DE4316624A1 - Video-Endoskopieeinrichtung - Google Patents
Video-EndoskopieeinrichtungInfo
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- G02B23/2476—Non-optical details, e.g. housings, mountings, supports
- G02B23/2484—Arrangements in relation to a camera or imaging device
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für die
Visualisierung von schwer zugänglichen Objekten. Insbe
sondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Video-Endo
skopieeinrichtung, die insbesondere bei medizinischen bzw.
technischen Endoskopien Einsatz findet.
In der Vergangenheit fanden spezielle Untersuchungs- bzw.
Beobachtungssysteme in Fällen Anwendung, in denen das zu
untersuchende Objekt schwer zugänglich ist und eine direkte
Beobachtung daher nur eingeschränkt bzw. gar nicht möglich
ist. Derartige Situationen sind dadurch gekennzeichnet, daß
die direkte Sicht auf das zu untersuchende Objekt durch an
dere Gegenstände bzw. Objekte verdeckt ist, deren Demontage
bzw. Beseitigung zur Schaffung eines freien Blickfeldes
nicht möglich bzw. technisch zu aufwendig ist. Somit stellt
sich das Problem, versteckt liegende Objekte "zerstörungs
frei" beobachten zu können. Dieses Problem wurde in der
Vergangenheit mit Endoskopietechniken gelöst, welche sowohl
im technischen als auch im medizinischen Bereich mit Erfolg
eingesetzt worden sind.
Bei der medizinischen Endoskopie wird ein Endoskop über eine
natürliche oder künstliche Körperöffnung in den Körper eines
Patienten eingeführt, um das Innere des Körpers bzw. be
stimmte Organe untersuchen zu können, ohne dabei den Körper
den belastenden Folger einer Operation auszusetzen. Die Vor
teile dieser Art von optischer Untersuchung liegen darin,
daß ein stationärer Klinikaufenthalt oft unnötig ist und daß
Belastungen des Körpers vermieden werden, die mit herkömm
lichen Operationen verbunden sind.
Eine für den oben angesprochenen Zweck geeignete Unter
suchungs- bzw. Beobachtungseinrichtung muß (unter anderem)
die folgenden Voraussetzungen erfüllen: sie muß in der Lage
sein, Hilfslicht in den zu untersuchenden Beobachtungsraum
zu übertragen, da schwer zugängliche Objekte sich
herkömmlicherweise in lichtarmen Umgebungen befinden. Dar
über hinaus muß das Beobachtungssystem in der Lage sein, "um
die Ecke" zu schauen, um so die verdeckt liegenden Objekte
sichtbar zu machen. Diese beiden Anforderungen werden durch
flexible Lichtleiter, nämlich vorzugsweise Glasfasern, er
füllt: zum einen sind sie in der Lage, über bestimmte Faser
bündel Licht bis zu einer Sondenspitze zu führen und dort
abzustrahlen, zum anderen können durch des weiteren vorgese
hene Faserbündel von dem zu untersuchenden Objekt reflek
tierte Lichtstrahlen aufgenommen und zu der jeweils beob
achtenden Person geführt werden.
Flexible Lichtleiter einsetzende Endoskope verwendeten in
der Vergangenheit oft Okulare, um es einer Bedienperson wie
beispielsweise einem Operateur zu erlauben, daß zu unter
suchende Objekt zu beobachten. Mit der Verfügbarkeit von
elektronischen Kamerasystemen fanden indessen auch Miniatur
kameras zunehmend Verwendung, welche anstelle des menschli
chen Auges die aus dem Endoskop austretenden Lichtstrahlen
verarbeiten und beispielsweise auf einem Monitor darstellen.
Derartige Miniaturkameras verwendende Video-Endoskopieein
richtungen umfassen herkömmlicherweise ein Projektorgehäuse,
das mittels eines Lichtleiters mit einem herkömmlichen Endo
skop verbunden ist. Am distalen Ende des Endoskopes werden
Befestigungsvorrichtungen vorgesehen, die die Befestigung
der Miniaturkamera erlauben. Neben den Befestigungsvorrich
tungen werden geeignete Optiken bereitgestellt, um das Endo
skopbild für die Verarbeitung durch die Kamera geeignet op
tisch aufzubereiten. Obgleich derartige Miniaturkameras ge
wöhnlich mit elektrischen Licht-Regelungsmechanismen ver
sehen sind, um ihre Empfindlichkeit auf die jeweilige Licht
stärke anzupassen, ist beim Stand der Technik darüber hinaus
ein Rückkopplungs-Regelungskreis vorgesehen, der die von der
Projektoreinrichtung abgegebene Lichtleistung in Abhängig
keit eines Kamerarückkopplungs-Videosignales regelt. Dieser
Rückkopplungs-Regelungskreis wird vorgesehen, um eine Über
blendung der Kamera beispielsweise bei der Beobachtung von
stark reflektierenden Objekten zu vermeiden. Ein weiterer
Grund für die Verwendung dieses Rückkopplungs-Regelungs
kreises hängt mit dem zu untersuchenden Objekt selbst zusam
men: Da das von der Lichtquelle erzeugte Licht in nicht un
erheblichen Umfang Wärme mit sich führt, kann es zu einer
unerwünschten Erwärmung/Verbrennung des zu untersuchenden
Objektes führen, was natürlich zu vermeiden ist. Bei der
artigen, im Stand der Technik verwendeten Kamerasystemen er
folgt die Regelung der vom Lichtprojektor abgegebenen Licht
leistung entweder durch Regelung der Versorgungsspannung
bzw. des Versorgungsstromes der Lichtquelle oder durch ge
eignete mechanische Abblockvorrichtungen, wie beispielsweise
Irisblenden.
Die mit der Verwendung einer elektronischen Kamera verbun
denen Vorteile liegen unter anderem darin, daß das (steife)
Beobachtungsende des Endoskopes nicht in einen bestimmten
Raumwinkel gerichtet sein muß, der es der Bedienperson er
laubt, sich in einer vom Anwendungsfall abhängigen be
schränkten Beobachtungsposition zu bringen. Darüber hinaus
kann das Bild elektronisch verarbeitet und gespeichert
werden, was aus Kontrastgründen und aus Dokumentations
zwecken nötig und sinnvoll sein kann.
Die Verwendung eines Kamerasystemes bedingt, daß in Abhän
gigkeit der jeweils verwendeten Lichtquelle ein Weißabgleich
der Kamera stattfindet, um ein kontrastreiches und
farbechtes Bild zu erhalten. Dieser Weißabgleich ist - vom
jeweiligen Anwendungsfall abhängig - unterschiedlich oft zu
wiederholen; in jedem Fall wird er nötig, wenn eine neue
Lichtquelle (beispielsweise durch Lampenausfall bedingt)
eingesetzt werden muß. Der Weißabgleich dient dazu, die Ka
mera auf die jeweilige spektrale Zusammensetzung des Lichtes
zu normieren.
Gemäß dem Stand der Technik wird der meist automatisch ab
laufende Kamera-Weißabgleich durchgeführt, in dem die Licht
quelle durch Erhöhung beispielsweise der Versorgungsspannung
manuell auf volle Leistung geschaltet wird, so daß sie mög
lichst weißes Licht erzeugt. Unter diesen Bedingungen führt
die Kamera den Weißabgleich durch. Anschließend wird die
automatische Video-Signalsteuerung der Lampe wiederher
gestellt.
Die Leistungsfähigkeit von Endoskopieeinrichtungen, wie sie
oben beschrieben worden sind, hängt vom Gesamtwirkungsgrad
des Systemes ab, worunter man eine Größe verstehen kann, die
die Intensität bzw. den Kontrast des erhaltenen Bildes mit
der für die Lichtquelle und die Kamera aufzuwendenden elek
trischen Leistung in Beziehung setzt. Will man somit die
Leistungsfähigkeit des Systems erhöhen, dann stellt sich die
Aufgabe, die Systemkomponenten derartig zu optimieren, daß
mit einer minimalen zu verwendenden elektrischen Leistung
ein Bild mit einer gewünschten Intensität/Kontrast erhalten
wird.
Im Hinblick auf die oben dargelegten Anforderungen an eine
Anordnung zur Visualisierung von schwer zugänglichen Objek
ten stellt sich daher für die vorliegende Erfindung die Auf
gabe, eine Untersuchungsanordnung bereitzustellen, die es
erlaubt, ein kontrastreiches und farbgetreues Bild eines zu
untersuchenden Objektes effizient zu erzeugen.
Erfindungsgemäß geschieht dies unter Verwendung einer Test
anordnung für optische Untersuchungsinstrumente gemäß dem
Patentanspruch 1 und durch ein elektronisches Kamerasystem
gemäß dem Patentanspruch 10.
Im einzelnen erlaubt die Testanordnung gemäß dem Pa
tentanspruch 1 einen Test der verwendeten optischen Instru
mente, der die Überprüfung der Qualität bzw. des einwand
freien Zustands der verwendeten optischen Instrumente ermög
licht. Wie bereits weiter oben erläutert, umfassen die
gattungsgemäßen Untersuchungsanordnungen ein optisches
Instrument, über dessen Spitze die mit der Lichtquelle ver
bundenen Lichtleitfasern Licht zu dem jeweils zu unter
suchenden Objekt übertragen. Derartige Instrumentenspitzen
müssen von einwandfreier optischer Qualität sein, um das
Beobachtungslicht in einem wohldefinierten Kegel abstrahlen
zu können. Zugleich sind die Instrumentenspitzen oft nicht
unerheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies gilt
für den Bereich der technischen Endoskopie, in dem die
Instrumentenspitze über "harte" Elemente geführt werden
kann, aber auch für den medizinischen Bereich, in dem es zu
Beschädigungen der Instrumentenspitze kommen kann, bevor das
optische Instrument in den Körper eingeführt wird, wie bei
spielsweise bei der Säuberung/Lagerung.
Die angesprochenen mechanischen Belastungen können zu oft
mikroskopisch kleinen Kratzern bzw. Schrammen auf der In
strumentenspitze führen, welche die Strahlqualität des abge
strahlten Lichtkegels in erheblichen Umfang negativ beein
flussen. Darüber hinaus können sich in den durch die Kratzer
und Schrammen gebildeten Hohlräumen unerwünschte Keime
ablagern. Schließlich halten die verwendeten Lichtleitfasern
nur begrenzt einer mechanischen Dauerbelastung stand, was
dazu führen kann, daß im Laufe der Zeit einige der Fasern
brechen und daher kein Licht mehr übertragen. Steigt die
Anzahl derartiger "toter" Lichtleitfasern über ein be
stimmtes Maß hinaus an, verschlechtert sich der Wirkungsgrad
des Gesamtsystemes. Diesen Problemen begegnet die Testanord
nung gemäß dem Anspruch 1. Unter Verwendung einfachster
Hilfsmittel erlaubt sie es, den Zustand der Lichtleiter und
der verwendeten Optik zu überprüfen, in dem sie ein Bild der
Instrumentspitze auf diese selbst zurückabbildet und somit
einer Überprüfung durch das jeweils verwendete Beobachtungs-
System (sei es eine elektronische Kamera oder eine Bedien
person) zuführt. Auf diese Art und Weise wird es möglich,
daß das optische System sich selbst überprüfen kann, wobei
der Test schnell und unkompliziert vor jedem Einsatz durch
führbar ist, ohne einen Ausbau der zu überprüfenden Kompo
nenten nötig zu machen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zur Testan
ordnung gehörende Reflexionsvorrichtung als ein integraler
Teil des Gehäuses des Lichtprojektors ausgebildet, wodurch
eine besonders platzsparende Anordnung der Systemkomponenten
möglich wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestal
tung wird die Reflexionsvorrichtung mit einem lichtempfind
lichen Sensor ausgestattet, der es erlaubt, die von der In
strumentenspitze abgegebene Lichtleistung zu messen und vor
zugsweise auf einem Display anzuzeigen. Die Displayanzeige
erlaubt es der Bedienperson festzustellen, ob die vom opti
schen Instrument abgegebene Lichtleistung innerhalb eines
gewünschten Bereiches liegt. Im Vergleich zu Techniken, die
die von der Lichtquelle abgegebene Lichtleistung überwachen
hat, dieses erfindungsgemäße Merkmal den Vorteil, daß die
tatsächlich abgegebene Lichtleistung überprüfbar wird. Gemäß
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der lichtemp
findliche Sensor über einen Regelkreis mit der Lichtquelle
verbunden, um diese auf einen Pegel herunterzuregeln, der
eine kontrastreiche Beobachtung der Instrumentenspitze in
einem speziellen Testmodus ermöglicht. Dies ist in den Fäl
len vorteilhaft, in denen Licht einer hohen Intensität zu
übertragen ist, das für den Instrumententest vorteilhafter
weise auf einen niedrigen Pegel heruntergeregelt wird.
Das elektronische Kamerasystem gemäß dem Patentanspruch 10,
welches vorteilhafterweise (aber nicht notwendig darauf be
schränkt) mit der Testanordnung gemäß dem Patentanspruch 1
verwendet wird, benutzt erfindungsgemäß einen Kamera-Weißab
gleich, der an das jeweils zu untersuchende Objekt angepaßt
ist. Dies bedeutet, daß nicht wie beim Stand der Technik der
Weißabgleich in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die
verwendete Lichtquelle mit maximaler Leistung betrieben
wird, um möglichst "weißes" Licht abzugeben, sondern unter
Betriebsbedingungen, die zu einer spektralen Zusammensetzung
des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes führen, die im
Hinblick auf das zu untersuchende Objekt optimiert ist. Bei
spielsweise kann es sinnvoll sein, eine Kamera mit einer
möglichst starken blauen Komponente zu betreiben, um im me
dizinischen Endoskopiebereich ein Organ abzubilden, das mit
einem Kontrastmittel angereichert ist, das in Antwort auf
blaues Licht fluoresziert. In einem solchen Fall würde eine
Kamera, die ihren Weißabgleich mit "weitem" Licht von der
Beleuchtungsquelle durchgeführt hat, kein farbechtes Bild
erzeugen und der Kontrast würde in unerwünschterweise ver
lorengehen. Besonders wichtig ist der Kameraabgleich auf die
jeweilige Farbtemperatur der Lichtquelle um feine Unter
schiede/Strukturen des Gewebes und der Gefäße deutlicher ab
zubilden.
Zusammen mit dem Kamerasystem gemäß dem Patentanspruch 10
wird zur Regelung der von der Lichtquelle abgegebenen Licht
leistung ein Aufbau verwendet, der nicht auf einer Regelung
der Versorgungsspannung/des Versorgungsstromes beruht. Ein
derartiger Mechanismus zur Regelung der abgegebenen Licht
leistung ist im Anspruch 15 beschrieben. Weitere Beispiele
für ein derartiges System befinden sich in der PCT-Anmeldung
PCT-DE 93/00127, vom gleichen Anmelder und vom gleichen Er
finder wie die vorliegende Erfindung. Diese Systeme funktio
nieren derart, daß unter Verwendung geeigneter Techniken
(welche beispielsweise mechanischer Art sein können, wie die
zuvor diskutierten Beispiele, aber auch elektro-optischer
Art, wie beispielsweise Pockelszellen) die von einer Licht
quelle übertragene Lichtleistung geregelt werden kann, ohne
daß dabei die Farbtemperatur und somit die spektrale Zusam
mensetzung des Lichtes geändert wird. Somit ist es möglich,
zunächst die spektrale Zusammensetzung der Lichtquelle über
die Wahl von geeigneten elektrischen Parametern der Licht
quelle einzustellen, den Weißabgleich angepaßt auf die ge
wählte spektrale Zusammensetzung durchzuführen und an
schließend mittels der Servoregelung, die von der Kamera ge
steuert wird, die abgegebene Lichtleistung zu regeln.
Somit wird ein Kamerasystem möglich, daß abhängig vom jewei
ligen Anwendungszweck ein kontrastreiches und farbechtes
Fernsehbild erzeugen kann.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung zum Inhalt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung
sind der nachfolgenden Beschreibung einer gegenwärtig bevor
zugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu ent
nehmen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einet Testanordnung
für optische Untersuchungsinstrumente gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung;
Fig. 2 ein Bild der Spitze des optischen Instrumentes,
wie es in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet
worden ist und wie es im Testmodus von der Beob
achtungsvorrichtung gesehen wird;
Fig. 3a eine alternative Vorrichtung zur regelbaren Ein
kopplung von von der Lichtquelle stammenden
Lichtstrahlen in die optische Faser, und zwar
bei maximaler Einkopplung;
Fig. 3b die in Fig. 3a dargestellte Anordnung, bei ver
minderter Lichteinkopplung;
Fig. 4 das spektrale Emissionsverhalten einer typischen
Lichtquelle in Abhängigkeit der Lampenspannung
oder des Lampenstroms;
Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm eines elektroni
schen Kamerasystemes gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Testanordnung
10 für optische Untersuchungsinstrumente, hier beispielhaft
erläutert für ein Kamera-Video-Endoskopiesystem, das im me
dizinischen Bereich Anwendung findet. Die erfindungsgemäße
Testanordnung 10 umfaßt als Hauptelemente eine Lichtquellen
anordnung 15, welche in einem Gehäuse (nicht dargestellt)
untergebracht ist. Vorteilhafterweise sind in dem Gehäuse
gleichfalls Netzteile, Regelungselektroniken und insbeson
dere auch die später noch zu beschreibende Reflexionsvor
richtung 30 untergebracht.
Das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht wird mittels eines
geeigneten Einkoppelmechanismus 13, 14 in einen Lichtleiter
17 eingespeist, der vorzugsweise aus einem Glasfaserbündel
besteht. Der Lichtleiter 17 überträgt das von der Licht
quelle 15 erzeugte Licht zu einem optischen Instrument 20,
im vorliegenden Fall zu einer Endoskopie-Sondenvorrichtung.
Diese besteht aus einem flexiblen Sondenteil 23, über dessen
proximaler Spitze das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht
abgestrahlt wird. Am distalen Ende des optischen Instrumen
tes befindet sich ein Okular 22, welches entweder für die
Beobachtung durch ein menschliches Auge angepaßt ist oder -
wie im dargestellten Fall - für die Befestigung einer elek
tronischen Miniaturvideo- bzw. Fernsehkamera 25.
Im Endoskopiebetrieb erzeugt die Lichtquelle 15 Lichtstrah
len, die mittels des Lichtleiters 17 entlang eines optischen
Pfades 12b zum optischen Instrument 20 geführt werden. Das
optische Instrument 20 nimmt das vom Lichtleiter 17 stam
mende Licht auf und führt es entlang eines optischen Pfades
12c entlang des flexiblen Teiles 23 in proximaler Richtung.
Die von der Spitze des optischen Instrumentes 20 austreten
den Lichtstrahlen treffen bei Anwendung des Instruments auf
die zu untersuchenden Objekte und werden von diesen charak
teristisch reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen wer
den von der Spitze des flexiblen Teils 23 erneut aufgenommen
und entlang des Pfades 12c, 12a einer Beobachtung zugeführt.
Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein Bild eines sich
im Körperinneren befindenden Organes zu erhalten, nämlich in
dem man den flexiblen oder den wahlweise starren Teil 23 des
optischen Instrumentes 20 durch eine natürliche oder künst
liche Körperöffnung (beispielsweise durch ein Trokar) in den
menschlichen Körper einführt. Durch den flexiblen Charakter
des Teiles 23 kann die Spitze des optischen Instrumentes zum
jeweils interessierenden Organ geführt werden, wie bei
spielsweise über den Harnleiter hin zur Prostata.
Je nach Häufigkeit der Anwendung und des Anwendungsorts ist
die Spitze des optischen Instrumentes 20 einer unterschied
lich starken mechanischen Belastung ausgesetzt. Diese kann
zu Beschädigungen des Systems führen, die seine Leistungs
fähigkeit vermindern und im Extremfall sogar zu fehlerhaften
Darstellungen führen. Ein besonders exponierter Bereich ist
dabei die Spitze des flexiblen Teiles 23, welche beim Führen
des Endoskopes hin zum Zielort mit Schrammen und Riefen ver
sehen werden kann. Um den ordnungsgemäßen Zustand des Sy
stems überprüfen zu können, wird daher erfindungsgemäß eine
Reflexionsvorrichtung 30 vorgesehen. Die Reflexionsvorrich
tung 30 besteht im wesentlichen aus einem Spiegelelement 31
und bevorzugterweise aus einer geschwärzten Mattscheibe 33,
die hinter dem Spiegelelement 31 angeordnet ist. Das
Spiegelelement 31 kann aus einem unverspiegelten Glassub
strat bestehen, so daß es für Licht im sichtbaren Spektral
bereich etwa eine Reflektivität von 8% aufweist. Bevorzugter
Weise ist das Spiegelelement 31 mit einer Beschichtung ver
sehen, die ca. 10% des Lichtes reflektiert. Als Beschichtung
eignet sich jede Art von bekannten Reflexionsschichten, ins
besondere dielektrische Schichtsysteme sowie Graded-Index-
Schichtsysteme. Auch eine entsprechende Versilberung der
Glasplatte mit den gewünschten Re
flexions/Transmissionseigenschaften kann gewählt werden. Be
vorzugter Weise befindet sich hinter dem Spiegelelement 31
eine schwarze Mattscheibe 33, welche für besonders kontrast
reiche und homogene Reflexionsverhältnisse sorgt, in dem sie
vom Spiegel transmittiertes Licht absorbiert und so Viel
fachreflexionen zwischen dem Hintergrund und dem Spiegelele
ment 31 verhindert.
Wenn man das optische Instrument 20 nun in einem geeigneten
Abstand vor dem Spiegelelement 31 plaziert, und zwar mit der
Achse 12c im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des
Spiegelelementes 31, dann ist die Kamera 25 in der Lage,
eine Abbildung der Spitze des optischen Instrumentes sowie
der einzelnen Lichtleitfasern "zu sehen". Mit anderen Worten
sieht sich die Kamera mit ihrer eigenen Optik selbst und
überträgt dieses Bild auf einen Monitor 45, der in Fig. 2
dargestellt ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die
Instrumentenspitze genau zu betrachten. Insbesondere ein
Bild 40 der Spitze der optischen Instrumente 20 wird stark
vergrößert und detailliert darstellbar. Darüber hinaus
werden alle "toten" (d. h. kein Licht mehr übertragenden)
Lichtleiter sichtbar. Durch Variieren des Abstandes zwischen
dem optischen Instrument 20 und dem Spiegelelement 31 werden
sogar formatfüllende Darstellungen kleinster Details möglich
und der Zustand des Instrumentes wird makroskopisch darge
stellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwi
schen der schwarzen Mattscheibe 33 und dem Spiegelelement 31
ein lichtempfindlicher Sensor 32, welcher mit einer Sensor-
Steuerschaltkreis 35 verbunden ist. Diese Sensorsteuerschal
tung 35 ist mittels einer Leitung 38 mit einem Lichtlei
stungs-Regelungsteil verbunden (nicht dargestellt) welches
die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung regelt.
Die Lichtleistungsregelung kann entweder dadurch geschehen,
daß die an der Lichtquelle 15 angelegte Versorgungsspannung
bzw. der Versorgungsstrom reguliert wird, oder in dem bei
spielsweise ein mechanisches Lichtleistungs-Regelungssystem
verwendet wird. Letzteres findet bevorzugt Verwendung, wenn
die Testanordnung mit einem erfindungsgemäßen elektronischen
Kamerasystem verwendet wird, das einen Farbfehler-Kompensa
tionsschaltkreis aufweist, wie später im Zusammenhang mit
den Fig. 4 und 5 beschrieben werden wird.
Das Sensorelement 32 registriert die Annäherung des opti
schen Instrumentes 20 und vermindert die von der Lichtquelle
15 abgegebene Lichtleistung auf ein geeignetes Maß, da die
im Betriebszustand abgestrahlte Lichtleistung im allgemeinen
zu hoch ist, um ein möglichst kontrastreiches Bild der
Spitze des optischen Instrumentes 20 zu erhalten.
Der in dem Sensor-Steuerschaltkreis 35 enthaltene Regel
schaltkreis regelt die von der Lichtquelle 15 abgegebene
Lichtleistung auf einen geeigneten Pegel ein, der bei
spielsweise empirisch bestimmt werden kann. Die Lichtlei
stungsregelung gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh
rungsform geschieht auf mechanische Art und Weise. Das von
der Lichtquelle 15 erzeugte Licht wird mittels eines Reflek
tors 11 und einer Kondensorlinse 13 in ein Einkoppelende des
Lichtleiters 17 eingekoppelt. Das Einkoppelende des Licht
leiters 17 wird dabei von einen Lichteinkopplungsteil 14 ge
haltert, dessen relative Position zu der der Lichtquelle 15
variabel einstellbar ist. Dies geschieht durch einen manuel
len oder elektrischen Stellmechanismus (nicht dargestellt),
der beispielsweise ein ?Elektromotor oder ein Ultraschall
wandler (Piezoelement) sein kann. Durch die Variation der
relativen Lage der Lichtquelle zum Einkoppelende wird der
Lichteinkopplungsgrad in den Lichtleiter 17 bzw. die Viel
zahl der Glasfasern 18 variiert, wodurch die abgegebene
Lichtleistung des ?Pegeltors? 10 regelbar wird. Unerheblich
ist hierbei, welches der Elemente (Reflektor 11, Kondensor
linse 13 oder Lichteinkopplungsteil 14) im Hinblick auf
seine Position variiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der
Steuerschaltkreis 35 des weiteren mit einer Anzeigenvorrich
tung 37 verbunden, welche die von der Spitze des optischen
Instrumentes 20 emittierte Lichtleistung mit und sie opti
sche darstellt, und zwar beispielsweise auf einer Skala. Auf
diese Art und Weise wird ein Wert angezeigt, der ein Maß für
den Zustand des Instrumentes, den Zustand des Lichtleitka
bels und die von der Lichtquelle erzeugte Lichtleistung ist.
Der Abstand von Instrumentenspitze zum Spiegelelement 31 und
die so gemessene Lichtleistung ist ein Maßstab für den Ar
beitszustand und die Ausleuchtung während des späteren Endo
skopievorganges im Körper des Patienten.
Um möglichst reproduzierbare Bedingungen bei einzelnen In
strumententests zu gewährleisten, kann gemäß einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform auf dem Spiegelelement 31 des
weiteren eine Führungsvorrichtung 39 vorgesehen werden, wel
che aus einem lichtundurchlässigen Material besteht. Die
Führungsvorrichtung 39 weist in sich eine durchgehende
axiale Bohrung auf, die an den Durchmesser des flexiblen
Teiles 23 des optischen Instrumentes 20 angepaßt ist. Bei
der dem Spiegelelement 31 gegenüberliegenden Seite der Füh
rungsvorrichtung 39 ist innerhalb der Bohrung eine Schulter
vorgesehen, auf der ein elastischer O-Ring angeordnet ist.
Zusammen mit der Schulter sorgt der O-Ring dafür, daß der
flexible Teil 23 beim Einführen in die Bohrung nicht auf das
Spiegelelement 31 aufsetzt und hierbei gegebenenfalls be
schädigt wird. Durch die Bereitstellung der lichtundurchläs
sigen Führungsvorrichtung 39 wird der Einfall von Streulicht
verhindert, was den Meßvorgang negativ beeinflussen kann, da
Streureflexionen im Spiegelbild weiter vermindert werden.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Testanordnung ist es
daher möglich, den Zustand eines Instrumentes zu überprüfen,
unmittelbar bevor man es seinem Verwendungszweck zuführt. In
diesem Zustand sind zu diesem Zeitpunkt Kamera und Instru
ment bereits steril miteinander verbunden und eine Demontage
von ihnen zu Testzwecken sollte aus Sterilitätsgründen ver
mieden werden. Die erfindungsgemäße Testeinrichtung erlaubt
es unter derartigen Bedingungen, daß jeweils sich im Einsatz
befindliche optische Instrument auf ihre Funktionsfähigkeit
hin überprüft werden. Hierbei können mikroskopische Be
schädigungen wie kleine Kratzer und Risse erkannt werden,
welche Bakterien oder Erreger enthalten können, und zwar
auch nachdem das optische Instrument in eine Desinfek
tionslösung eingelegt worden ist.
Die Fig. 3a, 3b zeigen ein alternatives Verfahren, mit
dem die Lichteinkopplung von der Lichtquelle 15 in die Glas
faser 17 durchgeführt werden kann. Gemäß der in den Fig.
3a, 3b gezeigten Ausführungsform wird ein Lichteinkopplungs
teil 14′ verwendet, mittels dem Licht von der Lichtquelle 15
in den Lichtleiter 17 eingekoppelt wird. In dem Lichtein
kopplungsteil 14′ gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungs
form sind die Lichtleitfaserbündel 18 derartig aufgefächert,
daß die einzelnen Lichtleitfasern auf dem Mantel eines
Kegels liegen, dessen Öffnungswinkel derart bemessen ist,
daß das aus dem Reflektor 11 austretende Licht annähernd
senkrecht auf die einzelne Lichtleitfaser auftritt.
Durch axiales Verschieben von entweder dem Einkopplungsteil
14′ und/oder der Lichtquelle 15 relativ zueinander kann die
eingekoppelte Lichtleistung variiert werden: in dem in Fig.
3a dargestellten Abstand ist die eingekoppelte Lichtleistung
maximal, während in dem in Fig. 3b dargestellten Abstand
eine geringere Lichtleistung eingekoppelt wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5
ein elektronisches Kamerasystem gemäß einer bevorzugten Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie be
reits diskutiert worden ist, müssen elektronische Kamerasy
steme, welche unter sich ändernden Lichtverhältnissen Ein
satz finden, einen Weißabgleich durchführen, um in Abhängig
keit der jeweiligen Lichtverhältnisse ein möglichst
farbechtes Bild erzeugen zu können. Dieser Weißabgleich
stellt im Grunde genommen eine Normierung der spektralen Ka
meraempfindlichkeit auf die vorliegenden Lichtverhältnisse
dar. Wenn man künstliche Lichtquellen wie beispielsweise Ha
logenlampen verwendet, dann ist es bekannt, daß sich in Ab
hängigkeit der Lampenspannung bzw. des Lampenstromes die
spektrale Zusammensetzung des abgestrahlten Lichtes ändert.
Diese Situation ist in Fig. 4 dargestellt. Betreibt man die
Lampe mit einer niedrigen Lampenspannung oder einem begrenz
ten Lampenstrom, dann emittiert die Lampe mit einer starken
Komponente im roten Spektralbereich, wohingegen bei einer
sich erhöhenden Lampenspannung die spektrale Zusammensetzung
sich hin bis zu "weißem" Licht ändert.
Kamerasysteme nach dem Stand der Technik, welche bislang mit
Endoskopen verwendet worden sind, nutzten zur Regelung der
abgegebenen Lichtleistung einen Regelkreis, der die Licht
quelle jeweils an die vorliegenden Randbedingungen angepaßt
hat: befand sich die Spitze eines Endoskopes in einer stark
reflektierenden Umgebung, hat der Regelkreis die von der
Lichtquelle 15 abgegebene Lichtleistung zurückgeregelt, um
eine Übersättigung der Kamera mit Licht zu verhindern. Diese
Regelsysteme gemäß dem Stand der Technik basierten darauf,
daß der Lampenstrom bzw. die Lampenspannung auf einen ge
eigneten Wert eingeregelt worden sind. Dieses Regelungsver
fahren hat allerdings den Nachteil, daß in Abhängigkeit der
jeweils zu untersuchenden Umgebung die Lampe mit jeweils
unterschiedlicher Farbtemperatur betrieben wird. Da der
Weißabgleich der Kamera im Stand der Technik bislang stets
unter Bedingungen durchgeführt worden ist, bei denen die
Lichtquelle 15 "weißes" Licht emittiert hat, ergibt sich nun
das Problem, daß in Abhängigkeit des jeweils tatsächlichen
Betriebszustandes der Lampe sich ein Farbfehler einstellt,
der am größten ist, wenn die Lampe mit geringer Leistung be
trieben wird (vgl. Fig. 4).
Das in Fig. 5 dargestellte Kamerasystem begegnet diesem Pro
blem dadurch, daß ein Rückkopplungs-Regelungskreis vorgese
hen ist, der die von der Lichtquelle 15 abgegebene Lichtlei
stung nicht über den Lampenstrom bzw. die Lampenspannung re
gelt. Dies macht es möglich, die von der Lampe abgegebene
Lichtleistung zu regeln, ohne dabei die spektrale Zusammen
setzung des emittierten Lichtes zu ändern. Unter diesen Be
dingungen kann man nun eine gegebene Farbzusammensetzung des
Lichtes beispielsweise mittels eines einstellbaren Lampen
stromes bzw. einer einstellbaren Lampenspannung vorwählen
und den Weißabgleich bei dieser vorgewählten Einstellung
durchzuführen. Dies hat den Vorteil, daß eine an
wendungsabhängige feste Farbzusammensetzung der Lampe vorge
wählt werden kann, bei der der Weißabgleich jeweils durchge
führt wird, wobei diese feste Farbzusammensetzung im Verlauf
der Messung (durch Regelung der Lichtintensität) nicht mehr
verändert wird.
Umgesetzt wird dieses Konzept gemäß einer ersten Ausfüh
rungsform durch den in Fig. 5 dargestellten Schaltkreis. Er
findungsgemäß umfaßt das elektronische Kamerasystem einen
Steuerprozessor 70 und einen Regelkreis 60, welche miteinan
der über eine Leitung 76 verbunden sind. Der Regelkreis 60
enthält einen Setzschaltkreis 65, mittels dem die jeweilige
Farbtemperatur eingestellt werden kann. Der Regelkreis 60
ist über eine Leitung 64 mit einem Leistungsdimmer 90 ver
bunden, welcher über Leitungen 93 mit der Lichtquelle 15
verbunden ist. In Antwort auf von dem Regelkreis 60 kommende
Regelsignale variiert der Leistungsdimmer 90 die spektrale
Zusammensetzung der von der Lichtquelle 15 erzeugten Licht
strahlen, indem er den Lampenstrom/die Lampenspannung vari
iert. Der Steuerprozessor 70 ist über eine Leitung 71 mit
der elektronischen Kamera verbunden und empfängt von ihr ein
Videosignal, das als Rückkoppelsignal zur Regelung der abge
gebenen Lichtleistung verwendet wird. In Abhängigkeit des
über die Leitung 71 angelegten Videosignales steuert der
Steuerprozessor 70 über die Signalleitungen 73 die abgege
bene Lichtleistung. Die Signalleitungen 73 können beispiels
weise mit einem Motor verbunden sein (nicht dargestellt),
welcher den relativen Abstand zwischen dem Einkopplungsteil
14′ und der Lichtquelle 15 in Fig. 3 variiert. Alternativer
Weise kann der Motor die Lichtquelle 15 bzw. die Kondensor
linse 13 im Hinblick auf das Einkopplungsteil 14′ verkippen
bzw. verschwenken wie in Fig. 1 dargestellt. Auf diese Art
und Weise erfolgt in dem erfindungsgemäßen Kamerasystem die
Regelung der abgegebenen Lichtleistung.
Optional kann der Regelkreis 60 mit einem weiteren Si
gnaleingang 63 ausgestattet sein, welcher mit dem in Fig. 1
dargestellten Sensorsteuer-Schaltkreis 35 über die Signal
leitung 38 verbunden ist. Auf diese Art und Weise erfolgt
die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Verminderung der
abgegebenen Lichtleistung im Instrumententestmodus des er
findungsgemäßen Systems. Der Steuerprozessor 70 steuert er
findungsgemäß das Zusammenwirken der einzelnen Funktionen.
Über eine Eingangsleitung 72, welche mit einem geeigneten
Wahlschalter verbunden ist, wird der Steuerprozessor 70 ent
weder in den Weißabgleichs-, den Instrumententest- oder den
normalen Arbeitszustand versetzt. Wird der Steuerprozessor
70 über die Signalleitung 72 in den Zustand "Weißabgleich"
versetzt, dann gibt er über eine Signalleitung 75 einen ent
sprechenden Befehl an die elektronische Kamera 25 (Fig. 1).
Diese führt dann - in Abhängigkeit der vom Regelkreis 60
eingeregelten Farbtemperatur - den Weißabgleich durch. Im
"Instrumententest"-Zustand wird die Regelung der abgegebenen
Lichtleistung über die Signalleitungen 73 unterbrochen und
der Regelkreis 60 regelt in Abhängigkeit von den vom Sensor
steuer-Schaltkreis 35 übermittelten Signale die abgegebene
Lichtleistung mittels dem Leistungsdimmer 90 herunter. Das
sich in diesen Zustand die Farbzusammensetzung ändert, ist
hier unbeachtlich.
Im normalen Arbeitszustand wird die Lichtquelle 15 über dem
Regelkreis 60 und dem Leistungsdimmer 90 mit einer von Setz
schaltkreis 65 voreingestellten spektralen Zusammensetzung
betrieben und die Regelung der abgegebenen Lichtleistung er
folgt über die Signalleitungen 73 durch die bereits in Zu
sammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Lichtleistungsregelung.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kamerasy
stems (nicht dargestellt) verwendet ein alternatives Verfah
ren zur Einstellung der Farbtemperatur der Lichtquelle 15.
Anstelle der Verwendung eines Leistungsdimmers (90) werden
in dieser Ausführungsform geeignete optische Farbfilter in
den Strahlengang eingeschwenkt. Dies kann beispielsweise
zwischen der Kondensorlinse 13 und dem Lichteinkopplungsteil
14 erfolgen. Da die technische Umsetzung der Einschwenkung
von Farbfilter dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereitet,
ist von der detaillierten Beschreibung dieser
Ausführungsform Abstand genommen worden.
Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, daß eine Un
tersuchungsanordnung für die Visualisierung von schwer zu
gänglichen Objekten beansprucht wird, nämlich insbesondere
Video-Endoskopieeinrichtungen für medizinische bzw. techni
sche Endoskopie. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung wird eine Testanordnung für die verwendeten
optischen Instrumente beansprucht, welche zum einen das be
leuchtende Licht zu einem zu untersuchenden Objekt übertra
gen und zum andern das von dem Objekt reflektierte Licht
empfangen und einer optischen Auswertung zuführen, wobei die
das zu untersuchende Objekt beleuchtenden Lichtstrahlen und
die von dem Objekt reflektierten und der optischen Aus
wertung zugeführten Lichtstrahlen sich wenigstens teilweise
entlang eines gemeinsamen optischen Pfades ausbreiten. Be
vorzugter Weise findet die optische Auswertung mittels einer
elektronischen Kamera statt. Die beanspruchte Testanordnung
umfaßt eine mit einer vorherbestimmten Reflektivität ver
sehene Reflektionsvorrichtung, die in einem bestimmten Ab
stand vor dem optischen Instrument angeordnet werden kann
und die es erlaubt, daß das optische Instrument ein eigenes
Spiegelbild betrachtet. Mit Hilfe des Spiegelbildes des op
tischen Instrumentes kann geprüft werden, ob sie das Instru
ment in einem einwandfreien Zustand befindet. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er
findung wird ein elektronisches Kamerasystem beansprucht,
daß über einen Steuerschaltkreis verfügt, der den Weißab
gleich der Kamera bei einer frei wählbaren spektralen Zusam
mensetzung der Hilfslichtquelle durchführt, die auch im Ar
beitszustand des Kamerasystems beibehalten wird.
Claims (15)
1. Testanordnung (10) für optische Untersuchungsinstru
mente, mit:
- a) einer Lichtquelle (15), welche ein zu untersuchendes Objekt beleuchtende Lichtstrahlen erzeugt;
- b) einem optischen Instrument (20), das mit der Lichtquelle (15) optisch gekoppelt ist und das derartig positionierbar ist, daß es das zu un tersuchende Objekt mit den von der Lichtquelle (15) stammenden Lichtstrahlen beleuchtet und die von ihm reflektierten Lichtstrahlen aufnimmt;
- c) einer Beobachtungsvorrichtung (22, 25), mittels der das von dem zu untersuchenden Objekt reflek tierte Licht einer optischen Auswertung zuge führt werden kann, wobei das von der Lichtquelle (15) erzeugte Licht zu dem Objekt über einen er sten optischen Pfad (12b, 12c) und das von dem Objekt reflektierte Licht über einen zweiten op tischen Pfad (12a, 12c) geführt wird und der erste und der zweite Pfad wenigstens teilweise deckungsgleich sind;
- d) einer mit einer vorherbestimmten Reflektivität versehenen Reflexionsvorrichtung (30), die in einem bestimmten Abstand vor dem optischen Instrument (20) angeordnet werden kann.
2. Testanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das optische Instrument (20) ein Endoskop
ist, welches mit der Lichtquelle (15) über eine
Lichtleitfaser (17) verbunden ist.
3. Testanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Beobachtungsvorrichtung ein
Okular (22) und eine Miniaturkamera (25) aufweist,
mit denen das zu untersuchende Objekt auf einem Mo
nitor (45) abgebildet wird.
4. Testanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung
(30) ein Spiegelelement (31) aufweist, das ca. 10
Prozent des von der Lichtquelle (15) erzeugten
Lichtes reflektiert.
5. Testanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung
(30) aus einer unverspiegelten Glasscheibe (31) und
aus einer geschwärzten Mattscheibe (33) besteht, die
hinter der Glasscheibe (31) angeordnet ist.
6. Testanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen der Glasscheibe (31) und der Matt
scheibe (33) ein Sensorelement (32) vorgesehen ist,
welches über einen Sensorschaltkreis (35) mit einer
Anzeigevorrichtung (37) verbunden ist, die die von
dem optischen Instrument (20) übertragene Lichtlei
stung anzeigt.
7. Testanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß dem Sensorschaltkreis (35) ein Dimmer
schaltkreis (90) zugeordnet ist, welcher über einen
Regelkreis (60) mit dem Sensorschaltkreis (37) ver
bunden ist.
8. Testanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß auf der Reflexionsvor
richtung (30) eine Führungsvorrichtung (39) vorge
sehen ist, mittels der die optische Vorrichtung (20)
unter definierten Umständen unter Abblockung von
Streulicht in einem bestimmten Abstand von der Re
flexionsvorrichtung (30) angeordnet werden kann.
9. Testanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Führungsvorrichtung (39) eine durchlau
fende zentrale Bohrung aufweist, die dem Durchmesser
des optischen Instrumentes (20) angepaßt ist, wobei
in der Bohrung an der der Reflexionsvorrichtung (30)
gegenüberliegenden Seite eine Schulter vorgesehen
ist, die mit einem elastischen O-Ring versehen ist,
um das Aufsetzen der Spitze des optischen Instru
ments (20) auf der Reflexionsvorrichtung (30) zu
verhindern.
10. Elektronisches Kamerasystem, insbesondere für medi
zinische und technische Video-Endoskopievorrichtun
gen, mit:
- a) einer elektronischen Kameravorrichtung (25), die Lichtstrahlen aufnimmt, die von einem zu unter suchenden Objekt reflektiert worden sind;
- b) einer Lichtquellenanordnung (15), die in der Lage ist, für die Beleuchtung des zu untersu chenden Objekts Licht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen zu erzeugen;
- c) einem Steuerschaltkreis (50), welcher sowohl mit der elektronischen Kameravorrichtung (25) als auch mit der Lichtquellenanordnung (15) verbun den ist, um die von der Lichtquellenanordnung (15) abgegebene Lichtleistung unter Verwendung eines von der elektronischen Kamera (25) kommen den Rückkopplungssignales zu regeln ohne dabei die Farbtemperatur des Lichtes zu Ändern, wobei der Steuerschaltkreis (50) einen Farbfehler- Kompensationsschaltkreis (60, 70) aufweist, der im Weiß-Abgleichsmodus des Kamerasystems eine Farbtemperatur der Lichtquellenanordnung (15) einstellt, die einer spektralen Zusammensetzung des erzeugten Lichtes entspricht, die auf das jeweils zu untersuchende Objekt abgestimmt ist.
11. Elektronisches Kamerasystem nach Anspruch 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Farbfehler-Kompensa
tionsschaltkreis (60, 70) einen Regelkreis (60) auf
weist, welcher über eine Leitung (64) einen
Leitungsdimmer (90) ansteuert, der über Leitungen
(93) die Lichtquellenanordnung (15) ansteuert, um
die Farbtemperatur des erzeugten Lichtes zu ändern.
12. Elektronisches Kamerasystem nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Farbfehler-
Kompensationsschaltkreis (60, 70) eine
Farbtemperatur der Lichtquellenanordnung (15)
dadurch einstellt, daß er optische Farbfilter in den
Strahlengang einschwenkt.
13. Elektronisches Kamerasystem nach Anspruch 11 oder
12, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbfehler-Kom
pensationsschaltkreis (60, 70) einen Farb-Tempera
tur-Setzschaltkreis (65) aufweist, mittels dem die
gewünschte Farbtemperatur manuell eingestellt werden
kann.
14. Elektronisches Kamerasystem nach einem der Ansprüche
10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer
schaltkreis (50) einen Steuerprozessor (70) auf
weist, der über Leitungen (71) mit der Kameravor
richtung (25) verbunden ist, um über Leitungen (73)
die von der Lichtquellenanordnung (15) abgegebene
Lichtleistung zu regeln, wobei das von der elektro
nischen Kamera (25) stammende Signal als Rückkopp
lungssteuersignal verwendet wird.
15. Elektronisches Kamerasystem nach einem der Ansprüche
10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das von der
Lichtquellenanordnung (15) erzeugte Licht mittels
eines Lichtleiters (17) zu dem zu untersuchenden Ob
jekt geleitet wird, wobei das der Lichtquellenanord
nung (15) gegenüberliegende Ende des Lichtleiters
(17) in einem Lichteinkopplungsteil (14′) gehaltert
wird, in dem der Lichtleiter (17) derart aufgefä
chert angeordnet ist, daß die den Lichtleiter (17)
bildenden Lichtleitfasern (18) auf dem Mantel eines
Kegels liegen, der einen Öffnungswinkel hat, bei dem
das von der Lichtquellenanordnung (15) kommende
Licht annähernd senkrecht auf die einzelne Licht
leitfaser trifft.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9320491U DE9320491U1 (de) | 1993-05-18 | 1993-05-18 | Video-Endoskopieeinrichtung |
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Publications (1)
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DE4316624A1 true DE4316624A1 (de) | 1994-12-01 |
Family
ID=6488390
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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