DE4102614A1 - Endoskop - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Endoskop zur Inspektion von Körperhöhlen insbesondere zur Tumor-Detektierung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die z. B. aus der DE-36 23 114 A1 bekannten Endoskope dieser Art, wie sie zur visuellen Inspektion von engen Körperkanälen oder anderen, schwer zugänglichen Körper­ höhlen Verwendung finden, besitzen am vorderen Endoskop­ ende einen miniaturisierten Video-Sensor von dem die seriell erzeugten Bildsignale über eine elektrische Übertragungsleitung zuverlässsig und einfach zum proxi­ malen Endoskopende und von dort zu einem Beobachtungsschirm geleitet werden. Die Anwendung derartiger Endoskope findet aber ihre Grenze z. B. in der Tumor-Detektion, weil zum einen kleinere Tumore, etwa an der Mageninnenwand, oder solche die noch nicht zur Gewebeoberfläche durchgewachsen sind, übersehen werden können und zum anderen eine genaue Lageabgrenzung des tumorbefallenen Gewebes nicht möglich ist, so daß bei einer nachfolgenden Tumor­ operation in der Regel zu viel und unnötigerweise gesundes Gewebe entfernt wird. Hinzukommt daß diese Geräte, die zusätzlich zu dem Beleuchtungs-Lichtleiter zumeist auch einen Laser-Lichtleiter für die Tumorentfernung enthalten, keine zufriedenstellende Sichtkontrolle der Schnittwirkung des Laserstrahls an der Applikationsstelle bieten.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Endoskop der eingangs genannten Art und einen dafür geeigneten Bildsensor so auszubilden, daß eine lage- und größengenaue Abbildung von signifikanten, äußerlich aber nicht oder nur unvoll­ ständig sichtbaren Veränderung des zu untersuchenden Objekts, insbesondere von Gewebeveränderungen biologischer Körperorgange, auf baulich einfache und zuverlässige Weise und mit hoher geometrischer Auflösung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patent­ anspruch 1 gekennzeichnete Endoskop gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Endoskop wird im Wege der Infrarot-Abtastung des zu untersuchenden Objekts z. B. in einem Wellenlängenbereich von 10µm eine genaue Lage- und Größeninformation über Tumore oder andere Gewebeverände­ rungen erhalten, die sich aufgrund einer stoffwechselbe­ dingten Temperaturerhöhung deutlich von den benachbarten, gesunden Gewebeabschnitten unterscheiden und daher in der visuellen Darstellung der Infrarot-Bildsignale rasch und sicher erkennbar sind. Ein weiterer, vor allem für das Gebiet der Tumorbekämpfung wesentlicher Effekt besteht in der exakten Sichtkontroll-Möglichkeit einer zur Tumorent­ fernung eingesetzten Laserstrahl-Applikation. Von beson­ derer Bedeutung ist die Ausbildung des Bildwandlers als ungekühltes, ferro- oder pyroelektrisches Detektormosaik, welches sich mit einem hohen geometrischen und Temperatur- Auflösungsvermögen ohne aufwendige thermische Schutz­ maßnahmen in miniaturisierter Bauweise problemlos unter den beengten Einbauverhältnissen am distalen Endoskopende unterbringen läßt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die bean­ spruchte Infrarot-Abtastung nach Anspruch 2 mit einem ebenfalls am distalen Endoskopende angeordneten, im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitenden Bildsensor kombiniert, wodurch noch detailliertere Information über das zu untersuchende Objekt erhalten werden. So läßt sich etwa unterscheiden ob eine Temperatur- Erhöhung an der betrachteten Gewebeoberfläche durch einen Tumor oder lediglich durch eine Entzündung hervorgerufen wird, und es lassen sich auch solche Gewebeveränderungen detektieren, die da sie mit keinen Temperaturunterschie­ den verbunden sind, allein durch eine Infrarot-Abtastung schlecht oder gar nicht erkennbar sind.

In besonders bevor­ zugter Weise wird gemäß Anspruch 3 durch die simultane Abtastung und deckungsgleiche Abbildung der in den unter­ schiedlichen Spektralbereichen beobachteten Bildfelder die Lage- und Größenbestimmung von veränderten Gewebe­ stellen ganz wesentlich vereinfacht. Eine unter dem Ge­ sichtspunkt deckungsgleicher Bildfelder sowie einer geringen Baugröße des zweiteiligen Sensorsystems besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 4 darin, daß den beiden Detektormosaiken ein gemeinsames, sowohl im sichtbaren wie auch im Infrarot- Wellenlängenbereich wirksames optisches System mit einem Strahlteiler zur wellenlängenabhängigen Aufspaltung der Lichtstrahlen in einen visuellen und einen Infrarot-Bild­ anteil zugeordnet ist. Wiederum vor allem aus Platzgründen ist das optische System gemäß Anspruch 5 vorzugsweise zur Strahlteilung biprismatisch ausgebildet, und die beiden Detektormosaike sind in einer gemeinsamen, der Bildebene des biprismatischen optischen Systems entsprechenden Ebene angeordnet.

Gemäß Anspruch 6 ist die optische Achse des Infrarot- und gegebenenfalls auch des Videosensors vorzugsweise bezüglich der Längsachse des Endoskops geneigt so daß sich das Beobachtungsfeld durch Drehung des Endoskops in einfacher Weise vergrößern läßt.

Im Hinblick auf die bereits erwähnte Laser-Sichtkontrolle mit Hilfe des Infrarot-Sensors die eine bezüglich Auf­ treffpunkt und Koagulations- und Schnittwirkung exakte Steuerung eines auf die Applikationsstelle gerichteten Laserstrahls hoher Intensität ermöglicht, empfiehlt es sich gemäß Anspruch 7, den Laserlichtleiter gleichfalls im Endoskop anzuordnen, derart, daß seine Applikations­ stelle im Bildfeld des Infrarot-Sensors liegt. Trotz Einhaltung eines sehr geringen Außendurchmessers, der sogar bei dem in zwei Spektralbereichen arbeitenden Sensorsystem in der Größenordnung von 15 mm liegen kann, lassen sich wie gemäß Anspruch 8 bevorzugt, im Endoskop noch weitere Arbeitskanäle etwa zu Spül-, Absaug- oder Beleuchtungszwecken unterbringen.

Ebenfalls von erfinderischer Bedeutung ist die im Anspruch 9 gekennzeichnete Ausbildung eines Infrarot-Bildsensors, der wegen des Dipolcharakters seines ferro- oder pyro­ elektrischen Detektormosaiks einen im Infrarot-Strahlengang angeordneten, das Detektormosaik im Takte der Bildfrequenz abdunkelnden Lichtunterbrecher (sogenannten Chopper) besitzt. Ein solcher Chopper, und insbesondere der dafür benötigte mechanische, z. B. elektromotorische Antrieb führt bei Bildsensoren dieser Art zu einer höchst uner­ wünschten Erhöhung des Bau- und Steueraufwands. Aufgrund der Anordnung eines infrarotspezifischen, nach Art eines LCD ausgebildeten Chopperelements ist es erfindungsgemäß nun gelungen die periodische Abdunkelung des ferro- oder pyroelektrischen Detektormosaiks auf baulich und steue­ rungsmäßig äußerst einfache Weise völlig frei von mecha­ nisch bewegten Teilen zu halten.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbei­ spiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 ein Infrarot-Endoskop, dessen distales Endoskop­ ende der Deutlichkeit halber in stark übertrie­ benem Maßstab dargestellt ist;

Fig. 2a u. b einen Längs- bzw. Querschnitt eines Endoskops mit einem kombinierten Infrarot- und Videosensor im Bereich des vorderen Endoskop­ endes ebenfalls wieder in stark vergrößertem Maßstab.

Das in Fig. 1 gezeigte Endoskop, welches z. B. zur Tumor­ detektion an oder in der Magenwand 2 verwendbar ist, enthält am distalen Endoskopende einen Infrarot-Bildsensor 4 mit einem pyroelektrischen Detektormosaik 6 und einem die Magenwand 2 auf dem Detektormosaik 6 abbildenden, optischen System in Form eines Infrarot-Objektivs 8 mit einem objektseitig angebrachten Umlenkspiegel 10, durch den die optische Achse des Sensors 4 gegenüber der Längsachse des Endoskops schräg, nämlich etwa senkrecht, geneigt und das Absuchen der Magenwandung 2 mittels Drehung des Endoskops um die Längsachse erleichtert wird. Ein Abschluß­ fenster 12 aus infrarot-durchlässigem Material schützt den Sensor 4 vor dem ätzenden Magen­ sekret.

Zur Modulation der auffallenden Strahlungsleistung ist dem Detektormosaik 6 ein im Strahlengang des Infrarot-Objektivs 8 angeordneter Chopper zugeordnet, der als infrarotspezi­ fischer, nach Art eines LCD arbeitender Flüssigkristall 14 ausgebildet ist, welcher ein hinsichtlich der Infrarot- Transmission elektrisch steuerbares, zwischen Polarisatoren und Germanium-Kristallscheiben eingeschlossenes Fluid, z. B. auf der Basis der Cyclohexanone, enthält.

Zusätzlich zu der elektrischen Übertragungsleitung 16, über die der Bildsensor 4 zur Ansteuerung des Flüssig­ kristalls 14 und des Detektormosaiks 6 sowie zur Über­ tragung der erzeugten seriellen Bildsignale mit einem am proximalen Endoskopende angeordneten Steuergerät 18 verbun­ den ist, ist zur selektiven chirurgischen Laserlicht-Appli­ kation ein vom Steuergerät 18 zum distalen Endoskopende verlaufender Laserlichtleiter 20 mit einer am vorderen Lichtleiterende angeordneten Sammellinse 22 implementiert, durch die das Laserlichtbündel auf eine im Bildfeld des Bildsensors 4 liegende Applikationsstelle 24 fokussiert wird.

Die vom Bildsensor 4 gelieferten Bildsignale werden auf einem dem Steuergerät 18 zugeordneten Bildschirm 26 darge­ stellt, auf dem sich die stoffwechselbedingt temperatur­ erhöhten Gewebestellen 28 deutlich abzeichnen. Neben einer Detektion und Lageabgrenzung des tumorbefallenen Gewebes ist auf diese Weise während einer nachfolgenden laserchirur­ gischen Tumorentfernung auch eine exakte Sichtkontrolle des Auftreffpunktes 30 und der Koagulations- bzw. Schnittwir­ kung der Laser-Applikation möglich. Da die Strahldichte an den im Bildfeld des Sensors 4 liegenden Gewebestellen bei einer Laserbestrahlung um etwa eine Größenordnung zunimmt, kann es vorteilhaft sein, den dabei auf das Detektormosaik 6 auffallenden Anteil der Strahlungsleistung durch entspre­ chende elektrische Ansteuerung des Flüssigkristalls 14 zu verringern.

Innerhalb des Endoskops-Querschnitts befinden sich weiter­ hin in der Nähe des Abschlußfensters 12 mündende Flüssig­ keitskanäle 32 (von denen nur einer gezeigt ist), über die Spül- oder Absaugflüssigkeit vom Steuergerät 18 aus zum distalen Endoskopende zu bzw. von diesem abführbar ist.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei dem der Infrarot-Bildsensor 4 im Wellenlängenbereich von 10µm arbeitet, besitzt das Detektormosaik 6 eine strahlungs­ empfindliche Fläche von 5×5 mm² mit 50×50 Einzel­ detektoren (Bildpixeln) und eine Temperaturauflösung von ca. 0,2°K. Bei einem Objektiv 8 mit einer Brennweite f: 10 mm und einem Öffnungsverhältnis von 1 : 1 kann das Bild­ feld etwa 10×10 mm² betragen und sich eine geometrische Auflösung von 0,2 mm ergeben; der Arbeitsabstand beträgt dann ca. 30 mm.

Das beschriebene Endoskop ist nicht nur für die Beobachtung der Magenregion verwendbar, sondern kann aufgrund seines geringen Außendurchmessers von ca. 12 mm und aufgrund seiner flexiblen Ausbildung in analoger Weise auch für die Behandlung anderer Organe z. B. der Blase oder der Niere, oder Körperhöhlen eingesetzt werden.

Das Endoskop gemäß Fig. 2, in der die dem ersten Ausführungs­ beispiel entsprechenden Baulemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem in erster Linie dadurch daß der Bildsensor 104 als kombinierter Infrarot- und Videosensor ausgebildet ist, dessen Infrarot-Bildwandler wiederum aus einem pyroelektri­ schen Detektormosaik 106 mit vorgeschaltetem Chopper 114 besteht, während der für den sichtbaren Wellenlängenbereich empfindliche Bildwandler 32 z. B. als Vis.-CCD mit einer Größe von 4,5×6 mm und einer Pixelanzahl von 200×200 ausgebildet ist. Beide Bildwandler 32 und 106 sind neben­ einander in der gleichen Ebene angeordnet, und aus Platz­ gründen und im Hinblick auf eine Deckungsgleichheit der in beiden Spektralbereichen beobachteten Bildfelder erfolgt die Abbildung durch ein den beiden Detektormosaiken 32 und 106 gemeinsam zugeordnetes Linsensystem 108 mit objektsei­ tig identischen Strahlengängen. Zur Strahlteilung in den Infrarot- und den visuellen Bildanteil ist das Linsensystem 108 biprismatisch ausgebildet, wie dies durch das Biprisma 34 angedeutet ist. Die Brennweite und Öffnung des Linsen­ systems 108 kann wiederum f: 10 mm/1 : 1 betragen, der objektseitige Arbeitsabstand ca. 30 mm und die geometri­ sche Auflösung im Sichtbaren etwa 0,05 mm und im Infrarot etwa 0,2 mm.

In der nicht vom Sensor 104 und den Übertragungsleitungen 116 belegten Endoskop-Querschnittsfläche sind wiederum der Laserlichtleiter 120 und die Flüssigkeitskanäle 132 sowie eine Beleuchtungs-Lichtleitfaser 36 zur Ausleuchtung des Sensor-Bildfeldes untergebracht. Mit Hilfe des Steuergeräts werden der visuelle und der Infrarot-Bildanteil in zueinan­ der deckungsgleichen Abbildungen auf zwei verschiedenen Bildschirmen dargestellt. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise des Endoskops gemäß Fig. 2 die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.

Claims (9)

1. Endoskop zur Inspektion von Körperhöhlen insbesondere zur Tumor-Detektierung, mit einem am distalen Endoskopende angeordneten Bild­ sensor, bestehend aus einem bilderzeugenden optischen System und einem opto-elektrischen Bildwandler mit einer zum proximalen Endoskopende verlaufenden elektri­ schen Bildsignal-Übertragungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor als Infrarot-Sensor (4) ausgebildet ist und einen Bildwandler in Form eines ferro- oder pyro­ elektrischen Detektormosaiks (6) enthält.

2. Endoskop zur Inspektion von Körperhöhlen, insbesondere zur Tumordetektierung, mit einem am distalen Endeskopende angeordneten Bild­ sensor, bestehend aus einem bilderzeugenden optischen System und einem opto-elektrischen Bildwandler mit einer zum proximalen Endoskopende verlaufenden, elektri­ schen Bildsignal-Übertragungsleitung dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (104) aus einem Infrarot-Sensorteil mit einem ferro- oder pyroelektrischen Detektormosaik (106) als Bildwandler sowie einem Video-Sensorteil einschließ­ lich eines Detektormosaiks (32) für den sichtbaren Wellenlängenbereich besteht.

3. Endoskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensorteile simultan abgetastete, deckungs­ gleiche Bildfelder aufweisen.

4. Endoskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Detektormosaiken (32 und 106) ein gemeinsames, sowohl im Sichtbaren wie auch im Infrarot-Wellenlängen­ bereich wirksames optisches System (108) mit einem Strahlteiler zur wellenlängenabhängigen Aufspaltung der Lichtstrahlen in einen visuellen und einen Infrarot- Bildanteil zugeordnet ist.

5. Endoskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (108) zur Strahlteilung biprismatisch (Biprisma 34) ausgebildet ist und beide Detektormosaike (32, 106) in einer gemeinsamen der Bildebene des bi­ prismatischen Systems entsprechenden Ebene angeordnet sind.

6. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Infrarot-Sensors (4) bezüglich der Längsachse des Endoskops geneigt ist.

7. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen vom proximalen zum distalen Endoskopende ver­ laufenden Laserlichtleiter (20; 120) mit einer im Bildfeld des Infrarot-Sensors liegenden Applikations­ stelle.

8. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich vom proximalen zum distalen Endoskopende verlaufende Arbeitskanäle (32; 36; 132) zu Spül-, Absaug- und/oder Beleuchtungszwecken.

9. Infrarot-Bildsensor insbesondere für ein Endoskop, bestehend aus einem bilderzeugenden optischen System und einem Bildwandler in Form eines ungekühlten, ferro- oder pyroelektrischen Detektormosaiks mit einem im Strahlengang des optischen Sytems angeordneten, das Detektormosaik periodisch abdunkelnden Lichtunter­ brecher, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtunterbrecher ein hinsichtlich der Infrarot- Transmission elektrisch steuerbares Flüssig-Kristall­ element (14; 114) vorgesehen ist.