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Die
Erfindung betrifft ein Endoskopsystem, das sich zur Aufnahme sogenannter
in-vivo-OCT-Bilder (optische Kohärenz-Tomografie)
eines Objekts eignet.
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Endoskopische
Geräte
zum Betrachten von Objekten in einer menschlichen Körperhöhle sind
bekannt. Ein solches Endoskop kann in die Körperhöhle eingeführt werden, und eine externe
Beleuchtungsvorrichtung wird an das Endoskop angeschlossen. Diese
enthält
eine Lichtquelleneinheit zum Beleuchten des Objekts und einen Prozessor
zur Verarbeitung von Bildsignalen.
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Das
Endoskop enthält
ein optisches Beleuchtungssystem, das mit der Lichtquelleneinheit der
externen Vorrichtung verbunden ist und zum Beleuchten des Objekts
(z.B. der Teile einer Körperhöhle) dient,
ein Objektiv zum Erzeugen eines Objektbildes und ein CCD-Element
(Charge Coupled Device) in einer Bildebene des Objektivs und in
elektrischer Verbindung mit dem Prozessor des externen Geräts.
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An
der Spitze des Endoskops befindet sich eine Instrumentenöffnung.
Zangen oder verschiedene Behandlungsinstrumente, die in das Endoskop eingesetzt
sind, ragen aus der Instrumentenöffnung in
die Körperhöhle hinein.
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Mit
einem solchen Endoskop kann der Benutzer die Innenseite der Körperhöhle beobachten. Er
führt zunächst das
Endoskop in die Körperhöhle ein.
Das Licht der Lichtquelleneinheit des externen Geräts wird über das
optische Beleuchtungssystem auf das zu beobachtende Objekt gerichtet.
Ein Objektbild wird über
das Objektiv auf der Lichtaufnahmefläche des CCD-Elementes erzeugt.
Dieses setzt das Bild in ein elektronisches Bild (d.h. Bildsignale) um.
Dieses wird zu dem Prozessor des externen Geräts übertragen. Er verarbeitet das
empfangene Bildsignal und stellt das Objektbild auf einem Sichtgerät dar. Somit
kann der Benutzer an dem Sichtgerät das Innere der Körperhöhle betrachten.
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Entscheidet
der Benutzer, daß möglicherweise
Krebsgewebe oder ein Tumor in dem betrachteten Teil der Körperhöhle vorhanden
ist, wird eine Zange oder ein Biopsieinstrument in den Instrumentenkanal des
Endoskops eingeführt.
Die Spitze des Instruments ragt aus der Instrumentenöffnung heraus,
und die Gewebe des interessierenden Teils können entnommen werden. Sie
werden einer pathologischen Prüfung
unterzogen, und es wird abhängig
von dieser Prüfung
eine Diagnose erstellt.
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Bei
einem konventionellen Endoskopsystem der vorstehend beschriebenen
Art kann nur die Fläche
der Körperhöhle betrachtet
werden. Um den Zustand des Gewebes in der Wand der Körperhöhle zu kennen,
ist eine Biopsie erforderlich. Um einen frühen Krebs oder einen kleinen
Tumor aufzufinden, kann auf die Biopsie nicht verzichtet werden.
Die pathologische Prüfung
erfordert jedoch Zeit, so daß auch
die Diagnose verzögert
erstellt wird.
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Im
Hinblick auf die Beanspruchung des Patienten kann die Biopsie nur
in einem begrenzten Bereich und in begrenzter Anzahl durchgeführt werden. Erkrankte
Teile können
aber auch in anderen Bereichen als in dem durch den Benutzer identifizierten vorhanden
sein. Solch ein Teil kann dann übersehen werden,
und im Ergebnis ist eine genaue Diagnose nicht möglich, auch wenn eine pathologische
Untersuchung durchgeführt
wird.
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Zum
Stand der Technik wird auf die Druckschriften JP 06-154 228 A,
US 5 321 501 A und
US 5 459 570 A verwiesen.
Aus diesen Druckschriften ist jeweils ein Endoskopsystem bekannt,
mit einem ersten Lichtleiter und einem mit diesem über einen
Optokoppler optisch gekoppelten zweiten Lichtleiter, einer Quelle
für schwach
kohärentes
Licht, die an das proximale Endes eines der beiden Lichtleiter angekoppelt
ist, einer Abtasteinheit, die das aus dem ersten Lichtleiter austretende
Licht zweidimensional abtastend über
einen vorbestimmten Flächenbereich eines
Objektes bewegt und das an dem Objekt reflektierte Licht als Erfassungslicht
in den ersten Lichtleiter einführt,
einem Reflektor zur Reflexion des aus dem zweiten Lichtleiter austretenden
Lichts auf den zweiten Lichtleiter als Referenzlicht, einem Einstellsystem
für die
optische Weglänge
zum relativen Ändern
der optischen Weglänge
von dem Optokoppler zu dem Objekt über den ersten Lichtleiter
und der optischen Weglänge
von dem Optokoppler zu dem Reflektor über den zweiten Lichtleiter,
einer Lichterfassungsvorrichtung am proximalen Ende des anderen der
beiden Lichtleiter zum Erzeugen von Interferenzlicht durch Interferenz
zwischen dem Referenzlicht und dem Erfassungslicht, und einem Signalverarbeitungssystem
zum Erzeugen eines Tomogramms aus dem mit der Lichterfassungsvorrichtung
erfassten Signal beim Betrieb des Einstellsystems und der Abtasteinheit.
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Ferner
wird auf die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 100 31 818 A1 verwiesen.
Dort ist ein OCT-Endoskopsystem beschrieben, das eine lineare Abtastung
vornimmt. Dieses Endoskopsystem weist eine Abtasteinheit mit einem
Abtastprisma auf, das innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs
um die Achse eines Lichtleiters gedreht wird. Das aus dem Lichtleiter
ausgesendete Licht tastet wiederholt einen vorbestimmten Bereich
längs einer
zu der Achse eines Einführrohrs
senkrechten Richtung ab. Dadurch wird auf dem Objekt eine Abtastlinie
erzeugt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Endoskopsystem anzugeben, das eine
genaue Diagnose in relativ kurzer Zeit ermöglicht.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Mit
einem Endoskopsystem nach der Erfindung kann ein Tomogramm eines
dreidimensionalen Teils erstellt werden, der durch die Oberfläche eines rechteckigen
Objektbereichs und bis zu einer bestimmten Tiefe definiert wird.
Auch wenn ein erkrankter Teil unter der Objektoberfläche liegt,
kann er genau und schnell identifiziert werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 das
Blockdiagramm der elektrischen Einheiten eines Endoskopsystems als
erstes Ausführungsbeispiel,
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2 die
Strahlengänge
einer OCT-Einheit,
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3 den
Aufbau einer OCT-Abtasteinheit als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 den
Schnitt IV-IV nach 3,
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5 die
Seitenansicht der OCT-Abtasteinheit in Blickrichtung V aus 3,
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6 den
Aufbau der OCT-Abtasteinheit als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 den
Schnitt VII-VII aus 6,
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8 eine
Ansicht der OCT-Abtasteinheit in Blickrichtung VIII aus 6,
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9 den
Aufbau der OCT-Abtasteinheit als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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10 den
Schnitt X-X aus 9, und
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11 eine
Ansicht der OCT-Abtasteinheit in Blickrichtung XI aus 9.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
die elektronische Schaltung eines Endoskopsystems 1000.
Dieses Endoskopsystem 1000 enthält ein Endoskop 1,
ein daran angeschlossenes externes Gerät 2, einen mit diesem
verbundenen Monitor 3 und ein Eingabegerät 4.
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Das
Endoskop 1 hat ein Einführrohr
mit elliptischem Querschnitt und eine Bedieneinheit am proximalen
Ende dieses Einführrohres.
Verschiedene Betriebsschalter sind an der Bedieneinheit vorgesehen.
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In
dem Einführrohr
des Endoskops 1 befinden sich ein optisches Beleuchtungssystem 12,
ein Objektivsystem 13, ein Bildaufnahmesystem 14 und ein
OCT-Abtastsystem 15. Das optische Beleuchtungssystem 12 enthält eine
Beleuchtungsoptik 12a an der Spitze des Einführrohres
und ein Lichtleitfaserbündel 12b (im
folgenden als Lichtleiter bezeichnet). Der Lichtleiter 12b ist
durch das Endoskop 1 geführt und mit dem externen Gerät 2 verbunden.
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Das
Objektivsystem 13 hat eine Objektivlinse an der Spitze
des Einführrohrs
und ein Sperrfilter für
die UV-Komponente des einfallenden Lichtes. Das Objektivsystem 13 konvergiert
das einfallende Licht auf die Bildaufnahmefläche eines CCD-Elementes 14 und
erzeugt dort ein Objektbild. Das CCD-Element 14 gibt ein
Bildsignal entsprechend dem auf seiner Aufnahmefläche erzeugten
Objektbild ab.
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Es
ist mit dem externen Gerät 12 über eine Signalleitung 14a verbunden, über die
das Bildsignal übertragen
wird.
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Der
Aufbau der OCT-Einheit wird im folgenden an Hand 2 noch
erläutert.
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Das
Endoskop 1 ist mit dem externen Gerät 2 verbunden. Dieses
wird nun eingehend beschrieben. Wie 1 zeigt,
enthält
das externe Gerät 2 eine
Lichtquelleneinheit 21, einen Prozessor 22 und eine
OCT-Einheit 23. Die Lichtquelleneinheit 21 hat eine
Weißlichtquelle 211,
die sogenanntes weißes Licht
abgibt, und eine UV-Lichtquelle 212, die UV-Licht abgibt.
Das UV-Licht dient als Anregungslicht für das menschliche Gewebe, so
daß dieses
fluoresziert. Die Wellenlänge
des Anregungslichtes ist etwa 350 nm bis 380 nm, und die Wellenlänge des fluoreszierenden
Lichts, das von dem menschlichen Gewebe bei Einfall des Anregungslichtes
abgegeben wird, ist etwa 400 nm bis 700 nm.
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Im
Strahlengang des von der Weißlichtquelle 211 abgegebenen
weißen
Lichtes liegen eine Kollimationslinse La, ein Schaltspiegel 213,
eine Blende 215, eine Kondensorlinse Lc und ein drehbares
Filter C, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Der Schaltspiegel 213 ist
mit einer Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 verbunden. Diese
bringt den Schaltspiegel 213 in eine Ruhestellung, in der
er nicht im Strahlengang des weißen Lichtes liegt, und in eine Betriebsstellung,
in der er das weiße
Licht abschirmt (d.h. der Schaltspiegel verhindert einen Einfall
des weißen
Lichtes an der Feldblende).
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Die
Blende 215 ist mit einem Einstellmechanismus 215a verbunden.
Sie wird durch diesen Mechanismus derart gesteuert, daß sie ihre
Blendenöffnung
und damit die durchgelassene Lichtmenge ändert. Das drehbare Filter
C ist scheibenförmig
und trägt
vier flügelartige
Filter, nämlich
drei Farbfilter für Rot,
Grün und
Blau und ein transparentes Filter. Das drehbare Filter C ist mit
einem Filtersteuermechanismus 216 verbunden. Es wird durch
diesen so gedreht, daß die
vier Filter nacheinander in den Strahlengang kommen.
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Das
von der Weißlichtquelle 211 abgegebene
weiße
Licht wird mit der Kollimationslinse La gesammelt. Befindet sich
der Schaltspiegel 213 in der Ruhestellung, so wird das
weiße
Licht auf die Blende 215 gerichtet. Das weiße Licht,
dessen Menge mit der Blende 215 eingestellt wird, wird
mit der Kondensorlinse Lc konvergiert und fällt dann durch das drehbare
Filter C. Wie oben beschrieben, wird dieses durch den Filtersteuermechanismus 216 gedreht, und
die vier Farbfilter werden nacheinander in den Strahlengang eingesetzt.
Entsprechend wird das weiße
Licht in eine blaue, eine grüne,
eine rote und eine weiße
Komponente nacheinander zerlegt und auf die proximate Stirnfläche des
Lichtleiters 12b konvergiert.
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Im
Strahlengang des von der UV-Lichtquelle 212 abgegebenen
Anregungslichtes sind die Kollimationslinse Lb und ein Prisma P
einander in dieser Reihenfolge nachgeordnet. Das von der UV-Lichtquelle 212 abgegebene
Anregungslicht wird mit der Kollimationslinse Lb kollimiert, an
dem Prisma P reflektiert und auf den Schaltspiegel 213 gerichtet.
Befindet dieser sich in der Betriebsstellung (1),
so reflektiert er das Anregungslicht zu der Blende 215. Die
Lichtmenge wird durch die Blende 215 eingestellt, und das
Licht wird mit der Kondensorlinse Lc konvergiert und auf das drehbare
Filter C gerichtet. In diesem Fall setzt der Filtersteuermechanismus 216 das
transparente Filter in den Strahlengang und unterbricht die Drehung
des Filters C. Dann fällt
das Anregungslicht durch das transparente Filter und wird auf die
proximate Endfläche
des Lichtleiters 12b konvergiert.
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Somit
können
die beiden möglichen
Stellungen des Schaltspiegels 213 als eine Normalbild-Betrachtungsstellung,
in der das weiße
Licht der Weißlichtquelle 211 auf
die Blende 215 gerichtet wird, und eine Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung
bezeichnet werden, in der das Anregungslicht der UV-Lichtquelle 212 auf
die Blende 215 gerichtet wird. Das drehbare Filter C setzt
durch seine Drehung nacheinander die verschiedenen Filter in den
Strahlengang, so daß in
der normalen Betrachtungsstellung das einfallende weiße Licht
nacheinander in blaues, grünes, rotes
und weißes
Licht umgesetzt wird. In der Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung
ist das transparente Filter fest in den Strahlengang eingefügt.
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Im
folgenden wird der Prozessor 22 beschrieben. Er enthält eine
CPU 221 und einen Zeitsignalgenerator 222. Die
CPU 221 ist mit der Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 und dem
Filtersteuermechanismus 216 der Lichtquelleneinheit 21,
dem Zeitsignalgenerator 222 und dem Eingabegerät 4 verbunden.
Der Zeitsignalgenerator 222 erzeugt verschiedene Referenztaktsignale.
Die verschiedenen, mit dem Prozessor 212 vorgenommenen
Signalbearbeitungen sowie einige Operationen der OCT-Einheit 23 werden
entsprechend den Referenztaktsignalen des Zeitsignalgenerators 222 ausgeführt.
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Die
CPU 221 steuert die Lichtquellenschaltsteuerung 214 so,
daß der
Schaltspiegel 213 zwischen der Normalbild-Betrachtungsstellung
und der Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung
umgeschaltet wird, und steuert den Filtersteuermechanismus 216 so,
daß das
drehbare Filter C in die Normalbild-Betrachtungsstellung oder in
die Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung gebracht wird. Insbesondere
ist ein Schalter zum Wählen
der Normalbildbetrachtung und der Fluoreszenzbildbetrachtung an
der Bedieneinheit des Endoskops 1 vorgesehen. Die CPU 221 erfaßt den Betriebszustand
des Wählschalters,
steuert die Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 und den Filtersteuermechanismus 216 so,
daß der
Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C entweder in
die Normalbild-Betrachtungsstellung oder in die Fluoreszenzbild-Betrachtungsstellung
gesetzt werden, die mit dem Wählschalter
gewählt
wurde. Ferner steuert die CPU 221 den Blendensteuermechanismus 215a mit
einem Signal aus einem RGB-Speicher, das noch beschrieben wird,
um die Öffnungsgröße der Blende 215 einzustellen.
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Die
CPU 221 steuert andererseits die mit dem Prozessor 22 und
mit der OCT-Einheit 23 durchgeführten Operationen über den
Zeitsignalgenerator 222.
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Ferner
hat der Prozessor 22 einen Vorprozessor 223, der
an das CCD-Element 14 über
die Signalleitung 14a angeschlossen ist, einen RGB-Speicher 224,
einen Bildsignalprozessor 225 und eine Videoschaltung 226,
die ihrerseits mit dem Sichtgerät 3 verbunden
ist.
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Wenn
der Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C auf die
Normalbildbetrachtung eingestellt sind, so erhält der Vorprozessor 223 Bildsignale
des CCD-Elementes 14,
wenn die blaue, die grüne
und die rote Komponente des Lichtes von der Beleuchtungsoptik 12a abgegeben
werden, und läßt das Bildsignal
unberücksichtigt,
wenn das weiße
Licht von der Beleuchtungsoptik 12a abgegeben wird. Der
Vorprozessor 223 erhält
die Bildsignale des CCD-Elementes 14, verarbeitet sie,
führt eine
A/D-Umsetzung durch und speichert das digitale Bildsignal in dem RGB-Speicher 224.
Die blaue, die grüne
und die rote Komponente der Bilddaten werden jeweils in entsprechenden
Abschnitten des RGB-Speichers 224 gespeichert.
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Wenn
der Schaltspiegel 213 und das drehbare Filter C auf die
Fluoreszenzbild-Betrachtungsposition
gesetzt sind, erhält
der Vorprozessor 223 das mit dem CCD-Element 14 abgegebene Bildsignal,
verarbeitet es, führt
eine A/D-Umsetzung durch und speichert das digitale Bildsignal parallel
in den Abschnitten des RGB-Speichers 224.
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Der
Videosignalprozessor 225 entnimmt die in dem RGB-Speicher 224 enthaltenen
Daten mit vorbestimmter zeitlicher Steuerung und verarbeitet sie zu
einem Videosignal, das der Videoschaltung 226 zugeführt wird.
Diese bewirkt eine Darstellung des Videosignals auf dem Sichtgerät 3.
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Der
Prozessor 22 enthält
ferner einen OCT-Vorprozessor 227, der mit der OCT-Einheit 223 verbunden
ist, einen OCT-Speicher 228 und einen OCT-Videosignalprozessor 229.
Der OCT-Vorprozessor 227 verarbeitet das von der OCT-Einheit 23 abgegebene
Signal, führt
eine A/D-Umsetzung durch und speichert die Daten in dem OCT-Speicher 228. Der
OCT-Videosignalprozessor 229 entnimmt die Daten aus dem
OCT-Speicher 228 mit vorbestimmter zeitlicher Steuerung
und erzeugt ein Videosignal, das der Videoschaltung 226 zugeführt wird.
Diese bewirkt eine Darstellung dieses Videosignals auf dem Sichtgerät 3.
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Im
folgenden wird die OCT-Einheit 23 im einzelnen beschrieben. 2 zeigt
den Strahlengang der OCT-Einheit 23. Diese dient zum Aufnehmen
von OCT-Bildern der Wand der Körperhöhle. Die OCT-Einheit 23 enthält eine
Super-Leuchtdiode (SLD) 231, eine Lichterfassungsvorrichtung 232,
einen Referenzspiegel 233, einen Spiegelantrieb 234 und
eine Abtaststeuerschaltung 235.
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Die
Leuchtdiode 231 ist eine Lichtquelle, die einen schwach
kohärenten
Lichtstrahl nahe dem Infrarotbereich abgibt. Der Kohärenzabstand
des von der Leuchtdiode 231 abgegebenen Strahls ist sehr kurz,
z.B. in der Größenordnung
von 10 μm
bis 1000 μm.
Die Lichterfassungsvorrichtung 232 ist mit dem Vorprozessor 227 des
Prozessors 22 verbunden.
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Der
Spiegelantrieb 234 dient zum Bewegen des Referenzspiegels 233 mit
hoher Geschwindigkeit. Der Spiegelantrieb 234 ist mit dem
Zeitsignalgenerator 222 im Prozessor 22 verbunden.
Die Abtaststeuerschaltung 235 ist mit der OCT-Abtasteinheit 15 des
Endoskops 1 und mit dem Zeitsignalgenerator 222 verbunden.
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Ferner
enthält
die OCT-Einheit 23 einen ersten Lichtleiter F1, einen zweiten
Lichtleiter F2, einen Optokoppler 238 und ein Piezo-Modulationselement 239.
Wie noch beschrieben wird, besteht jeder Lichtleiter F1 und F2 aus
einer Vielzahl Lichtleitfasern. Zur Vereinfachung wird angenommen,
daß jeder
Lichtleiter F1 und F2 einen einzigen Strahlengang hat.
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Der
erste Lichtleiter F1 ist so angeordnet, daß sein proximales Ende der
Leuchtdiode 231 gegenübersteht.
Er ist in das Endoskop eingesetzt, und steht mit seinem vorderen
Ende der OCT-Abtasteinheit 15 gegenüber. Der zweite Lichtleiter
F2 ist so angeordnet, daß sein
proximales Ende der Lichterfassungsvorrichtung 232 gegenübersteht.
Sein anderes Ende steht dem Referenzspiegel 233 gegenüber. Dieser
ist so aufgebaut, daß er
in Richtung der Achse des Lichtleiters F2 hin und her bewegt wird.
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Die
Lichtleiter F1 und F2 sind über
den Optokoppler 238 optisch gekoppelt. Die optische Weglänge in dem
ersten Lichtleiter F1 von dem Optokoppler 238 zu seinem
vorderen Ende und die optische Weglänge des zweiten Lichtleiters
F2 von dem Optokoppler 238 zu seinem vorderen Ende stimmen überein. Ferner
ist der erste Lichtleiter F1 um das zylindrische Piezo-Modulationselement 239 in
einem Abschnitt zwischen dem Optokoppler und dem vorderen Ende herumgeführt. Das
Piezo-Modulationselement 239 erfährt in radialer Richtung eine
sehr schnelle Dehnung und Schrumpfung, so daß die Frequenz und die Phasenlage
des durch den Lichtleiter F1 übertragenen
Lichtes moduliert werden.
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Es
sei bemerkt, daß die
Super-Leuchtdiode 231, die Lichterfassungsvorrichtung 232,
der Referenzspiegel 233, die Lichtleiter F1 und F2 und
der Optokoppler 238 in der vorstehend beschriebenen Anordnung
ein Michelson-Interferometer darstellen.
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Die
OCT-Einheit 23 kann OCT-Bilder eines Objekts aufnehmen
(z.B. Bilder der Wand einer Körperhöhle), wobei
das freie vordere Ende des Einführrohrs
dem Objekt gegenübersteht.
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Das
schwach kohärente
Licht der Leuchtdiode 231 fällt auf den ersten Lichtleiter
F1 und wird mit dem Optokoppler 238 in das Licht für den ersten Lichtleiter
F1 und das Licht für
den zweiten Lichtleiter F2 geteilt. Das mit dem ersten Lichtleiter
F1 übertragene
Licht wird mit der Abtasteinheit 15 des Endoskops 1 abgelenkt
und tritt als abtastender Lichtstrahl aus. Dieser wird an verschiedenen
Geweben auf und in der Wand der Körperhöhle reflektiert. Der reflektierte
Lichtstrahl tritt in das Endoskop 1 ein und wird über den
ersten Lichtleiter F1 und die OCT-Abtasteinheit 15 als Erfassungsstrahl
auf den Optokoppler 238 gerichtet.
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Der
mit dem zweiten Lichtleiter F2 übertragene
Lichtstrahl tritt aus dessen vorderem Ende aus und wird an den Referenzspiegel 233 reflektiert.
Der reflektierte Lichtstrahl tritt wieder in den zweiten Lichtleiter
F2 ein und wird dem Optokoppler 238 als Referenzstrahl
zugeführt.
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Der über den
Lichtleiter F1 übertragene
Erfassungsstrahl und der über
den Lichtleiter F2 übertragene
Referenzstrahl interferieren an dem Optokoppler 238. Es
sei jedoch bemerkt, daß der
Erfassungsstrahl an jeder Gewebeschicht der Körper höhle reflektiert wird und den
Optokoppler 238 mit einer gewissen Verzögerung erreicht.
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Andererseits
wird der Referenzstrahl an dem Referenzspiegel 233 reflektiert
und erreicht den Optokoppler 238 mit einer festen Zeitlage.
Aus verschiedenen Erfassungsstrahlen, die an verschiedenen Gewebeschichten
reflektiert wurden, wird nur ein Strahl mit einer optischen Weglänge übertragen,
die der Weglänge
des Strahls entspricht, der von dem Optokoppler 238 zum
Referenzspiegel 233 über
den zweiten Lichtleiter F2 übertragen
wird und dann von dort zum Optokoppler 238 zurückkehrt.
Unter den Erfassungsstrahlen interferiert also nur einer mit dem Referenzstrahl,
nämlich
derjenige, der an einer bestimmten Schicht unter der Wandfläche der
Körperhöhle reflektiert
wird.
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Die
interferierenden Strahlen werden von dem Optokoppler 238 über den
zweiten Lichtleiter F2 übertragen
und von der Lichterfassungsvorrichtung 232 erfaßt. Wenn
der Spiegelantrieb 234 die Position des Referenzspiegels 233 längs der
Achse des Lichtleiters F2 verändert,
so ändert
sich die optische Weglänge
des Referenzstrahls. In diesem Fall interferiert ein Erfassungsstrahl
mit den Änderungen
des Referenzstrahls, d.h. eine Schicht bewirkt Erfassungsänderungen.
Mit anderen Worten: mit der Tiefe unter der Wandfläche der
Körperhöhle treten
Erfassungsänderungen
auf.
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Abhängig von
dem Zustand des Gewebes unter der Wandfläche ändert sich die Intensitätsverteilung
des Lichtes. Abhängig
von der Intensitätsverteilung
zwischen der Oberfläche
der Kammerwand und einer Schicht vorbestimmter Tiefe kann ein Tomogramm
erhalten werden.
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Wie
oben beschrieben, gibt die Lichterfassungsvorrichtung 232 den
interferierenden Lichtstrahlen entsprechende elektrische Signale
sowie den Lichtstrahlen, die nicht mit dem Referenzlicht interferieren,
entsprechende Störsignale
ab. Ist das Signal-Störverhältnis relativ
gering, so ist eine genaue Signalerfassung nicht möglich. Um
das Signal-Störverhältnis anzuheben,
bedient man sich eines sogenannten Heterodyn-Erfassungsverfahrens.
Dies bedeutet, daß der
durch den ersten Lichtleiter F1 übertragene
Lichtstrahl durch das Piezo-Modulationselement 239 hinsichtlich
Frequenz und Phasenlage verändert
wird. Dadurch verschieben sich die Frequenz und die Phasenlage des
Erfassungsstrahls etwas gegenüber
der Frequenz und der Phasenlage des Referenzstrahls. Daher enthält das interferierte
Licht ein Zwischenfrequenzsignal. Empfängt die Lichterfassungsvorrichtung 232 ein
solches Signal, so gibt sie ein entsprechendes elektrisches Signal
ab.
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Der
Vorprozessor 227 des Prozessors 22 demoduliert
dieses Signal der Lichterfassungsvorrichtung 232, um die
Signalkomponente genau abzuleiten. Das demodulierte Signal wird
mit dem Vorprozessor 227 analog/digital-umgesetzt und in
dem OCT-Speicher 228 gespeichert..
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Jeder
Lichtleiter F1 und F2 ist eine Faseranordnung aus mehreren Hundert
Lichtleitfasern, die im Einzel-Mode betrieben werden. Die Super-Leuchtdiode 231 kann
schwach kohärentes
Licht an alle Fasern des Lichtleitfaserbündels gleichzeitig abgeben. Die
Lichterfassungsvorrichtung 232 besteht aus einem Liniensensor,
der die interferierenden, über
das Lichtleitfaserbündel
individuell übertragenen
Strahlen erfassen kann.
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Der
Optokoppler 238 koppelt die Lichtleitfasern des ersten
Lichtleiters F1 einzeln mit denen des zweiten Lichtleiters F2. Er
besteht aus einem Mehrkanal-Lichteitfaserkoppler,
in dem einander entsprechende Lichtleitfasern der Lichtleiter F1
und F2 miteinander verbunden (verschmolzen) sind, wobei eine 1:1-Entsprechung besteht.
Der Optokoppler 238 kann auch durch ein Strahlteilerprisma
ersetzt sein.
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Wie
vorstehend beschrieben, hat die OCT-Einheit 23 einen Mehrkanalaufbau
(d.h. mehrere Hundert Kanäle),
und ist sie mit der OCT-Abtasteinheit 15 verbunden, so
kann in Richtung der Tiefe eine Abtastung über mehrere Hundert Erfassungspunkte
auf Abtastlinien des Objekts durchgeführt werden.
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Die
Abtastoperation wird nun unter Bezugnahme auf 3, 4 und 5 erläutert.
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3 zeigt
den Längsschnitt
der Spitze des Endoskops 1, 4 zeigt
den Querschnitt IV-IV aus 3, und 5 zeigt
die Seitenansicht V aus 3. Das Einführrohr des Endoskops 1 hat
ein Gehäuse 11 mit
zylindrischer Außenform
an der Spitze. In 3 ist das Gehäuse 11 schematisch
dargestellt, in 5 ist es weggelassen.
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Die
Spitzenstirnfläche
des Gehäuses 11 hat einen
glatt abgerundeten Umfang. Im Gehäuse 11 befindet sich
eine Aufnahmekammer H für
die OCT-Abtasteinheit 15. An einer Seite des Gehäuses 11 im
Bereich der Spitze ist ein Abtastfenster S in Verbindung mit der
Aufnahmekammer H ausgebildet.
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Der
erste Lichtleiter F1 der OCT-Einheit 23 ist durch das Endoskop 1 hindurchgeführt, und
seine Spitze ist in die Aufnahmekammer H hineingeführt. Die
Spitze des Lichtleiters F1 ist so angeordnet, daß die Achse einer jeden Lichtleitfaser
parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11 liegt. Die
Spitzenstirnfläche
ist parallel zu der Spitzenstirnfläche des Gehäuses 11 und hat zu
ihr einen vorbestimmten Abstand.
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Die
OCT-Abtasteinheit 15 in der Aufnahmekammer H enthält eine
Kollimationslinse 151, einen Abtastspiegel 152 und
eine fθ-Linse 153 auf
einer von dem Lichtleiter 1 ausgehenden optischen Achse.
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Die
Kollimationslinse 151 ist eine rotationssymmetrische plankonvexe
Linse mit der Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers, bei
dem eine brechende Fläche
konvex ist. Somit sind vier Seitenflächen der Kollimationslinse 151 zwei
Paare rechteckiger Flächen.
Der Abstand zwischen einem Paar Seitenflächen, die einen größeren Bereich
als das andere einschließen,
ist größer als
die Breite des Lichtleiters F1.
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Die
Kollimationslinse 151 ist so angeordnet, daß der Brennpunkt
auf der Seite der konvexen Fläche
mit der Mitte der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters F1 zusammenfällt, wobei
das breitere Paar der Seitenflächen
parallel zu einer Ebene liegt, auf der der Lichtleiter F1 angeordnet
ist. Die optische Achse der Kollimationslinse ist parallel zur Achse
des Lichtleiters F1. Daher erfaßt
die Kollimationslinse 151 jeden aus jeder Lichtleitfaser
des Lichtleiters F1 austretenden Strahl. Der Hauptstrahl der zentralen
Faser des Lichtleiters F1 liegt auf der optischen Achse der Kollimationslinse 151.
Die Hauptstrahlen der anderen Lichtleitfasern schneiden die optische
Achse der Kollimationslinse in dem objektseitigen Brennpunkt (Austrittspupille)
der Kollimationslinse 151. Die Austrittspupille fällt mit
der Mitte des Abtastspiegels 152 zusammen.
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Der
Abtastspiegel 152 hat eine weitgehend rechteckige Spiegelfläche, deren
Länge weitgehend mit
der Breite der Kollimationslinse 151 übereinstimmt. Der Abtastspiegel 152 ist
an beiden Seiten um die Mitte der Spiegelfläche drehbar gelagert. Die zentrale
Achse der Spiegelfläche
in der Ebene des Lichtleiters F1 liegt lotrecht zur zentralen Achse
des Gehäuses 11.
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An
einer Kante des Abtastspiegels 152 ist ein Stirnzahnrad 154 befestigt.
Dieses greift in ein weiteres Stirnzahnrad 155 ein, das
auf einer Achse 156 parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11 befestigt
ist. Die Achse 156 ist mit einem Abtastmotor (nicht dargestellt)
verbunden.
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Die
fθ-Linse 153 (in 5 nicht
dargestellt) ist eine rotationssymmetrische plankonvexe Linse, die
mit einem koaxialen rechteckigen Festkörper verbunden ist. Die fθ-Linse 153 bildet
mit der Kollimationslinse 151 ein afokales optisches System.
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Die
fθ-Linse 153 ist
mit ihrer konvexen Fläche
zur Außenseite
des Endoskops gerichtet und in dem Abtastfenster S befestigt. Die
optische Achse der fθ-Linse
153 ist lotrecht zu der Ebene, in der der Lichtleiter F1 angeordnet
ist. Die fθ-Linse
153 konvergiert jeden parallelen Strahl, der an dem Abtastspiegel 152 auf
einer Linie lotrecht zur Zeichenebene der 3 reflektiert
wird, außerhalb
des Endoskops 1 mit gleichmäßigen Intervallen.
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Mit
diesem Aufbau der OCT-Abtasteinheit 15 wird jeder Lichtstrahl,
der als divergierender Strahl aus jeder Faser des Lichtleiters F1
austritt, auf die Kollimationslinse 151 gerichtet, wobei
die Hauptstrahlen in gemeinsamer Ebene liegen. Die Kollimationslinse 151 kollimiert
die einfallenden Strahlen und gibt sie geneigt zur optischen Achse
wieder ab.
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Der
Hauptstrahl eines jeden parallelen, von der Kollimationslinse 151 abgegebenen
Strahls schneidet die optische Achse in der Mitte des Abtastspiegels 152.
Daher wird hinter dem Abtastspiegel 152 eine Anordnung
paralleler Strahlen umgekehrt (in 5 wird die
Aufwärts/Abwärts-Richtung
umgekehrt). Die an dem Abtastspiegel 152 reflektierten
parallelen Strahlen werden auf die fθ-Linse 153 gerichtet.
Diese konvergiert die einfallenden Strahlen auf einer vorbestimmten
Linie außerhalb
des Endoskops 1 mit gleichmäßigen Abständen.
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Steht
das Abtastfenster S der Wand der Körperhöhle gegenüber, so werden die Lichtstrahlen
aus der fθ-Linse 153 an
der Wand reflektiert. Sie kehren zu der fθ-Linse 153, dem Abtastspiegel 152,
der Kollimationslinse 151 zurück und fallen dann auf die Lichtleitfasern
des Lichtleiters F1.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Mehrkanal-OCT-Einheit 23 verwendet. Daher wird
für die
Erfassungspunkte, deren Zahl der Zahl der Kanäle entspricht, gleichzeitig
eine Erfassung ausgeführt. Dies
bedeutet, daß auf
einer Abtastlinie des Objekts eine Erfassung für mehrere Hundert Erfassungspunkte
gleichzeitig erfolgt.
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Die
Erfassung in Richtung lotrecht zu der Abtastlinie erfolgt durch
Drehen des Abtastspiegels 152. Wenn der Abtastmotor (nicht
dargestellt) die Achse 156 dreht, dreht das Stirnzahnrad 155 das
andere Stirnzahnrad 154, wodurch der Abtastspiegel 152 gedreht
wird. Während
dieser Drehung verschiebt sich die Abtastlinie lotrecht zu ihrer
Verlaufsrichtung. Daher wird auf der Wand der Körperhöhle ein rechteckiger Bereich
sequentiell abgetastet. Durch wiederholtes Drehen des Abtastmotors
vorwärts
und rückwärts dreht
sich der Abtastspiegel 152 sich in einem vorbestimmten
Drehbereich. Mit einer solchen Steuerung kann die OCT- Abtasteinheit 15 kontinuierlich
und wiederholt den rechteckigen Bereich abtasten, der dem Abtastfenster
S gegenübersteht.
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Es
sei bemerkt, daß,
obwohl nicht dargestellt, an der Seite des Gehäuses 11 nahe dem Abtastfenster
S (die proximale Seite) eine Beleuchtungsoptik 12a des
Beleuchtungssystems 12 und eine (nicht dargestellte) Objektivlinse
eines Objektivsystems 13 befestigt sind.
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Im
folgenden wird die Arbeitsweise des wie vorstehend beschrieben aufgebauten
Endoskopsystems erläutert.
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Wenn
der Benutzer das externe Gerät 2 einschaltet,
so werden die Weißlichtquelle 211 und
die UV-Lichtquelle 212 eingeschaltet. Der Schaltspiegel 213 und
das drehbare Filter C werden in der Anfangsstufe in die normalen
Betrachtungspositionen gebracht. Daher erreicht das von der Weißlichtquelle 211 abgegebene
weiße
Licht die Blende 215 und die Kondensorlinse Lc.
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Die
Filtersteuerung 216 setzt nacheinander die Filter des drehbaren
Filters C in den Strahlengang, und das von der Kondensorlinse Lc
ausgehende weiße
Licht wird nacheinander in blaues, grünes und rotes sowie weißes Licht
umgesetzt und dann auf die proximate Stirnfläche des Lichtleiters 12b konvergiert.
Das Licht wird dadurch übertragen
und von der Beleuchtungslinse 12a abgegeben. Diese gibt
also nacheinander blaues, grünes,
rotes und weißes
Licht ab.
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Wenn
der Benutzer das Einführrohr 11 des Endoskops 1 in
die Körperhöhle einführt und
die Beleuchtungslinse 12a des Beleuchtungssystems 12, die
Objektivlinse 13a des Objektivsystems 13 und das
Abtastfenster S der Wand der Körperhöhle gegenüberstehen,
so wird diese nacheinander mit verschiedenen Lichtfarben beleuchtet.
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Dann
werden entsprechend eingefärbte
Bilder der Wand auf der Bildaufnahmefläche des CCD-Elementes 14 mit
dem Objektivsystem 13 erzeugt. Das CCD-Element 14 setzt das jeweilige
optische Bild in ein elektrisches Bild um, und dieses wird Bildsignalen
auf den Vorprozessor 223 übertragen. Dieser übernimmt
die Bildsignale des blauen, des grünen und des roten Lichtes sowie
das weiße
Bildsignal und hält
diese Signale, wenn die Beleuchtung unterbrochen wird.
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Der
Vorprozessor 223 verarbeitet diese Bildsignale und führt dann
eine A/D-Umsetzung
durch. Die Bilddaten (d.h. die umgesetzten Digitaldaten) werden
in Abschnitten des RGB-Speichers 224 für Blau, Grün und Rot in dieser Reihenfolge
gespeichert.
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Der
Bildsignalprozessor 225 liest die Daten aus dem RGB-Speicher 224 mit
vorbestimmter Zeitlage aus, um ein Farbvideosignal zu erzeugen.
Dieses wird an eine Videoschaltung 226 abgegeben. Wenn
sie das Videosignal erhält,
stellt sie ein entsprechendes Bild auf dem Monitor 3 dar.
Dann kann der Benutzer die Oberfläche der Kammerwand des Patienten
auf dem Monitor 3 betrachten.
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Der
Benutzer kann ein fluoreszierendes Bild durch Betätigen eines
Schalters an der Bedieneinheit auswählen. Bei Betätigen des
Schalters steuert die CPU 221 die Lichtquellen-Schaltsteuerung 214 zum Anordnen
des Spiegels 213 in der Betrachtungsposition für ein fluoreszierendes
Bild und steuert den Filtersteuermechanismus 216 zum Einstellen
des drehbaren Filters C in die entsprechende Betriebsstellung. Mit
dieser Steuerung wird das von der Weißlichtquelle 211 abgegebene
weiße
Licht abgeschirmt, und das von der UV-Lichtquelle 212 abgegebene
Anregungslicht wird in den Lichtleiter 12b eingespeist. Es
tritt aus der Beleuchtungsoptik 12a aus und beleuchtet
die Wand der Körperhöhle.
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Das
Gewebe an der Oberfläche
der Körperhöhle gibt
fluoreszierendes Licht (im grünen
Bereich) ab, dessen Wellenlänge
sich von derjenigen des Anregungslichtes (im Ultraviolettbereich)
unterscheidet. Bekanntlich hat das von erkranktem Gewebe (d.h. Krebs-
oder Tumorgewebe) abgegebene fluoreszierende Licht eine geringere
Intensität
als das von gesundem Gewebe abgegebene Licht.
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Das
von dem Gewebe abgegebene fluoreszierende Licht trifft gemeinsam
mit dem reflektierten Anregungslicht auf das Objektivsystem 13.
Dieses enthält
ein Filter, das das Anregungslicht sperrt und das fluoreszierende
Licht durchläßt. Deshalb
wird das fluoreszierende Licht auf der Bildaufnahmefläche des
CCD-Elementes 14 konvergiert, d.h. es wird ein optisches
Bild der Bildaufnahmefläche
erzeugt.
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Das
CCD-Element 14 setzt das optische Bild in Bildsignale um,
die dem Vorprozessor 223 zugeführt werden. Dieser verstärkt bzw.
bearbeitet sie und führt
eine A/D-Umsetzung zum Erzeugen digitaler Bilddaten durch. Diese
werden in den Bereichen für Blau,
Grün und
Rot des RGB-Speichers 224 gleichzeitig gespeichert. Das
fluoreszierende Bild wird also wie ein einfarbiges Bild behandelt.
Der Videosignalprozessor 225 liest die Daten aus dem RGB-Speicher 224 mit
einer vorbestimmten Zeitlage und verarbeitet sie zum Erzeugen eines
Einfarben-Videosignals,
das der Videoschaltung 226 zugeführt wird. Diese stellt ein
Bild (d.h. das fluoreszierende Bild) aus dem aufgenommenen Videosignal
dar. Das fluoreszierende Bild wird als Einfarbenbild dargestellt.
Es kann so geändert
werden, daß es
als Farbbild dargestellt wird. In diesem Fall kann die Farbe von
Teilen des Bildes bestimmt werden beispielsweise entsprechend der
Intensität
des fluoreszierenden Lichtes.
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Der
Benutzer kann das Fluoreszieren der Wand der Körperhöhle an dem Monitor 3 erkennen. Gibt
es einen Teil, dessen Intensität
geringer als die anderer Teile ist, so läßt dies auf einen Krebs- oder Tumorbereich
schließen.
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Identifiziert
der Benutzer einen möglicherweisen
kranken Teil durch Betrachten eines Normalbildes oder eines fluoreszierenden
Bildes, so erhält er
OCT-Bilder des relevanten Teils. Identifiziert der Benutzer den
Teil, der eine weitere Untersuchung erfordert, so kann er die Bedieneinheit
zum Halten des Tomogramms betätigen.
Dann steuert die CPU 221 die OCT-Einheit 23 derart,
daß die
Leuchtdiode 231 den schwach kohärenten Lichtstrahl abgibt.
Gleichzeitig steuert die CPU 221 den Spiegelantrieb 234 und
die Abtast-Steuerschaltung 235 zum Start der Aufnahme des
Tomogramms. Die CPU 221 steuert auch den Zeitsignalgenerator 222 so,
daß Taktsignale
an den RGB-Speicher 224 und den OCT-Speicher 228 abgegeben
werden. Entsprechend den Taktsignalen geben der RGB-Speicher 224 und
der OCT-Speicher 228 Signale an den Videosignalprozessor 225 und
den OCT-Videosignalprozessor 228 jeweils mit vorbestimmter
Zeitlage ab.
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Die
Abtast-Steuerschaltung 235 steuert einen Abtastmotor (nicht
dargestellt) der OCT-Abtasteinheit 15 so, daß der Abtastspiegel 152 sich
in einem vorbestimmten Winkelbereich hin und her dreht. Die von
dem Lichtleiter F1 abgegebenen Lichtstrahlen treten aus dem Abtastfenster
S gerichtet aus. Sie konvergieren an Erfassungspunkten, die auf einer
Abtastlinie liegen. Beim Drehen des Abtastspiegels 152 verschieben
sich die Abtastpunkte orthogonal zu der Abtastlinie. Somit kann
die OCT-Abtasteinheit einen rechteckigen Bereich zweidimensional
abtasten.
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Bei
dieser Abtastung bewegt der Spiegelantriebsmechanismus 234 den
Referenzspiegel 233 parallel zu den Achsen der Fasern des
Lichtleiters F2 mit hoher Geschwindigkeit. Der Spiegelantrieb 234 und
die Abtast-Steuerschaltung 235 arbeiten synchron mit dem
Referenz-Taktsignal des Zeitsignalgenerators 222. In jedem
vorbestimmten Moment, wenn die kontinuierlich sich bewegende Abtastlinie zum
Stillstand kommt, bewegt sich der Referenzspiegel 234 einmal
mit hoher Geschwindigkeit vor und zurück. Mit dieser Bewegung des
Referenzspiegels 234 wird die Objektposition bei jedem
Erfassungspunkt ausgehend von der Oberfläche bis zu einer bestimmten
Tiefe (z.B. 2 mm) abgetastet.
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Bei
jeder vorbestimmten Verschiebung der Abtastlinie wird dieses Abtasten
in Richtung der Tiefe ausgeführt.
Dadurch wird der rechteckige Bereich zweidimensional abgetastet.
Für alle
Abtastpunkte des rechteckigen Bereichs wird also eine solche Tiefenabtastung
vorgenommen.
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Das
Abtasten in Richtung der Tiefe startet aus einer Position, die von
der Oberfläche
der Wand einen Abstand hat und dem Abtastfenster S näher liegt,
bis zu einer Position etwas tiefer als die vorbestimmte Tiefe. Während des
Abtastens überwacht der
OCT-Vorprozessor 227 kontinuierlich das Ausgangssignal
der Lichterfassungsvorrichtung 232 für alle Kanäle. Der OCT-Prozessor 227 überwacht
also die Kanäle
entsprechend den Abtastpunkten, die auf der Abtastlinie liegen.
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Wenn
bei diesem Abtasten die Tiefen-Abtastposition die Oberfläche der
Wand nicht erreicht hat, erfaßt
der OCT-Vorprozessor 227 kein Signal entsprechend einem
Erfassungspunkt. Wenn die Abtastposition die Oberfläche erreicht
hat, so erfaßt
der OCT-Vorprozessor 227 ein Signal. Der OCT-Vorprozessor 227 wertet
die Position in Richtung der Tiefe, an der das erste Signal erfaßt wird,
als Oberfläche und
führt so
eine Eichung durch. Der OCT-Vorprozessor wertet also in Richtung
der Tiefe einen Bereich von der Oberfläche der Wand (d.h. Tiefe 0)
bis zu einer Position mit einer vorbestimmten Tiefe (z.B. 2 mm)
aus.
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Dann
führt der
OCT-Vorprozessor 227 eine Verstärkung, ein Decodieren und eine
A/D-Umsetzung mit den erhaltenen Signalen aus. Die so erhaltenen
Daten werden in dem OCT-Speicher 228 gespeichert. Der OCT-Videosignalprozessor 229 liest die
Daten aus dem OCT-Speicher 228 mit vorbestimmter Zeitlage
und verarbeitet sie zu einem Videosignal, das an die Videoschaltung 226 übertragen wird.
Diese stellt ein Bild auf dem Monitor 3 entsprechend dem
empfangenen Videosignal dar. Somit ergibt sich auf dem Monitor 3 ein
Tomogramm von der Oberfläche
bis zu einer vorbestimmten Tiefe.
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Synchron
mit dem Drehen des Abtastspiegels 152 wird das Tomogramm
auf dem Monitor 3 aktualisiert. In einem bestimmten Moment
ist das auf dem Monitor 3 dargestellte Bild ein Tomogramm,
das einer bestimmten Abtastlinie entspricht. Wenn sich diese verschiebt,
so wird das dargestellte Tomogramm gleichfalls aktualisiert, so
daß es
der verschobenen Abtastlinie entspricht. Durch Betrachten des Tomogramms
auf dem Monitor 3 für
eine vollständige Abtastung
des rechteckigen Bereichs sowie in Richtung der Tiefe kann der Benutzer
den dreidimensionalen Aufbau des Biogewebes unter der Wand erkennen.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
kann die Videoschaltung 226 das Tomogramm und auch das
Normalbild sowie das fluoreszierende Bild auf dem Monitor 3 gleichzeitig
darstellen, wobei das Sichtfeld des Monitors 3 in drei
Teilbereiche unterteilt ist. Der RGB-Speicher 224 und der
OCT-Speicher 228 nehmen die Taktsignale des Zeitsignalgenerators 222 auf,
der durch die CPU 221 gesteuert wird, und geben die Signale
an den Videosignalprozessor 225 und den OCT-Videosignalprozessor 229 ab. Dann
empfängt
die Videoschaltung 226 die Videosignale des Videosignalprozessors 225 und
des OCT-Videosignalprozessors 229 und stellt die Bilder in
den Teilbereichen dar.
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Der
vorstehend beschriebene Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels kann so abgeändert sein,
daß das
sequentiell aktualisierte Tomogramm in einem Speicher gespeichert
wird. Wird ein solcher Speicher eingesetzt, so kann die CPU 221 ein
dreidimensionales Bild aus den angesammelten Tomogrammen aufbauen.
In diesem Fall kann der Benutzer eine Ebene bestimmen, in der die
dreidimensionale Struktur geschnitten wird, und der Querschnitt kann
auf dem Monitor 3 dargestellt werden.
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Mit
dieser Konfiguration kann der Benutzer den Zustand unter der Wand
der Körperhöhle erkennen
und eine genaue und schnelle Diagnose erstellen. Ferner kann der
Benutzer mit nur einem Endoskop einen frühen Krebs, einen kleinen Tumor
o.ä. auffinden.
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Da
eine genaue und schnelle Diagnose möglich ist, kann der Benutzer
auch die erforderliche Behandlung des erkrankten Abschnitts veranlassen. Beispielsweise
kann eine Zange, ein Laserinstrument o.ä. durch den Instrumentenkanal
des Endoskops eingeführt
werden, und die Behandlung des erkrankten Teils kann sofort beginnen.
Dadurch wird die Belastung des Patienten wesentlich verringert.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß die OCT-Einheit 23 einen
einzigen Kanal hat. Jeder Lichtleiter F1 und F2 ist also eine Lichtleitfaser
mit Einzel-Mode, und die Lichterfassungsvorrichtung 232 ist
eine Fotodiode. Entsprechend dem Aufbau der OCT-Einheit 23 führt eine
OCT-Abtasteinheit 16 an
dem Ende des Endoskops 1 eine zweidimensionale Abtastung
aus. Im folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf 6, 7 und 8 erläutert.
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6 zeigt
einen Längsschnitt
der Spitze des Endoskops. 7 zeigt
den Querschnitt VII-VII aus 6, und 8 zeigt
die Seitenansicht in Pfeilrichtung VIII in 6.
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Das
Einführrohr
des Endoskops 1 hat ein Gehäuse 11', das an der Spitze weitgehend
zylindrisch ist. In 6 ist nur die Außenfläche des
Gehäuses 11' gezeigt, das
Gehäuse
selbst ist in 8 nicht dargestellt.
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Der
Umfangsteil der Stirnfläche
der Spitze des Gehäuses 11' ist abgerundet.
Die OCT-Abtasteinheit 16 befindet sich in dem Gehäuse 11' an der Spitze.
Der erste Lichtleiter F1 der OCT-Einheit 23 wird durch
das Endoskop 1 eingeführt,
dessen Spitze der OCT-Abtasteinheit 16 gegenübersteht. Die
OCT-Abtasteinheit 16 enthält in Richtung ihrer optischen
Achse eine Kollimationslinse 161, einen Polygonspiegel
(Hauptabtastspiegel) 162, eine fθ-Linse 163 und einen
Hilfsabtastspiegel 164.
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Die
Kollimationslinse 161 ist eine rotationssymmetrische plankonvexe
Linse in der Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers mit
einer konvexen Fläche
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Ihr Brennpunkt auf der konvexen Seite fällt mit der Mitte des Lichtbündels zusammen,
das aus der Stirnfläche
des Lichtleiters F1 austritt, wobei die optische Achse parallel
zur Achse des Lichtleiters F1 liegt. Der von dem Lichtleiter F1
abgegebene Lichtstrahl wird mit der Kollimationslinse 161 in
paralleles Licht gewandelt.
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Der
Polygonspiegel 162 hat die Form einer sechseckigen Säule, die
Seitenflächen
sind reflektierende Flächen.
Er wird um seine zentrale Achse gedreht, die orthogonal zu der zentrale
Achse des Gehäuses 11' liegt. Auf
einer Seite des Polygonspiegels 162 ist ein Stirnzahnrad 165 befestigt.
Dieses greift in ein weiteres Stirnzahnrad 166 ein, das
auf einer ersten Achse 167 befestigt ist, welche parallel
zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt. Die
Achse 167 ist mit einem nicht dargestellten Hauptabtastmotor verbunden.
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Die
fθ-Linse 163 ist
eine plankonvexe Linse in der Form eines weitgehend rechteckigen
Festkörpers
mit einer konvexen Fläche.
Sie ist so angeordnet, daß ihre
breitere Seite orthogonal zur zentralen Achse des Polygonspiegels 162 liegt,
wobei die ebene Fläche,
die orthogonal zur optischen Achse liegt, dem Polygonspiegel 162 zugewandt
ist. Die ebene Fläche
der fθ-Linse 163 ist
parallel zur zentralen Achse des Gehäuses 11'. Die fθ-Linse 163 und die
Kollimationslinse 161 bilden ein afokales optisches System.
Die fθ-Linse 163 empfängt den
parallelen Lichtstrahl von dem Polygonspiegel 162 und konvergiert ihn
auf einer vorbestimmten Linie. Der Strahl bewegt sich abtastend
auf der vorbestimmten Linie mit konstanter Geschwindigkeit.
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Der
Hilfsabtastspiegel 164 hat eine rechteckige reflektierende
Fläche.
Er ist so angeordnet, daß die
zentrale Achse der reflektierenden Fläche in Längsrichtung parallel zur zentralen
Achse des Gehäuses 11' liegt, und
die reflektierende Fläche
der konvexen Fläche
der fθ-Linse 163 gegenübersteht.
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Das
proximate Ende des Hilfsabtastspiegels 164 ist an einer
zweiten Achse 168 befestigt, die parallel zur zentralen
Achse des Gehäuses 11' liegt. Diese
Achse 168 ist mit einem nicht dargestellten Hilfsabtastmotor
verbunden. Durch dessen Drehung kann der Hilfsabtastspiegel 164 um
die Achse 168 über
einen vorbestimmten Winkelbereich hin und her gedreht werden.
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Der
aus dem Ende der Lichtleitfaser F1 austretende Lichtstrahl wird
mit der Kollimationslinse 161 kollimiert und trifft auf
den Polygonspiegel 162. Der Hauptabtastmotor dreht die
erste Achse 167. Durch den Eingriff der Zahnräder 166 und 165 wird
der Polygonspiegel 162 gedreht. Der auf ihn treffende Lichtstrahl
wird an den Reflexionsflächen
abgelenkt, mit der fθ-Linse 163 konvergiert
und führt
eine Abtastbewegung auf dem Hilfsabtastspiegel 164 in dessen Längsrichtung
aus. Der Abtaststrahl wird an dem Hilfsabtastspiegel 164 reflektiert
und auf die Wand der Körperhöhle konvergiert.
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Der
an der Reflexionsfläche
des Polygonspiegels 162 abgelenkte Strahl erzeugt eine
Abtastlinie (Hauptabtastlinie) auf der Wand. Der Hilfsabtastspiegel 164 dreht
sich um einen vorbestimmten Betrag bei dem Ausführen einer Hauptabtastbewegung. Daher
wird die nächstfolgende
Hauptabtastlinie an der Wand in Hilfsabtastrichtung orthogonal zur Hauptabtastlinie
um einen vorbestimmten Betrag gegenüber der vorherigen Hauptabtastlinie
verschoben. Bei wiederholter derartiger Bewegung wird die Hauptabtastlinie
allmählich
in Hilfsabtastrichtung verschoben und dadurch ergibt sich ein rechteckiger
Abtastbereich.
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Das
an der Wand reflektierte Licht läuft
in zu dem einfallenden Strahl entgegengesetzter Richtung und tritt
dann in das Endoskop 1 ein. Der reflektierte Lichtstrahl
(d.h. das Erfassungslicht) wird von dem Hilfsabtastspiegel 164 über die
fθ-Linse 163,
den Polygonspiegel 162 und die Kollimationslinse 161 nacheinander übertragen
und trifft dann auf den Lichtleiter F1.
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Der
Spiegelantrieb 234 der OCT-Einheit 23 bewegt den
Referenzspiegel 233 parallel zur Achse des Lichtleiters
F2 hin und her. In jedem Moment, wenn der Polygonspiegel 162 und
der Hilfsabtastspiegel 164 stillstehen, macht der Referenzspiegel 234 eine
Hin- und Herbewegung. Mit dieser Bewegung kann an einer Abtaststelle
eine Abtastung in Richtung der Tiefe, d.h. von der Oberfläche der
Wand bis zu einer vorbestimmten Tiefe (z.B. 2 mm) ausgeführt werden.
Durch Wiederholen dieser Tiefenabtastung ist es möglich, an
allen Erfassungspunkten der Hauptabtastlinie in Richtung der Tiefe
eine Abtastung auszuführen.
Ferner kann eine ähnliche
Abtastung für
jede Hauptabtastlinie ausgeführt
werden, so daß sich
eine Tiefenabtastung für
alle Erfassungspunkte in dem rechteckigen Abtastbereich ergibt.
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Das
von der Lichterfassungsvorrichtung 232 abgegebene Signal
wird mit dem OCT-Vorprozessor 227, dem OCT-Speicher 228,
dem OCT-Videosignalprozessor 229 und der Videoschaltung 226 verarbeitet,
sodann wird das Tomogramm auf dem Monitor 3 dargestellt.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Das
dritte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß eine OCT-Abtasteinheit 17 mit
einem Polygonspiegel 172 verwendet wird. Das dritte Ausführungsbeispiel
wird im folgenden unter Bezugnahme auf 9, 10 und 11 erläutert.
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9 zeigt
einen Längsschnitt
der Spitze des Endoskops. 10 zeigt
den Querschnitt X-X aus 9, und 11 zeigt
die Ansicht in Blickrichtung XI aus 9.
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Das
Einführrohr
des Endoskops 1 hat ein Gehäuse 11' mit weitgehend Zylinderform an
der Spitze. In 9 ist nur die Außenfläche des
Gehäuses 11' gezeigt, in 11 ist
es nicht dargestellt.
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Der
Umfang der Spitze des Gehäuses 11' ist abgerundet.
Die OCT-Abtasteinheit 17 ist in der Spitze des Gehäuses 11' untergebracht.
Der erste Lichtleiter F1 der OCT-Einheit 23 wird durch
das Endoskop 1 eingeführt,
und seine Spitze steht der OCT-Abtasteinheit 17 gegenüber. Der
Lichtleiter F1 ist so aufgebaut, daß eine Linie durch die Mitte
der Stirnfläche einer
jeden Lichtleitfaser orthogonal zur zentrale Achse des Gehäuses 11' liegt.
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Die
OCT-Abtasteinheit 17 enthält auf ihrer optischen Achse
eine Kollimationslinse 171, den Polygonspiegel 172 und
eine fθ-Linse 173.
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Die
Kollimationslinse 171 ist rotationssymmetrisch und plankonvex
und hat die Form eines weitgehend rechteckigen Festkörpers mit
einer konvexen Fläche.
Sie ist so angeordnet, daß der
Brennpunkt auf der konvexen Seite mit der Mitte des Lichtbündels zusammenfällt, das
aus der Stirnfläche
des Lichtleiters F1 austritt, wobei die optische Achse parallel
zur Achse einer jeden Lichtleitfaser des Lichtleiters F1 liegt.
Somit werden die Lichtstrahlen aus den Lichtleitfasern des Lichtleiters
F1 mit der Kollimationslinse 171 in parallele Strahlen
umgesetzt. Der Hauptstrahl der zentralen Lichtleitfaser des Lichtleiters
F1 liegt auf der optischen Achse der Kollimationslinse 171.
Die Hauptstrahlen der anderen Lichtleitfasern schneiden die optische
Achse der Kollimationslinse in dem objektseitigen Brennpunkt (Austrittspupille)
der Kollimationslinse 171. Die Austrittspupille fällt mit
der Mitte des Abtastspiegels 172 zusammen.
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Der
Polygonspiegel 172 hat die Form einer sechseckigen Säule, die
Seitenflächen
sind reflektierende Flächen.
Der Polygonspiegel 172 kann um seine zentrale Achse gedreht
werden, die orthogonal zur zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt.
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Auf
einer Seite des Polygonspiegels ist ein Stirnzahnrad 175 befestigt.
Dieses greift in ein weiteres Stirnzahnrad 176, das auf
der ersten Achse 177 befestigt ist, welche parallel zur
zentralen Achse des Gehäuses 11' liegt. Die
Achse 177 ist mit einem nicht dargestellten Hauptabtastmotor
verbunden.
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Die
fθ-Linse 173 ist
eine plankonvexe Linse in der Form eines weitgehend rechteckigen
Festkörpers
mit einer konvexen Fläche.
Die fθ-Linse 173 bildet
mit der Kollimationslinse 171 ein afokales optisches System.
Sie ist so angeordnet, daß ihre
konvexe Fläche
zur Außenseite
des Endoskops 1 weist, und ist in dem Abtastfenster S befestigt.
Ihre optische Achse ist orthogonal zu der Ebene, in der der Lichtleiter
F1 angeordnet ist. Die fθ-Linse 173 konvergiert jeden
an dem Abtastspiegel 172 reflektierten parallelen Strahl
auf einer Linie orthogonal zur Zeichenebene der 9 außerhalb
des Endoskops 1 mit gleichmäßigen Abständen.
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Bei
diesem Aufbau der OCT-Abtasteinheit 17 wird jeder von der
jeweiligen Lichtleitfaser des Lichtleiters F1 abgegebene divergierende
Strahl auf die Kollimationslinse 171 gerichtet, wobei die
Hauptstrahlen in gemeinsamer Ebene liegen. Die Kollimationslinse 171 kollimiert
die einfallenden Strahlen und gibt sie mit einer Neigung zur optischen
Achse ab.
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Der
Hauptstrahl eines jeden von der Kollimationslinse 171 abgegebenen
parallelen Strahls schneidet die optische Achse in der Mitte des
Abtastspiegels 172. Dadurch ergibt sich hinter dem Abtastspiegel 172 eine
umgekehrte Anordnung paralleler Strahlen (in 11 ist
die Aufwärts/Abwärts-Richtung
umgekehrt). Die an dem Abtastspiegel 172 reflektierten
parallelen Strahlen werden auf die fθ-Linse 173 gerichtet.
Diese konvergiert die einfallenden Strahlen auf einer vorbestimmten
Linie außerhalb des
Endoskops 1 unter gleichmäßigen Abständen.
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Steht
das Endoskop 1 der Wand der Körperhöhle gegenüber, so fallen die von der
fθ-Linse 173 abgegebenen
Strahlen auf diese Wand. Die Auftreffpunkte an der Wand sind die
Abtastpunkte, und eine sie verbindende Linie ist ein Abtastliniensegment. Der
Polygonspiegel 172 wird mit konstanter Geschwindigkeit
gedreht, und daher bewegt sich das Abtastliniensegment der aus der
fθ-Linse 173 austretenden
Strahlen auf der Wand orthogonal zu dem Abtastliniensegment mit
konstanter Geschwindigkeit.
-
Die
auf die Wand gerichteten Lichtstrahlen werden an ihr reflektiert
und in entgegengesetzter Richtung übertragen. Jeder Lichtstrahl
läuft also
von der fθ-Linse 173 über den
Polygonspiegel 172 und die Kollimationslinse 171 und
fällt dann
auf die jeweilige Lichtleitfaser des Lichtleiters F1.
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Der
Spiegelantrieb 234 der OCT-Einheit 23 bewegt den
Referenzspiegel 233 parallel zur Achse einer jeden Lichtleitfaser
des Lichtleiters F2 mit hoher Geschwindigkeit hin und her. Wenn
der Polygonspiegel 172 jeweils stillsteht, macht der Referenzspiegel 234 eine
Hin- und Herbewegung. Für
ein Abtastliniensegment wird also an jedem Abtastpunkt ausgehend
von der Oberfläche
der Wand bis zu einer bestimmten Tiefe (z.B. 2 mm) eine Abtastung
in Richtung der Tiefe ausgeführt.
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Wenn
sich der Polygonspiegel 172 um einen vorbestimmten Betrag
dreht, verlagert sich das Abtastliniensegment orthogonal zu seiner
Richtung um einen vorbestimmten Betrag. Da der Referenzspiegel 234 dabei
eine Hin- und Herbewegung ausführt,
wird an den Abtastpunkten des neuen Abtastliniensegments eine Tiefenabtastung
ausgeführt.
Bei wiederholter derartiger Tiefenabtastung wird das Abtastliniensegment
allmählich
verlagert, und es erfolgt eine Tiefenabtastung aller Abtastpunkte
des vorbestimmten rechteckigen Bereichs.
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Die
Lichterfassungseinheit 232 gibt ein Signal an den OCT-Vorprozessor 227,
den OCT-Speicher 228, den OCT-Videosignalprozessor 229,
die Videoschaltung 226 ab, und es wird ein Bild auf dem Monitor 3 dargestellt.
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Mit
jedem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann ein Tomogramm eines dreidimensionalen Teils eines
Objekts ausgehend von der Oberfläche
bis zu einer vorbestimmten Tiefe erzeugt werden.