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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf das Gebiet der endoskopischen Chirurgie und insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf ein endoskopisches Bilderfassungssystem,
welches im Zwei- (2-) Mikrometerbereich des Spektrums und darunter
arbeitet.
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Die endoskopische Chirurgie (ES)
setzt ihren stürmischen
Evolutionsprozess als chirurgische Technik fort, die nur einen minimalen
Zugriff erfordert und dadurch die seelische Belastung des Patienten
vermindert, wodurch sich Wandlungen auf dem Operationsfeld ergeben
und Operationen in einer geschlossenen physiologischen Umgebung
durch Benutzung speziell ausgebildeter langgestreckter Instrumente
durchgeführt
werden können,
die in Körperhohlräume über relativ
kleine Kanäle
(5– 10
mm zum Beispiel) eingeführt
und unter visueller Führung
manipuliert werden können,
entweder in Verbindung mit direkten optischen Systemen oder seit
kurzer Zeit über
Videosysteme.
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Verglichen mit offenen chirurgischen
Verfahren besteht ein Hauptvorteil der endoskopischen Chirurgie darin,
dass die Schwere der parietalen Verwundungen verringert wird, obgleich
gewöhnlich
mehrere Kanäle benutzt
werden, um das Operationsfeld zugänglich zu machen. Es gibt andere
Vorteile, die darin liegen, dass das postoperative katabolische
Ansprechen verringert wird, dass weiter die innere Abkühlung und
Austrocknung infolge der Verdampfung verringert wird. Weiter ergibt
sich ein Vorteil durch einen Fieberrückgang und durch Fieberverursachte
Gesundheitsschädigungen;
es können
Fieber, weitere Erkrankungen und Infektionen vermieden werden und
es kann ein kürzerer
Krankenhausaufenthalt erreicht werden, was in Bezug auf die dafür aufgewandten
Kosten von Vorteil ist.
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Die endoskopische Chirurgie wurde
gewöhnlich
für die
laparoskopische Chirurgie eingesetzt und häufiger für andere Verfahren angepasst,
beispielsweise für
eine endoluminale, eine periviszerale, eine intra-articulate, eine
thorakische Behandlung und Kombinationen hiervon.
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Wenn jedoch die Vorteile der endoskopischen
Chirurgie voll ausgenutzt werden sollen, werden diagnostische Verfahren
benötigt,
die eine augenblickliche Bewertung der Pathologie an Ort und Stelle
ermöglichen,
während
die chirurgischen Verfahren bereits laufen. Gegenwärtig ist
dies nicht möglich
ohne beträchtliche
Zeitverzögerungen
und ohne die Benutzung relativ komplizierter Röntgenstrahltechniken, die das
Einspritzen von Kontrastmitteln erfordern.
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Der negative Einfluss, der durch
das Fehlen schneller invasiver diagnostischer Verfahren verursacht wird,
kann durch Betrachtung eines üblichen
endoskopischen chirurgischen Verfahrens veranschaulicht werden durch
die laparoskopische Cholezystektomie zur Entfernung der Gallenblase.
Wie bekannt verbindet der zystische Kanal die Gallenblase mit dem
gemeinsamen Gallenkanal, der seinerseits nach dem Zwölffingerdarm
führt.
Während
einer laparoskopischen Cholezystektomie wird eine kranke Gallenblase
aus dem Körper herausgeschnitten
und entfernt. Bei 3 bis 5% der Patienten mit einer kranken Gallenblase
sind keine Steine in der Gallenblase vorhanden, aber sie sind in
dem zystischen Kanal oder in der Nähe des Sphinkter vorhanden, der
den zystischen Kanal mit dem gemeinsamen Gallenkanal verbindet.
In dem Sphinkter zurückgelassene Steine
können
für den
Patienten eine Unannehmlichkeit nach der Operation bilden und/oder
eine weitere chirurgische Behandlung erfordern.
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Bei dem gegenwärtigen Stand kann diese Unannehmlichkeit
dadurch vermieden werden, dass während
der Cholezystektomie ein Cholangiogramm erzeugt wird. Um dies zu
ermöglichen,
wird ein Fluoroskop benutzt, um die vorhandenen Steine sichtbar
zu machen. Wenn ein Stein aus dem Cholangiogramm beobachtet wird,
muss ein zweites Verfahren durchgeführt werden, bei dem ein Schlitz
in den zystischen Kanal eingeschnitten wird. Es wird dann ein flexibles
Endoskop durch diesen Schlitz eingeführt, um die vorhandenen Steine
zu beobachten. Ein Arbeitskanal innerhalb des flexiblen Endoskops
ist mit einer Greifpinzette ausgerüstet, um alle aufgefundenen
Steine zu entfernen. Das flexible Endoskop hat einen Durchmesser,
der klein genug ist (ungefähr
2 mm), um in den zystischen Kanal eindringen zu können, der
einen Durchmesser von etwa 6 mm hat.
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Dieses zweite Verfahren hat den Nachteil,
dass es sehr Zeit raubend und kostspielig ist, weil die Cholezystektomie
unterbrochen werden muss, um das Fluoroskop und den Techniker zu
rufen. Auch ist es nicht zweckmäßig, das
Personal im Operationssaal der notwendigen Strahlung auszusetzen,
um die Fluoroskopie durchführen
zu können.
Tatsächlich
fällt in
etwa 80% der gegenwärtig
durchgeführten
laparoskopischen Cholezystektomie das Cholangiongramm weg und der
Patient trägt
das Risiko, dass in dem zystischen Kanal Steine verblieben sind.
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Natürlich erfordern dieses und ähnliche
Verfahren ein anderes diagnostisches Werkzeug zur Sichtbarmachung
von Steinen oder anderen Abnormalitäten, während die endoskopische Chirurgie
durchgeführt
wird, und es ist ein Hauptziel dieser Erfindung, eine endoskopische
Vorrichtung und Verfahren zu schaffen, durch die solche Diagnosen
durchgeführt
werden können.
Eine Infrarotstrahlung wurde auf dem Gebiet der Medizin für Wärmebehandlung
und andere Zwecke benutzt, es scheint aber, dass die Infrarotstrahlung
niemals zum Zwecke einer Diagnose wie oben erwähnt herangezogen worden ist.
Beispiele der Benutzung aus der Patentliteratur sind die Folgenden:
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Die US-A-4 122 853 beschreibt Mittel
zur Behandlung unter Benutzung eines Infrarotlaserstrahls. Es werden
keinerlei Mittel diskutiert, um ein durch Infrarotemission bestrahltes
Objekt zu betrachten.
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Die US-A-4 945 409 und die US-A-4
951 133 beschreiben Miniaturkameras, die als ein Endoskop im UV-Bereich,
im sichtbaren Bereich und im IR-Bereich benutzt werden können. Ein
Filter vor einer Lichtquelle rotiert, um den geeigneten Wellenlängenbereich
zu wählen.
Der IR-Bereich ist begrenzt auf etwas weniger als ein (1) μm, und es
gibt keine Diskussionen, die sich auf eine Selbstemission des Körpers in
dem mittleren IR-Bereich beziehen. In gleicher Weise sind die japanischen
Patente begrenzt auf IR-benachbarte Wellenlängen von weniger als 1,2 μm und die
Patente sind nur auf Gegenstände
begrenzt, die durch äußere Quellen beleuchtet
werden.
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Die US-A-4 418 689 beschreibt ein
Endoskop, das in Verbindung mit einem Laser benutzt wird. Es wird hier
jedoch kein Endoskop erwähnt,
das mit Infrarotstrahlung benutzt wird.
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Die US-A-4 786 813 beschreibt ein
System zum Nachweis von Fluoreszenz eines Gegenstandes. Die Vorrichtung
ist begrenzt auf Wellenlängen
von weniger als 0,7 μm
und nur auf Emissionen, die durch äußere Erregung stimuliert werden.
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Die US-A-4 872 458 beschreibt eine
Thermotherapie-Vorrichtung, die über
ein herkömmliches
flexibles oder starres Sichtendoskop eingeführt wird. Bei diesem Patent
wird eine Wärmequelle,
die Infrarotstrahlung erzeugt, zur Behandlung benutzt. Auch dieses
Patent gibt keine Anregung, um Infrarotenergie durch das Endoskop
zur Betrachtung zu benutzen.
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Die US-A-5 147 354 beschreibt einen
optischen Ho:Yag-Laser, der durch einen Operationskanal eines herkömmlichen
Endoskops eingeführt
werden kann. Wiederum besteht kein Versuch, Infrarotenergie sichtbar zu
machen.
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Die DE-94 04 312 U beschreibt ein
endoskopisches Bilderfassungssystem gemäß dem ersten Teil von Anspruch
1. Auch hier ist keine Rede von einer Selbstemission des Körpers.
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Infolge dessen besteht ein wichtiger
Zweck der Erfindung neben dem Hauptzweck wie er erwähnt wurde
darin, ein Endoskop zu schaffen, welches den inneren Körperaufbau
zu betrachten gestattet, in dem sichtbar codierte Bilder über Infrarotemissionen
erzeugt werden.
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Die Erfindung schafft auch endoskopische
Systeme, durch welche codierte Bilder von Infrarotemissionen aus
dem Inneren von Körperstrukturen
in Verbindung mit Bildern betrachtet werden können, die mit sichtbarem Licht über dem
gleichen interessierenden Bereich hergestellt wurden, sodass eine
Diagnose über
die Infrarotbilder erfolgen kann und die endoskopischen chirurgischen
Verfahren über
sichtbare Bilder durchgeführt
werden können.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt
außerdem
die Schaffung eines endoskopischen Systems, bei welchem codierte
Infrarotbilder und sichtbare Lichtbilder optisch ausgerichtet werden
können,
um endoskopische Diagnostikverfahren und endoskopische chirurgische
Verfahren durchführen
zu können.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt
außerdem
die Schaffung von Mitteln zur Benutzung bei endoskopischen Infrarot-Diagnostikverfahren
zur Betrachtung der Beziehungen zwischen Infrarotbildern, dem Gewebe und
den inneren Körperstrukturen,
um eine Basis für
die Entscheidung normal bzw. abnormal zu schaffen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
außerdem
ein endoskopisches Diagnostikverfahren zur Feststellung des Vorhandenseins
von restlichen Steinen während
der Endocholezystektomie.
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Demgemäß betrifft die Erfindung ein
endoskopisches Bilderfassungssystem zur Verwendung bei diagnostischen
und chirurgischen Verfahren, welches die folgenden Merkmale aufweist:
Ein im sichtbaren Wellenlängenbereich
arbeitendes Endoskop für
die sichtbare Abbildung innerkörperlicher
Strukturen; ein Infrarotendoskop sowie eine Bildwiedergabevorrichtung
zur visuellen Darstellung der von den Endoskopen im sichtbaren bzw.
Infrarotbereich erfassten Bilder. Das endoskopische Bilderfassungssystem
gemäß der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotendoskop infrarote Abstrahlungen
im Bereich von 2 bis 14 μm aus
den innerkörperlichen
Strukturen von Interesse abbildet, wobei diese Strukturen im Wesentlichen
den für die
sichtbaren Abbildungen interessanten entsprechen, und die Erfindung
ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsvorrichtung
sowohl die infraroten als auch die sichtbaren Bilder derart visuell
darstellen kann, dass ein visueller Vergleich für diagnostische und chirurgische
Zwecke möglich
ist.
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Im Folgenden werden eine endoskopisch
diagnostische Vorrichtung, Systeme und Verfahren beschrieben, mit
denen Infrarotemissionen von inneren Körperstrukturen in Form codierter
Bilder sichtbar gemacht werden, um eine Unterscheidung zwischen
normalen und abnormalen Prozessen zu ermöglichen. Die codierten Infrarotbilder
können
zusammen mit anderen Bildern aus dem sichtbaren Spektrum benutzt
werden, um als Hilfsmittel bei der Durchführung endoskopisch chirurgischer
Verfahren zu dienen, indem gleichzeitig eine endoskopische Diagnose
durchgeführt
werden kann, und die Erfindung ist insbesondere zweckmäßig für eine interoperative
Diagnose während
laparoskopischer operativer Verfahren, beispielsweise während einer endoskopischen
Cholezystektomie, wobei der gemeinsame Gallenkanal eine Erforschung
im Hinblick auf das Vorhandensein von restlichen Steinen erfordert.
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Das erfindungsgemäße System kann Informationen über die
Normalität
eines zu codierenden visuellen Sitzes in Form einer Grauskala oder
in Form von Farbbildern liefern, um differentielle Diagnostiken
durchführen
zu können.
Wenn Infrarotbilder, die durch das erfindungsgemäße System erzeugt wurden, neben
Bildern präsentiert
werden, die durch das sichtbare Spektrum aufgenommen wurden, dann
kann die Pathologie für
spätere
chirurgische Eingriffe in dem visuellen Kanal markiert werden.
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Sowohl in dem Infrarotkanal als auch
in dem visuellen Kanal gemäß der Erfindung
können
Standard-NTSC- oder PAL-Videosignale erzeugt werden, um eine Darstellung
auf Videomonitoren zu liefern, und es kann eine dauerhafte Aufzeichnung
vorgenommen werden.
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Das erfindungsgemäße endoskopische Bilderfassungssystem
kann mit Mitteln versehen sein, um wenigstens einen Teil der inneren
interessierenden Körperstruktur
mit einer Kühllösung zu
bewässern,
um den thermischen Kontrast in diesem Bereich zu verbessern. Diese
Form der Erfindung ermöglicht
eine Betrachtung von Reststeinen in dem gemeinsamen Gallenkanal
während
der endoskopischen Cholezystektomie durch thermische Perturbation
durch Kühlung
mit einer sterilen Salzlösung
oder einer Ringer-Lösung,
um allgemein die Temperatur an der interessierenden Stelle abzusenken,
während
kontinuierlich eine weitere Abbildung mit dem IR-Endoskop stattfindet.
Wenn der hierdurch beunruhigte Bereich in eine thermische Gleichgewichtslage mit
der Temperatur des umgebenden Körpergewebes übergeht,
können
etwa verbliebene Steine betrachtet werden, weil die Rate, mit der
eine Annäherung
an die thermische Gleichgewichtsstellung erfolgt, sich von dem Gallenkanal
selbst unterscheidet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
können
der Infrarot-Diagnostikkanal und der Sichtkanal im Wesentlichen
koaxial in einem einzigen Rohr ausgerichtet werden, das eine Kompensation
in Bezug auf Parallaxen-Fehler aufweist.
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Das erfindungsgemäße System ist abgesehen von
der nützlichen
Verwendung bei der Diagnose von Reststeinen auch nützlich für die Feststellung
und Identifizierung von Unterleibs-Flüssigkeitsansammlungen oder
Tumoren, von mit hoher Sauerstoffkonzentration behandelten Tumoren
oder vaskulärer
Tumore, von Blutgefäßen und
von Knorpelnekrosen in Körpergelenken.
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Im Folgenden werden der Aufbau und
die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Systems in Verbindung mit
der Zeichnung beschrieben, in der gleiche Teile in den verschiedenen
Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In der Zeichnung
zeigen:
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1 ist
eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems
mit dem Infrarot-Endoskop
und dem Endoskop für
sichtbare Strahlung, um codierte Bilder von Infrarotemissionen benachbart
zu entsprechenden Bildern des im Wesentlichen gleichen interessierenden
Bereiches zu liefern;
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2 ist
eine teilweise schematisch dargestellte Seitenansicht des Infrarot-Endoskops gemäß 1;
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3 ist
in größerem Maßstab gezeichnet
eine Seitenansicht des Objektivsystems des Infrarot-Endoskops gemäß 2;
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4 ist
in größerem Maßstab gezeichnet
eine Seitenansicht eines der Relais-Systeme, die das Infrarot-Endoskop
gemäß 2 aufweist;
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5 ist
in größerem Maßstab eine
Seitenansicht der Koppellinse und der Infrarot-Kamera des Infrarot-Endoskops
gemäß 2;
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6 ist
in größerem Maßstab eine
Seitenansicht der Koppellinse gemäß 5 in Kombination mit der Infrarot-Kamera
des erfindungsgemäßen endoskopischen
Systems;
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7 ist
in größerem Maßstab eine
Seitenansicht des im sichtbaren Bereich arbeitenden Endoskops gemäß dem System
nach 1;
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8 ist
eine graphische Darstellung, welche die Infrarot-Strahlungsemissionen
von Körpern
bei 98,6°F
und 68°F
zusammen mit der Differenz der IR-Emissionen dazwischen zeigt;
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9 ist
eine graphische Darstellung, die das Prinzip eines differentiellen
thermischen Relaxationverfahren veranschaulicht, das bei der Durchführung gemäß einem
Merkmal der Erfindung benutzt wird;
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10 ist
eine Darstellung eines Infrarotbildes jener Art, die unter Benutzung
der Erfindung erhalten werden kann;
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11 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
eines Infrarot-Endoskops gemäß der Erfindung;
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12 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem das Infrarot-Endoskop und das mit sichtbarem
Licht arbeitende Endoskop kombiniert und benachbart zueinander in
einem Rohr ausgerichtet sind;
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13 ist
eine Stirnansicht des Endoskops gemäß 12, betrachtet in Richtung der Pfeile
A-A gemäß 12.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine endoskopische Vorrichtung zur Diagnose und auf Verfahren,
mit denen Infrarotemissionen von inneren Körperstrukturen in Form codierter
Bilder sichtbar gemacht werden können,
um eine Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Prozessen
vornehmen zu können.
Die codierten Infrarotbilder können
zusammen mit anderen Bildern des sichtbaren Spektrums benutzt werden,
um als Hilfsmittel bei der Durchführung endoskopischer chirurgischer
Prozesse zu dienen, indem gleichzeitig eine endoskopische Diagnose
stattfinden kann, und die Erfindung ist insbesondere zweckmäßig zur
interoperativen Diagnose während
laparoskopischer operativer Prozeduren, beispielsweise in der endoskopischen
Cholezystektomie, wo der gemeinsame Gallenkanal eine Untersuchung
auf das Vorhandensein von Reststeinen erfordert. Die verschiedenen
Ausführungsbeispiele
der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass beträchtliche
Signalpegel von Emissionen aus den inneren Körperstrukturen im Spektralbereich
zwischen 2 bis 14 Mikrometern erhalten werden können, und dass diese Emissionen
selektiv unter Benutzung thermischer Relaxationstechniken verändert werden
können,
um den thermischen Kontrast zwischen normalen und abnormalen Prozessen
zu verbessern.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches allgemein als System 20 bezeichnet wird,
ist in 1 dargestellt.
Es dient zur Durchführung
von diagnostischen und/oder chirurgischen Unterleibsbehandlungen
bei einem Patienten 19, der auf einem Operationstisch 18 ruht.
Das System 20 weist ein endoskopisches Infrarot- (IR-)
Bilderfassungssystem 22 und ein im sichtbaren Bereich arbeitendes
endoskopisches Bilderfassungsgerät 24 auf.
Das IR-Bilderfassungsgerät 22 weist
ein IR-Endoskop 23 und eine IR-Videokamera 25 auf,
und das im sichtbaren Bereich arbeitende Bilderfassungsgerät 24 weist
ein im sichtbaren Bereich arbeitendes Endoskop 27 und eine
im sichtbaren Bereich arbeitende Videokamera 29 auf.
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Die IR-Videokamera 25 ist
an ein Videosteuergerät 26 angeschlossen,
um genormte NTSC- oder PAL-Videosignale zu erzeugen, und das Videosteuergerät überträgt die genormten
Videosignale einem Videomonitor 28, um die durch die genormten
Videosignale übertragenen
Bilder darzustellen.
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Die im sichtbaren Bereich arbeitende
Videokamera 29, die einen CCD- oder einen Vidicon-Detektor oder
dergleichen aufweisen kann, erzeugt ein Videosignal ebenfalls im
genormten Videoformat und liefert diese einem Signalsteuergerät 30 für die sichtbaren
Signale, der seinerseits die Signale einem Videomonitor 32 überträgt, um die
Bilder sichtbar zu machen, die über
die Videosignale des sichtbaren Bereichs übertragen werden. Die Videosignal-Verarbeitungskomponenten,
die nach der Erfindung benutzt werden, sind von bekannter herkömmlicher
Ausbildung.
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Die Beleuchtung für das im sichtbaren Bereich
arbeitende Endoskop 27 wird über eine sichtbares Licht emittierende
Quelle und ein Steuergerät 34 geliefert.
Vorzugsweise wird das sichtbare Licht über optische Glasfaserkabel
in einer Weise zugeführt,
wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird.
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Das IR-Bilderfassungsgerät 22 und
das Bilderfassungsgerät 24 für sichtbare
Bilder werden in bekannter Weise durch bekannte gelenkige pneumatische
steuerbare Roboterarme 36 bzw. 38 getragen und
beide sind an eine Druckluftquelle und ein Steuergerät 40 angeschlossen,
damit der Benutzer die Endoskope in der erforderlichen Weise führen und
anordnen kann. Die Roboterarme 36 und 38 sind
von der Bauart, wie sie von Leonard Medical Incl, Huntingdon, Pennsylvania,
USA, unter der Marke "The
First Assistant" vertrieben
werden. Die Arme 36 und 38 sind jeweils mit drei
Gelenken versehen, die leicht manipulierbar sind, um jedes endoskopische
Bilderfassungsgerät
zu bewegen und an Ort und Stelle festzulegen, nachdem die gewünschte Perspektive
erreicht ist, oder nachdem die interessierenden Bildfelder visuell
optisch registriert visuell ausgerichtet sind. Zu diesem Zweck sind
die Arme 36 und 38 lösbar am Tisch 18 festgeklemmt
und sie können
durch Hand so betätigt
werden, wie dies für
die jeweilige Bilderfassung notwendig ist.
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Die Videomonitore 28 und 32 können auf
nicht-dargestellten Gelenkarmen montiert sein, die an der Wand derart
befestigt sind, dass sie in zweckmäßiger Weise derart beweglich
sind, dass eine optimale Betrachtung möglich wird. Es ist außerdem klar,
dass jeder Monitor sowohl IR-Bilder als auch sichtbare Bilder über bekannte
Techniken zur Aufspaltung der Schirme wiedergeben kann.
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2 zeigt
verschiedene Bestandteile, die das Bilderfassungsgerät 22 bilden.
Das IR-Endoskop 23 besteht aus einer Objektivlinse 44 zum
Sammeln der von einem interessierenden Objekt ausgehenden Strahlung,
und es wird ein reelles Bild hiervon erzeugt. Es sind drei identische
Relais-Abschnitte 46, 48 und 50 vorgesehen,
um das reale Bild in eine Zwischenbildebene zu überführen, die in der Nähe des proximalen
Endes des Endoskops liegt, und es ist eine Koppellinse 52 vorgesehen,
um das Bild der Zwischenbildebene auf einem IR-Detektor 53 abzubilden.
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Die IR-Videokamera 25, die
den IR-Detektor 53 enthält,
ist mechanisch verbunden und optisch auf das IR-Endoskop 23 über einen
Adapter 42 ausgerichtet, der auch als Wärmebegrenzung dient, weil er
integrierte Merkmale für
diesen Zweck besitzt, wie dies später beschrieben wird.
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Die Kamera 25 weist auch
eine Kältebegrenzung 54 auf,
um unerwünschte
thermische Streustrahlung auszuschließen, die sonst die Qualität des IR-Bildes
beeinträchtigen
könnte,
und so wird das Rauschverhältnis des
Systems herabgesetzt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sämtliche
Elemente des optischen Pfades brechende Elemente aus Germanium.
Diese Elemente von Objektiv 44 und Relais-Abschnitten 46, 48 und 50 sind
in bekannter Weise in einem langgestreckten Rohr 58 geeigneter
Länge untergebracht,
und die Elemente, die die Koppellinse enthalten, sind wiederum in
bekannter Weise in einer Hülse 60 untergebracht,
die in eine entsprechende Durchgangsbohrung im Adapter 42 einpasst.
Das Rohr 58 ist an der Hülse 60 festgelegt
und der Adapter 42 gleitet in eine weitere Hülse 62 und
ist in dieser festgelegt, die sich vor der Kamera 25 erstreckt
und den Adapter 42 aufnimmt und dessen Lage gegenüber dem
IR-Detektor 53 und dem Kaltanschlag 54 bildet.
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Das IR-Endoskop hat eine gesamte
Pfadlänge
von 461,73 mm und sein Halbfeldwinkel beträgt 34° und sein Arbeits f/# beträgt 5,72,
wobei der Durchmesser des Rohres 58 10 mm beträgt, so dass
das IR-Endoskop 23 in einer Normkanülenöffnung einpasst.
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Wie am besten aus 3 ersichtlich, weist das Objektiv 44 sieben
Elemente auf, nämlich
einen negativen Meniskus 70, eine dicke positive Doppelkonvexlinse 72,
eine Positivlinse 74, eine Negativlinse 76, einen positiven
Meniskus 78, eine Positivlinse 80 und eine leicht
positive Stablinse 82. Die Oberflächen 3 bis 16 ergeben
sich aus der folgenden Tabelle 1.
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Nunmehr wird auf 4 Bezug genommen, die einen typischen
Relais-Abschnitt der Erfindung zeigt. Sämtliche Elemente eines jeden
Relais sind identisch jenen gemäß 4. Drei Relais werden benutzt,
um die gewünschte
Länge zu
erreichen. Eine ungerade Zahl von Relais liefert ein aufrechtes
Bild in der Zwischenebene, obgleich irgendeine Anzahl in Verbindung
mit Bildorientierungsmitteln benutzt werden kann, die in Verbindung
mit Bildaufrichtmitteln Anwendung finden können, beispielsweise eine entsprechende
Orientierung bezüglich
der Kamera oder über
andere Mittel, z. B. Umkehrspiegel.
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Wie aus 4 ersichtlich, besteht ein typischer
Relais-Abschnitt aus einem plankonvexen Element 86, einem
Meniskus 88, einem Stab 90, einem plankonvexen
Element 92, einem konvexplanen Element 94, einem Stab 96,
einem Meniskus 98 und einem konvexplanen Element 100.
Die Relais-Abschnitte sind symmetrisch um die Öffnungsblende des IR-Endoskops 23 herum
angeordnet, die zwischen den Elementen 92 und 94 in 4 liegt. Physikalisch ist
die Öffnungsblende
eine reelle Blende aus gering durchlässigem Material, vorzugsweise
aus poliertem Aluminium, die vorzugsweise mit Gold überzogen
ist, und das Bild der Öffnungsblende
ist die reale Eintrittsapertur 102, die in der hinteren
gekrümmten
Oberfläche 104 des
Adapters 42 liegt. Diese ist kurz vor dem IR-Detektor 53 (2) angeordnet. Die Öffnungsblende
könnte
auch aus irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen, das mit
Gold überzogen
ist.
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Die Apertur 102 ist auf
diese Weise im Adapter 42 angeordnet, der teilweise als
Wärmeanschlag
an der konjugierenden der IR-Endoskop-Öffnungsblende liegt, so dass
sie die kleinste Öffnung
für den
Eintritt thermischer Streustrahlung in das IR-Detektorsystem der Kamera 25 bildet.
Die verschiedenen Oberflächen der
Elemente eines typischen Relais sind in der folgenden Tabelle als
Oberflächen 16 bis 31 bezeichnet.
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Nunmehr wird auf 5 Bezug genommen. Hier sind die Elemente
der Videokoppellinse 52 angegeben. Die Zwischenbildebene
befindet sich bei der umschriebenen Zahl 62. Die Linse 52 selbst
besteht aus einem negativen Element 110, einem positiven
Element 112, einem dicken negativen Element 114,
einem positiven Element 116 und schließlich erfolgt eine Abbildung
bei 118, wo der IR-Detektor 53 angeordnet
ist. Die folgende Tabelle gibt die Konstruktionsdaten für das IR-Endoskop 23 wieder,
wobei die Abmessungen in mm angegeben sind. In dieser Tabelle wiederholen
die Oberflächen 31 bis 60 einfach
die Konstruktionsdaten der Oberflächen 16 bis 31 für einen
typischen Relais-Abschnitt, wie dies in 4 dargestellt ist.
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Nunmehr wird auf 6 Bezug genommen. Hier ist im Einzelnen
der Adapter 42 mit seinem integralen Wärmeanschlag zusammen mit dem
Detektor 53 und der IR-Videokamera
dargestellt. Wie oben erwähnt,
ist eine reelle (physikalische) Apertur 102 physikalisch
am Bild der Öffnungsblende
des IR-Endoskops 23 angeordnet und wirkt als solche zur
Begrenzung der Streuung oder der unerwünschten thermischen Strahlung,
die in das Detektorsystem der Kamera 25 eindringen könnte. Um
weiter die thermische Streustrahlung zu eliminieren, ist die Kamera 25 mit
einem Kaltanschlag 54 versehen, um thermische Streustrahlung
abzuhalten, die in das Detektorsystem eindringen und eine Signalverschlechterung
bewirken könnte.
Daher ist die rückwärtige Oberfläche des
Adapters 42 so gestaltet, dass der Detektor 53 auf
sich selbst reflektiert wird, so dass jede Streustrahlung, die im
Detektorhohlraum auftrifft und den Weg in das Sichtfeld des Detektors 53 findet,
welches definiert ist in Konjunktion mit der Apertur 102,
entweder direkt durch den Kaltanschlag 54 absorbiert wird oder
dadurch absorbiert wird, nachdem eine Reflexion oder mehrere Reflexionen
auf den Kaltanschlag 54 erfolgt sind. Vorzugsweise ist
der Detektor 53 in einer Ebene angeordnet, die die optische
Achse des Krümmungsmittelpunktes
der Oberfläche 104 schneidet.
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Wenn ein Wärmeanschlag nicht benutzt wird,
dann sind Sichtfeld und f/# der Kamera exakt jenem des IR-Endoskops
angepasst, und zwar innerhalb von Toleranzen, sodass nur die gewünschte Strahlung
durch die Kamera gesammelt wird und jede Streustrahlung direkt durch
den Kaltanschlag der Kamera absorbiert wird. Hier wäre der Kaltanschlag
an der Öffnungsblende.
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Die oben angegebenen Konstruktionsdaten
wurden optimiert hinsichtlich einer Bildqualität mit 5 Mikrometern, aber wegen
der geringen chromatischen Dispersion und dem flachen Index des
Brechungsprofils für Germanium
ist eine Bildqualität über dem
Bereich zwischen 2 und 14 μm
in gleicher Weise akzeptabel, sodass das erfindungsgemäße IR-Endoskop
für diesen
ausgewählten
Bereich benutzbar ist.
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Die IR-Videokamera 25 ist
so leicht wie möglich
und zu diesem Zweck ist nur ein Vorverstärker 56 mit der meisten
Signalverstärkung
vorgesehen und die Steuerung findet an einem entfernt angeordneten
Steuergerät 26 statt.
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Eine IR-Videokamera und ein Steuergerät, die in
diesem Zusammenhang benutzbar sind, werden vertrieben von Amber
Corporation, Raytheon Company of Goleta, Kalifornien, USA, unter
dem Markennamen RADIANCEI. Diese Kamera hat einen Indiumantimonid-
(InSb-) Detektor mit 256 × 256
Bildelementen und eine spektrale Bandbreite zwischen 3 und 5 μm.
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Nunmehr wird auf 7 Bezug genommen, die ein im sichtbaren
Bereich 7 arbeitendes Endoskop 24 zeigt. Dieses
weist ein Objektiv auf, das zwei symmetrisch angeordnete plankonvexe
Elemente 120 bzw. 122 besitzt, die ein Bild auf
oder in der Nähe
eines kohärenten
faseroptischen Bündels 24 erzeugen,
das das Bild nach dem proximalen Ende des Endoskops überträgt, wo es
durch eine Videokoppellinse auf ein CCD 130 abgebildet
wird. Die Videokoppellinse umfasst ein Singlet 126, dem
ein Doublet 120 folgt. Sämtliche Elemente des im Sichtbereich
arbeitenden Endoskops 24 sind von bekannter Ausbildung.
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Die Beleuchtung erfolgt über ein
Faserbündel 134,
das sichtbares Licht über
die Quelle und das Steuergerät 34 empfängt und
dieses über
den Betrachtungskanal nach dem distalen Ende überträgt, um die inneren Körperstrukturen
sichtbar zu machen.
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Längs
des Beleuchtungssystems oder koaxial zu diesem befindet sich ein
Bewässerungskanal 134, der
benutzt werden kann, um Kühllösungen nach
der zu beobachtenden Innenseite zu überführen und um einen verbesserten
thermischen Kontrast jener Bereiche herbeizuführen, wie dies noch beschrieben
wird.
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Das endoskopische Abbildungssystem
gemäß der Erfindung,
das auf diese Weise ausgebildet ist, erlaubt die Betrachtung sonst
unsichtbarer Gegebenheiten innerer Körperstrukturen über die
Detektorstrahlung, die im Infrarotbereich des Spektrums zwischen
2 und 14 μm
liegen kann. Wenn man 8 betrachtet
zeigt es sich, dass der menschlicher Körper, der als schwarzer Körper bei
37,4°C (98,6°F) (Kurve 150)
betrachtet wird, eine Strahlungskurve hat, die zwischen 2 und 20 μm emittiert,
wobei die höchsten
Emissionen zwischen 4 bis 15 μm
auftreten.
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Infolgedessen hat sich der Bereich
der emittierten Energie als ausreichend zur Bilderzeugung selbst für ein Endoskop
erwiesen. Außerdem
hat sich gezeigt, dass sogar unterschiedliche Körperstrukturen mit der gleichen
Temperatur eine unterschiedliche Abbildung bewirken, weil sie unterschiedliche
thermische Emissionen besitzen. Infolgedessen ist das erfindungsgemäße System
in der Lage, die detektierten IR-Emissionen als Bilder zuzuordnen,
die bezüglich
Differenzen in ihrem Grauwert (monochromatisch) oder Farben (aus
vorgewählten
Farbumfängen) codiert
sind, um unterschiedliche Diagnosen durchführen zu können, die eine Anzeige zwischen
normal und abnormal ermöglichen.
Zusätzlich
hat sich gezeigt, dass die Zufügung
von Kühllösungen nach
den interessierenden Stellen die Temperatur an jener Stelle wenigstens
zeitweise unterdrückt,
so dass die Emissionen etwa wie die Kurve 152 in 8 aussehen können, was
für einen
schwarzen Körper
bei 20°C (68°F) oder bei
Raumtemperatur der Fall ist. Da eine Stelle, die zeitweise auf Raumtemperatur
abgekühlt
wurde, sich graduell aufwärmt,
d. h. sich der thermischen Gleichgewichtslage mit der Umgebung angleicht,
d. h. hier an die Körpertemperatur
angleicht, so geschieht dies zwar, aber mit unterschiedlichen Raten
entsprechend der thermischen Eigenschaften der unterschiedlichen
Strukturen der Zusammensetzung. Daher werden unterschiedliche thermische
Energiemengen emittiert, und diese können in Form von Bildern detektiert
werden. Dieses Phänomen
kann ausgewertet werden, da im typischen Fall eine differentielle
Wärmeemission
in einem Bereich erzeugt wird, der zeitweise abgekühlt wurde,
wie dies die Kurve 154 in 8 zeigt,
und diese Kurve 154 zeigt die Differenz in der thermischen
Energie zwischen den Kurven 150 und 152.
-
Gemäß einem besonders wichtigen
Umstand können
die vorstehenden Beobachtungen in günstiger Weise praktiziert werden,
um ein wesentliches Problem zu lösen,
das häufig
in Verbindung mit der Entfernung von Gallenblasen entsteht. Wie
bekannt, verbindet der Gallenkanal die Gallenblase mit dem gemeinsamen Gallengang,
der wiederum nach dem Zwölffingerdarm
führt.
Während
einer laparoskopischen Cholezystektomie wird eine kranke Gallenblase
herausgeschnitten und aus dem Körper
entfernt. Bei 3 bis 5% der Patienten, die eine kranke Gallenblase
aufweisen, sind Steine nicht nur in der Gallenblase, sondern auch
im Gallenkanal oder in der Nähe
des Sphinkters vorhanden, der den Gallenkanal mit dem gemeinsamen
Gallengang verbindet. In diesem Sphinkter zurückbleibende Steine können nach
der Operation dem Patienten Schmerzen bereiten und eine darauftolgende
chirurgische Entfernung erfordern. Nach dem gegenwärtigen Stand
der Technik wird, um diese Schmerzen zu vermeiden, ein Cholangiogramm
während
der Cholezystektomie eingeführt.
Das Cholangiogramm benutzt ein Fluoroskop, um die vorhandenen Steine
sichtbar zu machen. Wenn ein Stein durch das Cholangiogramm sichtbar
wird, dann muss eine zweite Prozedur durchgeführt werden, bei der ein Schlitz
durch den Gallenkanal geführt
wird. Es wird dann ein flexibles Endoskop durch diesen Schlitz eingeführt, um
die enthaltenen Steine zu beobachten. In einem Arbeitskanal innerhalb
des flexiblen Endoskops wird eine Greifpinzette eingeführt, um
die aufgefundenen Steine zu entfernen. Das flexible Endoskop hat
einen Durchmesser (~ 2 mm), der klein genug ist, um die Einführung in
den Gallenkanal zu ermöglichen,
der einen Durchmesser von etwa 6 mm hat.
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Diese zweite Prozedur hat den Nachteil,
dass es sehr zeitaufwendig und kostspielig ist, die Cholezystektomie
zu unterbrechen und das Fluoroskop und den Techniker bereitzustellen.
Außerdem
ist es nicht zweckmäßig, im
Operationssaal das Personal der Strahlung auszusetzen, die zur Durchführung der
Fluoroskopie notwendig ist. Tatsächlich
wird in etwa 80% der gegenwärtig
behandelten laparoskopischen Cholezystektomien das Cholangiogramm
ausgelassen und der Patient wird der Gefahr ausgesetzt, dass Steine
im Gallenkanal verbleiben, wodurch weitere Komplikationen entstehen
können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Diagnose nach verbleibenden Steinen im Gallenkanal unter
Benutzung der Infrarotlaparoskopie durchgeführt. Die gewöhnliche
visuelle Laparoskop kann zeitweise durch ein Infrarotlaparoskop
ersetzt werden, das etwa den gleichen Durchmesser hat, so dass es
durch dieselbe Kanüle
wie das visuelle Laparoskop eingeführt werden kann oder das IR-Laparoskop kann zwei
optische Kanäle
aufweisen, von denen einer ein Bild liefert, das die sichtbare Streubeleuchtung
benutzt und der andere Kanal ein Bild liefert, das die IR-Selbststrahlung
vom Körper
benutzt. Gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
kann ein einziger optischer Kanal benutzt werden, um sowohl sichtbare
Bilder als auch IR-Bilder zu erzeugen, wobei ein Strahlteiler benutzt
wird. Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
werden keine Betriebskanäle
benutzt, da es zweckmäßig ist,
eine größere Parallaxe
unter Benutzung eines nichtdargestellten Hilfsbetriebskanals zu
benutzen.
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Der optische Kanal, der die das sichtbare
Licht verarbeitende Optik enthält,
benutzt herkömmliche
Linsen wie jene, die in kommerziell vertügbaren Instrumenten vorhanden
sind und von zahlreichen Herstellern geliefert werden, einschließlich Circon/ACMI,
Storz, Wolf und andere. Der optische Kanal für sichtbares Licht benutzt
einen herkömmlichen
Videosensor, der ebenfalls von den erwähnten Betrieben verfügbar ist.
Der optische Kanal, der die das Infrarotlicht verarbeitende Optik
enthält,
benutzt Materialien, die in dem Infrarotteil des Spektrums durchlässig sind.
Der optische IR-Lichtkanal kann einen von zwei Typen von Infrarotvideosensoren benutzen.
Die erste Type (Indiumantimonid) hat eine relativ hohe Auflösung und
eine höchste
Auflösung
bei etwa 5 μm.
Ein zweiter Typus HgCdTe hat eine relativ schlechte Auflösung, ist
aber im 8–10-μm-Bereich
sehr empfindlich, was in der Nähe
der Spitze der Emissionskurve eines schwarzen Körpers liegt, entsprechend dem menschlichen
Körper.
Außerdem
und vorteilhafterweise benutzt dieses Verfahren zwei getrennte Endoskope der
beschriebenen Art.
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Das Prinzip, auf dem das in diesem
Fall benutzte IR-Laparoskop arbeitet, hat eine unterschiedliche thermische
Relaxation. Der interessierende Bereich wird mit einer auf Raumtemperatur
stehenden sterilen Salzlösung
oder einer Ringer-Lösung
gespült.
Nach Berührung
mit dem interessierenden Bereich (dies kann den allgemeinen Bereich
des Gallenkanals und Sphinkter bis zu dem gemeinsamen Gallengang
umfassen) findet eine unmittelbare Kühlung der gespülten Stelle
statt. Diese Bewässerung
kann auch wie gewöhnlich
unter Benutzung eines sterilen Flüssigkeitsspenders durchgeführt werden,
wie dieser beispielsweise von C. R. Bard, Johnson & Johnson und U.S.
Surgical Corporation hergestellt wird. Diese Raumtemperaturspülung liefert
ein Temperaturdifferential von ungefähr 13,9°C (25°F), verglichen mit der Körpertemperatur
des umgebenden Gewebes. Da sich der Bereich auf die Umgebungsgewebetemperatur
zurückerwärmt, können etwa
zurückgebliebene
Steine betrachtet werden, weil deren Temperatur sich mit einer unterschiedlichen
Rate im Vergleich mit der des Gallenkanals erwärmt. Dies wird unter Bezugnahme
auf 9 veranschaulicht,
wo die Kurven 156 und 158 unterschiedliche Raten
erkennen lassen, unter denen der Gallenkanal und die zurückgebliebenen
Steine in ihren thermischen Gleichgewichtszustand zurückkehren.
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Wenn die Zeit fortschreitet, dann
erreicht der Kontrast zwischen den zurückgehaltenen Steinen und dem
Gallenkanal ein Maximum (vergleiche 9),
und dann erfolgt ein Absinken der Temperatur sowohl der vorhandenen
Steine als auch des Gallenkanals bis zurück auf die Körpertemperatur.
Zusätzlich
zur Diagnose zurückgebliebener
Steine im Gallenkanal gibt es andere endoskopische Prozeduren, die
durch eine ähnliche Infrarottechnik
verbessert werden können,
wie diese oben beschrieben wurde. Diese Diagnosen umfassen: eine
Diagnose von Flüssigkeitsansammlungen
oder Tumoren im Unterleibsbereich und die Diagnose von mit Sauerstoff
angereicherten oder vaskulären
Tumoren. Außerdem
erscheint eine Diagnose einer Knorpelnekrose in den Gelenken des
Körpers
möglich.
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10 veranschaulicht,
wie ein Infrarotbild erscheinen kann. Es wird gezeigt, dass Instrumente,
beispielsweise Klammern, benutzt werden können, um abnormale Stellen
im IR-Bild zu identifizieren oder zu markieren, die dann leichter über das
sichtbare Bild behandelt werden können.
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Eine alternative Version eines IR-Endoskops,
welches geeignet ist zur Durchführung
der Erfindung zeigt 11.
Diese Version, die allgemein mit 159 bezeichnet ist, besteht
aus einer Germanium-Objektivlinse 160, einem Relais, bestehend
aus Germanium-Linsen 162 und 164, einer Silizium-Videokopplerlinse 166 und einem
Warmanschlag/Adapter 168, der im Prinzip ähnlich wie
oben beschrieben ausgebildet ist.
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Die konstruktiven Daten für das IR-Endoskop
159,
das asphärische
Oberflächen
aufweist, ergeben sich aus der folgenden Aufstellung, wobei die
umschriebenen Nummern in
11 den
Oberflächen
entsprechen, die in den tabellarischen Daten wie folgt angegeben
sind: Allgemeine
Linsendaten:
| Oberflächen | 13 |
| Blenden | 6 |
| Systemapertur | Durchmesser
Eintrittspupille |
| Strahlausrichtung | Auf
Pupillenverschiebung = 0 |
| Gauß'scher Faktor | 0,000000 |
| Eff.
Brennweite | 6,61067 |
| Gesamtnachführung | 144,16 |
| Bildraum-F/# | 9,72158 |
| Betriebs-F/# | 10,787 |
| Objektraum
N.A. | 0,0185359 |
| Blendenradius | –0,35032 |
| Parax.
Bildhöhe | 5,00554 |
| Parax.
Größe | –0,404643 |
| Eintr.pup.
Durchm. | 0,68 |
| Eintr.pup.
Pos. | –6,66032 |
| Eintr.pup.
Durchm. | 2,24468 |
| Eintr.pup.
Pos. | –22,7945 |
| Maximales
Feld | 34 |
| Primärwelle | 4,000000 |
| Linseneinheiten | Millimeter |
| Winkelgröße | 0,302939 |
| Koeff.
bei r 14 | 0 |
| Koeff.
bei r 16 | 0 |
| Oberfläche 3 | Standard |
| Apertur | kreisrunde
Apertur |
| Minimaler
Radius | 0 |
| Maximaler
Radius | 3,6 |
| Oberfläche 4 | plan/asphärisch |
| Koeff.
bei r 2 | –5,8285e-005 |
| Koeff.
bei r 4 | 2,2963e-007 |
| Koeff.
bei r 6 | –1,5706e-009 |
| Koeff.
bei r 8 | 0 |
| Koeff.
bei r 10 | 0 |
| Koeff.
bei r 12 | 0 |
| Koeff.
bei r 14 | 0 |
| Koeff.
bei r 16 | 0 |
| Oberfläche 5 | Standard |
| Oberfläche STO | Standard |
| Oberfläche 7 | Standard |
| Oberfläche 8 | plan/asphärisch |
| Koeff.
bei r 2 | 5,8285e-005 |
| Koeff.
bei r 4 | –2,2963e-007 |
| Koeff.
bei r 6 | 1,5706e-009 |
| Koeff.
bei r 8 | 0 |
| Koeff.
bei r 10 | 0 |
| Koeff.
bei r 12 | 0 |
| Koeff.
bei r 14 | 0 |
| Koeff.
bei r 16 | 0 |
| Oberfläche 9 | Standard |
| Oberfläche 10 | Standard |
| Oberfläche 11 | Standard |
| Oberfläche 12 | Standard |
| Apertur | Kreisapertur |
| Minimaler
Radius | 0 |
| Maximaler
Radius | 2,2 |
| Oberfläche IMA | Standard |
-
Im Folgenden wird auf die 12 und 13 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel 180 gemäß der Erfindung
zeigen, bei dem ein IR-Endoskop 182 und ein Endoskop 184 für sichtbares
Licht in einem gemeinsamen Rohr 186 derart untergebracht
sind, dass sie koaxial ausgerichtet sind und überlappende Ansichten gemeinsamer
Felder liefern, die IR-Bilder und sichtbare Bilder repräsentieren.
Die überlappenden
Bilder enthalten natürlich
gemeinsame Merkmale, die im Wesentlichen flächengleich sind. Hier kann
der Kanal für sichtbares
Licht im Durchmesser wesentlich kleiner gewählt werden als der IR-Kanal, sodass die
beiden Kanäle
immer noch in einer Kanüle
mit Normabmessungen bis zu 15 mm benutzt werden kann.
-
Dem Fachmann sind weitere Änderungen
der Erfindung geläufig.
Abgesehen von medizinischen Anwendungen sind Umstände möglich, unter
denen das erfindungsgemäße System
für industrielle
Anwendungen in Frage kommt. Außerdem
ist es für
den Fachmann klar, dass die im System enthaltenen Linsen aus ZnSe,
ZnSu, Irtran I und II und CaFI hergestellt werden können.
