DE10052863A1 - Endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen, wobei für wenigstens zwei Bildpunkte wenigstens zwei Kanäle, vorzugsweise wenigstens zwei Farbkanäle, in einem einzigen polychrom horizontal strukturierten Pixel detektiert werden.

Description

Endoskope sind schlauch- oder röhrenförmige Instrumente, die in ihrem Inneren mit einem optischen System und oft auch einer Beleuchtungseinrichtung ausgestattet sind. Durch direkte Betrachtung bzw. elektronische und oder optische Aufbereitung des vom optischen System empfangenen Bildes gelingt die Betrachtung des Inneren von Hohlräumen. In Medizin und Technik werden zunehmend endoskopische Systeme eingesetzt um - auch mehrdimensional- Hohlräume darzustellen, in ihnen minimalinvasiv zu arbeiten, in ihnen Analysen bezüglich unterschiedlicher optischer Eigenschaften vorzunehmen, den Ablauf von Prozessen zeitgleich zu beobachten oder für diese Betrachtungen keine Zerlegungen durchführen zu müssen; bei Videoendoskopen wird der bildaufzeichnende Sensor zu diesem Zweck in den Hohlraum eingeführt; bei Faserendoskopen wird das aufzuzeichnende Bild über einen Bildleiter oder ein Bildleiterbündel zunächst übertragen und dann, meist außerhalb des Hohlraums direkt betrachtet oder von einem Bildsensor erfasst. Sowohl in starren als auch in flexiblen endoskopischen Systemen werden zur Bildaufbereitung und Verarbeitung in der Regel CCD­ chips verwendet. Die Verwendung eines CMOS statt eines CCD beschreibt WO 99/58044. Bei diesen herkömmlichen Sensoren zur Bilderfassung (CCD oder CMOS) werden zur Erzeugung von Farbbildern nur zwei unterschiedliche Mosaikmuster angeboten (RGB bzw. CMYK), um den einzelnen Bildpunkten unterschiedliche Farbwerte zuzuordnen. Mosaikfilter mit auf spezielle Fluoreszenzbanden angepasster spektraler Empfindlichkeit sind nicht bekannt.

Weiterhin ist aus DE 199 19 943 A1 eine Vorrichtung zur Fluoreszenzdiagnostik bekannt, die an ein Videoendoskop gekoppelt werden kann. Diese Vorrichtung soll die automatische Markierung entarteter Gewebe innerhalb eines gewöhnlichen Weisslichtbildes ermöglichen. In einem ersten Schritt wird nach konsekutiver Beleuchtung mit rotem, grünen und blauen Licht ein Weisslichtbild erzeugt. Alle Bereiche, in denen die reflektierte Lichtintensität unterhalb eines vorher bestimmten Schwellenwertes liegt, werden aus der Analyse ausgeschlossen. In einem zweiten Schritt wird durch UV-Anregung ein Fluoreszenzbild erzeugt. Ein anormaler Bereich liefert weniger Fluoreszenzlicht im grünen Spektralbereich als ein normaler Bereich. Mittels digitaler Bildverarbeitung werden nun alle Bereiche, die zur Analyse gelangt sind und bei denen das Fluoreszenzsignal im grünen Spektralbereich unterhalb eines zweiten Schwellenwertes liegen, markiert. Nachteile der Erfindung gemäß DE 199 19 943 sind die aufwändige und somit teure Beleuchtung und externe Signalverarbeitung sowie die geringe Rauschunterdrückung des Sensors, so dass nur eine relativ grobe Einteilung möglich ist.

Die allgemeinen momentanen Fortentwicklungen bei herkömmlichen endoskopischen Systemen zielen auf:

• - Verbesserungen an videoendoskopischen Systemen unter anderem durch Verwendung von CCDs mit höherer Pixeldichte zum Erreichen von Verbesserungen im Bereich der Bildschärfe und der Detailauflösung.
• - Stand der Technik sind zur Zeit hochauflösende Farb CCDs, die mit 90° Prismen/Linsensystemen in die distalen Enden von flexiblen Endoskopen eingebaut werden.
• - Einerseits kommt ein 1/6" grosser CCD mit 410.000 Pixeln zum Einsatz, der mit einem Mosaikfilter bedampft ist, welcher mit 410.000 Microlinsen zur geradlinigen Signalleitung bestückt ist. Dieser CCD kommt bei Endoskopen mit einem Aussendurchmesser von 6 mm bis 13 mm zum Einsatz
• - Andererseits steht seit kurzer Zeit auch ein CCD mit 850.000 Pixeln zur Verfügung, der allerdings 1/3" in der Diagonalen misst und mit einem RGB Filter bedampft ist. Dieser CCD kann nur bei Endoskopen ab 10 mm Aussendurchmesser verwendet werden.
• - In der Zukunft wird diese Technologie sicher weiter minimalisiert werden können, allerdings sind derartige CCD's wegen ihres beschränkten Einsatzbereiches relativ teuer im Vergleich zu kommerziellen CCDs.
• - Digitale Strukturanhebungen und Image processing wie bei Verwendung digitaler Strukturverstärkung zur Erzeugung detailreicherer Strukturen (EVIS EXERA CV-160) beschrieben kann nur sehr beschränkt zum Einsatz kommen, da eine Bildveränderung den Originalbefund verfälschen kann und somit zu Fehlinterpretationen der med. Befunde führen kann.

Die momentanen Fortentwicklungen bei Fluoreszenz nutzenden endoskopischen Systemen zielen auf:

• - kleinere, weniger aufwendige Systeme, idealerweise unter Nutzung standardmäßiger Endoskopiekomponenten, sowohl bei der Bilderzeugung als auch in der Bildverarbeitung
• - den Bau von Systemen die an multiplen Stellen im Körper zur Erkennung der dort ansässigen Tumorfrühstadien geeignet sind.

In jüngster Zeit bieten Techniken, bei denen mehrere (Farb-) kanäle in einem einzigen PHS (polychrom horizontal strukturierten) Pixel detektiert werden die Möglichkeit innerhalb breiter Spektralbereiche die Empfindlichkeit im Sensormaterial zu beeinflussen. Die TFA- Technologie (Thin Film on ASIC (Application Specific Integrated Circuit)), wie sie in "H. Fischer, J. Schulte, J. Giehl, M. Böhm, J.P.M. Schmitt, Thin Film on ASIC - A Novel Concept for Intelligent Image Sensors, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 285, S. 1139 ff. (1992)" beschrieben wird, kann hier als Anwendungsbeispiel dienen. (Video)Endoskopie mit PHS- Pixeln wie z. B. der TFA-Technologie ist zur Zeit noch unbekannt. Durch die Verwendung von PHS-Pixeln wie z. B. bei der Nutzung der TFA-Technologie besteht die Möglichkeit mehrere Farbkanäle in einem einzigen horizontal geschichteten Pixel zu detektieren.

Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen, gekennzeichnet dadurch dass für mindestens einige Bildpunkte mehrere (Farb-) kanäle in einem einzigen PHS (polychrom horizontal strukturierten)-Pixel detektiert werden.

Die Erfindung bezieht sich z. B. auf die Verwendung eines oder mehrerer Sensoren für elektromagnetische Strahlung, gebildet durch eine Struktur bestehend aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem ASIC, auf dessen Oberfläche eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge aufgebracht ist, bestehend aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten, wobei jede Bildpunkteinheit einen Strahlungswandler in Form der genannten Schichtenfolge zum Umwandeln der einfallenden Strahlung in einen intensitätsabhängigen Messwert und Mittel zum Erfassen und Abspeichern des Messwertes aufweist und wobei eine Auslesesteuereinrichtung für das jeweils auf eine Bildpunkteinheit bezogene Auslesen der Messwerte vorgesehen ist derart, dass aus den bildpunkteinheitsbezogenen Messwerten das auf den Sensor eingestrahlte Bild zusammensetzbar ist in Endoskopen und endoskopartigen Vorrichtungen zu Betrachtung und Analyse.

Um die spektrale Empfindlichkeit des Sensors im NIR-Bereich zu erweitern und um die transienten Eigenschaften des Sensors zu verbessern, kann jeder Bildpunkteinheit mindestens ein weiterer für elektromagnetische Strahlung sensitiver optoelektronischer Wandler zugeordnet werden, welcher Teil des integrierten Schaltkreises ist. Es handelt sich bei diesen Bauelementen um solche, welche auf kristallinem Silizium, dem beherrschenden Material für integrierte elektronische Schaltungen, basieren, z. B. um Photodioden, Photogates oder Phototransistoren.

Insbesondere sollen Detektoren mit spektral steuerbarer Empfindlichkeit eingesetzt werden, welche z. B. aus Mehrschichtsystemen vom Typ piiin, pipiin oder weiteren Schichtenfolgen bestehen, die z. B. aus den Patentanmeldungen DE P 44 42 444, 196 37 126.0, 197 19 134.8 hervorgehen.

Die Anwendungsgebiete der Erfindung lassen sich nach der Art der auf den Sensor auftreffenden Strahlung und Ihrer weiteren Nutzung differenzieren:

Bei der Einstrahlung von Weißlicht werden zur Zeit im Bereich der klassischen Endoskopie immer hoch auflösendere CCD's mit mehr Pixeln/inch verwandt um ein höher aufgelöstes Bild zu gestatten.

In der Weißlichtendoskopie bieten die beschriebenen Bildsensoren gegenüber den in der Regel Verwendung findenden CCDs ein Platzwunder:

Wo ein CCD drei bis vier Pixel zur Erstellung eines vollständigen Bildes benötigt, braucht man mit Bildsensoren aus Polychrom Horizontal Geschichteten Pixeln und zum Beispiel der TFA-Technologie nur einen einzigen Pixel. Dieser geringere Platzbedarf kann auf vielerlei Weise genutzt werden:

• 1. Durch Vergrößerung der Einzelpixel wird die Empfindlichkeit gesteigert.
• 2. Durch Vervielfachung der Einzelpixel wird die Auflösung gesteigert.
• 3. Die Endoskope werden kleiner.
• 4. Unter Beibehaltung der bisherigen Abmessungen können Videoendoskope anstelle der bisherigen zweidimensionalen Bilder durch Verwendung weiterer Bildsensoren aus Polychrom Horizontal Geschichteten Pixeln dreidimensionale Bilder aufnehmen.

Bei der Einstrahlung von Licht dessen Wirkung Fluoreszenz in bestimmten Objekten oder Zellen hervorruft, werden derzeit zur Fluoreszenzerfassung starre Endoskope oder Faserendoskope eingesetzt, die entfernt von der Fluoreszenzquelle zur spektralen Anpassung voluminöse Strahlteiler oder spezielle Filterräder benutzen. In der Fluoreszenzendoskopie bieten Bildsensoren aus oder unter Verwendung von polychrom horizontal strukturierten Pixeln wie zum Beispiel TFA-Bildsensoren gegenüber den in der Regel Verwendung findenden CCDs den Vorteil, dass das Fluoreszenzlicht innerhalb des gesamten durch die geometrische Optik gegebenen Strahlkegels zur Messung benutzt wird und nicht nur ein Bruchteil wie bei der Verwendung von Mosaikfiltern. Weiterhin sind wie erwähnt keine Mosaikfilter mit einer auf spezielle Fluoreszenzbanden angepassten spektralen Empfindlichkeit bekannt. Aus diesem Grund gibt es bisher auch keine geeigneten Fluoreszenz-Videoendoskope. Zusammenfassend ergibt sich, dass Fortentwicklungen unter Verwendung von polychrom horizontal strukturierten Pixeln wie zum Beispiel TFA- Bildsensoren bei Fluoreszenz nutzenden endoskopischen Systemen insbesondere auf eine höhere Sensitivität durch empfindlichere, da spektral angepasste Sensoren sowie Rauschunterdrückung durch Bildsummation und Mitllung bzw. lock-in Verstärkertechnik zielen (siehe unten).

Durch die Verwendung der beschriebenen Sensoren ergeben sich weiterhin als Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik:

• - Die beschriebenen Schichtsysteme der Bildsensoren aus polychrom horizontal strukturierten Pixeln werden während des Produktionsprozesses nach der primären Fertigstellung noch einmal 20 min. bei einer Temperatur von 150°C getempert. Diese Behandlung führt zu einer Ausheilung von Bindungsbrüchen im Gefüge der Schichten aus amorphen Silizium der Bildsensoren. Ein bei medizinischen Anwendungen notwendiges Autoklavieren eines solchen Sensors, das z. B. für CCD-Sensoren nicht beschrieben wird, erscheint möglich und führt somit sogar wahrscheinlich nicht zu einer Verschlechterung der Sensoreigenschaften.
• - Die spektrale Variabilität wird gesteigert. Z. B.: Durch Detektion von UV-Licht kann der Kontrast auch bei Reflexionsbildern gesteigert werden, andere, nicht auf Fluoreszenz basierende Farbstoffe können eingesetzt werden.
• - Erste Signalverarbeitung kann on Chip erfolgen. Dies Vorgehen ist schneller, und kostengünstiger als die Verwendung von großen, anhängenden Rechnern zur Signalverarbeitung.
• - Möglichkeit des Image-Preprocessing zur halb- oder vollautomatischen Auswertung von Untersuchungsbildern mit nachfolgender gezielter Gegenprüfung durch den Arzt. Dadurch kürzere Untersuchungszeiten, geringere Patientenbelastung, verbesserte diagnostische Treffsicherheit, weniger übersehene Befunde, weniger Wiederholungsuntersuchungen.
• - Der Bau von einfachen, empfindlichen Fluoreszenzvideoendoskopen wird möglich
• - Weißlicht, Fluoreszenzbetrachtung und Therapie sind mit einem einzigen endoskopischen System möglich
• - Verwendung kleinerer Bauteile zum Bau noch kleinerer Endoskope für schmale Gangsysteme (Bronchien, Gallengänge, Gefäße)
• - Verwendung von zwei oder mehr Bildsensoren mit PHS-Pixeln zur Erzielung 3 dimensionaler Darstellungen.
• - Kombination von Endoskopen und Beleuchtung mit verschiedenen Lichtquellen zur Betrachtung von Fluoreszenz zur Analyse von Gewebeveränderungen und zur Therapieverbesserung gegenüber Storz und Wölf;
• - Möglichkeit zur exakten räumlichen Vermessung in situ.
• - Verbesserte Detailauflösung zur Früherkennung von Veränderungen (z. B. Karzinome). Dadurch bessere Heilungschancen und reduzierte Behandlungskosten.
• - Selektive Markierung bzw. Erkennung spezifischer Gewebeveränderungen durch floureszenzbasierte Untersuchungsmethoden.
• - Unterbringung weiterer technischer Sensoren im Distalende des Endoskops zur Parallel-Auswertung verschiedener biologischer Faktoren in einem Untersuchungsgang. Dadurch auch Möglichkeit zur erweiterten Kombinationsdiagnostik mit höherer Spezifität/Sensivität und Reliabilität.
• - Raum für vergrößerte Instrumentierungs-Kanäle für verbesserten mechanischen Zugriff bei therapeutischem Einsatz.
• - Einsatz von Positionsmeldern im Distalende zur genauen Ortung für multimodale Matching-Verfahren, bei denen z. B. endoskopische und kernspintomographische Volumendatensätze zur passgenauen Überlagerung gebracht werden. Dadurch können mehrdimensional Diagnosevektoren ermittelt werden, die wiederum verbesserte Aussagen und Behandlungen erlauben.
• - 3D-Operationsplanung und Durchführung unter räumlicher Kontrolle - dadurch geringeres OP-Risiko, kürzere OP-Zeit, weniger OP-Kosten.
• - Durch dynamische regionale Auslesekontrolle kann ein gleichmäßiger Bildeindruck auch bei ungleichmäßiger Ausleuchtung/Tiefe erreicht werden. Dies ist unter anderem eine Primärvorausetzung für automatische Bildauswertungsmethoden, die dadurch wesentlich robustere Ergebnisse liefern können.
• - Durch geringere Abmessungen und geringeres Gewicht können leistungsfähigere, selbstbewegende Sonden gebaut werden, die sich eigenständig oder durch Fernsteuerung durch den Körper wandern.
• - Möglichkeit zur Spektralüberlagerung durch Einsatz von Hybrid-Systemen mit 2 (oder mehr) Bildsensoren, die gleichzeitig in verschiedenen Spektralbereichen aufnehmen und deren Views elektronisch mit dem optischen Bild überlagert werden können um genaue Lokalisation bzw. Art der Veränderung direkt in Echtzeit feststellen zu können.
• - Durch Bildsummation und dadurch Verminderung des resultierenden Rauschfaktors ist eine verminderte Ausleuchtung notwendig, bzw. auch schwache Fluoreszenz kann erkannt werden
• - Bei Verwendung von indikationsspezifischen Lasersystemen als einzige oder als eine der Beleuchtungseinheiten eines Endoskops ist in einem Therapieschritt eine Fluoreszenzdiagnostik durch Bestrahlung des Gewebes im defokussierten Modus des Lasers sowie die Abtragung des Gewebes unter Verwendung fokussierten Laserlichts denkbar.

Neben der Verwendung eines Sensors mit PHS-Pixeln in einem endoskopischen Instrument ergeben sich gegenüber herkömmlichen Endoskopen Neuerungen insbesondere, wenn on-chip eine lock-in Bildverstärkung zur Aufbereitung von Signalen erfolgt.

Neben dem primären Sensormaterial wird die Bildqualität nämlich weiterhin durch die geeignete Verstärkertechnik beeinflusst. Bisher wurden einfache Image Intensifier benutzt. Anders als diese konventionelle Verstärker (z. B. multi chanel plates), welche beides verstärken, das interessierende Signal zusammen mit dem Hintergrundrauschen, ist ein Lock- In-Verstärker geeignet um modulierte Signale in einer spezifischen Frequenz und Phase zu detektieren.

Ein Lock-In-Verstärker misst eine Wechselspannung (oder -strom) und gibt ein Gleichspannungssignal heraus, das proportional zum Wechselspannungssignal ist. Der Term "lock-in" wurde gewählt, weil der Verstärker auf eine bestimmte zu untersuchende Frequenz festgesetzt ("gelockt") wird und alle anderen Signale am Eingang ignoriert. Alles nichtsynchrone Rauschen wird effektiv eliminiert, was zu einer Wiederentdeckung von Signalen führt, die mehr als 60 dB im Rauschen begraben waren. Lock-in Verstärker werden in der Spektroskopie routinemäßig genutzt, um kleine optische Signale aus dem Rauschen zu heben. In der allgemeinen Bildverarbeitung und in der Endoskopie hat diese Verstärkertechnik noch keinen Einzug genommen.

Ein Lock-In-Verstärker verhält sich in Bezug auf seine Referenzfrequenz wie ein Bandpassfilter. Die Bandweite des Filters hängt von der Integrationszeit ab. Der Bandpassfilter schneidet nahe dem Eingangssignal einen mehr oder weniger breiten Teil des Leistungsspektrums des Rauschanteil aus. Somit reduziert sich die Leistung des mittleren relativen Rauschens am Ausgang im Vergleich zum Eingang. Die Autokorrelationsfunktion und somit die transmittierte Rauschleistung ist direkt proportional zur Bandweite.

Technisch gibt es unterschiedliche Konstruktionsprinzipien. In einer einfachen Ausführung dient ein Rechtecksignal als Referenz und wird benutzt, um mit der Frequenz des Eingangssignals einen Transistor zu schalten. Das resultierende Ausgangssignal wird durch einen Integrator, z. B. einen Operationsverstärker oder aber auch durch ein einfaches RC- Glied integriert. Die Zeitkonstante des RC-Glieds bestimmt die Integrationszeit, die in Vielfachen der Periodenlänge des Referenzsignals angegeben wird. Die Nutzung der ASIC- Technologie macht es möglich eine einfache Lock-in-Technik für jeden Pixel on Chip zu realisieren.

Claims (14)

1. Endoskopisches Instrument zur Anwendung in Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens zwei Bildpunkte wenigstens zwei Kanäle, vorzugsweise wenigstens zwei Farbkanäle, in einem einzigen polychrom horizontal strukturierten (PHS) Pixel detektiert werden.

2. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion wenigstens ein Sensor für elektromagnetische Strahlung verwendet wird.

3. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem AISIC, ausgebildet ist, auf dessen Oberfläche eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge aufgebracht ist.

4. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten besteht.

5. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildpunkteinheit einen Strahlungswandler, vorzugsweise in Form der Schichtenfolge, zum Umwandeln einfallender Strahlung in einen intensitätsabhängigen Meßwert aufweist.

6. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildpunkteinheit Mittel zum Erfassen und Speichern von Meßwerten aufweist.

7. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslesesteuereinrichtung für ein jeweils auf eine Bildpunkteinheit bezogenes Auslesen von Meßwerten vorgesehen ist.

8. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslesen von Meßwerten derart erfolgt, daß aus bildpunkteinheitsbezogenenen Meßwerten ein auf den Sensor einstrahlendes Bild zusammensetzbar ist.

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

10. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler Bestandteil des integrierten Schaltkreises ist.

11. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler die spektrale Empfindlichkeit des Sensors im NIR-Bereich erweitert.

12. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler die transienten Eigenschaften des Sensors steigert.

13. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler eine Photodiode, ein Photogate oder ein Phototransistor ist, vorzugsweise aus Silizium.

14. Endoskopisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion Sensoren mit spektral steuerbarer Empfindlichkeit eingesetzt werden, vorzugsweise Mehrschichtsysteme vom Typ piin, pipiin oder dergleichen Schichtfolgen.