkörper-Bildaufnahmeelement 66 aufgenommenen Bildsignals in ein vorbestimmtes Fernseh- oder Videosignal. Der A/D-Wandler 88 wandelt analoge Bilddaten in digitale Bilddaten zum Anhalten (freezing) des Bilds um. Der Speicherteil 90 speichert die digitalen Bilddaten vom Wandler 88. Der D/A-Wandler 92 dient zum Umwandeln der digitalen Bilddaten in ein analoges Bildsignal zwecks Wiederherstellung der Daten zu einem Videoausgangssignal. Der Reellbild-Monitor 94 dient zur Überwachung eines reellen Bilds nach Maßgabe des analogen Bildsignals von der Schaltung 86. Der Monitor 96 gibt die analogen Bilddaten vom Wandler 92 wieder. Der Anhalte/Reellbild-Monitor 98 dient zur selektiven Überwachung oder Wiedergabe eines angehaltenen oder eines reellen Bilds. Die Systemsteuerung 100 ist für die erfindungsgemäße Rechenoperation und die Steuerung der einzelnen Einheiten vorgesehen. Die Eingabevorrichtung 102 dient zum Eingeben von Zeichen und dgl..

Ein Aufnahmesystem 84 enthält eine Stehbildkamera 104 und ein Videobandaufnahmegerät (VTR) 106. Mit der Kamera 104 können die Bilddaten vom Monitor 96 nach Bedarf aufgenommen werden. Das Videobandaufnahmegerät 106 dient zum Aufnehmen und Wiedergeben der analogen Bilddaten.

Gemäß Fig. 6 umfaßt der Speicherteil 90 Einzelbild- Speicher 108, 110 und 112 für beobachtete angehaltene Bilder (observed image/freezing), Messung bzw. Zeichen. Die Systemsteuerung 110 enthält eine Zentraleinheit (CPU) 114, eine Speicherschnittstelle 116 und eine Meßfunktions-Schnittstelle 118. Der Speicher 108 speichert ein Einzelbild-Beobachtungsbild. Der Speicher 110 speichert eine modifizierte Version des Einzelbild- Beobachtungsbilds, dem ein optisches Bild des Meßstrahls L _d überlagert ist. In Abhängigkeit von einem Befehl von der Zentraleinheit 114 werden eine gitterartige Skala und vorbestimmte Zeichen (oder Symbole) in den Speicher 112 eingeschrieben. Die Zentraleinheit 114 steuert die gesamte Anordnung. Die Schnittstelle 116 koordiniert die Zentraleinheit 114 und die Speicher 108, 110, 112. Die Schnittstelle 118 dient zur Betätigung eines zwischen der Kollimator-Linse 68 für Meßstrahlprojektion und den Lichtleitern 72 angeordneten Verschlusses 122 mittels eines beispielsweise am Bedienteil 56 angeordneten Meßfunktions-Schalters 120. In Abhängigkeit von der Betätigung der Blende 122 steuert die Zentraleinheit 114 die Speicher 108, 110 und 112. Bei 124 ist eine Zusammensetzeinheit für das Zusammensetzen von Bilddaten von den Speichern 108 und 112 angedeutet.

Im folgenden ist das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip erläutert. Es beruht auf den Beziehungen zwischen den Positionen von optischen Bildern (oder Abbildungen) für Messung auf einer zu erwartenden Bildebene für Bildaufnahme, der Größe der Bildebene im Sehfeld für Bildaufnahme oder -beobachtung sowie dem Abstand vom Ende des distalen Abschnitts 58 des Einführteils 54 des Endoskops 52 zu einem Untersuchungsobjektbereich, die dann erhalten oder bestimmt werden, wenn der Meßstrahl L _d unter einem Winkel β vom Ende des distalen Abschnitts 58 auf den Untersuchungsobjektbereich geworfen wird.

Gemäß Fig. 5 wird das Sehfeld des optischen Objektivsystems 60 aus Objektiv-Linse 62 und optischer Apertur 64, vom Ende des distalen Abschnitts 58 zum Untersuchungsobjektbereich hin gesehen, durch den Abbildungswinkel α bestimmt. In diesem Fall erlauben die Bildebenen P ₁, X und P ₂ eine Bildaufnahme innerhalb der Schärfentiefe des optischen Systems 60. Die Apertur 64 besitzt eine rechteckige Form.

Wenn der Meßstrahl L _d unter einem Winkel β aus einer Position in einem Abstand a ₀ von der optischen Achse L ₀ der Objektiv-Linse 62 am Ende des distalen Abschnitts 58 auf den Untersuchungsobjektbereich projiziert oder geworfen wird, schneidet der Strahl L _d die Achse L _O in einem Abstand ℓ₀ von der Linse 62.

Hierauf nehmen optische Bilder oder Abbildungen, die erzeugt werden, wenn der Strahl L _d die in Abständen ℓ₃, ℓ_x und ℓ_O befindlichen Bildebenen P ₁, X bzw. P ₂ durchläuft, die Lagen S ₁, S _x bzw. A ₂ ein. Demzufolge variiert die Beziehung zwischen den Abständen von den Oberkanten der Ebenen P ₁, X und P ₂ zu den einzelnen optischen Bildern oder Abbildungen einerseits sowie den Abständen von der optischen Achse L _O zu den Bildern oder Abbildungen (andererseits) mit den Abständen vom Ende des distalen Abschnitts 58 zu den Ebenen P ₁, X und P ₂.

Wenn der Schnittpunkt (Bezugspunkt) der optischen Achse L _O und des die Oberkanten E ₂, E _x und E ₁ der Bildebenen P ₁, X und P ₂ verbindenden Hüllstrahls L _e gleich 0 ist, (bei 0 liegt), und wenn folgendes vorausgesetzt wird:
ℓ_x = Abstand vom Ende des distalen Abschnitts 58 zu einer beliebigen (any) mittleren Bildebene X,
a _x = Abstand vom optischen Bild S _x auf der Ebene X zur optischen Achse L _O,
b _x = Abstand von der Oberkante E _x der Ebene X zum Bild S _x,
t _x = Abstand von der Oberkante E _x der Ebene X zur Achse L _O (halbe lotrechte Länge der Ebene X),
b _O = Abstand von der Oberkante E ₂ der entferntesten Bildebene P ₂ zum optischen Bild A ₂ auf der Ebene P ₂,
ℓ₁ = Abstand vom Ende des distalen Abschnitts 58 zum Bezugspunkt O und
ℓ₂ = Abstand vom Schnittpunkt zwischen Meßstrahl L _O und Hüllstrahl L _e zum Ende des distalen Abschnitts 58,
so gilt:

Wenn das Verhältnis zwischen dem Abstand t _x von der optischen Achse L _O zur Oberkante E _x und dem Abstand a _x von der Achse L _O zum Bild S _x gleich m (= t _x/a _x) ist, bestimmen sich der Abstand ℓ_x vom Ende des distalen Abschnitts 58 zur mittleren Ebene X sowie die Länge oder der Abstand t _x gleich der halben lotrechten Länge der Ebene X zu bzw.

Damit lassen sich alle Bildebenen für Bildaufnahme als Modifikationen von Lage und Größe der mittleren Bildebene auf der optischen Achse L _O ausdrücken.

Der Projektionswinkel β des Meßstrahls L _d kann eine beliebige Größe besitzen, sofern der Strahl L _d in das Sehfeld des optischen Objektivsystems 60 einzutreten vermag. Wenn in diesem Fall zur Vereinfachung der Berechnung β = 0° vorausgesetzt wird, lassen sich Gleichung (1) und (2) wie folgt umordnen: und

t _x = a _O m.

Im folgenden sind die Operationsvorgänge der Zentraleinheit 114 erläutert. Die folgende Beschreibung bezieht sich nur auf die mittlere Bildebene X und das auf dieser erzeugte optische Bild S _x.

(1) in einem Schritt 1 (ST 1) werden Bilddaten auf einem vorbestimmten Signalpegel binär codiert.

Wenn der Meßfunktions-Schalter 120 geschlossen wird, wird der Verschluß 122 gemäß Fig. 8 unmittelbar nach der Betätigung des Schalters geöffnet und nur für eine Einzelperiode offen gehalten, und zwar in Übereinstimmung (in line) mit der Fernseh-Synchronisierung (Teil- oder Einzelbildsynchronisierung des CCD-Festkörper- Bildaufnahmeelements 66). Daraufhin werden die Bilder fortlaufend im Speicherteil 90 abgespeichert; wahlweise wird das augenblickliche Teil- oder Einzelbild (one-frame image) nach Maßgabe eines Befehlssignals für die Betätigung des Schalters 120 angehalten und im Einzelbild-Speicher 108 für Beobachtungsbild/ Anhalten abgespeichert. Sodann wird das nächste Einzelbild (dem der Meßstrahl L _d überlagert ist) im Einzelbild-Speicher 110 für Messung gespeichert. Anschließend wird das Bild im Speicher 108 von dem Strahlüberlagerten Bild im Speicher 110 substrahiert, wobei gemäß Fig. 9A nur das optische Bild S _x erhalten wird. Da das resultierende Bild gemäß Fig. 9B Wellenformdaten darstellt, wird es in eine binäre Version auf einem vorbestimmten Pegel gemäß Fig. 9C umgewandelt. In den Fig. 9A bis 9C gibt die strichpunktierte Linie die sich in lotrechter Richtung der Bildebene erstreckende Übertragungs- oder Verlaufsstrecke des Meßstrahls L _d an.

(2) Im Schritt 2 (ST 2) wird der Bereich (region) des binär codierten optischen Bildsignals erfaßt.

In der das binär codierte Signal zeigenden Fig. 10 stehen x ₀ für eine Adresse am Ausgangspunkt oder linken Ende eines Speicherrasters (Startadresse in waagerechter Richtung des Speichers), x ₁ für eine Adresse einer vorlaufenden Flanke und x ₂ für eine Adresse einer nachlaufenden Flanke.

(3) Im Schritt 3 (ST 3) wird die Lage des zentralen Bildelements im Bildsignalbereich, d. h. die Zentralposition des optischen Bilds, bestimmt.

Die Adresse X _c der Zentralposition des optischen Bilds bestimmt sich zu

Wenn auf diese Weise die Zentralposition X _c bestimmt ist, können die nachfolgenden Berechnungen für die Messung durchgeführt werden.

(4) Im Schritt 4 (ST 4) wird der Abstand a _x zwischen der optischen Achse L _O und dem optischen Bild S _x berechnet.

(5) Im Schritt 5 (ST 5) wird der Abstand t _x zwischen der Achse L _O und der Oberkante E _x durch den Abstand a _x dividiert.

(6) Im Schritt 6 (ST 6) werden Gleichung (1) und (2) aufgelöst (operated), und zwar unter Heranziehung des in Schritt 5 erhaltenen Quotienten sowie verschiedener anderer vorbestimmter Größen, einschließlich des Abstands a _O zwischen der optischen Achse L _O und der Emissionsstelle des Meßstrahls L _d, des Projektionswinkels β, des Abstands ℓ₁ zwischen dem Bezugspunkt O und dem Ende des distalen Abschnitts 58 sowie des Abbildungswinkels α. Auf diese Weise werden der Abstand ℓ_x vom Ende des distalen Abschnitts 58 zum Untersuchungsobjektbereich X und die Länge 2t _x der Bildebene am Bereich X bestimmt.

(7) Im Schritt 7 (ST 7) werden der Abstand ℓ_x und die Länge 2t _x auf dem Monitor 98 für Anhaltebild/reelles Bild in vorbestimmter Weise unter Verwendung eines graphischen Speichers, nach vorheriger Abspeicherung im ersten Speicherteil 90, wiedergegeben.

Bei Beschickung mit dem Befehlssignal für die Betätigung des Meßfunktions-Schalters 120 schreibt die Zentraleinheit 114 eine in Fig. 11 gezeigte raster- oder gitterartige Skala 126 in den Einzelbild-Speicher 112 für Zeichen ein. Zu diesem Zweck liest die Zentraleinheit 114 Daten aus einem nicht dargestellten Festwertspeicher (ROM) aus, der zur Lieferung einer Speicheradresse für Skalenanzeige (scale indication) dient, um damit die vorher beschriebene Operation abzuschließen. Daraufhin wird die Skala 126 auf dem Bildaufnahmebereich 128 des Bildschirms des Monitors 98 (Kathodenstrahlröhren- Anzeigeeinheit) wiedergegeben. Diese Skala ist ortsfest oder stillstehend. Die Größe der Skala 126 auf dem Monitorbildschirm ist konstant, und die Zahl der Gittermaschen der Skala ist gleich n.

Die auf vorher beschriebene Weise berechnete Länge t _x (halbe Länge der Bildebene) wird durch n dividiert, und der resultierende Quotient wird mit 2 multipliziert. Auf diese Weise wird die Größe jeder (Gitter-)- Masche bestimmt und als Länge pro Teilung(seinheit) (mm/div) im Anzeigebereich 130 für Begutachtung o. dgl. auf dem Bildschirm gemäß Fig. 11 wiedergegeben. Die Zentraleinheit 114 veranlaßt den nicht dargestellten Festwertspeicher, Zeichen oder Symbole entsprechend der wiedergegebenen Größe zu erzeugen, und sie schreibt die Zeichen in den Einzelbild-Speicher 112 für Zeichen ein. Wenn die Daten auf diese Weise in den Speicher 112 eingeschrieben sind, werden eine Abbildung (picture image) 132 und Zeichen 134 (einschließlich der Skala 126) übereinander gesetzt und auf dem Monitorbildschirm wiedergegeben, nachdem sie mit den wiedergegebenen Bilddaten synchronisiert worden sind. Die Skala 126 wird weiterhin wiedergegeben oder angezeigt, und die Abbildung wird für eine vorbestimmte Zeit oder bis zur Lieferung eines anderen Befehlssignals für die Betätigung des Meßfunktions-Schalters 120 angehalten (freezed).

Bei der beschriebenen Anordnung können die genaue Größe des Aufnahmebilds und der Abstand vom Ende des distalen Abschnitts 58 innerhalb der geeigneten Bereichsdichte der Bildelemente und des geeigneten Bereichs der Software- oder Hardware-Genauigkeit auf der Grundlage des vorher beschriebenen Prinzips automatisch ermittelt werden. Wenn der Winkel β gleich β = 0° ist, kann die Rechenverarbeitungsfunktion von Schritt 6 weiter vereinfacht werden. Wenn weiterhin die Lage des optischen Bilds S _x des Meßstrahls L _d auf der Bildebene X mit der Richtung der Horizontalkomponente des Videosignals in Flucht ist, können die Verarbeitungsfunktionen der Schritte 1-4 in Verbindung mit Hardware-Verarbeitung für die Erfassung der Lage des Bilds S _x vereinfacht werden.

Bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform wird gemäß Fig. 11 die gitterartige Skala 126 über den gesamten Bildaufnahmebereich 128 des Monitors 98 hinweg wiedergegeben. Wahlweise kann jedoch eine Skala auf die in den Fig. 12 und 13 gezeigte Weise wiedergegeben werden. Bei der Abwandlung nach Fig. 12 wird die gitterartige Skala 126 nur im Bereich des Zentrums des Aufnahmebereichs 128 wiedergegeben, weil der Umfangs- (rand)teil des Bereichs 128 mit einer geringen Meßgenauigkeit behaftet ist. In diesem Fall befindet sich das Bild S _x des Meßstrahls L _d in der Nähe des Zentrums der Bildebene X. Bei der Abwandlung nach Fig. 13 wird anstelle der gitterartigen Skala 126 eine eindimensionale Skala 136 auf dem unter dem Aufnahmebereich 128 befindlichen, für Begutachtung o. dgl. vorgesehenen Teil des Anzeigebereichs 130 wiedergegeben. Wie bei der zweiten Ausführungsform wird dabei auch die Länge pro Teilung(seinheit) angezeigt.

Bei der zweiten Ausführungsform wird zudem die Messung zum gewünschten Zeitpunkt eingeleitet. Gemäß Fig. 14 kann jedoch die Meßfunktion ständig aufrechterhalten werden. Bei dieser Abwandlung ist der Meßfunktions- Schalter 120 weggelassen, und der Verschluß 122 wird periodisch, mit dem Fernsehsignal synchronisiert, betätigt. Der Speicherteil 90 enthält zudem erste und zweite Einzelbild-Speicher 142 bzw. 144 für Messung. In den ersten Speicher 142 werden Bilder stets gleichzeitig mit dem (Einschreiben in den) Einzelbild- Speicher 108 für beobachtete angehaltene Bilder eingeschrieben. Wenn der Verschluß 122 geöffnet ist, so daß der Meßstrahl L _d projiziert werden kann, wird die Speicherung neuer Bilder unterbrochen. Wenn der Strahl L _d projiziert wird, wird das augenblickliche Bild, dem das optische Bild S _x des Strahls L _d überlagert ist, in den zweiten Speicher 144 eingeschrieben.

Wenn somit der Meßstrahl-Verschluß 122 gemäß Fig. 15 offen ist, wird das Einschreiben neuer Bilder in den ersten Einzelbild-Speicher 142 verhindert, und das augenblickliche Bild wird in den zweiten Einzelbild- Speicher 144 eingeschrieben. Mithin werden die ohne Projektion des Meßstrahls L _d gewonnenen Beobachtungsbilddaten im Speicher 142 abgespeichert, während von der Überlagerung des Bilds S _x des Strahls L _d zum Beobachtungsbild (observed image) resultierende Bilddaten im Speicher 144 abgespeichert werden. Sodann werden die Bilddaten des Speichers 142 von denen des Speichers 144 subtrahiert, und der Rest wird in den Speicher 144 eingeschrieben. Hierauf werden die Bilddaten des Speichers 144 auf einem vorbestimmten Pegel in eine binäre Version umgewandelt.

Anschließend werden wie bei der zweiten Ausführungsform die Zentralposition des optischen Bildes S _x erfaßt oder bestimmt und Berechnungen für die Messung durchgeführt. Nachstehend ist anhand von Fig. 16 die Wiedergabe des aufgenommenen, im Zusammenhang mit einer solchen Messung gewonnenen Bilds beschrieben. Zunächst wird die im Einzelbild-Speicher 108 für beobachtete angehaltene Bilder gespeicherte Abbildung (picture image) wiedergegeben, bevor der Meßstrahl L _d projiziert wird. Wenn der Strahl L _d projiziert wird, wird der Speicher 108 gesperrt oder an einem Speichern der Bilder gehindert, um die Wiedergabe eines Bilds mit dem überlagerten Strahl L _d zu verhindern, so daß das vorhandene Bild wiedergegeben wird. Das nächste Bild wird im Speicher 108 gespeichert und wiedergegeben. Die Meßskala wird dem Aufnahmebild nach der Länge pro Teilung(seinheit) überlegt, und andere vorbestimmte Daten werden in den Einzelbild-Speicher 112 für Zeichen eingeschrieben. Da die Operation für die Messung mit einer vorbestimmten Periode durchgeführt wird, wird nur die Länge pro Teilung(seinheit) (length per division) von den anderen Elementen der Meßskala periodisch wiedergegeben, während die anderen Elemente, wie gitterartige Skala, kontinuierlich wiedergegeben werden. Auf diese Weise erfolgt die Messung ohne Unterbrechung, so daß fortlaufend die genaue Größe des Aufnahmebilds geliefert wird.

Wenn die gitterartige Skala ständig wiedergegeben oder angezeigt wird, kann sie möglicherweise eine genauere Betrachtung des Aufnahmebilds behindern. Vorzugsweise ist daher ein Schalter zum Ein- und Ausschalten der Skalenanzeige vorgesehen. Die Einheit der beschriebenen Sequenz kann zudem auch ein Halb- oder Teilbild (field) anstelle eines Einzelbilds (frame) sein. Bei der tatsächlichen photographischen Aufnahme kann das Bild zeitweilig angehalten werden. Wenn der Anhaltezeitpunkt mit dem Projektionszeitpunkt für den Meßstrahl L _d übereinstimmt, sollte ersterer um ein Einzelbild verzögert werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der Lichtstrahl über die Lichtleiter 72 und den Verschluß 122 zur Kollimator-Linse 68 für Meßstrahlprojektion geleitet. Wahlweise kann jedoch für diesen Zweck eine Leuchtdiode verwendet werden. In diesem Fall ist das Ein- und Ausschalten des Meßstrahls L _d einfach, so daß das Endoskop 52 einen einfachen Aufbau erhält.

Bei der beschriebenen Ausführungsform erfolgen weiterhin die Rechenverarbeitungsoperationen nach Maßgabe von Signalen vom Festkörper-Bildaufnahmeelement 66. Gemäß Fig. 17 kann jedoch ein Bild vom optischen Objektivsystem 60 mittels eines Lichtleiters zu einem Okularteil 160 geleitet werden, an dem eine Fernsehkamera 162 zum Aufnehmen eines endoskopischen optischen Bilds vorgesehen ist. Dieselben Verarbeitungsoperationen wie bei der beschriebenen Ausführungsform können für die Videoausgangssignale der Kamera 162 durchgeführt werden.

Fig. 18 veranschaulicht eine Abwandlung, bei welcher ein Laserstrahl L _d für medizinische Behandlung als Meßstrahl benutzt wird. Dabei ist der Lichtleiter für den Strahl L _d über einen Pinzettenkanal zum distalen Abschnitt geführt. Hierbei ist es nur nötig, daß der Projektionswinkel der Pinzettenöffnung 74 im voraus bekannt ist. Die Meßgenauigkeit kann durch genaue Festlegung der Öffnung 74 und der mit dem distalen Ende des Lichtleiters 72 gekoppelten Kollimator-Linse 68 verbessert werden. Mit dieser Anordnung kann die Messung ohne Komplizierung oder Abwandlung der Konstruktion des distalen Abschnitts des Einführteils des herkömmlichen Endoskops durchgeführt werden. Dabei sind die Einrichtung zum Projizieren des Meßstrahls L _d in Verbindung mit dem Meßfunktions-Schalter 120, die Berechnung für Messung und die System(arbeits)sequenz dieselben wie bei der beschriebenen Ausführungsform. Zum Ausführen derselben Operation wie bei der erwähnten Abwandlung, bei welcher die Meßfunktion fortlaufend aufrechterhalten wird, muß ein nicht dargestellter Zeitsteuer- oder Taktgenerator für die periodische, mit dem Fernsehsignal synchronisierte Betätigung des Meßstrahl-Verschlusses 122 vorgesehen sein.

Bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform wird weiterhin nur ein einziger Meßstrahl projiziert. Wahlweise können jedoch zur Gewährleistung höherer Meßgenauigkeit zwei oder mehr Meßstrahlen projiziert werden.

Claims

1. Endoskopanordnung, umfassend
ein Endoskop (4, 52) mit einem Einführteil (6, 54) und einem distalen Abschnitt (2, 58) am einen Ende des Einführteils (6, 54) sowie
ein am distalen Abschnitt (2, 58) vorgesehenes optisches Objektivsystem (8, 60) zum Beobachten oder Betrachten eines vor dem distalen Abschnitt (2, 58) befindlichen Untersuchungsobjekts, gekennzeichnet durch
eine Meßstrahl-Projektionseinrichtung (16, 18, 24, 68) zum Projizieren von Meßstrahlen (L _a, L _b, L _c, L _d) aus von der optischen Achse (L ₀) des optischen Systems (8, 60) versetzten Positionen an dessen distalem Abschnitt (2, 58) und zum Einführen der Meßstrahlen (L _a, L _b, L _c, L _d) unter beliebigen (any) Winkeln in das Sehfeld des optischen Objektivsystems (8, 60).

2. Endoskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahl-Projektionseinrichtung (16, 18, 24) mindestens einen parallelen Meßstrahl (L _a, L _b) parallel zur optischen Achse (L ₀) des optischen Objektivsystems (8) und einen den parallelen Meßstrahl (L _a, L _b) schräg schneidenden (slanting) schrägen Meßstrahl (L _c) projiziert.

3. Endoskopanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein am distalen Abschnitt (58) vorgesehenes Festkörper- Bildaufnahmeelement (66) zum Aufnehmen eines durch das optische Objektivsystem (60) geleiteten oder übertragenen optischen Bilds,
eine Bildlagen-Detektoreinheit (86) zum Erfassen der Lage eines Bilds eines Meßstrahls (L _d) im Sehfeld des optischen Systems (60) nach Maßgabe eines Signals vom Bildaufnahmeelement (66),
eine Abstand/Größen-Berechnungseinheit (100) zum Berechnen des Abstands vom distalen Abschnitt (58) zum Untersuchungsobjekt sowie der Größe eines Aufnahmebilds des Untersuchungsobjekts nach Maßgabe eines Bildlagensignals von der Bildlagen-Detektoreinheit (86) und
eine Anzeigeeinrichtung (94, 98) zum Wiedergeben von Abstands- und Größensignalen von der Abstand/- Größen-Berechnungseinheit (100) in einander überlagerter Beziehung oder getrennt voneinander.

4. Endoskopanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahl-Projektionseinrichtung (68) eine Verschlußeinheit (122) zur Lieferung des Meßstrahls (L _d) mit einem vorbestimmten Takt (timing) aufweist.

5. Endoskopanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildlagen-Detektoreinheit (86) die Zentralposition des Bilds des Meßstrahls (L _d) im Sehfeld des optischen Objektivsystems (60) erfaßt.

6. Endoskopanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen am anderen Ende des Einführteils (54) angeordneten Okularteil (160), durch den ein vom optischen Objektivsystem (60) geleitetes oder übertragenes optisches Bild betrachtbar ist,
eine mit dem Okularteil (160) verbundene Fernsehkamera (162) zum Aufnehmen eines vom optischen Objektivsystem (60) übertragenen Bilds (picture image),
eine Bildlagen-Detektoreinheit (86) zum Erfassen der Lage eines Bilds eines Meßstrahls (L _d) im Sehfeld des optischen Systems (60) nach Maßgabe eines Signals von der Fernsehkamera (162),
eine Abstand/Größen-Berechnungseinheit (100) zum Berechnen des Abstands vom distalen Abschnitt (58) zum Untersuchungsobjekt sowie der Größe eines Aufnahmebilds des Untersuchungsobjekts nach Maßgabe eines Bildlagensignals von der Bildlagen-Detektoreinheit (86) und
eine Anzeigeeinrichtung (94, 98) zum Wiedergeben von Abstands- und Größensignalen von der Abstand/- Größen-Berechnungseinheit (100) in einander überlagerter Beziehung oder getrennt voneinander.

7. Endoskopanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahl-Projektionseinrichtung (68) eine Verschlußeinheit (122) zur Lieferung des Meßstrahls (L _d) mit einem vorbestimmten Takt (timing) aufweist.

8. Endoskopanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildlagen-Detektoreinheit (86) die Zentralposition des Bilds des Meßstrahls (L _d) im Sehfeld des optischen Objektivsystems (160) erfaßt.

9. Endoskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahl-Projektionseinrichtung (16, 18, 24, 68) Laserstrahlen als Meßstrahlen (L _a, L _b, L _c, L _d) verwendet.