WO2002035826A1

WO2002035826A1 - Endoskopisches instrument zur anwendung in hohlräumen

Info

Publication number: WO2002035826A1
Application number: PCT/EP2001/011332
Authority: WO
Inventors: Christian Pilgrim; Jürgen STERZEL; Matthias Hillebrand
Original assignee: Christian Pilgrim; Sterzel Juergen; Matthias Hillebrand
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2002-05-02
Also published as: EP1334609A1; JP2004512120A; DE10052863A1; AU2002212299A1; US20040054255A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen, mit einem wenigstens ein Sensorikelement zur Aufnahme von Bildinformationen aufweisenden optischen System, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorikelement (11) aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten (12) besteht, aus denen die auf das Sensorikelement (11) in Form von elektromagnetischer Strahlung einwirkenden Bildinformationen zusammensetzbar sind, wobei die Bildpunkteinheiten (12) axial zur Einfallseinrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf das Sensorikelement (11) strukturiert sind.

Description

Endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen, mit einem wenigstens ein Sensorikelement zur Aufnahme von Bildinformationen aufweisenden optischen System.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Ausgestaltungen von Endoskopen bekannt. Im Rahmen von diagnostischen und/oder therapeutischen Verfahren (Endoskopie) werden Körperhöhlen und -kanäle sowie Hohlorgane mit Hilfe von Endoskopen unmittelbar betrachtet. Im Bereich der technischen Anwendungen werden endoskopische Instrumente beispielsweise zur Betrachtung und Analyse von Rissen und dergleichen im Bereich von Schaufelrädern und Verdüsungskammem von Turbinen eingesetzt.

Üblicherweise umfassen Endoskope ein optisches System von Prismen und/oder Linsen sowie oft auch eine Beleuchtungseinrichtung, welche in Abhängigkeit der Anwendung in starren Rohren oder flexiblen Schläuchen angeordnet sind. So weist beispielsweise das optische System bei sogenannten Fibroskopen (Fiberendoskop bzw. Faserendoskop genannt) ein in einem flexiblen Schlauch angeordnetes Bildleitsystem in Gestalt einer biegsamen Faseroptik aus Glasfaserbündeln auf, über welche das zu erfassende Bild übertragen wird. Weiter sind endoskopische Instrumente bekannt, deren optisches System Sensorikelemente zur elektronischen Erfassung von Bildern aufweisen. Durch direkte Betrachtung bzw. optische und/oder elektronische Aufbereitung des mittels des optischen Systems erfaßten Bildes gelingt die Betrachtung von Hohlräumen. Bei sogenannten Videoendoskopen wird dazu das das Bild aufzeichnende Sensorikelement in den Hohlraum eingeführt. Bei Fibroskopen wird demgegenüber das aufzuzeichnende Bild des Hohlraums über die Faseroptik übertragen und außerhalb des Hohlraums direkt betrachtet bzw. von einem Sensorikelement erfaßt und meist elektronisch aufbereitet zur Anzeige gebracht.

Zur elektronischen Erfassung, Aufbereitung und Verarbeitung von Bildern in Hohlräumen verwenden endoskopische Instrumente als Sensorikelemente in der Regel sogenannte CCDs (Charge-Coupled-Devices), ladungsgekoppelte Bauelemente bzw. Schaltungen, die für eine flächenhafte Bilderfassung matrixartig angeordnet sind. Durch Verwendung von Mosaik-Farbfiltern, mit denen die Matrizen versehen werden, sind Farbbilder aufnehmbar. Bei herkömmlich verwandten Sensorikelementen zur Bilderfassung werden zur Erzeugung von Farbbildern Farbwertsignale erzeugende Mosaik-Farbfilter wie RGB (Rot, Grün, Blau) bzw. CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black) verwendet.

Im Stand der Technik sind zur Anwendung in endoskopischen Instrumenten derzeit hochauflösende Farb-CCDs bekannt, die unter anderem mit 90° Prismen- /Linsensystemen in die distalen Enden von flexiblen Endoskopen eingebaut werden. Bei Endoskopen mit einem Außendurchmesser von 6 mm bis 13 mm kommen derzeit ein 1/10 Zoll großer CCD mit 270.000 Pixeln (Bildpunkten) bzw. ein 1/6 Zoll großer CCD mit 410.000 Pixeln (Bildpunkten) zum Einsatz. Letzterer ist mit einem Mosaik-Farbfilter bedampft und mit 410.000 Mikrolinsen zur gradlinigen Signalleitung bestückt. Weiter steht derzeit auch ein mit einem RGB-Filter bedampfter CCD mit 850.000 Pixeln zur Verfügung, welcher allerdings 1/3 Zoll in der Diagonalen mißt und daher nur in Endoskopen mit einem Außendurchmesser ab etwa 10 mm verwendbar ist.

Aus der WO 99/58044 ist es bekannt, anstelle von CCDs als Sensorikelement CMOS-Bauelemente (Complementary JVtetal Oxide Semiconductor-Bauelemente) zu verwenden. Für die Anwendung in endoskopischen Instrumenten sind CMOS- Bauelemente jedoch ähnlich nachteilig wie CCDs, da die spektrale und örtliche Auflösung wie die der CCDs durch die Verwendung von Mosaikfiltern eingeschränkt ist. Die an endoskopische Instrumente gestellten Anforderungen zur Untersuchung von Hohlräumen nehmen mehr und mehr zu. So müssen endoskopische Instrumente in Medizin und Technik zu untersuchende Hohlräume und Strukturen nicht nur mitunter auch mehrdimensional darstellen, sondern auch ein minimalinvasives Arbeiten in den Hohlräumen, Analysen in den Hohlräumen, insbesondere hinsichtlich unterschiedlicher optischer Eigenschaften, sowie ein zeitgleiches Beobachten von Prozeßabläufen, insbesondere ohne für diese Beobachtungen bildverfälschende Bildzerlegungen bzw. -Überlagerungen durchführen zu müssen, ermöglichen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden ist ein fortwährender Bedarf an kostengünstigen endoskopischen Instrumenten gegeben, welche bei geringstmöglichen Abmessungen, insbesondere hinsichtlich des Außendurchmessers, eine qualitativ hochwertige Bilderfassung mit hoher spektraler und örtlicher Auflösung, hoher Empfindlichkeit und hoher Helligkeitsdynamik ermöglichen.

Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die A u f g a b e zugrunde, ein endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches unter Steigerung des erfaßbaren Spektralbereichs und der örtlichen Auflösung, der Empfindlichkeit und der Helligkeitsdynamik mit geringeren Abmessungen kostengünstiger und einfacher fertigbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch g e l ö s t , daß das Sensorikelement aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten besteht, aus denen die auf das Sensorikelement in Form von elektromagnetischer Strahlung einwirkenden Bildinformationen zusammensetzbar sind, wobei die Bildpunkteinheiten axial zur Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf das Sensorikelement strukturiert sind.

Vorteilhafterweise sind für jeden Bildpunkt wenigstens zwei Bildinformationen in einer Bildpunkteinheit detektierbar. In einer konkreten Ausgestaltung weist das Sensorikelement wenigstens zwei Schichten auf, eine im wesentlichen flächendeckende Sensorschicht und eine sich in Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung daran anschließende, zur Signalverarbeitung und/oder -bearbeitung dienende Schicht. Die erfindungsgemäße Verwendung von axial zur Einfallsrichtung der auf das Sensorikelement treffenden elektromagnetischen Strahlung strukturierten Bildpunkteinheiten, also Sensorikelementen mit Bildpunkteinheiten die in ihrem Schichtaufbau je nach Lage des Sensorikelementes horizontal oder vertikal strukturiert sind, ermöglicht es, endoskopische Instrumente zur Anwendung in Hohlräumen bereitzustellen, welche mit geringeren Abmessungen eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit als die bisher bekannten endoskopischen Instrumente aufweisen. Die erfindungsgemäßen axial strukturierten Bildpunkteinheiten ermöglichen es im Gegensatz zu den in endoskopischen Instrumenten bisher eingesetzten Sensorikelementen, beispielsweise mit Mosaikfiltern beaufschlagten CCDs, die gesamte Oberfläche des Sensorikelementes zur Bildinformationserfassung zu verwenden. Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis der zur Bildinformationserfassung bereitgestellten Fläche zur gesamten Oberfläche des Sensorikelementes in einem Bereich von 0,8 bis 1 und beträgt besonders bevorzugt 1.

Vorteilhafterweise sind die axial strukturierten Bildpunkteinheiten in wenigstens zwei unterschiedlichen Spektralbereichen sensitiv, d.h. innerhalb verschiedener Spektralbereiche empfindlich. In diesem Zusammenhang spricht man auch von polychromen Bildpunkteinheiten. Diese polychromen Bildpunkteinheiten sind somit in ihrem Schichtaufbau horizontal oder vertikal strukturiert. Horizontal oder vertikal strukturierte Bildpunkteinheiten werden dabei je nach eingesetzter Lage im endoskopischen Instrument verwendet. Die Lage der horizontal oder vertikal strukturierten Bildpunkteinheiten ist dabei stets so gewählt, daß die Strukturierung axial zur Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf die Oberfläche des Sensorikelementes ist.

In ihrem Schichtaufbau bzw. ihren Schichtenfolgen polychrom horizontal strukturierte Bildpunkteinheiten bzw. Pixel sind beispielsweise aus der WO 99/00848 bekannt, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird. Vorteilhafterweise finden in dem erfindungsgemäßen endoskopischen Instrument Sensorikelemente gemäß der WO 99/00848 Verwendung, also Sensorikelemente für elektromagnetische Strahlung, gebildet durch eine Struktur aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit), auf dessen Oberfläche eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge aufgebracht ist, bestehend aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten, wobei jede Bildpunkteinheit einen Strahlungswandler in Form der genannten Schichtenfolge zum Umwandeln der einfallenden Strahlung in einen intensitätsabhängigen Meßwert und Mittel zum Erfassen und Abspeichern des Meßwertes aufweist und wobei eine Auslesesteuereinrichtung für das jeweils auf eine Bildpunkteinheit bezogene Auslesen der Meßwerte vorgesehen ist, derart, daß aus den bildpunkteinheitsbezogenen Meßwerten das auf den Sensor eingestrahlte Bild zusammensetzbar ist. Ein solches Sensorikelement ist üblicherweise in sogenannter TFA-Technologie (Thin Film on ASIC) ausgebildet, wie beispielsweise aus dem Artikel „Thin Film on ASIC A Novel Concept for Intelligent Image Sensors" von H. Fischer, J. Schulte, J. Giehl, M. Böhm und J.P.M. Schmitt aus dem Jahre 1992 bekannt (vgl. Mat. Res. Soc. Symp. Proc, Vol. 285, S. 1139 ff.). Durch die Verwendung von polychrom horizontal strukturierten (PHS-) Bildpunkteinheiten bzw. Pixeln, insbesondere unter Nutzung der TFA- Technologie, besteht die Möglichkeit, mehrere Farbkanäle in einer einzigen horizontal geschichteten Bildpunkteinheit (Pixel) zu detektieren. Die Bildauflösung spektral einschränkende Mosaik-Farbfilter sind damit überflüssig.

Weiter kommen erfindungsgemäß in ihrem Schichtaufbau bzw. in ihrer Schichtenfolge vertikal strukturierte Bildpunkteinheiten als Sensorikelement in einem endoskopischen Instrument zur Verwendung, wie diese beispielsweise aus dem Artikel „Three dimensional metallization for vertically integrated circuits" von P. Ramm et al. in Microelectronic Engineering 37/38 aus dem Jahre 1997 (vgl. S. 39 bis 47) bekannt sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden entsprechende polychrom vertikal strukturierte Bildpunkteinheiten verwendet.

Zur Steigerung der spektralen Empfindlichkeit des Sensorikelementes, insbesondere im nahen Infrarot-Bereich (NIR-Bereich) und zur Verbesserung der transienten Eigenschaften des Sensorikelementes ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung jeder Bildpunkteinheit wenigstens ein weiterer für elektromagnetische Strahlung sensitiver optoelektronischer Wandler zugeordnet, welcher Bestandteil des integrierten Schaltkreises ist. Vorteilhafterweise ist der optoelektronische Wandler ein, vorzugsweise auf kristallinem Silizium oder anderen geeigneten Halbleitermaterialen (vgl. WO 00/52759), ausgebildetes Bauelement, beispielsweise eine Photodiode, Photogate, Phototransistor oder dergleichen. Derartige optoelektronische Wandler sind beispielsweise aus der WO 99/00848 bekannt, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Sensorikelement des endoskopischen Instrumentes zur Anwendung in Hohlräumen eine spektral steuerbare Empfindlichkeit auf, wozu vorzugsweise Mehrschichtsysteme vom Typ piiin, pipiin oder dergleichen weiteren Schichtformen verwendet werden, wie beispielsweise aus der DE 44 41 444, DE 196 37 126 und DE 197 10 134 bekannt, auf deren Offenbarungen hiermit Bezug genommen wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensorikelemente im Ultraviolett-Bereich sensitiv. Dadurch wird der Kontrast bei aufzunehmenden Bildern, insbesondere auch bei unbehandelten bzw. ungefärbten zu untersuchenden Objekten bzw. Präparaten, gesteigert.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der ASIC als Bestandteil des integrierten Schaltkreises Mittel zur Bildaufbereitung und/oder Auswertung, vorzugsweise Mittel zur Rauschunterdrückung, vorzugsweise durch Bildsummation und/oder Mittlung, Verstärker, vorzugsweise sogenannte Lock-in- Verstärker, oder dergleichen. Lock-in-Verstärker sind im Stand der Technik bekannt und werden genutzt, um ein interessierendes Signal mit einer spezifischen Frequenz und Phase aus einem verrauschten Signal zu detektieren. In der Spektroskopie werden Lock-in-Verstärker üblicherweise zur Verstärkung und Aufbereitung von kleinen optischen Signalen verwendet, um schwächere optische Signale aus einem Hintergrundrauschen zu detektieren. Das erfindungsgemäße endoskopische Instrument weist vorteilhafterweise einen Lock-in-Verstärker zur Verstärkung und Aufbereitung detektierter Bildformationen auf. Vorteilhafterweise ist dabei für jede Bildpunkteinheit ein Lock-in-Verstärker vorgesehen und Bestandteil des integrierten Schaltkreises.

Vorteilhafterweise erfolgt eine Signalverarbeitung seitens des integrierten Schaltkreises auf dem das Sensorikelement angeordnet ist (image preprocessing). Dadurch wird die Signalver- und/oder -bearbeitung schneller und kostengünstiger, da ansonsten eingesetzte externe Rechenanlagen bzw. -Prozessoren zur Signalbe- und/oder -Verarbeitung entfallen können bzw. lediglich für eine Ver- und/oder Bearbeitung schmalbandiger Signale ausgelegt sein müssen, da die Signale bereits on chip vorver- und/oder -bearbeitet sind. Die Signalver- und/oder -bearbeitung wird dadurch auch weniger störanfällig. Eine Signalübertragung vom Sensorikelement zur Signalverarbeitungseinrichtung on chip weist wesentlich kürzere Kommunikationswege auf. Dadurch können insbesondere Anschlüsse bzw. Schnittstellen zum Anschluß einer externen Signalverarbeitungseinrichtung entfallen, die ansonsten die Abmessungen des endoskopischen Instrumentes vergrößern.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Sensorikelement des endoskopischen Instruments zur Anwendung in Hohlräumen wenigstens eine Strahlungsemittierende Struktur auf, welche zum Bestrahlen des zu untersuchenden bzw. analysierenden Hohlraums dient. Vorteilhafterweise ist die Strahlungsemittierende Struktur als Beleuchtungseinrichtung zum Ausleuchten der untersuchenden Hohlräume ausgebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Strahlungsemittierende Struktur eine oder mehrere direkt oder indirekt emittierende Diode, vorzugsweise eine Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittierende Diode. Vorteilhafterweise sind die Sensorikelemente und die Strahlungsemittierende Struktur hinsichtlich ihrer Spektralbereiche aneinander angepaßt, vorzugsweise derart, daß die Sensorikelemente im Bereich der von den Strahlungsemittierenden Strukturen emittierten Strahlung und/oder durch die emittierte Strahlung hervorgerufene Strahlung spektral empfindlich sind, beispielsweise für Lumineszenzerscheinungen wie bei Fluoreszenz oder Phosphoreszenz.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die strahlungsemittie- rende Struktur eine sequentielle Bestrahlung des oder eines Teils des zu untersuchenden Hohlraums. Vorteilhafterweise wird dabei Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge in einer vorgegebenen Reihenfolge abgestrahlt, beispielsweise in einer Rot, Grün, Blau-Abfolge, deren Wechselwirkungsprodukte mit dem zu betrachtenden Objekt als Bildinformationen von den einzelnen axial strukturierten Bildpunkteinheiten des Sensorikelementes detektiert bzw. ausgelesen werden. Das Auslesen bzw. Detektieren erfolgt dabei bezüglich der Farbinformation am einzelnen Bildpunkt seriell, bezüglich der Orts- und Intensitätsinformation der eine gleiche Farbe detektierenden Bildpunkte parallel und damit sehr schnell. Ferner kann auf bisher im Stand der Technik verwendete Mosaikfilter so erfindungsgemäß verzichtet werden.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lassen sich sowohl Weißlicht- als auch Lumineszenzbetrachtungen mit einem endoskopischen Instrument verwirklichen. Darüber hinaus lassen sich besonders einfache und empfindliche Fluoreszenz-Videoendoskope durch Verwendung polychromer horizontaler oder vertikaler Strukturen aufbauen. Die Verwendung unterschiedlicher strahlungsemittierender Strukturen ermöglicht es weiter einzelne Bereiche des zu untersuchenden Hohlraums selektiv zu untersuchen, beispielsweise durch Markierung bzw. Erkennung von interessierenden Bereichen durch selektive Bestrahlung mit Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen, beispielsweise zur Erkennung spezifischer Gewebeveränderungen aufgrund unterschiedlichen .Fluoreszenzverhaltens.

Der Einsatz von Positionsmeldern im distalen Ende des erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments erlaubt vorteilhafterweise eine genaue Ortung im Rahmen von multimodalen Matching-Verfahren oder dergleichen, bei denen beispielsweise endoskopische und/oder kernspintopographische

Volumendatensätze zur paßgenauen Überlagerung gebracht werden. Dadurch lassen sich mehrdimensionale Diagnosevektoren bestimmen, die insbesondere eine verbesserte Diagnostik und Behandlung erlauben. Darüber hinaus ist vorteilhafterweise unter Verwendung eines erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments eine mehrdimensionale Operationsplanung und -durchführung bei gleichzeitiger räumlicher Kontrolle mittels des endoskopischen Instruments gegeben, so daß sowohl Risiken während der Operation minimiert werden, als auch kürzere Operationszeiten realisiert werden können, und somit insgesamt eine Reduktion der Operationskosten realisiert werden kann.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das endoskopische Instrument als kapseiförmige Sonde ausgebildet, welche mit einem vorzugsweise integrierten Antrieb aktiv und/oder passiv durch peristaltische Bewegungen von Organen des zu untersuchenden Körpers, beispielsweise wellenförmig fortschreitendes Zusammenziehen des Darms oder der Speiseröhre, selbstständig oder fernsteuerbar in und/oder durch Hohlräume bewegbar ist. Vorteilhaf- terweise weist das endoskopische Instrument dazu auf dem integrierten Schaltkreis eine Recheneinrichtung zur Steuerung und/oder Fernsteuerung eines Antriebs sowie eine Einrichtung zur berührungslosen Übertragung aufgenommener Bildinformationen an eine separate sich außerhalb des Hohlraums befindende Bildinformationsempfangseinrichtung auf, seitens welcher die Bildinformationen dem Anwender des endoskopischen Instruments angezeigt werden. Hierzu kann beispielsweise Transpondertechnologie oder dergleichen zum Einsatz kommen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der integrierte Schaltkreis des endoskopischen Instruments einen Speicher zur Erfassung der Bildinformationen auf, welcher bei als selbstbewegende Sonde ausgebildeten endoskopischen Instrumenten nach dem Durchwandern eines zu untersuchenden Hohlraums und Entnahme des endoskopischen Instruments aus dem Hohlraum dem Anwender seitens einer entsprechend geeigneten Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einem Monitor oder dergleichen, zum Anzeigen der Bildinformationen ausgelesen wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das als Sonde ausgebildete endoskopische Instrument als vollständig mittels halbleitertechnischen Herstellverfahren fertigbares Bauelement ausgebildet.

Vorteilhafterweise werden in dem endoskopischen Instrument Schichtsysteme für die Sensorikelemente verwendet, welche während des Produktionsprozesses nach der primären Fertigstellung getempert werden. Diese Behandlung führt zu einer Ausheilung von Bindungsbrüchen im Gefüge der Schichtsysteme der Sensorikelemente aus amorphem Silizium. Das erfindungsgemäße endoskopische Instrument ist so autoklavierbar, was insbesondere bei medizinischen Anwendungen notwendig ist, jedoch bei bisher verwendeten CCD- Sensorikelementen aufgrund der Temperaturempfindlichkeit der Einzelkomponenten und der daraus resultierenden morphologischen Veränderungen dieser Komponenten bei Temperatureinwirkung nicht möglich ist.

Das endoskopische Instrument gemäß der vorliegenden Erfindung weist gegenüber dem bisher bekannten Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf, wie nachfolgend beispielhaft erläutert. Durch die Möglichkeit eine Signalverarbeitung seitens des integrierten Schaltkreises des endoskopischen Instruments durchzuführen (image- preprocessing), ist eine zumindest halbautomatische Auswertung von Untersuchungsbildern mit nachfolgender gezielter Gegenprüfung durch den Anwender möglich. Dadurch ergeben sich kürzere Untersuchungszeiten, eine geringere Patientenbelastung sowie eine verbesserte Diagnostik, verbunden mit geringeren Wiederholungsuntersuchungen und dem Vorhandensein einer geringeren Wahrscheinlichkeit übersehener Befunde.

Aufgrund der geringeren baulichen Abmessungen des erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments sind endoskopische Untersuchungen von schmalen Gangsystemen, wie Gallengängen und dergleichen Strukturen möglich.

Die erfindungsgemäße Kombination von endoskopischen Instrumenten und strah- lungsemittierenden Strukturen mit verschiedenen Wellenlängen, insbesondere zur Betrachtung von Lumineszenzerscheinungen wie Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz, erlauben auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Analyse von Gewebeveränderungen und damit eine verbesserte Behandlung und/oder Therapie.

Durch Kombination mit weiteren Sensorikelementen, Positionsmeldeeinrichtungen oder dergleichen im distalen Ende des endoskopischen Instruments ist eine teilautomatisierte hochpräzise räumliche Vermessung der zu untersuchenden Hohlräume gegeben.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung weiterer Sensorikeinrichtungen, vorzugsweise im distalen Ende des endoskopischen Instruments, lassen sich in einem Untersuchungsgang verschiedene Meßwerte, insbesondere biologische Faktoren, parallel ermitteln und auswerten. Dadurch ist eine Kombinationsdiagnostik mit höherer Spezifität bzw. Sensivität und Reliabilität gegeben.

Durch die verbesserte Detailauflösung des endoskopischen Instruments sind Gewebeveränderungen und dergleichen, beispielsweise Karzinome, leichter und früher feststellbar. Durch eine damit verbundene frühere Behandlungsmöglichkeit sind die Heilungschancen größer und die Behandlungskosten geringer. Durch die geringeren Abmessungen des Sensorikelementes des erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments bleibt bei gleicher Auflösung und gleichen äußeren Abmessungen seitens des endoskopischen Instrumentes Raum für vergrößerte Instrumentierungskanäle, beispielsweise zum Einsatz von Werkzeugen für einen mechanischen Zugriff im Rahmen von therapeutischen Einsätzen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines als Sensorikelement in endoskopischen Instrumenten eingesetzten CCDs gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 in einer schematisch perspektivischen Ansicht das Sensorikelement gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines als Sensorikelement eingesetzten CMOS gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 in einer schematisch perspektivischen Ansicht das Sensorikelement gemäß Figur 3;

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäß in endoskopischen Instrumenten eingesetzten Sensorikelements;

Fig. 6 eine schematisch perspektivische Ansicht des Sensorikelementes gemäß Fig. 5;

Fig. 7 in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments;

Fig. 8 in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments; Fig. 9 in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments;

Fig. 10 in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments und

Fig. 11 in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen endoskopischen Instruments.

In den Figuren 1 und 2 ist ein in endoskopischen Instrumenten gemäß dem Stand der Technik als Sensorikelement 1 eingesetztes CCD (charge-coupled-device) dargestellt. Das Sensorikelement (CCD) 1 setzt sich aus mehreren Bildpunkteinheiten (Pixel) 2 zusammen, welche in verschiedenen Wellenlängenbereichen sensitiv sind, vorliegend für die Farben Rot R, Grün G und Blau B. Ein Bildpunkt 3 setzt sich dabei aus vier Bildpunkteinheiten 2 zusammen, wobei zwei diagonal zueinander angeordnete, für grünes Licht sensitive Bildpunkteinheiten 2 in einem Bildpunkt 3 entsprechend Figur 1 zusammengefaßt sind. Die Bildpunkteinheiten 2 des CCD 1 werden zeilenweise ausgelesen und die Informationen der einzelnen Bildpunkteinheiten 2 über eine integrierte Auslesesteuereinrichtung 6 und an das CCD 1 angeschlossene Leitungen einem Prozessor 4 zur Signalverarbeitung zugeführt. Da ein aus vier Bildpunkteinheiten 2 zusammengesetzter Bildpunkt 3 in zwei Zeilen des CCDs 1 angeordnet ist, eine Zeile aber nur seriell ausgegeben werden kann, ist eine mit dem Bildpunkt 3 entsprechend aufzuzeichnende Bildinformation erst nach dem Auslesen von zwei Zeilen möglich. Das Zusammensetzen der gewünschten Bildinformation ist somit langsam. In Fig. 2 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung der Auslesesteuereinrichtung 6 des Sensorikelementes 1 (CCD) verzichtet worden.

In den Figuren 3 und 4 ist ein gemäß dem Stand der Technik als Sensorikelement 31 eingesetztes CMOS (Complementary Metal Oxide Semi conductor) dargestellt. Das Sensorikelement (CMOS) 31 setzt sich wie das CCD 1 aus mehreren Bildpunkteinheiten (Pixel) 32 zusammen, welche in verschiedenen Wellenlängenbereichen sensitiv sind, vorliegend für die Farben Rot R, Grün G und Blau B. Ein Bildpunkt 33 setzt sich dabei aus vier Bildpunkteinheiten 32 zusammen, wobei zwei diagonal zueinander angeordnete, für grünes Licht sensitive Bildpunkteinheiten 32 in einem Bildpunkt entsprechend Figur 3 zusammengefaßt sind. Die Bildpunkteinheiten 32 des CMOS 31 werden durch matrixartige Adressierung ausgelesen und die Informationen der einzelnen Bildpunkteinheiten 32 über an das CMOS 31 angeschlossene Leitungen einem Prozessor 34 zur Signalverarbeitung zugeführt. Wegen der Teilung der Bildpunkteinheit 32, wie anhand von Fig. 4 zu erkennen ist, in eine Detektoroberfläche 35 und eine Auslesesteuereinrichtung 36 geht die Empfindlichkeit gemäß dem Verhältnis der Auslesesteuereinrichtung 36 zu der Fläche der Bildpunkteinheit 32 zurück. Die von dem CMOS 31 zur Verfügung gestellte Oberfläche ist somit nur teilweise als Detektorfläche zur Aufnahme von Bildinformationen nutzbar.

Figur 5 und 6 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines Sensorikelementes 11 eines endoskopischen Instrumentes gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Sensorikelement 11 besteht aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten (Pixel) 12, aus denen die auf das Sensorikelement 11 in Form von elektromagnetischer Strahlung einwirkenden Bildinformationen zusammensetzbar sind, wobei die Bildpunkteinheiten 12 axial zur Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf das Sensorikelement 11 strukturiert sind, wie anhand von Figur 6 zu erkennen. Jede axial strukturierte Bildpunkteinheit 12 bildet dabei gleichzeitig einen Bildpunkt 13 zur Aufnahme der Bildinformationen. Dadurch wird die von dem Sensorikelement 11 bereitgestellte Oberfläche vollständig zur Aufnahme von Bildinformationen nutzbar, wodurch im Vergleich zu dem CCD 1 gemäß den Figuren 1 und 2 sowie dem CMOS 31 gemäß den Figuren 3 und 4 bei gleichbleibender Oberfläche des Sensorikelementes 1, 31 bzw. 11 eine wesentlich größere Auflösung und Empfindlichkeit bzw. bei gleicher Auflösung wesentlich geringere Abmessungen des Sensorikelementes 11 erzielbar sind.

Durch die axiale Strukturierung der sensitiven Schichten im Bereich der Sensorfläche 15 für jeden Bildpunkt 13 lassen sich gleichzeitig wenigstens zwei Bildinformationen detektieren. Vorliegend werden mit dem Sensor 15 drei Bildinformationen in einem Bildpunkt 13 detektiert, wobei der Sensor 15 je Bildpunkt 13 im vertikalen Schichtaufbau drei für die Farben Rot R, Grün G und Blau B sensitive Schichten aufweist. Die von einem Bildpunkt 13 detektierten Bildinformationen werden von der Verarbeitungs- und Ausleseeinrichtung 16 zusammengefaßt und seriell einem Verarbeitungsprozessor 14 zugeführt. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Ausleseleitungen und die Rechenleistung des Verarbeitungsprozessors kann kleiner ausgelegt werden. Bei einer Ausgestaltung der Verarbeitungs- und Ausleseeinrichtung 16 zur Steigerung der Helligkeitsdynamik lassen sich insbesondere die Qualität der Aufnahmen von Flüssigkeiten oder Metallen verbessern, die ansonsten durch Reflexionen nicht erreichbar sind. Die ansonsten im Stand der Technik mattiert ausgebildeten distalen Enden der Endoskope können so entfallen bzw. die Qualität der aufgenommenen Bilder weiter verbessern. Die im Stand der Technik bei Verwendung von CCDs 1 als Sensorikelement gegebene Helligkeitsdynamik von etwa 60 dB ist mit dem Sensorikelement 12 auf Werte von mehr als 120 dB verbesserbar.

Das in den Figuren 5 und 6 dargestellte Sensorikelement 11 weist in seinen axial zur Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf das Sensorikelement 11 strukturierten Bildpunkteinheiten 12, also in horizontaler Schichtenfolge, eine Schicht 16 mit Mitteln zur Be- und Verarbeitung von seitens der sensitiven Schichtenfolge 15 aufgenommenen Bildinformationen und Mittel zur Ausgabe der be- bzw. verarbeiteten aufgenommenen Bildinformationen auf, die von den in der Schicht 16 enthaltenen Mitteln zur Ausgabe dem Prozessor 14 zur weiteren Ver- bzw. Bearbeitung zugeführt werden. Die in der Schicht 16 enthaltenen Mittel umfassen neben weiteren für elektromagnetische Strahlung sensitiven optoelektronischen Wandlern vorliegend Mittel zur Bildaufbereitung und/oder -auswertung, vorzugsweise in Form von Lock-in-Verstärkereinrichtungen. Dadurch wird die Qualität der von den Bildpunkteinheiten 12 detektierten Bildinformationen durch Eliminierung von Rausch- und Störsignalen verbessert. Der dem Sensorikelement nachgeschaltete Prozessor 14 wird so entlastet und kann weniger aufwendig ausgestaltet werden, insbesondere da die im Prozessor 14 von den in der Schicht 16 enthaltenen Auslesesteuereinrichtungen zugeführten Signale qualitativ hochwertiger sind und der Prozessor so nur noch schmalbandi- gere Signale verarbeiten können muß.

Zur weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit ist die Oberfläche des Sensorikelementes 11 derart ausgestaltet, daß eine Minimierung der Reflexionsverluste an den Oberflächen erzielt wird. Dies ist sowohl durch Variation der Schichtdicken des Sensorikelementes als auch durch Aufbringen einer oder mehrerer hier nicht dargestellter Antireflexbeschichtungen, beispielsweise aus Magnesiumfluorid oder geeigneten, bevorzugt dielektrischen Vielschichtsystemen, erzielbar. Antireflexbeschichtungen erhöhen die Empfindlichkeit in einem großen Wellenlängenbereich, vorzugsweise in einem Bereich, in dem das Sensorikelement sensitiv ist.

Das distale Sondenende umfaßt darüber hinaus Strahlungsemittierende Strukturen, welche als Beleuchtungseinrichtung verwendbar sind. Die für jede Bildpunkteinheit in der Schicht 16 vorgesehenen Be- und/oder Verarbeitungsmittel, vorliegend Lock-in-Verstärker, sowie die Beleuchtungseinrichtungen erlauben für jeden Bildpunkt 13 eine gezielte Signalverarbeitung und -aufbereitung. Der pixelweise vorhandene Lock-in-Verstärker ist mit der Beleuchtungseinrichtung als Referenzsignal verbunden, so daß auf das Sensorikelement treffende Fremd- bzw. Störstrahlung keinen Einfluß auf die mit dem Sensorikelement 11 aufgenommenen Bildinformationen hat.

In den Figuren 7 bis 11 sind verschiedene endoskopische Instrumente 20 dargestellt, die sowohl als flexibel, als auch als starre Endoskope ausbildbar sind. Dazu ist die Bildinformationsleiteinrichtung 21 entweder starr oder flexibel ausgebildet.

Bei dem in Figur 7 dargestellten endoskopischen Instrument 20 ist ein Sensorikelement 11 gemäß den Figuren 3 und 4 in einer externen Kamera 22 angeordnet, welche am proximalen Ende 23 des endoskopischen Instruments 20 angeordnet ist. Die am distalen Ende 24 aufgenommenen Bildinformationen werden über die Bildinformationsleiteinrichtung 21 der Oberfläche des Sensorikelementes 11 , welches axial zur Einfallsrichtung der die Bildinformationen übertragenen elektromagnetischen Strahlung strukturiert ist, zugeführt.

Bei dem endoskopischen Instrument gemäß Figur 8 ist das Sensorikelement 11 im endoskopischen Instrument am proximalen Ende 23 angeordnet. Gleiches gilt für das endoskopische Instrument 20 gemäß Figur 9, wobei das Sensorikelement 11 hier im Bereich des proximalen Endes 23 im endoskopischen Instrument 20 integriert ist. Dazu weist das endoskopische Instrument 20 gemäß Figur 9 im Bereich des proximalen Endes 23 eine Strahlumlenkeinrichtung 25 auf, welche die am distalen Ende 24 des endoskopischen Instruments 20 aufgenommenen Bildinformationen über die Bildleiteinrichtung 21 dem im wesentlichen lateral zu den am distalen Ende einfallenden Bildinformationen angeordneten Sensorikelement entsprechend der axialen Struktur des Sensorikelementes 11 zuführen.

Bei dem in Figur 10 dargestellten endoskopischen Instrument 20 ist das Sensorikelement 11 im distalen Ende 24 des endoskopischen Instrumentes 20 angeordnet. Die sich in Richtung des proximalen Endes des endoskopischen Instrumentes 20 hinter dem Sensorikelement 11 befindenden Bereiche der Bildleiteinrichtung 21 weisen elektrische Leitungen und dergleichen auf, die ein Anschließen eines Ver- und/oder Bearbeitungsprozessors 14, einen Monitor oder dergleichen im Bereich des proximalen Endes 23 ermöglichen.

Bei der in Figur 11 dargestellten Ausführungsform eines endoskopischen Instruments 20 ist das Sensorikelement lateral zu den im Bereich des distalen Endes einfallenden Bildinformationen angeordnet. Über eine Strahlumlenkeinrichtung 25 werden die so im Bereich des distalen Endes 24 aufgenommenen Bildinformationen umgelenkt und dem Sensorikelement entsprechend seiner axialen Struktur zugeführt.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Bezuqszeichenliste

1 Sensorikelement (CCD)

2 Bildpunkteinheit (Pixel)

3 Bildpunkt

4 Prozessor

5 Detektor (Bildpunkteinheit)

6 Auslesesteuereinrichtung

11 Sensorikelement

12 Bildpunkteinheit (Pixel)

13 Bildpunkt

14 Prozessor

15 Detektor (Bildpunkteinheit)

16 Auslesesteuereinrichtung/Be- und/oder Verarbeitungsmittel

20 Endoskop (starr/flexibel)

21 Bildleiteinrichtung

22 Kamera

23 Ende (proximal)

24 Ende (distal)

25 Strahlumlenkeinrichtung

31 Sensorikelement (CMOS)

32 Bildpunkteinheit (Pixel)

33 Bildpunkt

34 Prozessor

35 Detektor (Bildpunkteinheit)

36 Auslesesteuereinrichtung

R Rot

G Grün

B Blau

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen, mit einem wenigstens ein Sensorikelement zur Aufnahme von Bildinformationen aufweisenden optischen System, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Sensorikelement (11) aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten (12) besteht, aus denen die auf das Sensorikelement (11 ) in Form von elektromagnetischer Strahlung einwirkenden Bildinformationen zusammensetzbar sind, wobei die Bildpunkteinheiten (12) axial zur Einfallseinrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf das Sensorikelement (11 ) strukturiert sind.

2. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorikelement (11) wenigstens zwei Schichten (15, 16) aufweist, eine im wesentlichen flächendeckende Sensorschicht (15) und eine sich in Einfallseinrichtung der elektromagnetischen Strahlung daran anschließende zur Signalverarbeitung und/oder -bearbeitung dienende Schicht (16) für jeden Bildpunkt.

3. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Bildpunkt (13) wenigstens zwei Bildinformationen in einer Bildpunkteinheit (12) detektierbar sind.

4. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildpunkteinheit (12) in wenigstens zwei unterschiedlichen Spektral bereichen sensitiv ist.

5. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorikelement (11 ) auf einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem ASIC, ausgebildet ist, vorzugsweise durch wenigstens eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge.

6. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten besteht.

7. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildpunkteinheit (12) einen Strahlungswandler, vorzugsweise in Form der genannten Schichtenfolge, zum Umwandeln einfallender Strahlung in einen intensitätsabhängigen Meßwert aufweist.

8. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildpunkteinheit (12) Mittel (16) zum Be- und Verarbeiten von Meßwerten aufweist.

9. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslesesteuereinrichtung (16) für ein jeweils auf eine Bildpunkteinheit bezogenes Auslesen von Meßwerten vorgesehen ist.

10. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslesen von Meßwerten derart erfolgt, daß aus bildpunkteinheitsbezo- genen Meßwerten ein auf das Sensorikelement einstrahlendes Bild zusammensetzbar ist.

11. Endoskopisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bildpunkteinheit (12) wenigstens ein weiterer für elektromagnetische Strahlung sensitiver optoelektronischer Wandler zugeordnet ist.

12. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler Bestandteil des integrierten Schaltkreises ist.

13. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler die spektrale Empfindlichkeit des Sensors im NIR-Bereich und/oder UV-Bereich erweitert.

14. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler die transienten Eigenschaften des Sensors steigert.

15. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler eine Photodiode, ein Photogate oder ein Phototransistor ist, vorzugsweise aus Silizium.

16. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorikelement eine spektral steuerbare Empfindlichkeit aufweist, vorzugsweise ein Mehrschichtsystem vom Typ piiin, pipiin oder dergleichen Schichtfolgen ist.

17. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis des Sensorikelementes (11 ) Mittel (16) zur Bildaufbereitung und/oder Auswertung aufweist.

18. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (16) zur Bildaufbereitung und/oder Auswertung Mittel zur Rauschunterdrückung, vorzugsweise durch Bildsummation und/oder Mittlung, sind.

19. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (16) zur Bildaufbereitung und/oder Auswertung Verstärkereinrichtungen sind, vorzugsweise Lock-in-Verstärker.

20. Endoskopisches Instrument nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß dieses wenigstens eine Strahlungsemittierende Struktur aufweist, welche vorzugsweise als Beleuchtungseinrichtung zum Ausleuchten des Hohlraums bzw. der zu untersuchenden Strukturen ausgebildet ist.

21. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsemittierende Struktur eine oder mehrere direkt und/oder indirekt emittierende Diode(n) ist/sind, vorzugsweise eine Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittierende Diode.

22. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 20 oder Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsemittierende Struktur in ihrem Spektralbe- reich an das Sensorikelement (11) angepaßt ist und vorzugsweise amplitudenmoduliert betreibbar ist.

23. Endoskopisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsemittierende Struktur eine sequentielle Bestrahlung des Hohlraums ermöglicht.

24. Endoskopisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses als kapseiförmige Sonde ausgebildet ist.

25. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde mit einem vorzugsweise integrierten Antrieb aktiv und/oder passiv durch peristaltische Bewegungen von Organen eines zu untersuchenden Körpers selbständig oder fernsteuerbar in und/oder durch Hohlräume bewegbar ist.

26. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis eine Recheneinrichtung zur Steuerung und/oder Fernsteuerung eines Antriebs aufweist.

27. Endoskopisches Instrument nach den Ansprüchen 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß dieses eine Einrichtung zur berührungslosen Übertragung aufgenommener Bildinformationen an eine separate sich außerhalb des Hohlraums befindende Bildinformationsempfangseinrichtung aufweist.

28. Endoskopisches Instrument nach den Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis einen Speicher zur Erfassung der Bildinformationen aufweist.

29. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensorikelement (1 ) eine Antireflexbeschich- tung aufgebracht ist, vorzugsweise aus Magnesiumfluorid oder einem geeigneten, vorzugsweise dielektrischen Vielschichtsystem.

0. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorikelement (11) keine temperaturempfindlichen Bauteile enthält und somit autoklavierbar ist.