ВИДЕОЛАПАРОСКОП Российский патент 2003 года по МПК A61B1/05 

Изобретение относится к оптическому медицинскому приборостроению, а именно к эндоскопическим приборам, предназначенным для обзора внутренних полостей, недоступных прямому наблюдению, во время хирургических операций.

В настоящее время эндохирургическая технология широко распространилась по всему миру. Одной из существенных особенностей эндоскопической хирургии является то, что осмотр внутренних органов и манипуляции с ними производят опосредованно при помощи видеомонитора в отличие от прямого визуального контроля в открытой хирургии. Видимое пространство ограничено, а объекты увеличены в несколько раз. При этом важнейшими проблемами при создании современных эндоскопов являются:
- обеспечение рассмотрения изображения в различных необходимых ракурсах;
- обеспечение возможности рассмотрения на мониторе изображения, правильно ориентированного относительно горизонта;
- обеспечение возможности фокусирования изображения.

Попытки решения указанных проблем встречаются в технической и патентной литературе. Эндоскопические приборы, имеющие гибкую рабочую часть, получили название видеоэндоскопов, а приборы с жесткой рабочей частью называют видеолапароскопами.

В видеолапароскопах решение проблемы рассмотрения исследуемой области в разных ракурсах достигается за счет изменения направления наблюдения (например, 30 или 70^o к оси лапароскопов).

Известен видеолапароскоп [1] последнего поколения японской фирмы Olympus Kogaku Kogyo K.K., направление обзора которого составляет 30^o. Известный видеолапароскоп [1] обладает очень высокими оптическими характеристиками. В дистальном конце видеолапароскопа вмонтирована ПЗС-матрица, обеспечивающая высокое качество изображения. Несмотря на несомненные достоинства, недостатком известного видеолапароскопа [1] является отсутствие возможности ориентирования изображения, полученного на мониторе, относительно горизонта.

Этот недостаток устранен в известном эндоскопе [2], наиболее близком по своей технической сущности к предлагаемому изобретению и поэтому выбранном в качестве прототипа.

Известное устройство [2] предназначено для осмотра внутренних полостей тела человека и содержит наружный полый элемент - ствол, вставляемый в исследуемую область; удлиненный внутренний элемент - трубку, расположенную внутри наружного полого элемента; оптический блок, состоящий из оптического элемента - объектива, обеспечивающего направление наблюдения под углом относительно оси прибора и расположенного на дистальном конце ствола, и детектора изображения, установленного на дистальном конце внутренней трубки. С помощью исполнительного механизма, расположенного в головке эндоскопа и содержащего два привода, имеется возможность первым приводом осуществлять поворот детектора изображения относительно объектива, а вторым приводом - осуществлять аксиальное перемещение внутренней трубки, а следовательно, и установленного на ней детектора изображения относительно объектива, что необходимо для получения резкого изображения на мониторе (фокусировка). Передача света от внешнего источника на дистальный конец ствола осуществляется по оптоволоконному кабелю на соединитель, расположенный на задней стороне головки, которая в свою очередь соединяется с одним из концов собранных в жгут опических волокон. Далее жгут проходит через головку и попадает в полость, образованную между наружной и внутренней трубками ствола, и заканчивается на дистальном конце ствола. Таким образом, в известном эндоскопе [2] предусмотрен "стык" оптического волокна. В устройстве [2] решена задача получения правильно ориентированного (конгруэнтного) изображения на мониторе, однако следует отметить следующие недостатки, присущие техническому решению, выбранному в качестве прототипа.

Хирургу во время операции необходимо рассматривать изображение в различных ракурсах, но желательно, чтобы оно было все время неподвижным и правильно сориентированным на экране дисплея относительно горизонта. В известном устройстве [2] для обзора исследуемой области необходимо поворачивать всю головку вместе со стволом. Для поддержания правильно сориентированного изображения необходимо либо удерживать в неподвижном положении первый привод вышеописанного сложного механизма, либо произвести возврат повернутого изображения в исходное положение. Таким образом, конструкция видеолапароскопа-прототипа нарушает привычную последовательность действий хирурга, сложившуюся при проведении операций при помощи оптических лапароскопов. Работая с такими лапароскопами, хирург вводил и поворачивал его относительно камеры головки, осуществлял фокусировку изображения на мониторе и рассматривал исследуемый объект, при этом само воспроизведенное изображение оставалось конгруэнтным. Уход от такого привычного порядка проведения лапароскопической операции, обусловленный вышеописанной конструкцией прибора, не оправдан и является существенным недостатком известного видеолапароскопа [2].

Другим недостатком известного устройства [2] является сложность конструкции механизма, осуществляющего поворот детектора изображения относительно объектива. Механизм состоит из множества деталей, а именно гребня, согласованного с вертикальным размером поверхности формирования изображения ПЗС-матрицы, штифта, втулки с двумя пазами, шпонки, пружины, а также герметизирующих и прижимающих их элементов. Неизбежным последствием такой сложной кинематики будет являться неустойчивость изображения на экране дисплея.

Недостатком прототипа является также следующее. Второй привод, осуществляющий аксиальное перемещение детектора изображения (механизм фокусировки), состоит из большого числа элементов, а именно фокусировочной ручки, фокусировочной втулки с резьбой, штифтов, направляющего кольца с пазами, стопорного кольца, гайки для регулирования фокуса, шайбы и тарельчатой пружины. Эти элементы для обеспечения фокусировки необходимо вводить внутрь головки, что требует дополнительной герметизации. Сложна также установка исходного положения фокуса.

К недостаткам прототипа следует также отнести наличие вышеупомянутого "стыка" оптического волокна, который несмотря на все принятые меры (тщательную полировку проксимальных концов каждого из волокон, специальную конструкцию светового соединителя) неизбежно приводит к световым потерям.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение удобства эксплуатации прибора, заключающееся в обеспечении сложившейся при проведении лапароскопических операций последовательности действий хирурга, при одновременном повышении точности и достоверности диагностики, осуществляемой видеолапароскопом, и упрощении его конструкции.

Для достижения этого технического результата предлагается видеолапароскоп, который как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, содержит вводимый в исследуемую область ствол с объективом на дистальном конце. Внутри ствола расположена трубка, имеющая на дистальном конце детектор изображения. На проксимальном конце ствола установлена головка, включающая фокусировочное кольцо, а также направляющий элемент и винт, образующие резьбовую пару, выполненную с возможностью осевого перемещения трубки с детектором изображения вдоль оси ствола. Жгут оптических волокон проведен от источника света через соединитель и головку к дистальному концу ствола. Особенностью предлагаемого изобретения, отличающей ее от известного видеолапароскопа [3] , принятого за прототип, является то, что ствол выполнен с возможностью поворота относительно корпуса головки на угол, больше 360^o. Кроме того, фокусировочное кольцо соединено с первым приводным магнитом, примыкающим к торцевой поверхности ступенчатого корпуса и выполненным с возможностью взаимодействия со вторым магнитом, идентичным первому по геометрическим и магнитным параметрам. Второй магнит закреплен в оправе, соединенной через штифт с винтом резьбовой пары, а жгут оптических волокон представляет собой бесстыковой светопровод.

Для уменьшения удельной световой, а следовательно, и тепловой нагрузки на склеивающие вещества в торцевой части волоконно-оптического жгута соединитель снабжен столбиком-световодом, выполненным с возможностью полного внутреннего отражения светового пучка.

Выполнение задач, поставленных при создании предлагаемого изобретения стало возможным благодаря следующему.

В предложенном видеолапароскопе предусмотрена возможность поворота ствола относительно корпуса головки на угол, несколько больший, чем 360^o, например на 370^o. Такого угла более чем достаточно для осуществления кругового обзора исследуемой области, при этом механизм, осуществляющий поворот ствола прост, он состоит всего из четырех деталей. Эта возможность является существенным отличием от прототипа, в котором для обзора исследуемой области необходимо поворачивать всю головку, так как она жестко связана со стволом, нарушая при этом привычную последовательность действий хирурга, сложившуюся при проведении операций при помощи оптических лапароскопов. К тому же в прототипе во время поворота головки со стволом непрерывно меняется ориентация изображения на мониторе, что затрудняет работу хирурга. И хотя в прототипе есть возможность "остановить", зафиксировать изображение, многолетняя практика работы авторов предлагаемого изобретения в тесном контакте с хирургами привела к выводу о том, что оптимальным вариантом для хирурга вовремя операции является наличие на мониторе неподвижного, правильно ориентированного относительно горизонта изображения. Это реализовано в заявляемом изобретении в виде простой, очень компактной и надежной конструкции. При этом удалось обойтись без громоздкого механизма поворота воспроизводимого изображения, имеющегося в прототипе, значительно упростив в целом конструкцию видеолапароскопа и обеспечив сложившуюся при проведении лапароскопических операций последовательность действий хирурга.

Далее в предлагаемом изобретении для осевого перемещения детектора изображения (ПЗС-матрицы), то есть для получения резкого изображения, воспроизводимого на мониторе, использовано ранее запатентованное техническое решение - устройство магнитной фокусировки [3], работа которого основана на взаимодействии торцевых поверхностей кольцевых многополюсных постоянных магнитов. Магнитный фокусирующий привод имеет существенные преимущества перед механическим приводом прототипа, обеспечивая плавность вращения фокусировочного кольца, а следовательно, удобство и легкость проведения фокусировки изображения. Это преимущество обеспечивается за счет того, что весь процесс преобразования вращательного движения фокусировочного кольца в поступательное перемещение объекта фокусирования (трубки с детектором изображения - ПЗС-матрицей) происходит внутри герметичной камеры. Дополнительные герметизирующие элементы не требуются, что имело место в прототипе, легкости хода объекта фокусирования ничто не препятствует. Таким образом, упростилась конструкция механизма фокусировки, который и является механизмом осевого перемещения трубки с детектором изображения, а удобство эксплуатации прибора повысилось.

В отличие от прототипа, в котором имеется "стык" оптического волокна, в предлагаемом изобретении волоконно-оптический жгут - это сплошной бесстыковой световод, проходящий от источника света к дистальному концу ствола. Благодаря этому световые потери сведены к минимуму, при этом освещенность объекта наблюдения, а следовательно, и достоверность диагностики повысилась.

Встроенное в соединитель устройство, представляющее столбик-световод, выполненный с возможностью полного внутреннего отражения светового пучка (см. п.2 формулы), предохраняет вещества, склеивающие оптические волокна, от прогорания, что дает возможность использовать видеолапароскоп со всевозможными типами осветителей, повышая удобство эксплуатации прибора.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - общий вид видеолапароскопа;
на фиг.2 - осевой разрез ствола видеолапароскопа, изображенного на фиг. 1;
на фиг.3 - головка видеолапароскопа (осевой разрез);
на фиг.4 - механизм осевого перемещения трубки с детектором изображения (аксонометрическая проекция);
на фиг.5 - механизм поворота ствола (аксонометрическая проекция);
на фиг.6 - соединитель с устройством, предохраняющим волокно от прогорания (осевой разрез).

Видеолапароскоп состоит из вводимого ствола 1 со скошенным дистальным концом 2. В дистальном конце 2 ствола 1 в гильзе 3 установлен объектив 4 (см. фиг. 2). Внутри ствола 1 расположена трубка 5, на дистальном конце которой закреплен детектор изображения 6, представляющий собой ПЗС-матрицу, в качестве которой может быть использована, например, выпускаемая японской фирмой Sony ПЗС-матрица ICX-209 АКВ. Трубка 5 с детектором изображения (ПЗС-матрицей) 6 поддерживается с двух сторон: со стороны дистального конца она установлена в подшипнике 7, который исключает возможное дрожание детектора изображения 6 при повороте рабочего ствола 1, а ее проксимальный конец закрепляется в направляющем элементе 8 (см. фиг.3, 4) при помощи планки 9. Направляющий элемент 8 представляет собой гайку с трехзаходной резьбой, образующую с винтом 10 резьбовую пару, осуществляющую осевое перемещение трубки 5 с детектором изображения 6 вдоль оси ствола 1. Величина осевого перемещения трубки 5 с детектором изображения 6 относительно объектива 4 определяется величиной угла паза 11, выполненного в крышке 12, запирающей винт 10 в осевом направлении. Внутри трубки 5 проходят электрические провода, по которым генерируемые детектором изображения (ПЗС-матрицей) 6 электрические сигналы поступают на плату 13 электронного блока первичной обработки сигнала. Трубка 5 с детектором изображения 6 установлена внутри гильзы 3, представляющей собой тонкостенную трубку (см. фиг.2), служащую направляющей для трубки 5 при ее перемещении относительно объектива 4. Гильза 3 жестко соединена, например, с помощью пайки с втулкой 14 и трубкой 15. Головка 16 видеолапароскопа - это узел, за который врач держит прибор во время операции. Она снабжена органами управления: фокусировочным кольцом 17 и рукояткой 18 поворота ствола 1 видеолапароскопа. Головка 16 состоит из корпуса 19, в который вставлен проксимальный конец ствола 1 и винт 10 резьбовой пары, осуществляющей осевое перемещение ПЗС-матрицы 6. Внутри головки расположен магнитный фокусирующий привод, осуществляющий преобразование вращательного движения фокусировочного кольца 17 в осевое перемещение трубки 5 с детектором изображения (ПЗС-матрицей) 6.

Конструкция магнитного фокусирующего привода, в котором надежная ферромагнитная связь между приводным и приводимым магнитами обеспечена через торцевые поверхности кольцевых многополюсных магнитов, запатентована в России (заявитель: ЭФА-МВТ) и подробно описана в литературе [3]. Основанный на этом же принципе магнитный фокусирующий привод, использованный в предлагаемом изобретении, содержит упомянутое выше фокусировочное кольцо 17, к которому жестко присоединен, например приклеен, первый приводной магнит 20, примыкающий к наружной торцевой поверхности ступенчатого корпуса 21 (см. фиг.3 и 4). Магнит 20 через стенку ступенчатого корпуса 21 взаимодействует со вторым, идентичным первому по своим геометрическим и магнитным параметрам, магнитом 22, закрепленным в оправе 23, в которой установлен штифт 24, проходящий через вышеупомянутый паз 11 и связывающий оправу 23 с винтом 10 и далее направляющим элементом 8, осуществляющим осевое перемещение трубки 5 с детектором изображения 6. Направляющие сегменты 25 элемента 8 входят в пазы 26 корпуса 19 (см. фиг.4), обеспечивая его осевое перемещение и одновременно удерживая элемент 8 от поворота относительно корпуса 19 головки 16. Внутри головки 16 располагается также упомянутая выше плата 13 электронного блока первичной обработки сигнала и смонтированный в корпусе 19 головки 16 специальный механизм, представленный на фиг.5, предназначенный для ограничения угла поворота ствола 1 относительно корпуса 19 головки на угол, несколько больший 360^o.

Механизм ограничения угла поворота ствола 1 состоит из втулки 27, неподвижно закрепленной, например, при помощи пайки на проксимальном конце ствола 1. Втулка 27 снабжена торцевым выступом 28. Далее за втулкой 27 установлена с возможностью поворота относительно ствола 1 втулка 29 с двумя выступами 30 и 31. Поверх втулок 27 и 29 одета втулка 32 с фланцем 33 и торцевым пазом 34. Втулка 35 с фланцем 36 вставлена внутрь ствола 1. Через фланцы 33 и 36 втулка 32 соединена с корпусом 19 головки 16. При повороте ствола 1 выступ 28 сцепляется с выступом 30 и поворачивает втулку 29, которая своим вторым выступом 31 упирается в край паза 34, ограничивая поворот ствола на угол, несколько больший 360^o, например 370^o. Рукоятка 18 поворота ствола 1 жестко закреплена на стволе 1 с помощью цангового зажимного устройства 37 (см. фиг. 3). Для освещения исследуемой области служит волоконно-оптический жгут 38, сплошной на всем протяжении от источника света 39 до дистального конца 2 ствола 1 (см. фиг.1). К источнику света 39 волоконно-оптический жгут 38, заключенный в гибкий тубус 40, подсоединен с помощью соединителя 41. Дойдя до разветвителя 42, волоконно-оптический жгут 38 соединяется с электрическими проводами, следующими от блока 43 управления камерой по тубусу 44. От разветвителя 42 волоконно-оптический жгут 38 и электрические провода по общему тубусу 45 следуют до головки 16, внутри которой жгут 38 разделяется, например, на две косы. В пространстве, образованном между стволом 1 и трубкой 15 (см. фиг.2), волокна находятся в расслабленном состоянии, что предохраняет их от изломов при повороте ствола 1. На дистальном конце 2 волокна размещаются в кольцевом пространстве, образованном гильзой 3 и стволом 1, таким образом, чтобы свет направлялся от источника 39 в сторону наблюдаемой области "А" под углом "α". Представленный на фиг.6 соединитель 41 снабжен устройством, защищающим вещества, склеивающие оптические волокна, от прогорания. Устройство представляет собой столбик-световод 46, обеспечивающий полное внутреннее отражение светового пучка. Торец столбика-световода 46 упирается в защитное стекло 47 и поджимается к нему.

В процессе использования видеолапароскопа свет от источника света 39 проходит по непрерывному жгуту оптических волокон 38 на дистальный конец 2 ствола 1 и освещает наблюдаемую область "А". Отразившись от объектов, расположенных в наблюдаемой области, свет собирается в объективе 4, проходит в детектор изображения (ПЗС-матрицу) 6, в которой он преобразуется в электрические сигналы. Электрические сигналы передаются на схему электронного блока первичной обработки сигнала, смонтированную на плате 13, расположенной внутри головки 16 видеолапароскопа, и далее поступают в блок 43 управления камерой. Полученное изображение воспроизводится на экране монитора 48. Поворачивая фокусировочное кольцо 17, хирург фокусирует изображение на мониторе, после чего, поворачивая рукоятку 18, осуществляет обзор исследуемой области и выбирает объект для предстоящей операции.

Таким образом, техническое решение, предложенное в заявляемом изобретении, позволяет осуществлять лапароскопические операции в привычной для хирурга последовательности, сложившейся при проведении подобных операций. Наблюдаемое хирургом на TV-мониторе изображение правильно сориентировано относительно горизонта и неподвижно в процессе всей операции, что повышает точность и достоверность диагностирования, при этом по сравнению с прототипом конструкция видеолапароскопа существенно упрощена.

Источники информации
1. Видеолапароскоп модели А 4942 А (PAL). Проспект фирмы Olympus, с. 16-17, раздел видеолапароскопы, июнь 1998.

2. Патент США 5797836, кл. А 61 В 1/05, опубл. 25.08.98 - прототип.

3. Патент РФ 2164700, кл. G 02 B 23/24, А 61 В 1/04, опубл. 27.03.01.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для обзора внутренних полостей, недоступных прямому наблюдению, во время хирургических операций. Видеолапароскоп содержит вводимый в исследуемую область ствол с объективом на дистальном конце. Внутри ствола расположена трубка, имеющая на дистальном конце детектор изображения. На проксимальном конце ствола установлена головка, включающая фокусировочное кольцо, а также направляющий элемент и винт, образующие резьбовую пару, выполненную с возможностью осевого перемещения трубки с детектором изображения вдоль оси ствола. Жгут оптических волокон проведен от источника света через соединитель и головку к дистальному концу ствола. Ствол выполнен с возможностью поворота относительно корпуса головки на угол больше 360^o. Фокусировочное кольцо соединено с первым приводным магнитом, примыкающим к торцевой поверхности ступенчатого корпуса и выполненным с возможностью взаимодействия со вторым магнитом, идентичным первому по геометрическим и магнитным параметрам. Второй магнит закреплен в оправе, соединенной через штифт с винтом резьбовой пары, а жгут оптических волокон представляет собой бесстыковой светопровод. Соединитель может быть снабжен столбиком-световодом, выполненным с возможностью полного внутреннего отражения светового пучка. Использование изобретения позволяет повысить удобство эксплуатации прибора при повышении точности и достоверности диагностики. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Видеолапароскоп, содержащий вводимый в исследуемую область ствол с объективом на дистальном конце и расположенной внутри него трубкой, имеющей на дистальном конце детектор изображения, при этом на проксимальном конце ствола установлена головка, включающая фокусировочное кольцо, а также направляющий элемент и винт, образующие резьбовую пару, выполненную с возможностью осевого перемещения трубки с детектором изображения вдоль оси ствола, при этом жгут оптических волокон проведен от источника света через соединитель и головку к дистальному концу ствола, отличающийся тем, что ствол выполнен с возможностью поворота относительно корпуса головки на угол больше 360^o, фокусировочное кольцо соединено с первым приводным магнитом, примыкающим к торцевой поверхности ступенчатого корпуса и выполненным с возможностью взаимодействия со вторым, идентичным первому по геометрическим и магнитным параметрам, магнитом, закрепленным в оправе, соединенной через штифт с винтом резьбовой пары, при этом жгут оптических волокон представляет собой бесстыковой светопровод. 2. Видеолапароскоп по п. 1, отличающийся тем, что соединитель снабжен столбиком-световодом, выполненным с возможностью полного внутреннего отражения светового пучка.