DE4301466C1 - Endoskopischer Vorsatz für ein stereoskopisches Beobachtungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen endoskopischen Vorsatz für ein stereoskopisches Beobachtungssystem.

Chirurgische Eingriffe mittels Endoskopen sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie haben den Vorteil, daß der Patient nicht mehr mit großen eröffnenden Operationswunden belastet werden muß. Das Endoskop kann vielmehr direkt in natürliche Körperöffnungen eingeführt oder mittels einer minimalen chirurgisch hergestellten Öffnung zum Operationsherd gebracht werden.

Seit Jahren besteht für die Chirurgen das Bedürfnis der dreidimensionalen Darstellung des endoskopisch übertragenen Bildes des Operationsfeldes, weil sich nur dadurch eine optimale Steuerung der Instrumente ergeben kann.

Lösungen des Problems der dreidimensionalen Darstellung eines mit einem Endoskop beobachteten Operationsfeldes wurden auf verschiedenen Wegen gesucht.

Die Lösungswege wurden durch die Entwicklung der Endoskope bestimmt. Zum einen ging die Entwicklung in Richtung flexibler Endoskopie, die für ihre speziellen Anwendungsbereiche die Bildübertragung mit Hilfe von Lichtleitern bewirken. Folgerichtig wurde versucht, mit Hilfe von Lichtleitern eine stereoskopische Abbildung zu erreichen.

Für andere Anwendungsgebiete ging die Entwicklung in Richtung starrer Endoskope, bei denen die Bildübertragung vom Operationsfeld mittels stabförmiger optischer Systeme bewirkt wird. Für die vorliegende Erfindung ist nur die Entwicklung starrer Endoskope relevant.

Für starre Endoskopröhren wird im Dokument EP 0 019 792 B1 vorgeschlagen, in ein Operationsmikroskop anstelle des langbrennweitigen Hauptobjektives ein stabförmiges Zusatzobjektiv einzusetzen.

Mit einem Prismensystem wird bei dieser vorbekannten Lösung die große Stereobasis des Operationsmikroskops der um ungefähr den Faktor 10 kleineren Stereobasis des Zusatzobjektivs angepaßt. Nachteilig bei dieser vorbekannten Lösung ist, daß der Stereowinkel und damit auch der Stereoeindruck um denselben Faktor 10 reduziert wird. Für praktische Anwendungen, z. B. in der Laparoskopie, sind möglichst große Objektfelddurchmesser erforderlich, was zwangsläufig den Stereowinkel noch weiter reduziert, wie später noch genauer beschrieben wird. Deshalb kann die eigentliche Aufgabe einer stereoskopischen Abbildung mit diesem vorbekannten Vorschlag nicht befriedigend gelöst werden.

Ein weiterer Nachteil dieser vorbekannten Lösung besteht darin, daß die großen Durchmesser der beiden Stereostrahlengänge des Operationsmikroskopes (Gerätepupillen) von ungefähr 16 mm allein mit dem Prismensystem an die wiederum um ungefähr den Faktor 10 im Durchmesser kleineren Stereostrahlengänge (Eintrittspupillen) das Zusatzobjektivs angepaßt werden und damit unvertretbar starke Vignettierungen mit allen allgemein bekannten Nachteilen für die Abbildungseigenschaften auftreten. Eine Verstärkung dieses Vignettierungsefekts tritt auch dadurch auf, daß die Gerätepupillen des Operationsmikroskopes nicht mit den Eintrittspupillen des Zusatzobjektivs identisch sind.

In der US-PS 5 122 650 wird als Lösung für ein optisches System zur Darstellung dreidimensionaler endoskopischer Bilder vorgeschlagen, das Objekt mit einem Hauptobjektiv nach unendlich abzubilden und hinter dem Hauptobjektiv für die beiden stereoskopischen Abbildungsstrahlengänge je eine Abbildungsoptik zur Erzeugung von zwei nebeneinanderliegenden Stereohalbbildern als Zwischenbilder im endlichen vorzusehen. Diese Zwischenbilder werden entweder auf zwei CCD-Chips abgebildet und über eine Video-Elektronik auf einen Monitor übertragen und mit einer Spezialbrille betrachtet, oder sie werden über eine Stablinsenoptik zur Beobachtung in eine Betrachtungsebene übertragen. Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß durch die Abbildung von zwei in einer Ebene nebeneinanderliegenden Stereohalbbildern ein großer Durchmesser für das optische System erforderlich ist. Soll von einem Objekt ein Zwischenbild der Größe a übertragen werden, ist dazu ein Durchmesser des optischen Systems von mindestens 2a erforderlich.

In der DE 41 16 810 A1 wird die Verwendung eines Operationsmikroskopes mit einem Endoskop vorgeschlagen. Es soll dabei dem Operationsmikroskop ein Endoskop derart vorgeschaltet werden, daß zwischen dem Hauptobjektiv des Operationsmikroskopes und dem Okular eines Endoskopes ein scherenartiges Gelenkstück angeordnet ist. Die Gelenke sollen selbsthemmend ausgeführt sein, so daß sie in jeder Bildlage, in die sie durch den Arzt gebracht werden, stehen bleiben. Es werden bei dieser Vorrichtung weder Angaben darüber gemacht, ob die Endoskopoptik überhaupt ein dreidimensionales Bild mit einer befriedigenden Stereobasis liefert, noch darüber, wie eine stereoskopische Bildübertragung vom Endoskop auf das Operationsmikroskop stattfinden soll. Es muß deshalb bezweifelt werden, ob der Chirurg ein brauchbares dreidimensionales Bild durch diese Vorrichtung erhält.

In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Nr. 42 25 507.4 werden zwei spezielle Lösungen für das Problem in Form von Datentabellen für ein optisches System gegeben. Sie beruhen auf dem Prinzip, daß ein objektivseitiges Objektiv von einem Objekt in die Brennebene eines betrachtungsseitig angeordneten Objektives ein Zwischenbild entwirft und daß dieses Zwischenbild von dem als Hauptobjektiv wirkenden betrachtungsseitigen Objektiv nach Unendlich abgebildet wird. Das betrachtungsseitige Objektiv erzeugt also von diesem Zwischenbild wie in einem Stereomikroskop oder Operationsmikroskop zwei parallel nebeneinanderliegende Stereohalbbilder, und zwar in einem der Stereobasis entsprechenden Abstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus den in der Patentanmeldung 42 25 507.4 offenbarten Ausführungsbeispielen ein Konstruktionsprinzip herzuleiten, das den den Beispielen zugrundeliegenden allgemeinen Erfindungsgedanken offenbart und das es ermöglicht, die charakteristischen spezifischen Parameter des Stereoendoskops, wie z. B. Rohrdurchmesser, Rohrlänge, Stereowinkel, Objektfelddurchmesser, Arbeitsabstand, Auflösungsvermögen und Tiefenschärfe den jeweiligen praktischen Erfordernissen wie z. B. in der Laparoskopie oder Neurochirurgie anzupassen.

Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 angegebenen endoskopischen Vorsatz für ein stereoskopisches Beobachtungssystem gelöst. Vorteilhaftes Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-11 enthalten. Im Unteranspruch 10 und den dazugehörenden Unteransprüchen 11-17 wird ein für eine rationelle Fertigung vorteilhafter Aufbau des optischen Systems angegeben. In den Unteransprüchen 18 und 19 werden Datentabellen für Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zur Ausbildung des Objektes und zur Übertragung des Zwischenbildes ein beiden stereoskopischen Strahlengängen gemeinsames optisches System benutzt wird, daß der Durchmesser der optischen Elemente im Vergleich zum Stand der Technik kleiner ist und sich im Vergleich zu den in der Anmeldung 42 25 507.4 offenbarten Ausführungsbeispielen weiter reduzieren läßt und daß die endoskopspezifischen Parameter wie z. B. Rohrdurchmesser, Rohrlänge, Stereowinkel, Tiefenschärfe, Objektfelddurchmesser, Auflösungsvermögen und Arbeitsabstand den jeweiligen Erfordernissen für verschiedene Anwendungen rechnerisch angepaßt werden können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine Justierung von Bildlage und Binokularfehler von zwei Stereohalbbildern, wie sie bei den vorbekannten Systemen erforderlich ist, entfällt. Von großem Vorteil ist außerdem, daß die Stereobasis der Gerätepupillen proportional der Brennweite des betrachtungsseitigen Objektives (Hauptobjektives) verkleinert werden kann, ohne daß dadurch der Stereoeindruck verschlechtert wird. Beeindruckend ist auch die mit der Erfindung erreichbare Reduzierung des Durchmessers der optischen Elemente und damit des Endoskoprohres. Während bei dem in der US-PS 5 122 650 beschriebenen optischen System für die Übertragung eines 3 mm großen Zwischenbildes ein Durchmesser der optischen Elemente von 6 mm erforderlich ist, benötigt man für die Übertragung eines gleich großen Zwischenbildes mit dem erfindungsgemäßen optischen System nur einen Durchmesser von 3 mm. Das bedeutet, bei gleich großem Durchmesser der optischen Elemente ist die mit dem optischen System gemäß vorliegender Erfindung übertragene Bildinformation viermal größer als bei der Bildübertragung mit dem aus US-PS 5 122 650 vorbekannten optischen System.

Das optische Konstruktionsprinzip ist in den Figuren der Zeichnung dargestellt und soll im folgenden näher beschrieben werden.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1a-1c den für die Erfindung relevanten Teil des Stereoendoskops;

Fig. 2 die Einkopplung der stereoskopischen Strahlengänge in das Endoskop;

Fig. 3 und 4 Ausführungsbeispiele für die Ausführung der Übertragungsoptik aus identischen und symmetrischen Kittgliedern.

Der in Fig. 2 gezeigte Teil des Stereoendoskopes ist für alle verschiedenen Anwendungsfälle im Prinzip gleich. Schnittstellen sind die anwendungsspezifischen Gerätepupillen (EP) des stereoskopischen Beobachtungssystems, deren Durchmesser (2A′), deren Abstand vom Hauptobjektiv (a′) und räumliche Trennung 2 (p′+A′)=Stereobasis je nach Anwendung verschieden sind. Die Gerätepupillen (EP) stellen die Eintrittspupillen des stereoskopischen Beobachtungssystems dar und fallen mit den Austrittspupillen des endoskopischen Vorsatzes zusammen.

Der in Fig. 1 gezeigte relevante Teil des Stereoendoskops besteht aus einem betrachtungsseitigen Objektiv (3) (Hauptobjektiv), einer Einkoppeloptik (2.4; 2.5), einer Übertragungsoptik (2) und einem objektseitigen Objektiv (1) (Endoskopobjektiv). Die Übertragungsoptik (2) besteht im gezeichneten Ausführungsbeispiel aus den einzelnen Gliedern (2.1-2.3) und den Glasstäben (13). Sie kann aber auch aus einer mehrfachen Anzahl dieser Glieder bestehen. Hauptobjektiv (3) und Einkoppeloptik (2.4; 2.5) stellen im gezeichneten Beispiel ein Kepler'sches Fernrohr dar. Es ermöglicht die vignettierungsfreie Einkopplung und Verflechtung der in der Ebene der Gerätepupillen noch getrennten Stereostrahlengänge in das Endoskoprohr, und zwar unter Beibehaltung des Stereowinkels (α′) und damit des Stereoindrucks.

Durch das optische System für die stereoskopische Übertragung der Stereostrahlengänge (Übertragungsoptik) (2.1-2.3) werden sowohl das Zwischenbild (26) als auch die Pupillen (11) im Maßstab 1 : 1 übertragen. Diese Übertragung kann auch mit Gradientenstäben erfolgen. Gradientenstäbe haben ein radiales Brechzahlprofil und abbildende (selbstfokussierende) Eigenschaften. Sie werden unter dem Markennahmen "SELFOC" angeboten. Ihre bevorzugte Anwendung kann bei kleinen Endoskopröhrendurchmessern von weniger als 3 mm erfolgen.

In der Darstellung der Fig. 2 ist das Hauptobjektiv (3) und die Einkoppeloptik (2.4-2.5) mit den für das erfindungsgemäße optische Konstruktionprinzip maßgeblichen Parametern eingezeichnet.

Der Durchmesser der Gerätepupillen (EP) ist mit (2A′) und die dazugehörige Stereobasis mit 2 (p′+A′) bezeichnet. Die im Endoskoprohr (7) übertragene Größe der Pupillen trägt jeweils die Bezeichnung (2A), die entsprechende Stereobasis die Bezeichnung 2 (p+A). Mit (D) ist der freie Durchmesser der Optik des Endoskoprohrs bezeichnet und mit (21′) die Größe des vom Hauptobjektiv (3) betrachteten Zwischenbildes (27). Der Hauptstrahl (HS) der Abbildung bildet mit der zur optischen Achse (8) parallelen Achse den Winkel (w).

Für die Anpassung des stabförmigen stereoskopischen Systems vom Durchmesser (D) an ein anwendungsspezifisches optisches Gerätesystem müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

2l′ = 2f₃ · tang w = D

2 (2A+p) = D

und

Daraus resultiert ein Stereowinkel von

Die Einkoppeloptik (2.4) und das Hauptobjektiv (3) mit den Brennweiten f₂ und f₃ bilden ein Fernrohr. In der Nähe des Zwischenbildes befindet sich noch eine Feldlinse (2.5), mit der der Hauptstrahlengang (HS) beeinflußt und z. B. im Endoskoprohr (7) am Ort des Zwischenbildes (26), telezentrisch gemacht werden kann.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Übertragungssystem (2.1-2.3) werden mit einem einzigen zentrischen um die Achse (8) angeordneten optischen System zwei oder auch mehrere stereoskopische Strahlengänge, die paarweise jeweils ein Stereobild liefern, vignettierungsfrei und unter Beibehaltung des Stereoeindrucks und unter Ausnutzung des gesamten freien Optikdurchmessers übertragen. Diese Übertragung geschieht durch mehrmalige Abbildung im Maßstab 1 : 1 sowohl des Zwischenbildes (26) als auch der Pupillen (11). Die Anzahl dieser Abbildungen bestimmt bekanntlich Bildorientierung und stereoskopisch richtige oder falsche Tiefenwahrnehmung.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Endoskopobjektiv (1) kann nun vor allem der anwendungsspezifische Objektfelddurchmesser (2l) und der Arbeitsabstand (d) festgelegt werden. Für den Abbildungsmaßstab (β) Objekt-Zwischenbild gilt dann:

Mit diesem Abbildungsmaßstab (β) sind aber auch in bekannter Weise die optischen Abbildungseigenschaften wie Auflösung und Tiefenschärfe zwangsweise verknüpft. Wesentlich ist aber, daß der Stereowinkel (α) und damit der Stereoeindruck umgekehrt proportional zum Abbildungsmaßstab (β) ist:

Für β=1 bleibt also der Stereoeindruck unveränderbar. Für β<1 erhält man aber einen verminderten Stereoeindruck, wohingegen die damit zwangsweise zunehmende Tiefenschärfe ein gewünschter Nebeneffekt bei endoskopischen Anwendungen ist.

In den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen für die Übertragungsoptik (2) sind die Glasstäbe wieder mit (13) bezeichnet. Die Elemente der Kittglieder tragen die Bezeichnung (15, 16) bzw. (15′, 16′).

Claims (20)

1. Endoskopischer Vorsatz für ein stereoskopisches Beobachtungssystem mit Gerätepupillen (EP), bestehend aus einem Hauptobjektiv (3) und in einem Endoskoprohr (7) vom Durchmesser (D) angeordneten optischen Teilsystemen, nämlich

• - einem Endoskopobjektiv (1), welches ein Objekt der Größe (2l) im Maßstab (1/β) als Zwischenbild (26) der Größe (2l′) abbildet, wobei der objektseitige Stereowinkel (α) umgekehrt proportional zum Abbildungsmaßstab (β) ist,
• - einem optischen Übertragungssystem (2.1-2.3), welches mindestens ein weiteres Zwischenbild (27) des Objektes erzeugt,
• - einem optischen Einkoppelungssystem (2.4-2.5), das mit dem Hauptobjektiv (3) ein umgekehrtes Fernrohr bildet, mit dem ein Strahlenbündel vom Durchmesser (D) auf den Durchmesser (2 (2A′+p′)) aufgeweitet und mit dem von den Gerätepupillen (EP) ein Zwischenbild (11) erzeugt wird,

wobei das Hauptobjektiv (3) vom Zwischenbild (27) der Größe (2l′) unter Beibehaltung des Stereowinkels (α′) mindestens zwei stereoskopische Teilbilder nach Unendlich abbildet und vom umgekehrten Fernrohr (2.4, 2.5, 3) die Geräte- oder Eintrittspupillen (EP) vom Durchmesser (2A′) auf ein Zwischenbild (11) vom Durchmesser (2A) abgebildet und die dazugehörige Stereobasis vom Durchmesser (2 (p′+A′)) auf den Durchmesser (2 (p+A) reduziert wird und vom Übertragungssystem (2.1-2.3) mindestens ein weiteres Pupillenzwischenbild (11′, 11′′) erzeugt wird und wobei die Eintrittspupillen (EP) des stereoskopischen Beobachtungssystems mit den Austrittspupillen des endoskopischen Vorsatzes zusammenfallen.

2. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Objektabbildung die Bedingung und für die Pupillenabbildung die Bedingung erfüllt ist und wobei gleichzeitig für die Einkopplung der Abbildungsteilbündel in das Hauptobjektiv (3) die Bedingung dem Betrag nach erfüllt ist.

3. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptobjektiv (3) im Endoskoprohr (7) integriert ist.

4. Endoskopischer Vorsatz nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptobjektiv (3) Teil eines Operationsmikroskopes ist.

5. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptobjektiv (3) gleichen Durchmesser wie das Endoskopobjektiv (1) aufweist.

6. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbilder (26, 27) sich symmetrisch von der optischen Achse (8) bis annähernd an den Innendurchmesser des Endoskoprohres (7) erstrecken.

7. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem optischen Übertragungssystem (2.1-2.3) und der Einkoppeloptik (2.4-2.5) lichtbrechende optische Elemente zur Erweiterung der Stereobasis vorgesehen sind.

8. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen den abbildenden optischen Elementen (1-3) Glasstäbe (13) zur Baulängenverlängerung angeordnet sind.

9. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungssystem (2.1-2.3) aus einer Gradientenlinse mit radialen Brechzahlverlauf besteht.

10. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß, das Übertragungssystem (2.1-2.3) aus identischen und symmetrisch aufgebauten Kittgliedern besteht.

11. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kittgliedern Zylinder (13) aus optisch durchsichtigem Material angeordnet sind.

12. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kittglieder aus je einer zwischen zwei Meniskuslinsen (16) angeordneten Bikonvexlinse (15) bestehen.

13. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kittglieder aus je einer zwischen zwei Meniskuslinsen (16′) angeordneten Kugellinse (15′) bestehen.

14. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Meniskuslinsen kleiner ist als ihr halber Durchmesser.

15. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Meniskuslinsen (16, 16′) und Zylinder (13) dem Betrag nach Null ist.

16. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der für das Kittglied verwendeten Glassorten praktisch gleich ist.

17. Endoskopischer Vorsatz nach mindestens einem der Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, daß die für die optischen Elemente verwendeten Gläser beständig gegen Erhitzung und gegen Umwelteinflüsse sind.

18. Endoskopischer Vorsatz nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende Datentabelle:

Tabelle 1

19. Optisches System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende Datentabelle:

Tabelle 2

Endoskopobjektiv β=8. Bildwinkel 60°

Hauptobjektiv und Übertragungsoptik (Flächen-Nr. 1-18) wie im Anspruch 20