FR2876267A1 - Tete de camera endoscopique - Google Patents

Abstract

Une tête de caméra endoscopique comprend une partie photodétection (110) et un objectif (120) à parties non mobiles et comprenant au moins une lentille liquide (122) accordable électriquement. Elle est de préférence intégrée dans un boîtier monolithique.

Description

TETE DE CAMERA ENDOSCOPIQUE

La présente invention concerne une tête de caméra endoscopique, applicable notamment à des endoscopes utilisés dans le domaine médical, en particulier pour mener des opérations chirurgicales ou thérapeutiques.

Un endoscope est un appareil optique qui permet de réaliser des observations dans des zones confinées, typiquement à l'intérieur d'une cavité. II comprend dans sa forme la plus générale, un tube muni d'une optique et une source de lumière qui fournit l'éclairement nécessaire pour réaliser l'observation. l'extrémité distale du tube est insérée dans la cavité 1 o pour réaliser l'observation. Un dispositif d'imagerie placé à l'extrémité proximale du tube permet à un opérateur de voir l'intérieur de la cavité.

Dans l'invention, on s'intéresse plus particulièrement à des endoscopes qui utilisent comme dispositif d'imagerie une caméra permettant de visionner l'image de la scène observée, sur des moniteurs vidéo, ou de l'enregistrer. Une caméra comporte une tête de caméra endoscopique, montée sur l'extrémité proximale de l'endoscope et un dispositif de traitement de signal CT qui reçoit les signaux délivrés par la tête de caméra, et qui délivre en sortie des signaux électroniques envoyés vers un ou des dispositifs d'affichage ou d'enregistrement d'images.

Selon l'état de l'art, et comme représenté schématiquement sur la figure 1, une tête 1 de caméra endoscopique comprend principalement une partie imagerie 10 et un coupleur 20 comportant un objectif 21. La partie imagerie comprend un dispositif de photodétection 11 et un dispositif de traitement de signal de proximité 12, qui fournit en sortie les signaux électroniques vers un dispositif externe 3 d'affichage et/ou d'enregistrement. L'objectif permet la reprise d'image et la focalisation sur le dispositif de photodétection 11 de la tête de caméra.

Le dispositif de photodétection 11 comporte habituellement au moins un capteur couleur. II peut en comporter trois, un pour le rouge, un pour le vert et un pour le bleu, associés à un prisme séparateur.

La tête de caméra peut être équipée de touches de réglage simplifié (non représenté), par exemple pour le réglage des gains ou la balance des blancs ou toute autre fonction. Un dispositif externe de commande et configuration automatique de la tête caméra peut être prévu, qui permet de paramétrer automatiquement les boutons de la tête de caméra aux moyens de menus et d'options pré-programmés, en fonction du contexte d'utilisation. De tels dispositifs sont connus qui permettent de régler tout un panel de paramètres en fonction de l'environnement évolutif de l'endoscope. Notamment un tel dispositif est décrit dans le brevet français ayant pour titre "Caméra numérique et procédé de commande numérique associé" et publié sous le numéro 2 787 275. En pratique, le dispositif de traitement CT illustré sur la figure 1 met avantageusement en oeuvre de telles fonctionnalités.

1 o Une fonction habituelle de l'objectif est de permettre la mise au point de l'image dans le plan de capture du photodétecteur de la tête de caméra.

En effet, en mode opératoire, par exemple pendant une opération chirurgicale, le chirurgien ou un assistant est amené régulièrement à déplacer l'endoscope, et doit donc à chaque fois changer la mise au point de l'image. En particulier, la zone de travail dans laquelle se trouve l'extrémité distale de l'endoscope ainsi que les autres instruments de chirurgie est une zone très petite, d'un volume de quelques centimètres cubes. Le chirurgien est amené à varier fréquemment la position de l'endoscope pour avoir une bonne perception du champ opératoire. En rapprochant l'extrémité distale de l'endoscope de la zone de travail, il aura une très bonne définition des détails et une grande précision du geste opératoire, alors qu'en l'éloignant, il aura un champ élargi nécessaire au repositionnement des instruments ou au repérage des organes. A chaque fois, la mise au point doit être refaite.

A ces fins, l'objectif comprend habituellement une combinaison optique, typiquement 3 à 5 lentilles, avec des parties mobiles dont le déplacement permet la mise au point de l'image capturée par le dispositif de photodétection. Ces parties mobiles sont prévues pour être déplacées le long de l'axe optique XX' de l'endoscope, par un actionneur externe, typiquement une bague mobile 22, montée autour de l'objectif, et dont la rotation entraîne le mouvement axial des parties mobiles de l'objectif. On peut aussi avoir un actionneur du type à translation.

Des moyens mécaniques sont en outre prévus pour ancrer de façon sûre la tête de caméra à l'endoscope.

Pour des applications médicales, les différentes parties de l'endoscope sont soumises à des traitements sévères de stérilisation, comprenant un trempage dans des solutions antiseptiques, et/ou des traitements en autoclave, c'est à dire à haute température.

Selon l'état de l'art, une tête de caméra endoscopique 1 se présente ainsi habituellement en deux parties séparées: la partie imagerie 10 comprenant les dispositifs 11 et 12 de photodétection et de traitement de signal associé, et une partie coupleur opto-mécanique 20. Selon l'état de l'art, ce coupleur 20 comprend l'objectif 21 avec des parties mobiles, dont le mouvement axial est actionné par la bague mobile 22 disposée sur le coupleur 20, et assure l'accrochage mécanique et le centrage optique entre l'endoscope et la partie imagerie 10 par des moyens adaptés. De façon courante, on a ainsi: -un connecteur de type monture C entre la partie imagerie 10 et le 15 coupleur 20; -un système mécanique classique (non représenté) permettant l'accrochage et le centrage mécanique de l'endoscope 2 sur le coupleur 20.

Pour assurer l'étanchéité des différentes parties de la tête de caméra, des joints toriques sont généralement utilisés. Comme illustré sur la figure 1, on a ainsi 3 joints toriques: les joints dynamiques J1, J2, pour assurer l'étanchéité entre la bague 22 et le coupleur 20 pendant le déplacement de la bague; le joint statique J3 associé à la monture C, qui préserve un espace clos étanche entre la partie imagerie 10 et le coupleur 20. Par ailleurs, selon l'état de l'art, dans le cas où des touches de réglage sont prévues sur la tête de caméra, ces touches sont de type étanche.

Enfin, pour assurer la transmission de la lumière, la partie imagerie 10 est pourvue d'une fenêtre optique étanche w1 et le coupleur 20 est pourvu de deux fenêtres optiques étanches w2 et w3. En opérationnel, lorsque la tête de caméra est montée sur l'endoscope, le centrage mécanique permet d'aligner les trois fenêtres, suivant l'axe optique XX', en sorte que la lumière transmise par l'extrémité distale de l'endoscope arrive sur le dispositif de photodétection 11. En pratique, il peut être nécessaire d'appliquer un traitement dichroïque anti-reflet sur les fenêtres w1 à w3.

Une tête de caméra endoscopique selon l'état de l'art présente différents inconvénients.

Un premier inconvénient concerne la mise au point, qui est une opération délicate. Notamment la tête de caméra est souvent insérée dans une housse stérile, ce qui ne facilite pas la préhension de la bague de mise au point. Il est difficile de faire cette opération d'une seule main. Par ailleurs, le sens de rotation à utiliser pour faire une mise au point n'est pas intuitif et il y a toujours un tâtonnement dans la recherche de la meilleure position. Aussi, la mise au point demande à l'opérateur du temps et de la concentration, ce qui est un inconvénient, car il contribue à allonger le temps opératoire et par ailleurs détourne l'attention de l'acte opératoire.

Un deuxième inconvénient est relatif à la mécanique de déplacement des pièces mobiles de l'objectif, dont les problèmes de grippage, et d'étanchéité nécessitent une maintenance suivie, et donc des temps d'immobilisation de l'appareil à prévoir.

Un autre inconvénient est lié aux traitements de décontamination et de stérilisation. Habituellement, les réglementations en la matière prévoient des temps bien précis de trempage, mais en pratique, ces temps de trempage peuvent être plus longs. Les solutions utilisées sont agressives pour les matières organiques, ce qui entraîne une usure rapide des joints. En outre, il est habituellement préféré de ne pas désolidariser la partie photodétection et la partie coupleur, pour réduire les manipulations sur ces appareils et éviter le problème du séchage des fenêtres w1 et w2 qui n'est pas aisé, car un mauvais séchage ne se verra que par l'opérateur, au moment de l'utilisation de l'endoscope (buée). Cependant il peut arriver que le connecteur de type monture C soit desserré. Lors du trempage, on a alors une infiltration de liquide, qui nécessite un temps de séchage supplémentaire. En outre, ce n'est qu'au moment de l'utilisation, après remontage de la tête de caméra sur l'endoscope, qu'un opérateur va s'apercevoir de ce défaut (buée sur les fenêtres). Cela entraîne des manipulations et une perte de temps supplémentaires.

Enfin, pour supporter des traitements de stérilisation en autoclave, les deux parties photodétection 10 et coupleur 20 de la tête de caméra sont construites et assemblées selon des schémas bien particuliers, pour que lors d'un traitement en autoclave aucune vapeur d'eau ou autres ne perturbe la fonction imagerie optique. Il s'ensuit un surcoût du matériel.

Un objet de l'invention est de proposer une tête de caméra 5 endoscopique qui ne présente pas tous ses inconvénients.

L'idée à la base de l'invention, est de supprimer les parties mobiles de l'objectif et d'utiliser au moins une lentille liquide accordable électriquement, pour réaliser la mise au point. On remplace ainsi les moyens mécano-optiques de mise au point, par des moyens électro-optiques. De cette façon les actionneurs mécaniques externes (bagues) sont supprimés, et avec eux, les joints et problème d'étanchéité associés, ainsi que les problèmes mécaniques spécifiques associés aux pièces mobiles: grippage ou mauvais fonctionnement. On obtient une tête de caméra beaucoup plus robuste, avec une maintenance réduite, ce qui est un avantage certain pour des appareils destinés à une utilisation intensive en milieu hospitalier (réduction du nombre d'appareils et des coûts de maintenance). Le poids de la tête de caméra est aussi réduit, ce qui est très appréciable pour des endoscopes manipulés manuellement.

L'objectif comprend alors une combinaison optique qui assure la fonction de reprise d'image adaptée au plan de capture du photodétecteur 11 de la tête de caméra, et au moins une lentille liquide accordable électriquement, placée devant, ou derrière.

Avantageusement, la ou les lentilles liquides sont intégrées à la combinaison optique, réduisant ainsi le coût optique de l'objectif (nombre 25 d'éléments), et favorisant sa miniaturisation (encombrement).

Selon un autre aspect de l'invention, la mise au point se fait manuellement, par exemple, au moyen d'un touche externe prévue pour commander la tension appliquée sur la lentille (ou sur les lentilles), et d'un dispositif électrique adapté prévu dans le coupleur, par exemple un potentiomètre disposée sur la tête de caméra, du type étanche, associé à une alimentation interne à l'objectif (batterie). On peut aussi prévoir une touche de commande étanche (au moins une), associée à un dispositif de commande en tension prévu dans le coupleur.

Un perfectionnement de l'invention comprend une possibilité de 35 mise au point automatique, pilotée par les moyens de traitement de signal de la tête de caméra. Cette mise au point automatique peut être commandée par une touche prévue sur la tête de caméra, ou selon un mode déporté, sur le dispositif externe CT, par exemple un dispositif externe permettant la commande et la configuration de la caméra comme décrit dans le brevet français N 2 787 275 précité.

Selon un autre aspect de l'invention, la tête de caméra est intégrée dans un boîtier monolithique. En effet, la disparition des parties mobiles de l'objectif et des moyens mécaniques de déplacement associés, permet d'envisager l'intégration de l'objectif dans le même boîtier que le 1 o photodétecteur. Une telle intégration permet avantageusement de supprimer la monture C et son joint torique J3, et de réduire le nombre de traversées optiques à prévoir: une seule traversée optique est alors nécessaire, avec un seul traitement dichroïque associé. La qualité optique de la transmission, et donc la sensibilité de la caméra en bas niveau de lumière, sont améliorées. Le coût de la tête de caméra est aussi réduit. Notamment, l'intégration monolithique, et la réduction des interfaces posant des problèmes d'étanchéité facilitent et réduisent les coûts de la construction et l'assemblage nécessaires à rendre la tête de caméra autoclavable. En effet, selon l'état de l'art il fallait que chacune des deux parties de la tête de caméra, coupleur 20 et imagerie 10, soit conçue de manière adaptée pour être chacune autoclavable.

Ainsi, telle que caractérisée, l'invention concerne une tête de caméra endoscopique comprenant une imagerie et un objectif. Selon l'invention, ledit objectif est à parties non mobiles et comprend au moins une lentille liquide accordable électriquement.

Selon un aspect de l'invention, la tête de caméra comprend des moyens permettant la mise au point en mode manuel ou automatique, de façon intégrée ou déportée.

Selon un aspect de l'invention, la tête de caméra est intégrée dans 30 un boîtier monolithique.

Selon un autre aspect de l'invention, la tête de caméra est réalisée sous forme miniature et intégrée à l'extrémité distale d'un endoscope.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront 35 plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels: -la figure 1 déjà décrite illustre un système endoscopique comprenant une tête de caméra selon l'état de l'art; -la figure 2a illustre une architecture d'une tête de caméra selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2b est une variante de la figure 2a; - la figure 3 illustre une architecture d'une tête de caméra selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; -la figure 4 illustre un endoscope muni d'une tête de caméra selon l'invention, miniaturisée.

Un premier mode de réalisation d'une tête de caméra selon l'invention est représenté sur la figure 2a.

La tête de caméra 100 comprend une partie photodétection 110 et une partie coupleur 130. La partie photodétection est semblable à celle déjà décrite en relation avec la figure 1 sous la référence 10 et comprend un photodétecteur 111 et un dispositif de traitement de signal de proximité 112.

Le coupleur 130 comprend un objectif 120, qui permet la reprise d'images et la focalisation dans un plan de capture du photodétecteur 111.

L'objectif 120 est à parties non mobiles et comprend au moins une lentille liquide 122, permettant une mise au point des images en fonction d'une tension qui lui est appliquée. Dans l'exemple illustré, l'objectif comprend une combinaison optique 121, qui est à parties non mobiles, et une lentille accordable électriquement 122 placée devant, c'est à dire entre la combinaison optique 121 et la fenêtre w3 destinée à faire face à l'extrémité proximale de l'endoscope. Cette lentille assure alors une fonction d'optique de focalisation accordable dans l'objectif 121.

On rappelle qu'une lentille liquide accordable électriquement est 3o une lentille qui utilise les propriétés d'un liquide conducteur pour commander la déformation d'une surface au contact de ce liquide, en sorte que la distance focale s'en trouve modifiée, et donc la puissance optique. Le passage d'une surface convexe à concave peut être obtenu en une fraction de seconde. Les tensions de commande sont faibles de l'ordre de quelques volts au maximum, et l'électronique de commande associée est simple à mettre en oeuvre.

En pratique, une tension de commande est appliquée sur des électrodes de contact prévues sur la lentille.

Un dispositif électronique de proximité 123 avec une batterie par exemple peut être prévu dans le coupleur, commandé manuellement par une touche digitale 124, étanche, prévue sur le coupleur, pour appliquer une tension adaptée permettant la mise au point.

Dans une variante représentée sur la figure 2b, la tension de commande nécessaire est pilotée par le dispositif de traitement de signal 112 du photodétecteur 111, par une interface électrique adaptée 125. En pratique on pourra prévoir une connexion électrique à l'interface caméra-objectif dans une zone étanche, typiquement à l'intérieur de la zone du joint J3. Dans cette variante, on peut prévoir une mise au point manuelle, au moyen d'une touche digitale qui permet de régler la tension de commande à faire appliquer via l'interface électrique 125. On peut aussi prévoir une mise au point automatique. Le dispositif de traitement de signal 112 intègre alors des modules de traitement de signal adaptés bien connus de l'homme du métier, pour piloter la lentille.

Dans un tel mode, on peut prévoir une mise au point automatique, selon un mode impulsionnel, ou continu. Le mode continu a pour conséquence de faire perpétuellement la mise au point. Un tel fonctionnement peut être gênant dans des phases opératoires dans lesquels des instruments bougent dans le champ de vision (échanges d'instruments 25...). Aussi est-il avantageux de prévoir un mode impulsionnel de mise au point automatique, selon lequel la mise au point est effectuée ponctuellement, sur appui d'une touche prévue à cet effet sur la tête de caméra, ou à intervalles périodiques.

La tête de caméra comprend alors un ensemble 114 de touches digitales, reliées au dispositif de traitement de signal 112. Ce dernier vient lire l'état de ces touches pour actionner l'un ou l'autre des modes de mise au point prévus.

En pratique et comme représenté sur la figure 2a, la ou les lentilles accordables 122 peuvent être disposées devant la combinaison optique comme représenté sur la figure 2a, ou encore derrière, comme représenté sur la figure 2b.

Avantageusement, la ou les lentilles accordables 122 sont intégrées dans la combinaison optique 121 (non représenté), c'est à dire qu'elles remplacent d'autres éléments optiques de cette combinaison. De cette façon, on améliore la transmission optique de la tête de caméra, en réduisant le nombre d'éléments optiques nécessaire.

On peut aussi prévoir que le traitement de signal associé à la mise au point est effectué par un dispositif externe CT de traitement de signal, avantageusement un dispositif permettant la commande et la configuration automatique de la tête de caméra. On dispose alors d'un mode de mise au point automatique déporté.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention illustré sur la figure 3, la tête de caméra est réalisée dans un boîtier monolithique, supprimant ainsi le couplage opto-mécanique habituellement nécessaire entre la partie photodétection et la partie coupleur. Le nombre d'éléments optiques est diminué puisqu'il n'y a plus qu'une fenêtre étanche w4, destinée à venir face à l'extrémité proximale de l'endoscope 2.

La tête 200 de caméra comprend alors, après cette fenêtre, un 20 objectif 220, le photodétecteur 211 et le dispositif de traitement de signal 212 associé.

L'objectif 220 comprend, comme décrit en relation avec les figures 2a et 2b, une combinaison optique 221 sans parties mobiles et au moins une lentille liquide électriquement accordable 222. Cette lentille reçoit alors sur ses électrodes de contact 223, une tension pilotée par des moyens électroniques de proximité, typiquement intégrés dans le dispositif de traitement de signal 212. Comme décrits en relation avec les figures 2a et 2b, la ou les lentilles liquides peuvent être placées devant ou derrière la combinaison optique, ou intégrées à la combinaison optique.

Les modes de mise au point manuel, automatique et déporté, en impulsionnel ou en continu sont avantageusement implémentés. A cet effet des touches digitales de commande 214 associées aux différents modes de fonctionnement sont prévues sur la tête de caméra. Ces touches sont prévues étanches. Toutes ces touches peuvent être prévues sur le dispositif externe CT, selon un mode déporté. Le chirurgien qui manipule l'endoscope, ou un assistant hors du champ opératoire peuvent ainsi indifféremment commander chacun ces différentes fonctions, le premier en utilisant les touches prévues sur la tête de caméra, et le second, en utilisant les touches déportées sur le dispositif externe CT.

De préférence, plusieurs lentilles liquides accordables sont prévues, avec une commande associée pilotée de façon déportée, par le dispositif CT, permettant des opérations de type zoom automatique, c'est à dire des opérations de réduction ou d'agrandissement automatique des images.

De préférence, la tête de caméra selon l'invention est prévue pour être autoclavable. Dans ce cas, la ou les lentilles liquides sont telles qu'elles supportent la haute température appliquée dans le traitement en autoclave (typiquement 134 C), tant au niveau des liquides utilisés, choisis pour ne pas se dégrader de manière irréversible avec la haute température, qu'au niveau de la structure optique qui sera prévue pour supporter les pressions élevées dues à la dilatation des liquides avec la température.

Un autre aspect de l'invention est illustré sur la figure 4. L'évolution technologique actuelle permet en effet d'envisager la réalisation d'une tête de caméra selon l'invention, sous forme miniaturisée, de dimensions telles qu'elle peut être intégrée dans l'endoscope 2, à l'extrémité distale d. Dans une telle application, le photodétecteur comprendra généralement un unique capteur, et l'endoscope ne comportera plus d'oculaire. Un endoscope à tête de caméra intégrée, à bas coût est ainsi avantageusement obtenu.

L'invention qui vient d'être décrite est particulièrement adaptée à des applications médicales. Elle tient compte des aspects normatifs du domaine. Notamment tous les dispositifs électriques sont en boîtiers isolés électriquement et fonctionnent à très basse tension de sécurité. L'aspect monolithique et la simplification de la mise au point obtenue avec une tête de caméra selon l'invention, est aussi avantageuse pour des applications de type industriel.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Tête de caméra endoscopique comprenant une partie photodétection (110) et un objectif (120), caractérisée en ce que ledit objectif est à parties non mobiles et comprend au moins une lentille liquide (122) accordable électriquement.

2. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de réglage manuel (123, 124) de la tension appliquée sur ladite lentille liquide, permettant une mise au point manuelle des images endoscopiques.

3. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 1, comprenant un photodétecteur (111) et un dispositif électronique (112) de traitement du signal fourni par ledit photodétecteur, caractérisée en ce que ledit dispositif électronique intègre un module pour commander la tension à appliquer sur la lentille liquide.

4. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 3, associée à un dispositif externe de traitement de signal (CT), caractérisée en ce que ledit dispositif externe commande la mise au point automatique des images via le dispositif de traitement de signal (112) associé au photodétecteur (1 11).

5. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de lentilles liquides accordables électriquement, et en ce que les dites lentilles sont pilotées par ledit dispositif externe de traitement de signal (CT), à travers le dispositif de traitement de signal (112) de la tête, pour réaliser des opérations de réduction ou d'agrandissement des images.

6. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que ledit dispositif de traitement (CT) est un dispositif de commande et configuration automatique de la tête de caméra.

7. Tête de caméra endoscopique selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que ladite mise au point est contrôlée automatiquement selon un mode impulsionnel.

8. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 3 à 6, 5 caractérisée en ce que ladite mise au point est contrôlée automatiquement selon un mode continu.

9. Tête de caméra endoscopique selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que des touches digitales (114, 224) de commande de la mise au point sont prévues sur la tête de caméra.

10. Tête de caméra endoscopique selon la revendication 9 en combinaison avec l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les touches digitales (114, 224) de commande de la mise au point sont prévues sur le dispositif de commande externe.

11. Tête de caméra selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisée en ce qu'elle est intégrée dans un boîtier monolithique.

12. Tête de caméra selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est autoclavable.

13. Tête de caméra miniature selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, destinée à être intégrée à l'extrémité distale (d) d'un endoscope.