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    • 专利摘要:
    Eine Einrichtung (10) zum Einstellen der Position längs einer Achse (12) umfasst ein Element (26), das längs der Achse (12) dehn- und zusammenziehbar ist und eine Formgedächtnislegierung (28) enthält, die so angeordnet werden kann, dass das Element (26) längs der Achse (12) gedehnt oder zusammengezogen wird, ein Heizmittel (82) zum Einstellen der Temperatur der Formgedächtnislegierung (28) und einen Rückkopplungsmechanismus (32, 70) zum Regeln des Heizmittels (82) in Abhängigkeit von Positionsänderungen, wobei die Position durch das Heizmittel (82) eingestellt und durch den Rückkopplungsmechanismus (32, 70) stabilisiert werden kann.
    公开号:DE102004018110A1
    申请号:DE200410018110
    申请日:2004-04-14
    公开日:2004-11-25
    发明作者:Christopher Gerard Rowville Byrne；Bradley Charles Endeavour Hills Jones；Johan Gosse Ferntree Gully Lemmens；Libin Glen Waverley Ni
    申请人:Optiscan Pty Ltd；Pentax Corp；
    IPC主号:A61B1-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Positionseinstellung,insbesondere zur Tiefeneinstellung oder -betätigung z.B. in optischen Instrumentenwie Endoskopen und Mikroskopen (einschließlich Endomikroskopen).
    [0002] Eswurden eine Reihe von Techniken vorgeschlagen, um eine x-y-Betätigung,d.h. eine Abtastung, vorzusehen. Ein Beispiel hierfür ist inder WO 00/75712 beschrieben. Häufigist auch eine Betätigungin z- oder Tiefenrichtung erforderlich, insbesondere in der Endoskopieund der Mikroskopie und dabei insbesondere in konfokaleri Systemen.In einem bekannten Lösungsansatzwird die z- oder tiefeneinstellung vorgenommen, indem die Positioneiner Objektivlinse manuell eingestellt wird. In Tischsystemen kanndies übereine direkte Einstellung erfolgen. Gemäß einem herkömmlichenSystem erfolgt diese Einstellung in Handgeräten mittels eines mechanischen Nockensystems,das von dem Benutzer betätigtwird. In konfokalen Mikroskopsystemen ist ein z- oder Tiefeneinstellmechanismuserforderlich, um es dem Operateur zu ermöglichen, den Konfokalpunktinnerhalb einer Probe in unterschiedlichen Brennebenentiefen zufokussieren. Jedoch sind die existierenden z-Betätigersysteme ungeeignet, konfokaleEndoskope und andere kompakte Systeme zu miniaturisieren, derenAbmessungen (insbesondere Durchmesser) minimiert werden müssen, oderwenn, wie in der Endoskopie, die Länge des starren Endoskopkopfsso kurz wie möglichsein sollte.
    [0003] Aufgabeder Erfindung ist es, eine besonders kompakte Einrichtung zur Positionseinstellunglängs einerAchse anzugeben.
    [0004] Fernerist es Aufgabe der Erfindung, einen z- oder Tiefenbetätiger anzugeben,der in Richtung der z-Achse einstellbar ist, jedoch in lateralerRichtungen eine gewisse Flexibilität aufweist.
    [0005] Gemäß einemersten Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Positionseinstellunglängs einerAchse vorgesehen, mit: einem längs der Achse dehn- und zusammenziehbarenElement, das eine Formgedächtnislegierungenthält,die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes positionierbar ist, einemHeizmittel zum Einstellen der Temperatur der Formgedächtnislegierungund einem Rückkopplungsmechanismuszum Regeln des Heizmittels in Abhängigkeit von Schwankungen der einzustellendenPosition, wobei die Position durch das Heizmittel einstellbar unddurch den Rückkopplungsmechanismusstabilisierbar ist.
    [0006] Ineiner Ausführungsformist die Achse durch die Tiefe oder z-Achse gegeben (in diesem Fallkann die Einrichtung auch als Tiefeneinstelleinrichtung oder z-Betätiger bezeichnetwerden).
    [0007] Vorzugsweiseenthältdie Einrichtung ein Vorspannmittel, das entweder dem Dehnen oderZusammenziehen der Formgedächtnislegierungentgegenwirkt. Vorzugsweise wirkt sie dem Zusammenziehen entgegen.
    [0008] Vorteilhaftist das Vorspannmittel eine Feder, noch besser eine Schraubenfeder.Es kann jedoch auch ein Element aus Gummi oder einem anderen federnden Materialenthalten, das beispielsweise komprimiert wird, wenn sich die Formgedächtnislegierungzusammenzieht.
    [0009] Schwankungenin der Längeder Formgedächtnislegierung,die bei Änderungder Umgebungstemperatur auftreten, werden mittels des Rückkopplungsmechanismusso korrigiert, dass die Einrichtung ihre gewünschte Länge behält, nachdem diese einmal eingestelltworden ist. Beispiele fürgeeignete Formgedächtnislegierungensind Tinol und Nitinol.
    [0010] Vorzugsweiseenthältder Rückkopplungsmechanismuseinen Rückkopplungssensor,der die Position der Einrichtung erfasst und an das Heizmittel einSignal ausgibt, überdas die auf die Formgedächtnislegierungangewandte Wärmegeändertwird.
    [0011] Ineinem Ausführungsbeispielenthältder Rückkopplungsmechanismusmehrere Rückkopplungssensoren.Dadurch ist eine noch genauere Positionsmessung möglich. Außerdem kann,wenn der zu messende Abstand nicht gleichförmig ist (wie z.B. beim Biegender Einrichtung) der Biegegrad gemessen werden, so dass man dengeeigneten Positionswert erhält.
    [0012] Vorzugsweiseenthältdas Heizmittel eine Quelle fürelektrischen Strom zum Erwärmender Formgedächtnislegierung,indem der elektrische Strom durch die Formgedächtnislegierung geschickt wird.Das Heizmittel kann jedoch auch in einer geeigneten anderen Ausführungsformausgebildet sein, z.B. als Mechanismus zum Erwärmen und Zirkulieren einesFluids (z.B. Luft, ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit) um die Formgedächtnislegierungherum oder an dieser vorbei. In einer anderen Ausführungsformkönntedas Heizmittel eine Heizvorrichtung umfassen, die mit der Formgedächtnislegierungin Berührungoder auf andere Weise in thermischer Verbindung steht (z.B. einoder mehrere elektrisch gespeiste Heizelemente, die so betriebenwerden, dass sie Wärmeauf die Formgedächtnislegierungabstrahlen, oder die übereinen thermisch leitenden Verbinder mit der Formgedächtnislegierunggekoppelt sind).
    [0013] Vorzugsweiseist der elektrische Strom ein pulsbreitenmodulierter Strom. DasHeizmittel ist vorzugsweise so ansteuerbar, dass der Betriebszyklus despulsbreitenmodulierten Stroms und damit dessen Mittelwert variiertwerden können.
    [0014] Durch Ändern desMittelwertes des Stroms könnendas Erwärmenund damit die Längeder Formgedächtnislegierungeingestellt werden.
    [0015] DerRückkopplungsmechanismusenthält beispielsweiseeinen kapazitiven Sensor, einen Sensor mit variablem Widerstand,einen magnetischen Hall-Sensor, einen induktiven Sensor oder einenoptischen Sensor. In einer Ausführungsformenthältder Rückkopplungsmechanismuseinen kapazitiven Sensor mit Doppeldrahtspule, wobei die räumlicheTrennung zwischen den beiden Spulen entsprechend der Position derEinrichtung variiert, wodurch wiederum das Ausgangssignal des Sensorsvariiert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der Rückkopplungsmechanismuseinen optischen Sensor mit einer gepulsten roten Leuchtdiode (LED)und eine phasenverriegelte, verstärkende (PIN) Erfassungsdiode.
    [0016] Vorzugsweiseenthältdie Einrichtung ein langgestrecktes Element, um die Formgedächtnislegierungan der Einrichtung zu befestigen, wobei dieses Element longitudinalweitgehend starr und lateral flexibel ist. Vorteilhaft enthält das langgestreckteElement einen Bowdenzug.
    [0017] DieErfindung sieht ferner ein Endoskop vor, mit: einem Lichtleiterfür Beleuchtungslicht, einemKondensorelement zum Fokussieren des Beleuchtungslichtes auf einBetrachtungsfeld, und die oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung, diedazu dient, die Position des Betrachtungsfeldes einzustellen.
    [0018] Dabeikann die Position durch Bewegung einer Austrittsöffnung, durch Bewegung desKondensorelementes oder durch Bewegung sowohl der Austrittsöffnung alsauch das Kondensorelementes eingestellt werden, wobei die jeweiligeBewegung durch die Positionseinstelleinrichtung steuerbar ist.
    [0019] Vorzugsweiseenthältdas Endoskop einen x-y-Abtastmechanismus, der die genannte Austrittsöffnung enthält und dessenPosition durch die Positionseinstelleinrichtung einstellbar ist.
    [0020] Ineiner vorteilhaften Ausführungsformist das dehn- und zusammenziehbare Element eines von mehreren gleichenElementen.
    [0021] Sokönnenmehrere solcher aus der Formgedächtnislegierungbestehender Elemente vorgesehen sein. Dadurch kann der für die einzelnenElemente benötigteErwärmungsbereichreduziert werden. Außerdemist es so möglich,die Kraft, die fürdie Änderungder z-Position benötigtwird, gleichmäßiger zuverteilen. Außerdemkönnendie Elemente unterschiedlich beheizt werden, um so eine Vorrichtungzu biegen, in der die besagte Einrichtung enthalten ist. Dient beispielsweisedie Einrichtung dazu, die z-Position eines x-y-Abtastmechanismuseinzustellen, so kann der x-y-Mechanismus in einem Winkel zu der Einrichtungorientiert werden, indem beispielsweise drei getrennt voneinanderansteuerbare Elemente gleichmäßig um denUmfang der Einrichtung herum angeordnet werden.
    [0022] DasEndoskop kann ein konfokales Endoskop und/oder Endomikroskop sein.
    [0023] DieErfindung sieht ferner ein Mikroskop (z.B: ein konfokales Mikroskop)vor, das eine wie oben beschriebene Positionseinstelleinrichtungenthält,durch die die Position eines Betrachtungsfeldes des Mikroskops eingestelltwerden kann.
    [0024] Außerdem siehtdie Erfindung ein Kolonoskop vor, das ebenfalls konfokal sein kannund eine wie oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung enthält.
    [0025] Ineiner Ausführungsformenthältdie Einrichtung eine flexible gedruckte Leiterplatte (PCB), die zwischenzwei Teilen der Einrichtung befestigt ist, deren räumlicheTrennung voneinander mit Änderung derPosition variiert, so dass die Leiterplatte mit Änderung dieser räumlichenTrennung gebogen wird. Diese erfindungsgemäße Lösung kann auch in anderen Anwendungeneingesetzt werden, in denen die räumliche Trennung zweier Komponentenvoneinander variiert und in denen eine elektrische Verbindung zwischendiesen beiden Komponenten erforderlich oder erwünscht ist.
    [0026] Vorzugsweiseenthältdie Einrichtung einen Mechanismus zum Einstellen einer gewünschtenRuheposition in Richtung der Achse (z.B. z-Richtung) derart, dassdie anschließendePositionseinstellung auf diese Ruheposition bezogen ist.
    [0027] Gemäß einemweiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen einerPosition längseiner Achse vorgesehen, mit folgenden Schritten: Bereitstelleneines längsder Achse dehn- und zusammenziehbaren Elementes, das eine Formgedächtnislegierungenthält,die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes positionierbar ist, Einstellender Längeder Formgedächtnislegierung über einHeizmittel und Erzeugen eines Rückkopplungssignalsals Reaktion auf Schwankungen der einzustellenden Position und Regelndes Heizmittels mit dem Rückkopplungssignalzur Stabilisierung der Position, wobei die Position durch dasHeizmittel einstellbar und durch das Rückkopplungssignal stabilisierbarist.
    [0028] DieAchse kann durch die Tiefe oder z-Achse gegeben sein.
    [0029] Vorzugsweisesieht das Verfahren vor, dem Dehnen oder Zusammenziehen der Formgedächtnislegierungmit einem Vorspannmittel entgegenzuwirken, z.B. mit einer Feder.Vorzugsweise wird dabei dem Zusammenziehen entgegengewirkt.
    [0030] DieErfindung sieht ferner ein Verfahren zur Endoskopie oder Kolonoskopievor, mit folgenden Schritten: Anordnen eines optischen Kopfesan einer zu untersuchenden Stelle und Einstellen der Position eines aufdie Endoskopie oder Kolonoskopie bezogenen Betrachtungsfeldes zumindestteilweise mittels einer Formgedächtnislegierung.
    [0031] DieErfindung wird im Folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielenunter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
    [0032] Darinzeigen:
    [0033] 1A eine schematische Darstellungeines Kolonoskop-Einführteilsmit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebenedes Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem Ausführungsbeispiel,
    [0034] 1B eine schematische Darstellungeines Kolonoskop-Einführteilsmit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebenedes Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem alternativenAusführungsbeispiel,
    [0035] 1C einen Kolonoskop-Einführteil miteiner Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene desKolonoskops in Tiefen- oder z-Richtungnach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    [0036] 2A eine schematische Darstellungeines optischen Positionssensors der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
    [0037] 2B der gemessene Zusammenhang zwischender Änderungder analogen Ausgangsspannung und der Änderung des auf die z-Betätigung bezogenenAbstandes fürden optischen Positionssensor nach 2A,
    [0038] 2C eine schematische Darstellungeines kapazitiven Positionssensors nach einem alternativen Ausführungsbeispielder Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
    [0039] 3A ein schematisches Schaltbilddes Kolonoskops, das die mit dem optischen Sensor ausgestatteteTiefeneinstelleinrichtung enthält,
    [0040] 3B ein schematisches Schaltbildeines Kolonoskops, das die mit dem kapazitiven Positionssensor ausgestatteteTiefeneinstelleinrichtung nach einem alternativen Ausführungsbeispielenthält,
    [0041] 4 ein Flussdiagramm einesProportional-Integral-Differential-Regelkreises der Tiefeneinstelleinrichtungnach 1A,
    [0042] 5A eine schematische Darstellungder Rechteckspannung, die dem Treiber der Tiefeneinstelleinrichtungnach 1A zugeführt wird,
    [0043] 5B eine schematische Darstellungder Rechteckspannung, die dem Treiber der Tiefeneinstelleinrichtungnach 1A auf die Tiefeneinstellungfolgend zugeführtwird,
    [0044] 6 eine schematische Darstellung,welche die Anordnung einer Feder und eines optischen Positionssensorsbezüglicheines Nitinol-Drahtes undeines x-y-Abtastmechanismus der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt,
    [0045] 7A eine schematische Darstellung,welche die Anbringung des Nitinol-Drahtes an einer Leiterplatte der Tiefeneinstelleinrichtungnach 1A zeigt, und
    [0046] 7B eine schematische Darstellung,die eine alternative Anbringung des Nitinol-Drahtes an der Leiterplatteder Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt.
    [0047] 1 zeigt eine schematischeDarstellung eines Kolonoskop-Einführteils 10, der miteiner z- oder Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebenedes Kolonoskop-Einführteils 10 inTiefen- oder z-Richtung 12 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispielausgestattet ist. Der Kolonoskop-Einführteil 10 bildet denjenigenTeil eines Kolonoskops, der im Gebrauch in das Kolon eingeführt wird.In 1A sind die übrigen Teiledes Kolonoskops, z.B. ein Handgriff, Steuerelemente, etc. nicht dargestellt.
    [0048] DerKolonoskop-Einführteil 10 hateinen vergleichsweise starren vorderen Abschnitt 14 undeinen vergleichsweise flexiblen hinteren Abschnitt 16. Dervordere Abschnitt 14 umfasst im Wesentlichen ein äußeres, rohrförmiges Gehäuse 18 miteinem x-y-Abtastmechanismus 20 und einer Objektivoptik 22.In 1A ist die Optik 22 stellvertretenddurch zwei Linsen dargestellt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen,dass die Optik 22 auch nur eine einzige Linse umfassenkann. Typischerweise ist sie jedoch komplizierter aufgebaut undenthältmehrere optische Elemente, die jeweils als konvexe Linse, konkave Linseoder als planares Element ausgebildet sind.
    [0049] Derhintere Abschnitt 16 enthält die Hauptkomponenten einerz- oder Tiefeneinstelleinrichtung 24, nämlich einen z-Betätiger 26,der einen nach hinten verlaufenden Draht 28 aus der FormgedächtnislegierungNitinol, ein langgestrecktes Element in Form eines Bowdenzugs 30 undeinen Positionssensor 32 enthält. Der Bowdenzug 30 istmit seinem einen Ende an dem hinteren Ende des Nitinol-Drahtes 28 undmit seinem anderen Ende am hinteren Ende des Gehäuses 18 angebracht.
    [0050] EinLichtleiter (optische Faser) 34, der sowohl Beleuchtungslicht 36,typischerweise Laserlicht, zu einem punktförmigen Betrachtungsfeld 37 auf demoder inner halb des Kolons überträgt, alsauch das von diesem punktförmigenBetrachtungsfeld 37 in Form von Reflexions- oder Fluoreszenzlichtzu Erfassungszwecken zurückführt, befindetsich auf der zentralen Längsachsedes Kolonoskop-Einführteils 10 understreckt sich lediglich bis zum vorderen Ende des x-y-Abtastmechanismus 20 nachvorn. Schließlichsind noch eine Laserquelle und ein Detektor (nicht gezeigt) über einenStrahlteiler (ebenfalls nicht gezeigt) an den Lichtleiter 34 gekoppelt,um das Beleuchtungslicht und das von dem Betrachtungsfeld 37 ausgesendeteLicht voneinander zu trennen. Die Optik 22 enthält Linsen,die dazu dienen, das aus der Austrittsöffnung des Austrittsendes desLichtleiters 34 austretende Beleuchtungslicht auf das punktförmige Betrachtungsfeld 37 zufokussieren und das zurückkehrendeLicht einzusammeln und zurückin den Lichtleiter 34 zu fokussieren.
    [0051] DerKolonoskop-Einführteil 10 arbeitetkonfokal, wobei die Austrittsöffnungdes Lichtleiters 34 als Raumfilter wirkt, wodurch die Schärfentiefedes Kolonoskops auf eine wohl definierte Brennebene 38 entwederauf oder unterhalb der Oberflächedes zu untersuchenden Gewebes eingeschränkt ist. Jedoch ist der x-y-Abtastmechanismus 20 innerhalbdes Gehäuses 18 längs derz-Richtung vor und zurückverschiebbar, d.h. auf das vordere Ende des Gehäuses 18 zu und vondiesem weg bewegbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Optik 22 imNormalbetrieb relativ zu dem externen Gehäuse 18 feststehend.Demzufolge ist der x-y-Abtastmechanismus 20 aufdie Objektivoptik 22 zu und von dieser weg verschiebbar, wodurchdie Lage der Brennebene 38 variierbar ist. In einem anderenAusführungsbeispielist jedoch der x-y-Abtastmechanismus 20 zusammen mit einerausgewähltenhinteren Untereinheit der die Optik 22 bildenden optischenElemente verschiebbar, während dasbzw. die übrigenoptischen Elemente relativ zu dem Gehäuse 18 feststehendbleiben. In einer Ausführungsformdieses Ausführungsbeispielsbleibt lediglich das am weitesten vorn angeordnete optische Elementortsfest, währenddie anderen Elemente bewegt werden. Diese Ausführungsform ist in 1B, in der die gezeigtenLinsen jeweils wie oben beschrieben lediglich stellvertretend für ein odermehrere optische Elemente gezeigt sind, schematisch mit 10' angedeutet.
    [0052] Ineinem weiteren Ausführungsbeispielist der x-y-Abtastmechanismus 20 zusammen mit allen optischenElementen der Optik 22 verschiebbar, so dass am Ende desGehäuses 18 zwischendem letzten, d.h. dem am weitesten vorn angeordneten optischen Elementund der Probe ein rohrförmigerRaum 19 mit variabler Abmessung in z-Richtung erzeugt wird.In diesem rohrförmigenRaum 19 kann die Probe zum Teil hineinragen, was zu einerErhöhungder Gewebsstabilitätund zu einer Vereinfachung der Bildaufnahme führt. Dieses mit dem rohrförmigen Raum 19 verseheneAusführungsbeispielist in 1C, in der diegezeigten Linsen jeweils fürein oder mehrere optische Elemente stehen (vergl. oben), schematischmit 10'' angedeutet.
    [0053] Injedem dieser Ausführungsbeispielekann das untersuchte Sichtfeld (Abbildungsbereich) also bis zu einemgewissen Grad (überden Bereich 40 von etwa 300 μm in z-Richtung) eingestelltwerden, ohne eine Grobeinstellung der Position des Kolonoskop-Einführteils 10 vornehmenzu müssen.Die Tiefeneinstelleinrichtung 24 bewirkt also eine Verschiebungund damit eine Repositionierung sowohl des x-y-Abtastmechanismus 20 alsauch der Brennebene 38 relativ zu dem Kolonoskop-Einführteil 10 undder betrachteten Probe.
    [0054] Derdurch Bewegen der Brennebene 38 tatsächlich verfügbare Positionsbereich reichtvon einer Position unmittelbar hinter des am weitesten vorn angeordnetenoptischen Elementes der Optik 22 bis zu einer Position,die sich etwa 300 μmvor dem letzten optischen Elemente befindet.
    [0055] DerLichtleiter 34 ist fest an dem x-y-Abtastmechanismus 20 angebracht,wenn ein Austrittsende 35 des Lichtleiters 34 durchden Abtastmechanismus 20 in x-y-Richtung bewegt wird. Dadurch ist sichergestellt,dass durch Vorschieben und Zurückziehendes x-y-Abtastmechanismus 20 mittels der Tiefeneinstelleinrichtung 24 auchdas Austrittsende 35 des Lichtleiters 34 vorgeschobenoder zurückgezogenwird, wodurch wiederum auch die Brennebene 38 in z-Richtungentsprechend vorgeschoben und zurückgezogen wird. Indem der x-y-Abtastmechanismus 20 unddas Austrittsende 35 übereinen Bereich von 300 μmbewegt werden, wird der Lichtleiter 34 in dem Bereich hinterdem x-y-Abtastmechanismus 20 unter Zugspannung gesetztoder gedehnt. Jedoch ist in diesem Bereich, der bis über 1 maus dem Endoskopkopf heraus reicht, der Lichtleiter 34 voneiner nicht gezeigten Hülleummantelt, in der er sich ausreichend bewegen kann, um den vorstehendbeschriebenen Effekt zu ermöglichen.Eine solche Bewegung ist unter allen Umständen als normal anzusehen und trittbeispielsweise auch dann auf, wenn das Kolonoskop betätigt wird,um es füreine Kolonuntersuchung geeignet zu platzieren.
    [0056] Umdie vorwärtsund rückwärts gerichtete z-Betätigung zuerreichen, ist das vordere Ende 42 des Nitinol-Drahtes 28 amhinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 angebracht.Ein Erwärmendes Nitinol-Drahtes 28 führt dazu, dass sich dieserzusammenzieht und so den x-y-Abtastmechanismus 20 nachhinten zieht. Lässtman den Nitinol-Draht 28 abkühlen, so dehnt er sich ausund schiebt mit Unterstützungeiner Schraubenfeder 44, die zwischen dem Gehäuse 18 unddem hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 angeordnetist, letzteren nach vorn. Die Feder 44 ist in den 1A, 1B und 1C lediglich schematischdargestellt. Sie wird jedoch zusammen mit den sie umgebenden Komponentenspätergenauer beschrieben.
    [0057] Wieoben erläutert,bewegt sich die Brennebene 38 des Kolonoskop-Einführteils 10 mitder Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in z-Richtung 12.Zur Anbringung des Nitinol-Drahtes an dem Bowdenzug 30 oderdem hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 kanneine beliebige geeignete Technik angewandt werden. So kann der Draht 28 mittelsCrimpen angebracht werden. Alternativ können die Endabschnitte desNitinol-Drahtes 28 verbreitert und in gekerbte Abschnittedes angrenzenden Materials (d.h. des Bowdenzugs 30 oderdes hinteren Teils des x-y-Abtastmechanismus 20) gesteckt (geschlitzt)werden. Eine andere Lösungbesteht darin, den Nitinol-Draht 28 durch in dem angrenzenden Materialvorgebohrte Löcherzu stecken und dann den Draht 28 umzubiegen oder ihn untereinem Winkel relativ zu der Zugkraft auszurichten, die auf den Anbrin gungspunktausgeübtwird. Um bei dieser Lösungfür einenoch zuverlässigereAnbringung zu sorgen, kann der Draht 28 zusätzlich gecrimptwerden.
    [0058] Temperaturschwankungeninnerhalb der Tiefeneinstelleinrichtung 24 führen jedochdazu, dass die Längedes Nitinol-Drahtes 28 variiert, selbst wenn dessen Temperaturtheoretisch konstant gehalten wird. Unkontrolliert führt dieszu unerwünschtenPositionsschwankungen der Brennebene 38. Die Wirkung derTiefeneinstelleinrichtung 24 ist deshalb über einenRückkopplungsmechanismusstabilisiert, der im Wesentlichen den Positionssensor 32 enthält. Der Positionssensor 32 erfasstdie Position des x-y-Abtastmechanismus 20 relativ zum Gehäuse 18 undliefert ein variierendes Ausgangssignal, das ein Maß für die Positionder Brennebene 38 ist. Dieses Signal kann genutzt werden,um unerwünschteLängenschwankungendes Nitinol-Drahtes 28 und das damit einhergehende Auswandernder Position der Brennebene 38 zu korrigieren. Die gewünschte Positionsstabilität der einmaleingestellten Brennebene 38 liegt in der Größenordnungvon 10 μm.Außerdemminimiert diese Rückkopplungdie Größe des Positionsdriftesinfolge einer Biegebewegung des Kolonoskops (in dessen flexiblemAbschnitt 16 oder zwischen diesem Abschnitt und dem nichtgezeigten Handgriff).
    [0059] DerRückkopplungsmechanismusweist eine möglichstkurze Ansprechzeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Operateureine neue z-Position oder Tiefe einstellt, und dem Zeitpunkt auf,zu dem diese Position erreicht wird. Diese Ansprechzeit beinhaltetdie Ansprechzeit der Schaltungsanordnung (vergl. 3A und 3B)sowie des Nitinol-Drahtes 28 selbst, wenn einmal ein Heizstromdamit beginnt, durch den Nitinol-Draht 28 zu fließen. ErstereAnsprechzeit liegt vorzugsweise zwischen 5 und 100 ms. Zieht sichder Draht 28 durch die Erwärmung zusammen, so hängt letztereAnsprechzeit von der Rate der Temperaturänderung innerhalb des Nitinol-Drahtes 28 unddem mechanischen Widerstand des x-y-Abtastmechanismus 20 (auchentgegen der Feder 44) ab. Dehnt sich der Draht 28 infolgeeiner Abkühlungaus, so hängtletztere Ansprechzeit von der Rate der von dem Draht 28 ausgehendenWärmeabfuhrund der Wirkung des Drahtes 28 entgegen der Feder 44 ab.Es hat sich herausgestellt, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispieleine Einstellung ausgehend von dem einen z- oder Tiefengrenzwertzu dem anderen Grenzwert in 10 s möglich ist.
    [0060] Derdurch den Draht 28 fließende Heizstrom sollte minimiertwerden, um so die Betriebstemperatur möglichst klein zu halten. Diesist vorteilhaft fürdie Sicherheit des Patienten. Außerdem kann dadurch die Wärme, diebeim Abkühlendes Drahtes 28 abgeführtwerden muss, minimiert werden.
    [0061] DerPositionssensor 32 dieses Ausführungsbeispiels ist ein optischerSensor, der in 2A allgemeinmit 46 bezeichnet ist. Der optische Positionssensor 46 enthält einegepulste rote Leuchtdiode (LED) 48 und eine phasenverriegelte,verstärkende Erfassungsdiode(PIN) 50. Das von der LED 48 abgegebene gepulsteLicht 52 wird mittels einer nicht gezeigten Fokussierlinsein ein Paar Lichtleiter (optische Fasern) 54 fokussiert.Wie mit dem Bezugszeichen 56 angedeutet, wird dieses Lichtaus den mit dem Bezugszeichen 58 bezeichneten überstehendenfernen Enden der beiden Lichtleiter 54 ausgegeben und aufeine Rückfläche 60 desx-y-Abtastmechanismus 20 gerichtet.Wie mit dem Bezugszeichen 62 angedeutet, wird dann dasan der Rückfläche 60 reflektierteLicht von einem zweiten Paar Lichtleiter 64 gesammelt.Das erste und das zweite Paar Lichtleiter 54, 64 bildenzusammen ein Lichtleiterbündel 66.Das zweite Paar Lichtleiter 64 überträgt das reflektierte Licht 62 zuder Erfassungsdiode 50. Das erste und das zweite Paar Lichtleiter 54, 64 sindinnerhalb des Lichtleiterbündels 66 derartin einer gekreuzten Konfiguration angeordnet, dass sich das erstePaar 54 in einer Ebene befindet, die im rechten Winkelzu der durch das zweite Paar 64 definierten Ebene liegt.Dadurch wird die Messgenauigkeit maximiert.
    [0062] DieIntensitätdes von der Erfassungsdiode 50 in dem optischen Positionssensor 46 erfassten Lichtesvariiert mit dem Abstand 68 zwischen der Fläche 60 unddem Ende des Lichtleiterbündels 66.Der Abstand 68 variiert mit der Position des x-y-Abtastmechanismus 20 undgibt deshalb die Längedes Nitinol-Drahtes 28 an. So wird die Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 indem Gehäuse 18 von derErfassungsdiode 50 erfasst, die die mechanische Verschiebung(mittels eines nicht gezeigten Wandlers) in ein analoges SpannungssignalO (V) wandelt. Dieses Signal gibt demnach die mechanische Verschiebungan.
    [0063] DerZusammenhang zwischen dem analogen Spannungssignal O (V) und dermechanischen Verschiebung wurde in einer sechs Tests umfassendenSerie gemessen. In 2B istdas analoge Spannungssignal O (V) als Funktion der Verschiebungd (μm) aufgetragen.Die den einzelnen Tests entsprechenden Kurven sind jeweils mit einerTestziffer bezeichnet, die in 2B rechtsdes Graphen angegeben sind. Übereinen Bereich von 400 bis 650 μmder mechanischen Verschiebung folgt das analoge Spannungssignaletwa einem linearen Zusammenhang, der in den sechs Tests genau reproduziert wurde.
    [0064] Eskönnenunterschiedliche Typen von Positionssensoren verwendet werden, umfür diegewünschteRückkopplungzu sorgen, so lange ihre körperlichenAbmessungen den körperlichenBeschränkungendes Kolonoskop-Einführteils 10 genügen.
    [0065] In 2C enthält der Positionssensor 32 in eineralternativen Ausführungsformeinen kapazitiven Sensor 70 mit Doppeldrahtspule, dessenSpulen 72a, 72b in ihrer räumlichen Trennung voneinander inAbhängigkeitder Längedes Sensors 70 variieren. Die beiden Spulen 72a, 72b sindnicht zusammengeschaltet und weisen deshalb eine Kapazität auf, die zunimmt,wenn die beiden Spulen 72a, 72b näher zueinanderhingezogen werden, d.h. wenn sich der Sensor 70 zusammenzieht.Der Sensor 70 ist in der z-Richtung 12 ausgerichtet,so dass Positionsänderungendes x-y-Abtastmechanismus 20 (relativ zu dem Gehäuse 18)zu solchen Variationen in der räumlichenTrennung der Spulen 72a, 72b führen. Dies tritt dann auf,wenn sich der Nitinol-Draht 28 zusammenzieht und so denx-y-Abtastmechanismus 20 nachhinten zieht, wodurch der Sensor 70 zusammengedrückt wird,oder wenn sich der Nitinol-Draht 28 ausdehnt, so dass derx-y-Abtastmechanismus 20 vonder Feder 44 nach vorn gedrückt wird, wodurch sich derSensor 70 ausdehnt. Der x-y-Abtastmechanismus 20 wirdso durch die Tiefenseinstelleinrichtung 24 dem Gehäuse 18 angenähert. DieBewegung des x-y- Abtastmechanismus 20 indem Gehäuse 18 wirddemnach von dem kapazitiven Positionssensor 70 erfasst,der die mechanische Verschiebung (mittels eines nicht gezeigtenWandlers) in ein analoges Spannungssignal wandelt, das wiederumein Maß für diesemechanische Verschiebung ist.
    [0066] Derkapazitive Positionssensor 70 sorgt so für eine kapazitive Änderungin Abhängigkeitder Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20.
    [0067] 3A ist ein schematischesSchaltbild des Kolonoskops, dessen Einführteil 10 und Tiefeneinstelleinrichtung 24 in 1 gezeigt sind. Wie oben erläutert, bildetder Einführteil 10 eineKomponente des Kolonoskops, das zudem einen Handgriff 80 und eineController- oder Steuerkarte 82 umfasst. Jede dieser dreiKomponenten (Einführteil 10,Handgriff 80 und Steuerkarte 82) hat ihre eigeneunabhängige Gleichstromversorgung(in 3A nicht gezeigt).
    [0068] DerHandgriff 80 enthältdie Erfassungsdiode 50, die wie oben beschrieben die Änderungdes von dem Positionssensor 32 ausgegebenen Signals erfasstund in ein analoges Spannungssignal 88 wandelt, das einMaß für die mechanischeVerschiebung des x-y-Abtastmechanismus 20 ist. Die Erfassungsdiode 50 gibtauf die Erfassung von variierenden Lichtintensitäten hin direkt ein analogesSpannungssignal 88 aus. Der Änderungsbereich des ausgegebenenSpannungssignals 88 ist größer als 600 mV.
    [0069] DieErfassungsdiode 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Handgriff 80 angeordnet.Sie und die LED 48 könnenjedoch im Grunde überallin dem System angeordnet sein. Dies liegt daran, dass die Länge dergekreuzten Konfiguration der Lichtleiterpaare 54, 64 nichtkritisch fürdie Genauigkeit des optischen Positionssensors 32 ist.So könntenbeispielsweise die LED 48 und die Erfassungsdiode 50 soklein ausgebildet werden, dass sie direkt auf der Oberfläche einerder in dem Einführteil 10 vorhandenengedruckten Leiterplatten angeordnet werden könnten. In dieser Ausführungsformwären diegekreuzten Lichtleiterpaare 54, 64 nicht erforderlich. Stattdessen könntedas von der LED 48 abgegebene Licht direkt an der Rückfläche 60 desx-y-Abtastmechanismus 20 reflektiert und anschließend vonder Erfassungsdiode 50 erfasst werden.
    [0070] In 3B ist eine alternativeAusführungsformgezeigt, in der der Positionssensor 32 den mit der Doppeldrahtspulearbeitenden kapazitiven Sensor 70 enthält und der Handgriff 80 einenWandler 86 enthält,der einen Demodulator mit seinen eigenen Anregungs- und Demodulationsschaltungenaufweist (an Stelle der Erfassungsdiode 50).
    [0071] Vorteilhaftwird der Wandler 86 so nah wie möglich an dem kapazitiven Positionssensor 32 angeordnet,da jede zusätzlicheLänge desvon dem kapazitiven Positionssensor 32 zu dem Wandler 86 führendenelektrischen Kabels zu einer zusätzlichenKapazitätführt.Dadurch nehmen die gemessenen Änderungender Kapazitätdes Sensors 32 prozentual ab.
    [0072] Ineinem Test wurde die Kapazitätdes kapazitiven Positionssensors 32 gemessen und herausgefunden,dass sie im vollständiggedehnten Zustand 110 pf und im komprimierten Zustand 140 pfbeträgt. Esergab sich also ein Kapazitätsbereichvon 24 % (d.h. 140 – 110= 30 pf) um den Mittelwert (d.h. (140 + 110/2) = 125 pf). Ein Prozentbereichdieser Größenordnungsollte deshalb erhalten werden, wenn der Wandler 86 anden Sensor 32 angrenzend angeordnet wird. Eine Kapazitätsänderungin der Größenordnungvon 24 % sollte leicht oberhalb des Hintergrundrauschens erfasstund überdas Ausgangssignal 88 dem Rückkopplungs- oder Regelkreiszugeführtwerden können.
    [0073] Jedochliegen in dem in 3B gezeigten Ausführungsbeispielin dem Kolonoskop-Einführteil 10 Raumbeschränkungenderart vor, dass der Wandler 86 nicht so einfach in demEinführteil 10 angeordnetwerden kann. Die nächstmögliche geeignetePosition fürden Wandler 86 liegt in dem Handgriff 80. DerWandler 86 befindet sich deshalb in dem Handgriff 80,wie in 3B gezeigt ist.
    [0074] Zwischendem kapazitiven Positionssensor 70 und dem Wandler 86 wirdein kapazitätsarmes, elektrischesKabel 84 mit einer Längevon etwa 2 m verwendet. Das Kabel 84 hat eine gemesseneKapazitätvon 130 pf/m. Die prozentuale Änderung,die der in dem Handgriff 80 angeordnete Wandler 86 misst, liegtdemnach bei 30/(125 + 2 × 130)= ~ 8 %.
    [0075] Würde derWandler 86 auf der Steuerkarte 82 angeordnet werden,so wäreein noch längeres Kabelzwischen dem Wandler 86 und dem Positionssensor 32 erforderlich.Eine von dem Wandler 86 erfasste geringere prozentuale Änderungder Kapazität bedeutetletztlich, dass die Genauigkeit des Positionsrückkopplungsmechanismus und/oderdessen Iterationsgeschwindigkeit bis zu einem gewissen Grad beeinträchtigt würden.
    [0076] DerWandler 86 steuert überein Wechselstromsignal eine Wechselstrom-Halbbrücke an, in der ein Arm einenFestkondensator enthält.(In diesem Ausführungsbeispielist der andere Arm letztlich durch die beiden Spulen 72a, 72b deskapazitiven Positionssensors 70 gebildet.) Die mechanischeVerschiebung des xy-Abtastmechanismus 20 führt dazu, dasssich in dem Positionssensor 32 die Amplitude des Wechselstromsignals ändert (infolgeeiner Impedanzänderung).Der Wandler 86 vergleicht das von dem Positionssensor 32 ausgegebeneSignal mit dem Anregungssignal und demoduliert die Differenz zwischendiesen Signalen in eine Gleichspannung. Der Änderungsbereich des von demWandler 86 ausgegebenen Spannungssignals 88 istgrößer als200 mV. Die Null-Offsetspannung des Wandlers 86 ist einstellbar,um eine Anpassung an den speziellen Positionssensor 32 vorzunehmen.
    [0077] Wieoben erläutert,wird das Signal der Erfassungsdiode 50 (vergl. 3A) oder des Wandlers 86 (vergl. 3B) als analoges Spannungssignal 88 ausgegeben.Dieses Signal wird der Steuerkarte 82 zugeführt, woes zunächstvon einem Verstärker 90 skaliertund anschließendvon einem Analog/Digital-Wandler (ADC) 92 in ein digitalesDatensignal 94 zur Weiterverarbeitung gewandelt wird.
    [0078] DerVerstärker 90 enthält einenrauscharmen Operationsverstärker,ein Tiefpassfilter und ein digitales Potentiometer. Das von demWandler 86 zugeführteSignal hat eine maximale Amplitude (Amplitudenspanne) von typischerweise200 mV. Die maximale Amplitude des ausgegebenen Signals wird typischerweisezwischen 1 und 4 Volt eingestellt.
    [0079] Eineauf der Steuerkarte 82 angeordnete Mikrosteuerung 96 sammeltdas von dem A/D-Wandler 92 ausgegebene digitale Signalund berechnet die zum Ansteuern eines ebenfalls auf der Steuerkarte 82 angeordnetenTreibers 98 erforderlichen Signale, um den Tiefen- oderz-Betätiger 26 inspätergenauer beschriebener Weise anzutreiben. Der Treiber 98 leitetgrob gesprochen einen pulsbreitenmodulierten Strom durch den Draht 28,um diesen zu erwärmen undso dessen Längezu variieren. Die Erwärmung wirdgesteuert, indem der Arbeitszyklus des modulierten Stroms variiertwird, wodurch sich der Mittelwert des Stroms und damit die Heizwirkungauf den Draht 28 ändern.
    [0080] DerA/D-Wandler 92 ist ein mit 12 Bit arbeitender, seriellerAnalog/Digital-Wandler,der das analoge Signal aus dem Verstärker 90 in ein digitalesSignal 94 wandelt. Er ist an die Mikrosteuerung 96 angeschlossenund wird von dieser gesteuert, während erwiederum die transformierten Signale von dem Positionssensor 32 empfängt.
    [0081] DerVerstärkungsfaktordes Verstärkers 90 kann über dieMikrosteuerung 96 oder einen externen Einstellanschluss 100 sojustiert werden, dass die analoge Ausgangsspannung des Verstärkers 90 aufVollaussteuerung eingestellt wird. Es können auch eine auf den Wandler 86 führende Offset-Einstellung 102 undeine auf den Verstärker 90 führende Verstärkungsfaktoreinstellung 104 verwendetwerden, um das System (entsprechend seinen Eigenschaften, insbesondereentsprechend der Empfindlichkeit des Sensors 28) auf einengeeigneten Bereich fürden A/D-Wandler 92 einzustellen.
    [0082] DerHandgriff 80 hat ferner zwei Tiefeneinstelltasten 106,die Impulssignale an die Mikrosteuerung 96 senden, um für den x-y-Abtastmechanismus 20 einebestimmte Tiefen- oder z-Position einzustellen. Diese Tasten 106,von denen eine der Tiefenvergrößerung unddie andere der Tiefenverringerung dient, haben jeweils eine Standspannungvon 5 Volt auf Leiterbahnen 108, die an die Mikrosteuerung 96 angeschlossensind. Die Mikrosteuerung 96 überwacht die Spannung. Drückt derOperateur eine der Tiefeneinstelltasten 106, so fällt dieSpannung auf der jeweiligen Leitung 108 von 5 V auf 0 ab.Um es dem Operateur zu ermöglichen,das System einzustellen, überwachtdie Mikrosteuerung 96 die Tiefeneinstelltasten 106 entwederdaraufhin, wie oft die Tasten gedrückt werden, oder auf die Dauereines längeranhaltenden Tastendrucks hin. Eine Zeitdauer von 100 ms eines länger anhaltendenTastendrucks wird wie ein einzelner diskreter Tastendruck behandelt.Die Mikrosteuerung 96 komplettiert die Aufgaben der Datenerfassung,der Datenberechung und der Stromsteuerung. Das von dem A/D-Wandler 92 ausgegebenedigitale 12 Bit-Signal und das von den Tiefeneinstelltasten 106 ausgegebeneSchaltsignal werden in Echtzeit abgetastet, und die Mikrosteuerung 96 berechnetdie Werte, die zum Steuern des Treibers 98 und damit desNitinol-Drahtes 28 verwendet werden, nach dem Verfahrender Proportional-Integral-Differential-Regelung(PID), wobei Kp der Proportionalkoeffizient,Ki der Integralkoeffizient und Kd der Differentialkoeffizient ist (vergl. 4).
    [0083] Indem in 4 gezeigten Verfahrender PID-Regelung bezeichnet Z(n) das von dem Positionssensor 32 gemessenePositionsausgangssignal, S(N) das auf die gewünschte oder Soll-Position bezogeneSignal, das der Operateur überdie Tiefeneinstelltasten 106 eingibt, E(n) das zusammengesetzte Fehlersignalund T die Steuer- oder Regelperiode. V(n) ist das Zwischen-Regelausgangssignal.Skalierung 1 und Skalierung 2 reskalieren V(n).PWM ist das pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal, durch das dieErwärmungdes Drahtes 28 moduliert wird. In dieser speziellen Implementierungder PID-Schaltung und des Regelverfahrens wird das aus der laufendenIteration E(n) stammende Fehlersignal weiter mit aus früheren IterationenE(n-2) oder E(n-1) stammenden Fehlersignalen modifiziert. In ähnlicherWeise wird das Zwischenausgangssignal der laufenden Iteration V(n)weiter mit V(n-2) modifiziert.
    [0084] DieParameter Kp, Ki undKd sind voreingestellt und über denEinstellanschluss 100 justierbar. Der laufende Wert wirdin pulsbreitenmodulierter Form oder kurz PWM-Form ausgegeben. DieRegelperiode ist im Bereich von 5 ms bis 100 ms einstellbar.
    [0085] DasSystem bildet so einen geschlossenen digitalen Regelkreis, um denx-y-Abtastmechanismus 20 ineine gewünschtez-Position zu bewegen oder ihn in einer bestimmten z-Position zuhalten. Durch den Positionssensor 32 und den z-Betätiger 26,die nach dem Verfahren der PID-Regelung arbeiten, erhält man einstabiles Betriebsverhalten.
    [0086] Esist möglich,den x-y-Abtastmechanismus 20 in einer Ruhe- oder Ausgangspositioneinzustellen, in der beispielsweise die Brennebene unmittelbar außerhalbdes letzten in der Objektivoptik 22 enthaltenen optischenElementes angeordnet ist. Weitere Einstellungen sind dann auf dieseAusgangsposition bezogen, und zwei Auslesewerte (nicht gezeigt) gebendie z-Position relativ zu dieser Ausgangsposition bzw. die absolutez-Position an, d.h. die Position relativ zur äußeren Fläche des am weitesten vorn angeordnetenoptischen Elementes in der Optik 22. Ein Ausgangspositionsschalter 110 liefertder Mikrosteuerung 96 ein Signal, das angibt, wo sich dieAusgangsposition befindet. Die Ausgangsposition kann auch als Haltepositiondienen, um zu vermeiden, dass sich die Brennebene weiter nach hintenbewegt als unmittelbar innerhalb des am weitesten vorn angeordnetenoptischen Elementes der Objektivoptik 22. Um den unterschiedlichenAnforderungen und Eigenschaften unterschiedlicher Positionssensoren undz-Betätiger(z.B. hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit) gerecht zu werden, umfasstdie Mikrosteuerung 96 die oben erwähnte Offset-Einstellung 102,die oben erwähnteVerstärkungsfaktoreinstellung 104 undeine Treiberstromeinstellung 112, um eine Einstellung derjeweiligen Komponente zu ermöglichen.
    [0087] DerNitinol-Draht 28 bildet das Schlüsselelement des z-Betätigers 26.Er besteht aus der FormgedächtnislegierungNitinol, die sich bei Erwärmung inihrer Längezusammenzieht und sich bei Abkühlungauf ihre vorherige Längeausdehnt.
    [0088] Aufgrundseiner geringen Größe und seiner gutenfunktionellen Reproduzierbarkeit ermöglicht es der Nitinol-Draht 28,die Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in dem Kolonoskop-Einführteil 10 mitguter Genauigkeit zu steuern, insbesondere unter Verwendung desPositionssensors 32, durch den eine Rückkopplung auf die Positiondes x-y-Abtastmechanismus 20 geschaffen wird. Wie obenerläutert,wird durch den Nitinol-Draht 28 ein pulsbreitenmodulierter(PWM) Rechteckstrom geleitet, um den Nitinol-Draht 28 zusammenzuziehenund auszudehnen. Die Erwärmungund damit die Längedes Drahtes 28 sind hauptsächlich durch den Mittelwertdes PWM-Stroms bestimmt. Die Mikrosteuerung 96 stellt denBetriebszyklus der laufenden Impulse ein, um die verschiedenen Mittelwertedes PWM-Stroms und damit die gewünschteTemperatur und Längezu erhalten. Der Treiber 98 erfasst Spannungen im Bereich von0 bis 5 V und wandelt typischerweise die PWM-Spannung in einen Rechteckimpulsstromim Bereich von 0 bis 350 mA, der in den Nitinol-Draht 28 geschicktwird, um ihn darin in Wärmeumzuwandeln.
    [0089] DerTreiber 98 ist ein Spannungs/Strom-Wandler, der den PWM-Stromliefert, um den z-Betätiger 26 durchdie selektive Erwärmungdes Drahtes 28 anzutreiben. Er arbeitet im Schaltbetrieb.Der aktuelle Wert im EIN-Zustand kann über ein digitales Potentiometereingestellt werden, das überden Einstellanschluss 100 oder die Mikrosteuerung 96 angesteuertwird.
    [0090] 5A zeigt in einer schematischenDarstellung eine dem Treiber 98 zugeführte Rechteckspannung 114,die auf eine übereine entsprechende Einstelltaste erfolgte Eingabe des Operateurshin erzeugt wird, mit der er angibt, dass er die Brennebene 38 relativnahe an ein nicht gezeigtes Deckglas des Kolonoskop-Einführteils 10 heranverschieben will, indem der Nitinol-Draht 28 verkürzt wird.Die mit 116 bezeichnete Impulsbreite der Rechteckspannung 114 istrelativ groß,so dass an den Treiber 98 eine relativ hohe mittlere Spannungangelegt wird, um einen vergleichsweise großen mittleren Strom durch den Nitinol-Draht 28 zuschicken.
    [0091] Wiein 5B gezeigt, sprichtdie Mikrosteuerung 96, wenn der Operateur die entsprechende Tiefeneinstelltaste 106 drückt, aufden resultierenden Spannungsabfall an und stellt ein neues, mit 118 bezeichnetesRechteckmuster so ein, dass die mit 120 bezeichnete Impulsbreiteabnimmt und damit dem Treiber 98 eine entsprechend geringeremittlere Spannung zugeführtwird. Infolgedessen fließtein kleinerer Strom durch den Nitinol-Draht 28.
    [0092] Wirddie andere Tiefeneinstelltaste 106 gedrückt, so ergibt sich geradeder umgekehrte Ablauf.
    [0093] Inden beschriebenen Ausführungsbeispielenliegt die Wirkung des Positionssensors 32 darin, dass dasRechteckmuster kontinuierlich moduliert wird, indem der Mikrosteuerung 96 dasgewandelte digitale Signal zugeführtwird. Diese Modulation erfolgt in der Weise, dass die Breiten 116, 120 der Rechteckimpulsekonstant um kleine Beträgeum die gewünschte,durch die Tiefeneinstelltasten 106 festgelegte Breite herumvariiert werden, um so unerwünschteVariationen in der Position der Brennebene 38 zu korrigieren.
    [0094] DieAnordnung der Feder 44 und des optischen Positionssensors 32 relativzu dem Nitinol-Draht 28 und dem x-y-Abtastmechanismus 20 ergibtsich noch deutlicher aus 6.Wie in 6 gezeigt, befindetsich die Feder 44 in einem vor dem z-Betätiger 26 liegendenZwischenraum 122 (der im Nichtgebrauch etwa 1,3 mm beträgt). Sowohlder Bowdenzug 30 (in dem der größte Teil des Nitinol-Drahtes 28 untergebrachtist) als auch das hintere Gehäuse 124 desPositionssensors 32 sind von einer Schrumpfhülle umhüllt, welchefür diemechanische Stabilisierung und die elektrische Isolierung dieserKomponenten sorgt.
    [0095] Diein dem Einführteil 10 vorgeseheneelektrische Schaltungsanordnung befindet sich in dem Zwischenraum 122 aufdrei gedruckten Leiterplatten 126a, 126b und 126c.Die hintere Leiterplatte 126a befindet sich am vorderenEnde des z-Betätigers 26, während sichdie vordere Leiterplatte 126c am hinteren Ende des x-y-Abtastmechanismus 20 befindet. DieGröße des Zwischenraums 122 ändert sichim Gebrauch (wenn sich der Nitinol-Draht 28 zusammenziehtund dehnt), so dass die dritte Leiterplatte 126b flexibelausgebildet, in einem Bogen zwischen den beiden anderen Leiterplatten 126a, 126c angeordnetund mit diesen verbunden ist. Die flexible Leiterplatte 126b istfest an den beiden anderen Leiterplatten 126a, 126c angebracht,so dass überalle drei Leiterplatten 126a, 126b, 126c für eine elektrische Verbindunggesorgt ist. So kann die Verwendung von Drahtverbindungen, die imGebrauch leichter brechen könnenund bei denen sich die Lötverbindungen durchbiegen,vermieden werden.
    [0096] In 6 sind ferner eine Kabelleitung 128, eineexterne Schaltungsanordnung füreinen x-Sensor 130 sowie in Rückanschlag in Form eines mechanischenStiftes 132 gezeigt. Der Stift 132 bildet die rückwärtige Bewegungsgrenzefür denx-y-Abtastmechanismus 20,wenn sich der Nitinol-Draht 28 in seinem am stärksten zusammengezogenenZustand befindet. Zusätzlichkann eine Stromabschaltung oder -überwachung vorgesehen werden,die keine weitere Erwärmungdes Nitinol-Drahtes 28 zulässt, wenn der x-y-Abtastmechanismus 20 einmalgegen den Stift 132 in Anlage gekommen ist. Andernfalls bestehtdie Gefahr, dass sich der Nitinol-Draht 28 selbst aus einemseiner Verankerungspunkte herauszieht.
    [0097] DieFeder 44 drücktgegen die hintere Leiterplatte 126a und die vordere Leiterplatte 126c.Dabei bildet die hintere Leiterplatte 126a zugleich dieAnbringflächefür denBowdenzug 30. Der Lichtleiter 34 ist so weit nachvorn hin in einer Hülleeingeschlossen, wie der x-y-Abtastmechanismus 20 nach hinten ragt.Diese Hülleist vorzugsweise gegen die hintere und die vordere Leiterplatte 126a, 126c abgedichtet, umso einen Widerstand gegen den Eintritt von Staub, Mikroben und andererVerunreinigungen zu bilden.
    [0098] DerNitinol-Draht 28 ist mit seinem vorderen Ende an der vorderenLeiterplatte 126c angebracht. Wird der Nitinol-Draht 28im Gebrauch wiederholt gedehnt und zusammengezogen, so wird derAnbringungspunkt an der Leiterplatte 126c einer mechanischenBeanspruchung ausgesetzt, die dazu führen kann, dass sich die Anbringunglöst. Wiein 7A gezeigt, ist deshalbin diesem Ausführungsbeispiel derNitinol-Draht 28 an seinem vorderen Ende zu einem Haken 134 geformtund zweimal durch die vordere Leiterplatte 126c geführt. Optional,aber vorzugsweise ist ein Lot 136 (oder alternativ einKlebstoff) auf dem Ende des Hakens 134 aufgebracht, daseine nach vorn weisende Haltekappe bildet, die den Nitinol-Draht 28 ander Leiterplatte 126c festhält.
    [0099] In 7B ist eine alternativeAusführungsformgezeigt, in der der Nitinol-Draht 28 an seinem vorderenEnde zusätzlichzu einem Knopf 138 geformt ist. Der Knopf 138 istgrößer alsdas in der Leiterplatte 126c ausgebildete Loch, durch dasder Draht 28 geführtist. Durch diese Ausgestaltung besteht noch weniger die Gefahr,dass sich der Haken 134 von der Leiterplatte 126c löst.
    [0100] Esist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehendbeschriebenen Ausführungsbeispielebeschränktist.
    [0101] Eswird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung dieBezugnahmen auf den Stand der Technik nicht dahingehend zu interpretierensind, dass dieser Stand der Technik dem allgemeinen Fachwissen zuzurechnenist.
    权利要求:
    Claims (33)
    [1] Einrichtung zur Positionseinstellung längs einerAchse (12), mit einem längs der Achse (12)dehn- und zusammenziehbaren Element (26), das eine Formgedächtnislegierung(28) enthält,die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes (26) positionierbarist, einem Heizmittel (82) zum Einstellen der Temperatur derFormgedächtnislegierung(28) und einem Rückkopplungsmechanismus(32, 70) zum Regeln des Heizmittels (82)in Abhängigkeitvon Schwankungen der einzustellenden Position, wobei die Positiondurch das Heizmittel (82) einstellbar und durch den Rückkopplungsmechanismus(32, 70) stabilisierbar ist.
    [2] Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Achse (12) eine in die Tiefe weisende Achse ist.
    [3] Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnetdurch ein Vorspannmittel (44), das entweder dem Dehnenoder dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung (28)entgegenwirkt.
    [4] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass das Vorspannmittel dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung(28) entgegenwirkt.
    [5] Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Vorspannmittel (44) eine Feder ist.
    [6] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Rückkopplungsmechanismuseinen Rückkopplungssensor(332, 70) enthält,der die Position der Einrichtung erfasst und an das Heizmittel (82)ein Signal ausgibt, durch das die auf die Formgedächtnislegierung(28) angewandte Wärmegeändertwird.
    [7] Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass der Rückkopplungsmechanismusmehrere Rückkopplungssensoren(32, 70) enthält.
    [8] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass das Heizmittel (82) eine elektrischeStromquelle zum Erwärmender Formgedächtnislegierung(28) enthält.
    [9] Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Stromquelle ausgebildet ist, elektrischen Strom durch dieFormgedächtnislegierung(28) zu schicken und diese dadurch zu erwärmen.
    [10] Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,dass der elektrische Strom ein pulsbreitenmodulierter Strom ist.
    [11] Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass das Heizmittel (82) so ansteuerbar ist, dass der Betriebszyklusdes pulsbreitenmodulierten Stroms und damit dessen Mittelwert veränderbarsind.
    [12] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Rückkopplungsmechanismuseinen kapazitiven Sensor (70), einen Sensor mit variablemWiderstand, eine magnetischen Hall-Sensor, einen induktiven Sensor odereinen optischen Sensor (32) enthält.
    [13] Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass der kapazitive Sensor (70) ein Sensor mit Doppeldrahtspuleist, wobei die räumliche Trennungder Spulen (72a, 72b) des Sensors (70)in Abhängigkeitder Position der Einrichtung variiert, wodurch sich das Ausgangssignalsdes Sensors (70) ändert.
    [14] Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass der optische Sensor (32) eine gepulste, rote Leuchtdiode(48) und eine phasenverriegelte, verstärkende Erfassungsdiode (50)enthält.
    [15] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnetdurch ein langgestrecktes Element (30) zum Befestigen derFormgedächtnislegierung(28) an der Einrichtung, wobei dieses Element (30)longitudinal weitgehend starr und lateral flexibel ist.
    [16] Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass das langgestreckte Element (30) ein Bowdenzug ist.
    [17] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass das dehn- und zusammenziehbare Element (26)eines von mehreren gleichen Elementen ist.
    [18] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnetdurch eine flexible gedruckte Leiterplatte (126b), diezwischen zwei Teilen (20, 30) der Einrichtungangebracht ist, deren räumlicheTrennung voneinander mit Änderungder Position variiert, wodurch die Leiterplatte (126b)gebogen wird.
    [19] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnetdurch einen Mechanismus (132) zum Einstellen einer gewünschtenRuheposition in Richtung der Achse (12) derart, dass die anschließende Einstellungder Position auf diese Ruheposition bezogen ist.
    [20] Endoskop mit einem Lichtleiter (34)für Beleuchtungslicht, einemKondensor (22) zum Fokussieren des Beleuchtungslichtesauf ein Betrachtungsfeld (37) und einer Einrichtungnach einem der Ansprüche1 bis 19 zum Einstellen der Position des Betrachtungsfeldes (37).
    [21] Endoskop nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass die Position durch Bewegen einer Lichtaustrittsöffnung,durch Bewegen des Kondensorselementes oder durch Bewegen sowohlder Lichtaustrittsöffnungals auch des Kondensors (22) einstellbar ist, wobei diejeweilige Bewegung durch die Einrichtung zur Positionseinstellungsteuerbar ist.
    [22] Endoskop nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet,dass das Endoskop einen x-y-Abtastmechanismus (20) enthält, derdie Lichtaustrittsöffnungumfasst und dessen Position durch die Einrichtung einstellbar ist.
    [23] Endoskop nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet,dass das dehn- und zusammenziehbare Element (26) einesvon mehreren gleichen Elementen ist.
    [24] Endoskop nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet,dass das Endoskop ein konfokales Endoskop ist.
    [25] Endoskop nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet,dass das Endoskop ein Endomikroskop ist.
    [26] Mikroskop mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis19 zum Einstellen der Position eines Betrachtungsfeldes (37)des Mikroskops.
    [27] Kolonoskop mit einer Einrichtung nach einem derAnsprüche1 bis 19.
    [28] Verfahren zur Positionseinstellung längs einerAchse (12), mit folgenden Schritten: Bereitstelleneines längsder Achse (12) dehn- und zusammenziehbaren Elementes (26),das eine Formgedächtnislegierung(28) enthält,die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes (26) positionierbarist, Einstellen der Längeder Formgedächtnislegierung (28) über einHeizmittel (82) und Erzeugen eines Rückkopplungssignalsals Reaktion auf Schwankungen der einzustellenden Position und Regelndes Heizmittels (82) mit dem Rückkopplungssignal zur Stabilisierungder Position, wobei die Position durch das Heizmittel (82)einstellbar und durch das Rückkopplungssignalstabilisierbar ist.
    [29] Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,dass die Achse (12) eine in die Tiefe weisende Achse ist.
    [30] Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet,dass dem Dehnen oder dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung(28) durch ein Vorspannmittel (44) entgegengewirktwird.
    [31] Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,dass das Vorspannmittel (44) eine Feder ist.
    [32] Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet,dass das Vorspannmittel (44) dem Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung (28)entgegenwirkt.
    [33] Verfahren zur Endoskopie oder Kolonoskopie, mitfolgenden Schritten: Anordnen eines optischen Kopfes an einer zuuntersuchenden Stelle und Einstellen der Position eines für die Endoskopieoder Kolonoskopie vorgesehenen Betrachtungsfeldes zumindest teilweisemittels einer Formgedächtnislegierung(28).
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    US10362927B2|2019-07-30|Endoscope with pannable camera
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    US20020082466A1|2002-06-27|Laser surgical system with light source and video scope
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US20040220453A1|2004-11-04|
    JP4842518B2|2011-12-21|
    JP2004321792A|2004-11-18|
    US7294102B2|2007-11-13|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2008-12-04| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: HOYA CORP., TOKIO/TOKYO, JP Owner name: OPTISCAN PTY LTD., NOTTING HILL, VICTORIA, AU |
    2011-06-09| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2011-06-09| R012| Request for examination validly filed|Effective date: 20110322 |
    2015-05-03| R082| Change of representative|Representative=s name: SCHAUMBURG UND PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Representative=s name: SCHAUMBURG & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Representative=s name: SCHAUMBURG & PARTNER PATENTANWAELTE GBR, DE |
    2015-05-28| R016| Response to examination communication|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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