DE3629435C2 - - Google Patents
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- DE3629435C2 DE3629435C2 DE3629435A DE3629435A DE3629435C2 DE 3629435 C2 DE3629435 C2 DE 3629435C2 DE 3629435 A DE3629435 A DE 3629435A DE 3629435 A DE3629435 A DE 3629435A DE 3629435 C2 DE3629435 C2 DE 3629435C2
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Endoskopanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist die Schaffung einer
Endoskopanordnung, mit welcher durch nur teilweiser
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.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung weden 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.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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).
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
Untersuchungsobjekt 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 reichen, 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
L₀ 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
(U₁, S₁, D₁) oder (U₃, S₃, D₃), auf einer Objektebene
P x in einer beliebigen Position, z. B. der Position P₁
oder P₃. 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 D₃
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 b₀ sind. Da l₀ und b₀ bekannte konstante
Größen sind, kann der Abstand l x , der sich zu
bestimmt, durch Bestimmung des Verhältnisses zwischen
b₀ 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
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 S₄ des schrägen Strahls L c
unterhalb des optischen Bilds D₄ 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.
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 L₀ der Objektiv-Linse
62 am distalen Abschnitt 58 angeordnet; sie dient dazu,
einen über Lichtleiter 72 von einer noch zu beschreibenden
Beleuchtungslichtquelle 70 gelieferten Lichstrahl
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 L₀ 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 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 Unter
suchungsobjektbereich hin gesehen, durch den Abbildungswinkel
α bestimmt. In diesem Fall erlauben die
Bildebenen P₁, X und P₂ 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 a₀ von der optischen Achse L₀
der Objektiv-Linse 62 am Ende des distalen Abschnitts
58 auf den Untersuchungsobjektbereich projiziert oder
geworfen wird, schneidet der Strahl L d die Achse L₀
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 l₀ befindlichen Bildebenen P₁, X bzw. P₂
durchläuft, die Lagen S₁, S x bzw. A₂ ein. Demzufolge
variiert die Beziehung zwischen den Abständen von den
Oberkanten der Ebenen P₁, X und P₂ zu den einzelnen
optischen Bildern oder Abbildungen einerseits sowie
den Abständen von der optischen Achse L₀ zu den Bildern
oder Abbildungen (andererseits) mit den Abständen vom
Ende des distalen Abschnitts 58 zu den Ebenen P₁, X
und P₂ .
Wenn der Schnittpunkt (Bezugspunkt) der optischen Achse
L₀ und des die Oberkanten E₂, E x und E₁ der Bildebenen
P₁, X und P₂ 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 L₀,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 L₀ (halbe lotrechte Länge der Ebene X),b₀= Abstand von der Oberkante E₂ der entferntesten
Bildebene P₂ zum optischen Bild A₂ auf der Ebene
P₂,
l₁= Abstand vom Ende des distalen Abschnitts 58 zum
Bezugspunkt O und
l₂= Abstand vom Schnittpunkt zwischen Meßstrahl L₀
und Hüllstrahl L e zum Ende des distalen Abschnitts
58,
so gilt:
Wenn das Verhältnis zwischen dem Abstand t x von der
optischen Achse L₀ zur Oberkante E x und dem Abstand
a x von der Achse L₀ zum Bild S x gleich
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 Modifikation von Lage und Größe der mittleren
Bildebene auf der optischen Achse L₀ 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
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 Beobachtungs
bild/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 subtrahiert, 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 Übertragung-
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 x₀ für eine Adresse am Ausgangspunkt oder linken
Ende eines Speicherrasters (Startadresse in waagerechter
Richtung des Speichers), x₁ für eine Adresse
einer vorlaufenden Flanke und x₂ 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 L₀ und dem optischen Bild S x
berechnet.
(5) Im Schritt 5 (ST 5) wird der Abstand t x zwischen
der Achse L₀ 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 a₀ zwischen der optischen Achse L₀
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 (Kathoden
strahlröhren-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 Teilungs(einheit) (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 Rechen
verarbeitungsfunktion 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 (9)
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 (L₀) 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
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 (L₀) 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
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,
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.
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,
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-Projekionseinrichtung
(68) eine Verschlußeinheit (122) zur Lieferung des
Meßstrahls (L d ) mit einem vorbestimmten Takt
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.
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