内窥镜及其使用方法

专利名称：内窥镜及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种内窥镜，包括两个入射光学元件和多个导引设备，所述入射光学元件彼此有间隔地布置且其视场相互交叠。本发明尤其涉及用于医疗应用、特别是外科用的具有可变基础的立体测量内窥镜，具有照亮对象表面以及可选地将结构化的光投射到对象表面的功能。
背景技术：
内窥镜是微创手术的必要器械。利用内窥镜可以通过极小的皮肤开口将光学系统引入人体和动物体内。专门的技术允许将光学系统(导像元件和照明设备)与机械器械组合起来。例如， 在腹腔镜检查中将管子送入患者的腹腔中。通过这个与腹壁密封隔离的管子通常将气体 (CO2)注入腹腔，从而使腹壁与器官分离。由此形成一个空腔，利用合适的光学系统可在该空腔内进行定向。机械器械以及照明和成像系统被插入管子中。外科医生可以在患者身上进行微创手术。内窥镜是一种导像元件，该导像元件的远端设有入射光学元件并且该导像元件的另一端设有出射光学元件。通常需要入射光学元件具有较大的开口角度，以便能实现定向。 深度信息只有在一定条件下才能推导出来，例如通过已知结构或者通过借助外部设置的导航系统对内窥镜进行导航插入。立体测量方式工作的内窥镜基于两个位于内镜管内的光轴。原则上，通过这些双透镜系统就能按立体测量方式工作。这两个光轴直接并排设置。第一导像元件的光轴与对象以及与第二导像元件的光轴之间的视角比较小。因此所获得的深度信息非常不精确。在专利申请公开案DE 39 212 33 Al中描述一种远端布置有视频设备的内窥镜。 这种内窥镜的特征是，至少物镜和图像传感器组合成一个视频单元，该视频单元在插入待观测的空腔后可作为一个整体相对于内窥镜杆体的远端移动。两个这样的视频单元就能进行具有扩展的基础的立体观测。在专利申请公开案WO 2010/020397 Al中介绍一种与施加到对象上的图案组合的立体内窥镜。借助事先施加在被测对象的表面上的图案，对立体图像的摄影测量分析可以对该对象的表面形貌进行三维描述。利用这种装置只有在一定条件下才能对一般未完全配置图案的表面自由形状进行测量。

发明内容
本发明基于以下基本构思，利用立体布置的内窥镜，借助增大的入射物镜的间距可以显著改善深度信息。此外，借助可选地对被测体积的照亮，能对天然结构和/或事先被施加到对象表面上的柔性和/或刚性图案进行三维测量。再者，借助可选地将结构化的光投射在对象表面上，能检测该对象表面的三维形貌并与天然结构和/或所述图案形成参照。
本发明所基于的任务是进一步开发内窥镜，以便尤其是对空腔内对象的表面形貌进行测量。该任务的按照本发明的解决方案在权利要求1中描述。在从属权利要求中说明本发明的扩展。在一种优选方案中，在所述内窥镜中集成发出结构化的光的照明设备。优选的，在一个入射光学元件和导引设备之间插入使轴向射线发生平行偏移的光学元件。例如，菱形棱镜或反射镜对就是一种使轴向射线发生平行偏移的光学元件。优选的，所述光学元件的至少一部分配备有减小表面张力的涂层。一种特别优选的方案规定，所述入射光学元件之间的间隔可变且可借助集成在所述导引设备中的装置加以明确调节。本发明的另一方案规定，所述入射光学元件和所述使轴向射线发生平行偏移的光学元件按照需要占据这样的面，该面的外边缘不突出于所述导引设备的横截面之外。一种特别有利的方案规定，所述入射光学元件的光轴彼此间隔一定距离且该距离至少为所述导引设备最窄处的横截面直径的2. 5倍。优选借助激光和衍射光学元件(DOE)产生所述结构化的光。优选借助光束产生所述结构化的光，所述光束在配备有入射光学元件和出射光学元件的导像元件中被明确导引。这些光束按照需要为白色或彩色。本发明的另一方案规定，所述使轴向射线发生偏移的光学元件布置在共用成像传感器上。本发明提出一种具有权利要求11所述特征的、使用如权利要求1以及其它从属权利要求所述的内窥镜的方法。在此，对被照亮和/或被结构化的光照射的对象表面的图像进行摄影测量分析，并作为三维散布图来提供这些对象表面。本方法规定，利用所述内窥镜给出一种光学预定，以参照坐标系对至少一个对象部分的表面形貌进行精确测量，所述坐标系由所述对象上的天然结构或施加在对象表面上的柔性和/或刚性图案定义。所述方法规定通过贯穿管将入射光学元件和使轴向射线发生平行偏移的光学元件放置到测量位置上，这些光学元件的外边缘不突出于导引设备的横截面之外，随后使入射光学元件彼此间隔明确的距离，使得入射光学元件的外边缘突出于导引设备的横截面之外，对图案和/或天然结构照亮，以及/或者在对象表面上投射结构化的光，对被对象表面所反射的光进行摄影测量分析并作为关于图案和/或天然结构的三维散布图提供。可用白光照亮对象表面。本发明的另一方案规定，在所述对象表面上施加至少一个图案。优选在测量对象表面形貌时对所述内窥镜进行手动操作。本发明不仅适用于医疗应用。凡是需要通过细孔来插入内窥镜并且在实际的测量空间中存在更多空间的地方，均可采用所述系统来获得表面及形状的精确测量结果。


下面借助实施例并参照附图对本发明进行示范性说明，但不限制本发明的一般性构思，此外本发明在文字上未加以详细说明的所有细节的公开都参见附图。
图1示意性示出内窥镜在打开状态下的现场侧视图； 图2示意性示出入射光学元件对的两种不同大小的间距； 图3示意性示出内窥镜在闭合状态下的侧视图4示意性示出单个组件在闭合状态下的侧视图； 图5示意性示出用于照明设备的组件的侧视图； 图6示意性示出光学系统在闭合状态下的俯视图； 图7示意性示出光学系统在打开状态下的俯视图8示意性示出光学系统在打开状态下的俯视图，具有未遮蔽的用于附加器械的贯穿
孔；
图9示意性示出用于照亮具有天然结构和施加的图案的对象以及用于结构化的光的照明设备的侧视图，所述结构化的光由衍射光学元件和激光束产生；
图10示意性示出照明设备的另一种实施方案的侧视图，包括两个平行于导像元件轴的光束；
图11示意性示出照明设备的另一种实施方案的侧视图，包括两个不平行于导像元件轴的光束；及
图12示意性示出内窥镜的另一种实施方案在打开状态下的侧视图，该内窥镜包括集成在光学头中的成像传感器。
具体实施例方式下面示例性地针对腹腔镜检查应用对内窥镜进行描述。腹腔镜检查(也称为 Bauchspiegelung)是一种用专门的棒形透镜光学元件(用于刚性内窥镜)通过外科医生在腹壁中所开的小开口观察腹腔及腹腔内的器官的方法。代替包括刚性棒形透镜光学元件的内窥镜，可以使用具有柔性导像元件的内窥镜。图1示意性示出内窥镜1在打开状态下的现场侧视图。光学系统5定位于待检查对象4的前方。位于光学系统5和外部供给模块12之间的导引设备的导像和导光元件6、 6a、Ila集成在管子13内。管子13位于穿过腹壁3的贯穿管2内。两个光学头中的每一个7、7a由使轴向射线发生平行偏移的光学元件8、8a以及入射光学元件9、9a构成。使轴向射线发生平行偏移的光学元件8、8a例如是反射镜对或菱形棱镜。为了测量，可借助集成在导引设备中的机械装置明确调节入射光学元件9和9a的光轴之间的间距10。可以通过例如旋转和/或移动导像元件6和6a来对光学头7和7a进行定位。内窥镜1在打开状态下无法从贯穿管2中取出。“打开状态”的意思是光学头7和 7a正处于其准备测量的位置。 照明设备11将对象表面4照亮。照明设备11可以可选地与入射光学元件9和9a 大体定位于相同的高度。照明设备11的作用是照亮对象表面4和/或借助结构化的光进行表面扫描和检测。照明设备11借助集成在导引设备内的导光元件和/或导像元件Ila 与外部供给模块12连接。 外部供给模块12的作用是为照明设备11提供必要的光以及接收入射光学元件9 和9a的图像信号。这些图像可以直接被可视化。可以用成像传感器检测这些图像信号并用摄影测量法进行分析。外部供给模块12还包含用于使光学头7和7a发生机械移动的装置。图加和图2b示意性示出入射光学元件对9和9a的间距10或IOb对深度信息精确性的影响。图加示意性示出一种在测量技术上不利的情形，具有由间距10和距离20定义的锐角21。距离20是入射光学元件对与对象表面4上的点22之间的平均间距。图2b 示意性示出一种在测量技术上有利的情形，具有由大间距IOb以及与此相对的与表面4b上的点22b之间的小距离20b定义的大角度21b。图3示意性示出内窥镜1在闭合状态下的侧视图。光学头7和7a在此旋转了一定角度30和30a。可选地，两个导像元件中的一个6或6a可以沿其轴线移动一定距离31。 内窥镜1在闭合状态下可以很方便地从留在现场的贯穿管2中取出，也可以很方便地插入测量位置。在通过贯穿管2插入的状态下，光学头7和7a被定位成使得它们的外边缘不突出于导引设备的通过管子13给定的横截面之外。在工作状态下，即在打开状态下，两个光学头向外旋转一定角度30和30a，并且可选地纵向移动所述距离31。两个导像元件6和6a 所旋转的角度30和30a典型地位于140至170度的范围中，以便使入射光学元件对之间达到对于测量技术而言的最佳间距。旋转所述角度30和30a并纵向移动所述距离31后，入射光学元件9和9a关于照明设备11对称。使用时，通过向内旋转光学头7和7a后将光学系统5插入贯穿管2。现在在腹腔中将光学头7和7a在侧面向外旋转所述角度30和30a，并且可选地纵向移动所述距离31， 从而使其入射光学元件9和9a形成该入射光学元件对之间的对于测量技术而言的最佳间距。导像元件的旋转运动以及两个导像元件之一的可选纵向移动可以通过专门为此设置的机械导引装置无间隙地以及精确地实现。由此能针对适于进行光学测量的打开状态对内窥镜进行校准。在转移到闭合状态并重新打开后，系统校准仍然有效。“闭合状态”的意思是光学头7和7a不处于其准备测量的位置。在闭合状态下，光学头7和7a的外边缘不突出于导引设备的横截面之外。图4示意性示出图1和图3所描述的内窥镜各个组件的侧视图。图5示意性示出内窥镜的照明设备11的其它细节的侧视图。出射光学元件50和导光元件52用于优选用白光照亮对象表面。包括导光元件51的衍射光学元件30则用于将结构化的光投射到对象表面上，所述导光元件51用于输送激光束。示意性绘出包含了全部导引设备的管子13，该管子13位于贯穿管2中。图6左部示意性示出光学系统5在闭合状态下的俯视图。在该俯视图中，入射光学元件9和9a的光轴以及照明设备11的光轴彼此间靠得很近。具有使轴向射线发生平行偏移的光学元件8、8a的光学头7、7a被设计为，使得外边缘在闭合状态下不突出于管子13 中的导引设备的横截面之外。可以借助包裹导像元件6的套管60、60a将光学头7、7a打开和闭合。照明设备11在闭合状态下被光学头7和7a覆盖。图6右部以俯视图示意性示出闭合状态下两个导像元件6和6a的中轴线以及照明设备11及两个入射光学元件9和9a的光轴。图7左部示意性示出光学系统5在打开状态下的俯视图。示例性绘出了围绕导像元件6的轴线的旋转角30。入射光学元件9和9a的光轴之间在间距10时相隔最大。图7右部以光学系统在打开状态下的俯视图示意性示出两个入射光学元件9和9a彼此相隔间距10的光轴。在打开状态下，光学头不覆盖照明设备11。图8示意性示出光学系统5在打开状态下的俯视图，其中照明设备11采用了另一种实施方案。通过管子13中的贯穿孔80可以将例如其它器械引入包含有所述对象的空腔内。入射光学元件9和9a的光轴之间在间距10时相隔最大。图9示意性示出光学系统5的侧视图，其中照明设备11包含衍射光学元件92，该衍射光学元件将通过导光元件90导引的激光束划分成结构化的光94。结构化的光94在表面4上投射由点和/或线构成的图案。利用光学元件93和导像元件91将被测体积照亮， 该被测体积包括存在于对象表面上的天然结构96和/或被施加到对象表面上的柔性和/ 或刚性图案95。有利的是，使用彩色的结构化的光和白色的光来进行照明。图10示意性示出用于结构化的光的照明设备11的另一种实施方案的侧视图。两个示例性绘出的光束103和104平行于导像元件102的光轴100。光学元件101使这些平行光束发生偏转。例如，与导像元件102的光轴100之间存在间隔106的光束103通过光学元件101偏转一定角度105。偏转角105优选取决于间距106。通过改变间距106以及由此引起的光束103的连续移动，光学元件101可以产生在空间中连续移动的光图案。由此在待测对象表面107上投射对称移动的光束，而无需移动内窥镜。产生以一定间隔106 平行于光轴100的光束属于现有技术，在此不再加以赘述。图11示意性示出用于结构化的光的另一种照明设备11的侧视图。两个示例性绘出的光束110和111不平行于导像元件102的光轴100。光学元件101使这些光束发生偏转。例如，与导像元件102的光轴100之间存在间隔112以及角度113的光束110通过光学元件101偏转一定角度114。在本实施例中，偏转角114取决于间距112和角度113。由此就可以通过连续改变所述间距和/或角度，在待测对象表面115上投射对称移动的光束， 而无需移动内窥镜。以一定的间距112和角度113产生不平行于导像元件102的光轴100 的光束属于现有技术，在此不再加以赘述。图12示意性示出光学系统5的另一种实施方案的侧视图，其中内窥镜的光学头7 和7a在打开状态下。成像传感器120和所属的电子模块121集成在光学系统5中。可见的对象表面通过入射光学元件9和9a以及使轴向射线发生平行偏移的光学元件8和8a成像到共用成像传感器120上。为了测量，可明确调节入射光学元件9和9a的光轴之间的间距10。位于内窥镜的管子13中的导引设备122将电子模块121与图12中未绘出的供给模块连接起来。照明设备亦未绘出。
权利要求
1.一种内窥镜，包括两个入射光学元件和多个导引设备，所述两个入射光学元件彼此有间隔地布置并且它们的视场相互交叠，其特征在于，入射光学元件彼此的间隔远到使得它们的外边缘突出于所述导引设备的横截面之外，并且在一个入射光学元件和所述导弓I设备之间插入使轴向射线发生偏移的光学元件。
2.如权利要求1所述的内窥镜，其特征在于发出结构化的光的照明设备。
3.如上述权利要求中任一项所述的内窥镜，其特征在于，在一个入射光学元件和所述导引设备之间插入使轴向射线发生平行偏移的光学元件。
4.如上述权利要求中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述入射光学元件的至少一部分配备有减小表面张力的涂层。
5.如上述权利要求中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述入射光学元件之间的间隔可变且能借助集成在所述导引设备中的装置加以明确调节。
6.如上述权利要求中任一项所述的内窥镜，其特征在于，按照需要所述入射光学元件和所述使轴向射线发生平行偏移的光学元件占据这样的面，该面的外边缘不突出于所述导引设备的横截面之外。
7.如上述权利要求中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述入射光学元件的光轴彼此间隔一定距离且该距离至少为所述导引设备最窄处的横截面直径的2. 5倍。
8.如权利要求2至7中任一项所述的内窥镜，其特征在于，借助激光和衍射光学元件 (DOE)产生所述结构化的光。
9.如权利要求2至8中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述结构化的光借助在配备有入射光学元件和出射光学元件的导像元件中被明确导引的光束产生。
10.如上述权利要求中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述使轴向射线发生偏移的光学元件布置在共用成像传感器上。
11.一种使用如上述权利要求中至少一项所述的内窥镜的方法，其特征在于，通过贯穿管将所述入射光学元件和所述使轴向射线发生平行偏移的光学元件放置到测量位置上， 这些光学元件的外边缘不突出于所述导引设备的横截面之外，随后使所述入射光学元件彼此间隔明确的距离，使得入射元件的外边缘突出于所述导引设备的横截面之外，将图案和/ 或天然结构照亮以及/或者在所述对象表面上投射结构化的光，对被所述对象表面反射的光进行摄影测量分析并作为关于所述图案和/或所述天然结构的三维散布图提供。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述对象表面上施加至少一个图案。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在测量对象表面形貌时对所述内窥镜进行手动操作。
全文摘要
本发明涉及一种内窥镜(1)，包括两个入射光学元件(9，9a)和多个导引设备，所述两个入射光学元件彼此有间隔地布置且它们的视场相互交叠，其中，所述入射光学元件(9，9a)彼此的间隔远到使得它们的外边缘突出于所述导引设备的横截面之外，并且在一个入射光学元件和所述导引设备之间插入使轴向射线发生偏移的光学元件(8，8a)，本发明还涉及一种上述内窥镜的使用方法。
文档编号G02B23/24GK102573602SQ201080048684
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月27日
发明者B.克诺贝尔, C.巴尔韦格, C.芬戴森 申请人:纳维瑞士股份公司