用于腹腔镜手术的内窥镜的制作方法

1.本发明涉及一种用于腹腔镜手术的内窥镜，该内窥镜包括内窥镜杆。内窥镜杆具有中轴线、近端和远端以及第一光路，该第一光路具有布置在内窥镜杆的远端上的棱镜，该棱镜具有光入射面和光出射面。从内窥镜杆的远端观察，在棱镜的后面布置有具有光轴的透镜，并且从内窥镜杆的远端观察，在透镜的后面布置有光束偏转光学器件，其中，棱镜的光入射面垂直于中轴线取向，并且棱镜的光出射面与正交于中轴线取向的第一空间轴线围成预给定的第一倾角。


背景技术：

2.微创手术用于各种手术以减少对患者的创伤和疤痕。在此，通过小的切口实现用于特殊器械和内窥镜的入口，在所述入口上放置套管针。这些套管针被用作对在其中进行手术的体腔内的引导件，并且密封切口。在放置套管针之后，用气体(通常是co2)填充体腔，以便为器械创造空间。
3.内窥镜用于使外科医生能够看视到手术区域中。现代内窥镜以数字方式工作，并由物镜、光束偏转光学器件和传感器组成，其中，刚性内窥镜和柔性内窥镜之间是不同的。
4.刚性内窥镜具有金属杆并且可以包括在杆的整个长度上延伸的光学器件。然后，通过位于杆的近端的一个或多个光电探测器进行图像记录。替代地，光电探测器被放置在远端附近，使得光程可以保持较短。
5.内窥镜的分辨能力主要由其数值孔径决定，该数值孔径与位于物镜和样品之间的材料的折射率和张角相关。张角又可以容易地通过透镜的直径来影响。在此，相对于杆以一定角度取向的透镜的布置对于分辨能力是有利的。实际上，需要提供不同的视角，使得内窥镜可以使用例如30
°
的直线观察方向和相对于杆倾斜的观察方向。
6.在us6,817,975b1中公开了这种内窥镜的示例，其中，既涉及笔直的内窥镜又涉及弯曲的内窥镜，中间图像成像在光学元件例如透镜中。以这种方式，中间图像在光学元件中成拱形地成像，从而相对于在其中中间图像位于光学元件之间的光学器件，实现了增大的数值孔径。
7.改善分辨能力的另一种可行方案在于，将内窥镜的输入透镜设计得尽可能大。这样的系统在de102012110905a1中得到公开。在此，通过盖玻璃和扩散透镜将入射光导入棱镜中、经过两次全反射并且耦合输入具有较小直径的光学器件中。由此可以实现更高的数值孔径并且安装高分辨率的传感器。然而，这种结构仅对于弯曲的内窥镜是有意义的。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种用于笔直的内窥镜的光学器件，该光学器件具有更高的数值孔径，并因此具有改善的分辨能力。
9.该目的在开头所述的内窥镜中以如下方式实现，即，透镜的光轴垂直于棱镜的光出射面布置，并且透镜具有比棱镜的光入射面更大的横截面。这样，可以使用具有增加的数
值孔径的较大透镜，因为倾角允许将这样的透镜安装在空间受限的内窥镜杆内。
10.在一种有利的设计方案中，第一倾角为45
°
。以这种方式，可以适配透镜在该空间方向上的延伸，使得在最大化横截面和避免像差之间实现折衷。因此，通常可以增加透镜的直径。根据内窥镜杆内的空间条件和具体的设计，还可以使用透镜系统或套件组。这些组件也应当被统括在透镜的总称之下。
11.为了允许以最佳可能的质量成像，棱镜有利地被设计为鲍恩费恩德棱镜(bauernfeind-prisma)或施密特棱镜(schmidt-prisma)，因为它们仅稍微影响成像。出于同样的原因，有利的是，光束偏转光学器件设计为具有移轴光束导向机制(off-axis-strahlf
ü
hrung)的抛物面镜和/或设计为使光路平行于中轴线取向的另一棱镜。因此，光可以由一个或多个常规布置的图像传感器所记录，所述图像传感器如本领域中常见的那样垂直于内窥镜杆布置。因此，使结构得以简化并且避免了图像中的失真效应。同样可行的是，图像传感器平行于中轴线取向，并且借助于光束偏转光学器件使光偏转到该中轴线上。因此，光学结构可以更紧凑地构成。
12.为了进一步扩大透镜的横截面，棱镜的光出射面优选以如下方式取向，即，该光出射面与正交于中轴线且正交于第一空间轴线取向的第二空间方向围成预给定的第二倾角，该第二倾角优选为45
°
。这实现了：在最大数值孔径和成像质量之间获得了对于透镜的横截面的尺寸的最佳折衷。
13.棱镜优选由两个或更多个子棱镜组成，子棱镜彼此前后地布置，优选相互胶合。以这种方式，标准构件如鲍恩费恩德棱镜和/或作为施密特棱镜可用于本发明。
14.在另一有利的设计方案中，内窥镜包括第二光路，所述第二光路与第一光路的结构相同，其中，第一光路和第二光路相对于中轴线对称地布置。通过这种方式，可以基于本发明的基本概念实现立体内窥镜。这种结构使得能够更好地显示手术区域。
15.为了进一步优化立体内窥镜的杆内在其上建立的安装空间，在特别优选的实施例中，第一光路和第二光路相交或者彼此从旁经过。这使得在光学部件之间设置更多的空间成为可能，从而使得设计单独的部件以及避免涉及图像质量的折衷变得容易。
16.不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以以所述组合使用，而且能够以其他组合使用或单独使用。
附图说明
17.下面借助于实施例参照附图更详细地说明本发明，附图同样公开了本发明的重要特征。这些实施例仅用于说明的目的，并且不应被解释为限制性的。例如，对具有多个元件或部件的实施例的介绍不应被解释为指示所有这些元件或部件对于实现方案是必需的。相反，实施例实施例可包括替代元件和部件、更少的元件或部件、或附加的元件或部件。除非另有说明，不同实施例的元件或部件可以彼此组合。针对实施例中的一个实施例介绍的修改和变化也可以适用于其他实施例。为了避免重复，相同或彼此相应的元件在不同的附图中用相同的附图标记表示并且不再多次阐述。其中：
18.图1示出内窥镜的第一设计；
19.图2示出内窥镜的远端；
20.图3示出内窥镜的第二设计的示意图；
21.图4a、图4b示出放大透镜直径的原理。
具体实施方式
22.图1示出具有内窥镜杆10和内窥镜壳体17的内窥镜。光学结构元件被放置在内窥镜杆10内。在常规的棒状内窥镜中，入射光在内窥镜杆10的远端处入射到输入光学器件上，通过不同的光学元件形成，并且随后借助于棒状光学器件引导至内窥镜杆10的远端，内窥镜壳体17位于所述远端处。图像传感器在此大多布置在该内窥镜壳体中。替代地，在所谓的尖端芯片式(chip-on-tip)内窥镜的情况下，图像传感器可以被布置在内窥镜杆10的远端的区域中。在这种类型中，入射光同样通过相应的光学结构元件形成。然而，在尖端芯片式内窥镜的情况下，由于光直接入射到位于内窥镜杆10的远端处的传感器，所以省略了棒状光学器件。在外科手术中，通常使用具有两个分开的图像通道的立体内窥镜。
23.图2示出内窥镜的远端，其中，在此仅示出两个图像通道中的一个。光束1垂直地入射到由第一子棱镜2和第二子棱镜3组成的棱镜上。光束1平行于内窥镜的中轴线8分布，该中轴线居中地穿过内窥镜杆10延伸，并且入射到第一子棱镜2的光入射面上，该光入射面垂直于中轴线8并且因此也垂直于光束1取向。在本实施方式中，棱镜是由实施为鲍尔费恩德棱镜的第一子棱镜2和为施密棱镜形式的第二子棱镜3组成的套件组。然而，一体式的制造同样是容易实现的。两个子棱镜2、3分别多次偏转光束1并且因此将其在两个空间平面中分别偏转第一棱镜角度和第二棱镜角度。在位于第二子棱镜3的背向第一子棱镜2的一侧的光出射面上，光束1再次离开第二子棱镜3。第二子棱镜3的光出射面与正交于中轴线8取向的第一空间轴线围成预给定的第一倾角。此外，光出射面与正交于中轴线8和第一空间轴线取向的第二空间轴线围成预给定的第二倾角。这种布置将在后面参照图4a和图4b进行详细解释。平行于光出射面布置有具有光轴11的透镜4，该透镜垂直于光出射面延伸并且具有比光入射面更大的横截面。光束1接着入射到作为光束偏转光学器件的抛物面镜5上。在此，可以尤其涉及的是移轴抛物面镜。通过该移轴抛物面镜，光束1现在再次平行于中轴线8取向并且被引导至内窥镜杆10的近端处的传感器或目镜(未示出)。抛物面镜5具有的优点是，该抛物面镜除了光束1的偏转之外也具有形成光束的特性，以便使光束1适配于随后的光学元件、如光导元件和/或传感器。代替抛物面镜5，也可以使用另一棱镜，以便实现所期望的光束偏转。由棱镜、透镜4和抛物面镜5组成的刚才介绍的结构与这里未示出的可选的光导光学器件和传感器一起形成第一光路。
24.如果图2中所示的光路被引入到内窥镜杆10中两次，则可以实现具有两个图像通道的立体内窥镜。这种类型的内窥镜在图3中以示意性截面图示出，其中，内窥镜包括第二光路，第二光路与第一光路的结构相同。在此第一光路和第二光路关于中轴线8旋转对称地布置。
25.入射的光束1入射到棱镜9的光入射面上并且在至少一个第一倾角的方向上偏转。在该实施例中，每个棱镜9被一体地制造。在光线1穿过透镜4之后，光线1在该实施例中沿中轴线8的方向引导，其中，光线1相交或彼此从旁经过。尽管在内窥镜杆10内的安装空间有限，但是这种结构使得所使用的光学元件的设计更容易。因此，例如透镜4的曲率半径可以选择得更大，这减小了成像误差。如果光束1相交叉，只要涉及相干的光，原则上就会发生干涉。因为两个棱镜9从不同的视角记录下相同的场景，以便实现立体效果，所以这对于所记
录的图像扮演次要的角色，仅通常相干的照射光可以受此影响。然而，因为这种相干的照射光无序地入射到棱镜9的光入射面上，所以耦入的散射光可以通过在相应透镜4的焦点处的眩光(blenden)来消除。如果仍然还出现干涉效应，则其对图像质量仅具有很小的影响并且可以在电子图像处理的范围内根据需要进行校正。如果光束1彼此从旁经过，则不再出现干涉。
26.光线1在经过中轴线8之后也射到抛物面镜5上，在该实施例中在此平行于中轴线8取向并且分别被引导到中继光学器件6，所述中继光学器件将光又朝着内窥镜杆10的近端偏转到传感器7上。
27.如上所述，透镜4具有比光入射面更大的横截面。透镜4和待接收的对象之间的光路在棱镜9中被多次偏转并由此被延长。由于在内窥镜内以第一倾角和第二倾角倾斜地布置，透镜4可以比在平行于光入射面布置的情况下更大，从而增大数值孔径。这将在下面借助图4a和图4b来介绍。
28.为了简化图示，可以容纳透镜4的可能的空间在图4a中示出为具有入射面13的立方体12。根据所示的坐标系(x，y，z)定义空间轴线。光来自入射方向z并且垂直地入射到入射面13上。位于入射面13内的圆形透镜4最大可以具有与立方体12的边长相等的直径。然而，在三维空间中可以引入较大的透镜4，其从入射方向z观察完全被入射面13覆盖。为此，透镜4布置在如下的空间平面中，该空间平面与第一空间轴线x围成第一倾角α并且与第二空间轴线y围成第二倾角β。第一空间轴线x和第二空间轴线y垂直于入射方向z延伸并且同样彼此垂直地取向。两个倾角α、β优选为45
°
，因为在此可实现的圆形面和因此圆形的透镜4的可能的横截面达到最大值。
29.在光垂直入射的情况下，透镜4可以具有与立方体12的边长相等的最大直径，以便光其完全位于入射面13内。换句话说，这种透镜4的横截面由第一圆15表现，该第一圆具有第一半径r1，该第一半径r1等于立方体12的边长的一半。第一圆15的面积计算为π*r12。
30.入射面13位于一平面中，该平面通过第一空间方向x和第二空间方向y撑开并且垂直于入射方向z定向。如果该平面以第一倾角α和第二倾角β倾斜、这里分别以45
°
，则位于以倾角α、β倾斜的平面中的并且通过立方体12包围的截面是六边形14。从几何的考虑可以推导出，完全位于六边形14内的第二圆16具有第二半径r2，该第二半径相对于第一半径r1以因子增大。这相当于横截面增加50％。与立方体12的入射面13(其相当于棱镜9的入射面)相比，这种透镜4的相当于第二圆16的横截面仍然以因子(3π/8)增大。因为数值孔径与相关的光学器件的直径成正比，所以也能够以这种方式相应地增大数值孔径。
31.附图标记列表
[0032]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光束
[0033]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一子棱镜
[0034]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二子棱镜
[0035]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
透镜
[0036]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
抛物面镜
[0037]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中继光学器件
[0038]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器
[0039]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中轴线
[0040]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
棱镜
[0041]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内窥镜杆
[0042]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光轴
[0043]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
立方体
[0044]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射面
[0045]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
六边形
[0046]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一圆
[0047]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二圆
[0048]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内窥镜壳体
[0049]
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一空间轴线
[0050]yꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二空间轴线
[0051]zꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射方向
[0052]
r1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一半径
[0053]
r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二半径
[0054]
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一倾角
[0055]
β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二倾角

技术特征：
1.一种用于腹腔镜手术的内窥镜，所述内窥镜包括内窥镜杆(10)和第一光路，所述内窥镜杆具有中轴线(8)、近端和远端，所述第一光路具有：i.布置在内窥镜杆(10)的远端处的棱镜(9)，所述棱镜具有光入射面和光出射面，ii.从内窥镜杆(10)的远端观察，布置在棱镜(9)后面的透镜(4)，所述透镜具有光轴(11)，以及iii.从内窥镜杆(10)的远端观察，布置在透镜(4)后面的光束偏转光学器件，其中，棱镜(9)的光入射面垂直于中轴线(8)取向，并且所述棱镜(9)的光出射面与正交于所述中轴线(8)取向的第一空间轴线(x)围成预给定的第一倾角(α)，其特征在于，透镜(4)的光轴(11)垂直于棱镜(9)的光出射面布置，并且所述透镜(4)具有比棱镜(9)的光入射面更大的横截面。2.根据权利要求1所述的内窥镜，其特征在于，所述第一倾角(α)为45
°
。3.根据权利要求1至2中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述棱镜(9)设计为鲍尔费恩德棱镜或者设计为施密特棱镜。4.根据权利要求1至3中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述光束偏转光学器件包括具有移轴光束导向机制的抛物面镜(5)和/或使光路平行于所述中轴线(8)取向的另一棱镜(9)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述棱镜(9)的光出射面与正交于所述中轴线(8)和第一空间轴线(x)取向的第二空间轴线(y)围成预给定的第二倾角(β)，所述第二倾角优选为45
°
。6.根据权利要求1至5中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述棱镜(9)由两个或更多个子棱镜(2、3)构成，所述子棱镜彼此前后布置，优选地彼此胶合。7.根据权利要求1至6中任一项所述的内窥镜，其特征在于，所述内窥镜包括与所述第一光路的结构相同的第二光路，其中，所述第一光路和所述第二光路相对于所述中轴线(8)对称布置。8.根据权利要求7所述的内窥镜，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路相交或彼此从旁经过。

技术总结
本发明涉及一种用于腹腔镜手术的内窥镜，该内窥镜包括具有中轴线(8)、近端和远端的内窥镜杆(10)以及第一光路，该第一光路具有：布置在内窥镜杆(10)的远端处的棱镜，该棱镜具有光入射面和光出射面；从内窥镜杆(10)的远端观察布置在棱镜后方的透镜(4)，该透镜具有光轴(11)；以及从内窥镜杆(10)的远端观察布置在透镜(4)后方的光束偏转光学器件(5)。在此，棱镜的光入射面垂直于中轴线(8)取向，并且棱镜的光出射面与正交于中轴线(8)取向的第一空间轴线围成预给定的第一倾角。为了增大透镜(4)的数值孔径，透镜(4)的光轴(11)垂直于棱镜的光出射面布置。由此，透镜(4)具有比棱镜的光入射面更大的横截面。面更大的横截面。面更大的横截面。


技术研发人员：斯特凡
受保护的技术使用者：阿瓦特拉医学有限公司
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/8/9