DE4102614C2 - Endoskop zum Inspizieren von Körperhöhlen, insbesondere zur Tumor-Detektierung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Endoskop zum Inspizieren von Körperhöhlen, insbesondere zur Tumor-Detektierung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es beispielsweise in der DE 27 46 614 A1 beschrieben ist.

Es ist bekannt (US 35 81 092), zur Strahlungsmessung im infraroten Spektralbereich pyroelektrische Detektormosaike zu verwenden, die keiner Kühlung bedürfen. Ferner ist es bekannt (EP 03 84 409 A2), im Strahlengang eines pyroelektrischen Detektorelements einen das Detektorelement periodisch abdunkelnden Lichtunterbrecher (Chopper) anzuordnen, der keinerlei mechanisch bewegte Teile enthält, sondern aus einem elektrisch gesteuerten Flüssig-Kristallelement besteht.

Auf medizinischem Gebiet werden im sichtbaren Spektralbereich empfindliche Bildsensoren in Verbindung mit Endoskopen zur visuellen Inspektion von engen Körperkanälen oder anderen, schwer zugänglichen Körperhöhlen benötigt (DE 27 46 614 A1, DE 29 32 116 C2, DE 32 43 302 C2, DE 36 23 114 A1). Derartige Endoskope sind wahlweise oder zusätzlich zum Videosensor mit einem im infraroten Spektralbereich empfindlichen Bildsensor ausgerüstet, weil z. B. in der Tumor-Detektion mit einer reinen Video-Inspektion 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 Tumoroperation in der Regel zu viel und unnötigerweise gesundes Gewebe entfernt wird. Hinzu kommt, daß solche Endoskope zusätzlich zu dem Beleuchtungs-Lichtleiter zumeist auch einen Laser-Lichtleiter für die Tumorentfernung enthalten und daher mit einem reinen Videobildsensor keine zufriedenstellende Sichtkontrolle der Schnittwirkung des Laserstrahls an der Applikationsstelle bieten.

Bekannte Endoskope dieser Art, die am distalen Endoskopende einen Bildwandler in Form eines für eine Spektralempfindlichkeit im Infrarotbereich dotierten Diodenmosaiks zur Herstellung von Thermogrammen von Körperhöhlen enthalten (DE 27 46 614 A1), liefern jedoch bei entsprechend kleiner Baugröße eine sehr begrenzte Bildqualität, so daß bei Endoskopen für Thermographie-Anwendungen die Infrarot-Bildsensoren regelmäßig am proximalen Endoskopende, also an einer Stelle ausreichend großen Einbauraumes, angeordnet werden, um eine hohe thermographische Auflösung und Bildqualität zu erzielen (DE 32 43 302 C2). Dabei bereitet jedoch die Bildübertragung vom distalen zum proximalen Endoskopende z. B. mittels eines Lichtleitfaserbündels mit einer der gewünschten Auflösung entsprechenden Faseranzahl Schwierigkeiten, da eine solche Bildübertragung zum einen mit sehr hohen Kosten verbunden ist und zum anderen mit einem sukzessiven Brechen der Einzelfasern und damit einer begrenzten Lebensdauer gerechnet werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Endoskop der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine thermographische Abbildung des zu untersuchenden Objekts, insbesondere von Gewebeveränderungen biologischer Körperorgane, auf baulich einfache und zuverlässige Weise und mit hoher geometrischer Auflösung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Endoskop gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Endoskop wird aufgrund der Ausbildung des Bildwandlers als ungekühltes, ferro- oder pyroelektrisches Detektormosaik, welches, kombiniert mit einem elektrisch angesteuerten Flüssig-Kristallelement als Lichtunterbrecher, ohne aufwendige thermische Schutzmaßnahmen in miniaturisierter Bauweise problemlos unter den beengten Einbauverhältnissen am distalen Endoskopende unterzubringen ist, eine hohe geometrische und Temperaturauflösung des Infrarotbildes erzielt, ohne daß eine baulich komplizierte und störanfällige Bildübertragung, etwa mit Hilfe eines Lichtleiter-Faserbündels zwischen den Endoskopenden erforderlich ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Infrarot- Abtastung nach Anspruch 2 mit einem zusätzlichen am distalen Endoskopende angeordneten, im sichtbaren Spektralbereich arbeitenden Bildsensor kombiniert, wodurch noch detailliertere Informationen über das zu untersuchende Objekt erhalten werden. So läßt sich etwa unterscheiden, ob eine Temperaturerhöhung 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 Temperaturunterschieden verbunden sind, allein durch einen Infrarot-Bildsensor schlecht oder gar nicht erkennbar sind.

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

Gemäß Anspruch 6 ist die optische Achse des Infrarot- und ggf. auch des Video-Bildsensors bezüglich der Längsachse des Endoskops geneigt so daß sich das Beobachtungsfeld durch Drehung des Endoskops in einfacher Weise verändern läßt.

Im Hinblick auf die bereits erwähnte Laser-Sichtkontrolle mit Hilfe des Infrarot-Bildsensors, die eine bezüglich Auftreffpunkt 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 derart anzuordnen, daß seine Applikationsstelle im Bildfeld des Infrarot-Bildsensors liegt. Trotz Einhaltung eines sehr geringen Außendurchmessers, der sogar bei dem in beiden 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.

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 verbunden ist, ist zur selektiven chirurgischen Laserlicht-Applikation 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 dargestellt, auf dem sich die stoffwechselbedingt temperaturerhöhten Gewebestellen 28 deutlich abzeichnen. Neben einer Detektion und Lageabgrenzung des tumorbefallenen Gewebes ist auf diese Weise während einer nachfolgenden laserchirurgischen Tumorentfernung auch eine exakte Sichtkontrolle des Auftreffpunktes 30 und der Koagulations- bzw. Schnittwirkung 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 entsprechende elektrische Ansteuerung des Flüssigkristalls 14 zu verringern.

Innerhalb des Endoskop-Querschnitts befinden sich weiterhin in der Nähe des Abschlußfensters 12 mündende Flüssigkeitskanäle 33 (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 10 µm arbeitet, besitzt das Detektormosaik 6 eine strahlungsempfindliche Fläche von 5×5 mm² mit 50×50 Einzeldetektoren (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 Bildfeld 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 Bauelemente 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 pyroelektrischen Detektormosaik 106 mit vorgeschaltetem Chopper 114 besteht, während der für den sichtbaren Wellenlängenbereich empfindliche Bildwandler 32 z. B. als Vis.-CCD (visual charge coupled device) mit einer Größe von 4,5×6 mm und einer Pixelanzahl von 200×200 ausgebildet ist. Beide Bildwandler 32 und 106 sind nebeneinander in der gleichen Ebene angeordnet, und aus Platzgründen 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 106 mit objektseitig 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 Linsensystems 108 kann wiederum f: 10 mm/1 : 1 betragen, der objektseitige Arbeitsabstand ca. 30 mm und die geometrische 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 133 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 (8)

1. Endoskop zum Inspizieren von Körperhöhlen, insbesondere zur Tumor-Detektierung, mit einem am distalen Endoskopende angeordneten, im infraroten Spektralbereich empfindlichen Bildsensor, der aus einem bilderzeugenden optischen System und einem opto-elektrischen Bildwandler mit einer zum proximalen Endoskopende verlaufenden elektrischen Bildsignal-Übertragungsleitung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor einen Bildwandler in Form eines ungekühlten, ferro- oder pyroelektrischen Detektormosaiks (6; 106) mit einem im Strahlengang des optischen Systems (18; 196) angeordneten, das Detektormosaik periodisch abdunkelnden Lichtunterbrecher enthält, der als ein bezüglich der Infrarot-Transmission elektrisch steuerbares Flüssig-Kristallelement (14; 114) ausgebildet ist.

2. Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am distalen Endoskopende zusätzlich zu dem im infraroten Spektralbereich empfindlichen Bildsensor (106, 114) ein Video-Bildsensor einschließlich eines Detektormosaiks (32) für den sichtbaren Wellenlängenbereich vorgesehen ist.

3. Endoskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Bildsensoren (32, 34, 104, 106, 114) simultan abgetastete, deckungsgleiche Bildfelder aufweisen.

4. Endoskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektormosaiken (32 und 106) beider Bildsensoren (32, 34, 104, 106, 114) ein gemeinsames, sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Wellenlängenbereich wirksames optisches System (108) mit einem Strahlteiler zur wellenlängenabhängigen Aufspaltung der Lichtstrahlen in einen visuellen und einen infraroten Bildanteil zugeordnet ist.

5. Endoskop nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektormosaiken (32 und 106) beider Bildsensoren (32, 34, 104, 106, 114) ein gemeinsames, zur wellenlängenabhängigen Strahlteilung in einen visuellen und infraroten Bildanteil biprismatisch ausgebildetes optisches System (34, 108) zugeordnet ist und beide Detektormosaike in einer gemeinsamen, der Bildebene des biprismatischen Systems entsprechenden Ebene angeordnet sind.

6. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des bzw. der Bildsensoren bezüglich der Längsachse des Endoskops geneigt ist.

7. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen vom proximalen zum distalen Endoskopende verlaufenden Laserlichtleiter (20; 120) mit einer im Bildfeld des im infraroten Spektralbereich empfindlichen Bildsensors (4) liegenden Applikationsstelle.

8. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich vom proximalen zum distalen Endoskopende verlaufende Arbeitskanäle (33; 36; 133) zu Spül-, Absaug- und/oder Beleuchtungszwecken.